c) Di chuyển của vi sinh vật
V.2. QUÁ TRÌNH TỰ LÀM SẠCH NƯỚC MẶT
V.2.1. Hiện tượng tự làm sạch
Khi các chất ô nhiễm là những muối vô cơ hòa tan được xả vào nước (như NaCl, KCl...) sẽ không diễn ra một sự thay đổi nào rõ rệt ngoại trừ sự pha loãng tự nhiên tăng lên liên tục khi con sông tăng dần thể tích trong quá trình chảy ra biển do sựđổ vào của các sông nhánh và sự tăng lên của tổng diện tích vùng tập trung nước.
Hầu hết các muối của acid vô cơ thuộc loại này mặc dù đôi khi những thay đổi hóa học cũng có thể diễn ra do chúng tác dụng với những chất khác có trong nước sông. Chẳng hạn ZnSO4 có thể phản ứng với kiềm bicarbonat tự nhiên của nước sông, làm cho một lượng kẽm tạo ra hợp chất kết tủa rời khỏi dung dịch. Tuy vậy điều đó cũng không gây nên sự
phá hoại chất vô cơ mà chỉ gây ra sự chuyển hóa nó từ dạng hòa tan trong nước sang dạng hòa tan bùn cặn ởđáy sông. Nếu điều kiện thay đổi (ví dụ pH giảm do chất thải chứa acid) thì lượng kẽm đã kết tủa lại được chuyển từ bùn cặn vào dạng hòa tan trong nước.
Ngược lại khi một dòng sông bị ô nhiễm bởi các chất hữu cơ (nước thải cống rãnh và nhiều chất thải công nghiệp khác), nó sẽ tự khôi phục lại trạng thái trong sạch ban đầu bởi các quá trình tự nhiên. Tiến trình tự làm sạch phụ thuộc vào các tính chất hóa học, lý học, thủy học và đặc biệt là yếu tố sinh học của nguồn nước. Ví dụ hiện tượng pha loãng, lắng cặn và ánh sáng mặt trời là các yếu tố xác định việc “làm sạch” các chất ô nhiễm trong nước thải. Tuy nhiên quá trình quan trọng hơn cả của quá trình tự làm sạch là sự
phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ bởi vi sinh vật. Những vi khuẩn này sử dụng chất hữu cơ làm thức ăn, phân tích các hợp chất phức tạp tạo thành các sản phẩm cuối cùng đơn giản hơn và ít độc hại.
Lượng chất hữu cơ của một dòng chảy có thể bị đồng hóa bởi vi khuẩn giới hạn bởi lượng oxy hòa tan sẵn có trong nguồn nước. Do đó, quá trình này phụ thuộc vào tốc độ
tiêu thụ oxy của quá trình oxy hóa sinh hóa và tốc độ hòa tan của oxy trong khí quyển vào nguồn nước, và phụ thuộc ít hơn vào các quá trình khác như sự quang hợp và việc oxy hóa các chất lắng đọng dưới đáy thủy vực. Trong trường hợp tất cả lượng oxy hòa tan bị tiêu thụ hết, trạng thái yếm khí sẽ xuất hiện và quá trình tự làm sạch sẽ không thể
diễn ra. Vì vậy tùy theo lượng chất hữu cơ thải ra trong dòng chảy, lượng oxy sẽ biến đổi như biểu thị trong hình 5.1.
Tại điểm xả nước thải, nhu cầu oxy cho việc phân hủy các chất hữu cơ vượt quá tốc độ
hòa tan của oxy từ khí quyển vào nguồn nước, do đó nồng độ oxy hòa tan sẽ giảm đi. Tại một điểm nào đó ở hạ lưu, tốc độ hòa tan oxy khí quyển vào nguồn nước cân bằng với tốc
độ tiêu thụ oxy của các vi sinh vật. Tại điểm tới hạn này lượng oxy hòa tan trong nguồn nước bị suy giảm lớn nhất. Sau điểm này, nồng độ oxy hòa tan tăng lên từ từ cho tới giá trị bão hòa.
Tiến trình này cũng phụ thuộc vào nhiệt độ. Trong mùa hè nhiệt độ cao lượng oxy hòa tan vào nước thấp hơn vào mùa đông, điều này có nghĩa là việc phân hủy các chất ô nhiễm trong mùa hè sẽ sử dụng hết lượng oxy của dòng chảy chỉ trong một khoảng thời gian ngắn và tiếp theo đó sẽ là giai đoạn yếm khí. Thêm vào đó, tốc độ oxy hóa các chất hữu cơ sẽ
nhanh hơn ở nhiệt độ cao hơn, khi đó quá trình tự làm sạch vì vậy sẽ diễn ra nhanh hơn.
Hình 5.1. Sự thay đổi DO theo khoảng cách về phía hạ lưu tính từđiểm nhận nước thải
V.2.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tự làm sạch của dòng chảy
a) Nồng độ oxy hòa tan
Nếu trong nước có nồng độ oxy hòa tan lớn (điều kiện háo khí) thì hoạt động của nhóm vi sinh vật háo khí được đẩy mạnh, quá trình phân hủy chất hữu cơ diễn ra nhanh và tạo ra các sản phẩm cuối cùng ít độc hại. Trong trường hợp này ta có sơ đồ chuyển hóa dưới tác dụng của vi khuẩn: Ô nhiễm nhẹ Ô nhiễm vừa Ô nhiễm nặng 100 50 0 N ồ ng độ
oxy hòa tan
Khoảng cách từđiểm xảđến điểm khảo sát về phía hạ lưu Điểm xả
Carbon hữu cơ + O2 → CO2 Hydro hữu cơ + O2 → H2O
Nitơ hữu cơ + O2 → NO3-
Lưu huỳnh hữu cơ + O2 → SO42- Phospho hữu cơ + O2 → PO43+
Ngược lại nếu nồng độ oxy thấp hoặc không có thì việc phân hủy chất hữu cơ do nhóm vi khuẩn yếm khí thực hiện, sản phẩm tạo ra có mùi hôi và có tính độc hại.
Carbon hữu cơ → CH4, CO2 Nitơ hữu cơ → NH3
Lưu huỳnh hữu cơ → H2S Phospho hữu cơ → PH3
b) Loại chất hữu cơ
Tốc độ tự làm sạch của nước phụ thuộc vào tính chất của chất hữu cơ gây ô nhiễm. Có những chất hữu cơ dễ dàng bị phân hủy như protein, đường, chất béo... và cũng có những chất khó phân hủy như lignin, cenlulo... Những chất hữu cơ clo hóa như DDT, BHC (benzen hecxa clorua)... có tính bền sinh học cao nên tồn tại khá lâu trong nước. Các chất mùn là những chất hữu cơ phức tạp rất bền đối với sự phân hủy sinh học nên thường tồn tại dưới dạng bùn cặn màu đen hay nâu đen.
c) Lực sinh học
- Vi khuẩn: là loại vi sinh vật quan trọng nhất trong việc phân rã các chất hữu cơ và là tác nhân thu gom có hiệu quả chất hữu cơ trong dung dịch loãng. Vi khuẩn oxy hóa chất hữu cơ có thể tự cung cấp đủ năng lượng nhằm tổng hợp những phần tử hữu cơ
phức tạp cần cho sự hình thành các tế bào mới. Sự hấp thụ thức ăn của vi khuẩn diễn ra trên toàn bộ bề mặt của nó. Mỗi vi khuẩn có một diện tích bề mặt rất lớn so với trọng lượng của nó. Diện tích bề mặt của vi khuẩn khô là 62.500 m2/kg, trong khi đó
ở người chỉ có 0,168 m2/kg.
- Tảo: tảo không phân rã chất hữu cơ. Dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời, tảo và các loài thực vật sống trong nước sử dụng CO2 hòa tan và các thành phần dinh dưỡng thực vật để thực hiện quá trình quang hợp tạo ra oxy. Bằng cách này tảo có vai trò thúc đẩy quá trình phân hủy háo khí.
- Động vật nguyên sinh: các động vật nguyên sinh trong nước không chỉ tiêu thụ các chất hữu cơ chết mà còn sử dụng cả tảo và vi khuẩn làm thức ăn cho mình, do đó góp phần giữ sự cân bằng sinh học thích hợp trong dòng chảy.
- Giáp xác: có vai trò tương tựđộng vật nguyên sinh. Giáp xác sử dụng tảo và động vật nguyên sinh làm thức ăn.
- Giun: sử dụng bùn cặn lắng đọng ở đáy sông làm thức ăn nên giun giữ vai trò lớn trong quá trình phân hủy chất lắng đọng.
d) Các chất độc
Sự có mặt của bất kỳ các chất độc nào (kim loại nặng, cyanua, fenol...) cũng sẽ làm giảm khả năng tự làm sạch của dòng chảy do chúng tiêu diệt hoặc ngăn cản sự phát triển của các vi sinh vật. Tác hại của chất độc trong trường hợp này phụ thuộc vào bản chất của chất độc và nồng độ của nó trong nước.
e) Các đặc tính vật lý của dòng chảy
Tốc độ, lưu lượng, độ sâu, mặt cắt ngang, đặc tính đáy (sỏi, cuội, cát...), độ nhám lòng kênh dẫn… của dòng chảy đều là những yếu tốảnh hưởng đến tốc độ khuếch tán oxy từ
không khí vào nước gây ảnh hưởng đến quá trình tự làm sạch của nước.
f) Sự pha loãng
Khi chất độc được xả vào dòng chảy thì sự pha loãng có vai trò quan trọng trong việc làm giảm mức độ ô nhiễm tạo điều kiện cho quá trình hoạt động phân hủy của các vi sinh vật hiếu khí. Nước pha loãng có thểđến từ các nguồn khác nhau như nước ngầm, nước từ các sông nhánh, nước tiêu trong khu vực, đặc biệt trong thời gian có mưa.
g) Các điều kiện thời tiết khí hậu
Ánh nắng mặt trời thúc đẩy quá trình quang hợp tạo oxy nên có vai trò thúc đẩy nhanh sự
tự làm sạch. Hoạt động của gió có tác dụng làm tăng quá trình khuếch tán oxy từ khí quyển vào nước tạo điều kiện tốt cho sự phân hủy háo khí.
h) Sự lắng đọng
Bùn cặn ở đáy dòng chảy được tạo ra do sự sa lắng của các chất lơ lửng trong nước thải và do sự đông tụ của các chất keo, sự tạo thành các mùn không tan. Sự oxy hóa những chất lắng đọng này có thể diễn ra trong một thời gian dài. Chất lắng đọng bùn cặn do nhu cầu oxy cao có thể tác động xấu đến sự tự làm sạch do thiếu oxy hòa tan.
Quá trình phân hủy yếm khí trong lớp bùn cặn này thường kèm theo sự tạo khí làm bùn cặn bịđẩy nổi lên mặt nước.
i) Nhiệt độ
Nhiệt độ có ảnh hưởng lớn đến tốc độ các phản ứng sinh hóa nên là một yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ tự làm sạch của dòng chảy.
V.3. QUẢN LÝ LƯU VỰC NƯỚC NGẦM
Việc phát triển tối đa nguồn nước ngầm cho các mục đích kinh tế và xã hội cần được hiểu như vấn đề quy hoạch hoàn chỉnh một lưu vực. Chúng ta cần nhận thức rằng lưu vực ở đây là một hồ chứa nước ngầm và việc sử dụng nước của một hộ này sẽ có ảnh hưởng
đến việc cấp nước của các hộ khác. Các mục tiêu quản lý phải được lựa chọn để phát triển và vận hành các bể chứa ngầm. Để làm được điều này chúng ta phải nghiên cứu về
nhiều lĩnh vực như địa chất thủy văn, kinh tế, tài chính, luật pháp, chính trị... Việc phát triển kinh tế tối ưu nguồn nước của một lưu vực đòi hỏi phải có một sự nghiên cứu tổng hợp, sự phối hợp sử dụng nước mặt và nước ngầm. Sau khi đánh giá được tổng lượng nước và chuẩn bị cho những kế hoạch quản lý cần phải có những quyết định thực thi bởi các cơ quan chức năng của nhà nước và các tổ chức chuyên ngành.
V.3.1. Những nội dung về quản lý lưu vực nước ngầm
Quản lý lưu vực ngầm bao gồm các chương trình phát triển và sử dụng nguồn nước dưới
đất cho những mục tiêu đã đề ra mà phổ biến nhất là các vấn đề kinh tế, xã hội. Nhìn chung điều mong muốn của chúng ta là lấy được lượng nước ngầm lớn nhất với chất lượng cho phép và giá thành kinh tế nhất. Vì lưu vực ngầm được xem như một bể chứa ngầm, song do các đặc tính thủy văn địa chất nên việc lấy nước thông qua các giếng ở
một vị trí này sẽảnh hưởng đến lượng nước phải lấy ở tất cả các vị trí khác trên lưu vực. Nước ngầm được khai thác như các tài nguyên khác nhưng đây là một nguồn khá đặc biệt vì nó là một tài nguyên có thể khôi phục lại được. Tuy nhiên trong thực tếđiều này chỉ
xảy ra khi tồn tại sự cân bằng giữa nguồn nước trả lại cho lưu vực từ bề mặt và lượng nước bơm lên từ các giếng.
Việc sử dụng nước ngầm ban đầu chỉ là một vài giếng nằm rải rác trên lưu vực, song ngày càng nhiều giếng được đào hơn và đến một lúc nào đó lưu lượng nước lấy lên vượt quá lưu lượng bổ sung lại cho các bể ngầm. Sau thời điểm này nếu tiếp tục khai thác nước ngầm mà không có sự quản lý sẽ dẫn đến làm cạn kiệt và phá hủy các bể chứa nước ngầm. Ngoài ra hiện tượng xâm nhập mặn cũng gây ảnh hưởng đến các bể chứa ngầm. Các dự báo về yêu cầu sử dụng nước trong tương lai đã chỉ ra rằng nếu không có sự quản lý hoặc thiếu sự quản lý các bể chứa ngầm thì không thể hy vọng tiếp tục có đủ nguồn nước cho các mục đích kinh tế và xã hội. Mục tiêu quản lý sẽ bao gồm việc sử dụng một cách kinh tế nguồn nước ngầm và cung cấp nguồn nước một cách liên tục để đáp ứng yêu cầu ngày một tăng về nguồn nước ngầm.
Bảng 5.6. Một sốưu điểm và hạn chế của các bể chứa ngầm và chứa mặt
Bể chứa ngầm Hồ chứa mặt
Ưu điểm Hạn chế
Ở nhiều dưới lòng đất, không chiếm diện tích
Chỉ có một số vị trí thuận lợi, đất bị mất khá nhiều
Không hoặc ít bốc hơi Tổn thất do bốc hơi là đáng kể
Không sợ nguy cơ phá hủy Dễ bị các hư hỏng và phá hủy
Nhiệt độ nước không thay đổi Nhiệt độ nước dao động theo thời gian Khá sạch Từ bẩn cho đến rất bẩn
Không bị nhiễm và các chất thải phóng xạ Dễ bị phóng xạ
Không cần hệ thống dẫn nước để sử dụng
hoặc nếu cần thì không quá lớn Cần kênh mương dẫn nước đi xa
Hạn chế Ưu điểm
Muốn có nước cần phải bơm Tự chảy
Chỉ trữ và dẫn đến sử dụng (1 mục đích) Có thể sử dụng đủ mục tiêu Trong nước có nhiều khoáng chất Thông thường ít khoáng chất Lưu lượng không quá lớn Lưu lượng lớn
Không có đầu nước cho thủy điện Khả năng thủy điện lớn Khó và đắt cho việc thăm dò, đánh giá và
quản lý
Tương đối dễ trong việc thăm dò, đánh giá và quản lý
Việc cấp nước trở lại phụ thuộc nhiều vào
điều kiện bề mặt Khả năng khôi phục trực tiếp từ mưa Nước hồi quy cần phải xử lý khá đắt trước
khi trả lại các bể ngầm
Không yêu cầu cao Bảo dưỡng đắt và khó Thường bảo dưỡng dễ
V.3.2. Quá trình tự làm sạch của nước ngầm
a) Quá trình lọc
Một trong những cơ chế suy giảm nồng độ chất ô nhiễm trong nước ngầm được giải thích là do tác dụng lọc của các lớp đất trong quá trình ô nhiễm thấm xuống. Tác dụng lọc này có thể
loại trừđược các chất lơ lửng, các chất dạng hạt, các kết tủa tạo ra bởi các phản ứng hóa học.
b) Cơ chế hấp thụ
Hấp thụ được xem là một cơ chế chủ yếu trong quá trình làm giảm chất ô nhiễm nước ngầm. Các hạt sét, các oxyt và hydroxyt kim loại đóng vai trò chất hấp thụ. Hầu hết các
chất gây ô nhiễm đều bị hấp thụ với các điều kiện thích hợp, ngoại trừ clorua nói chung và nitrat, sulfat (với mức độ ít hơn).
c) Các quá trình hóa học
Hiện tượng kết tủa hóa học trong nước ngầm có thể xảy ra ở nơi các ion thành phần có mặt với nồng độđủ lớn, lúc này tích số ion của chúng lớn hơn tích số hòa tan của các hợp chất tạo thành. Cơ chế kết tủa có thể loại trừđược các ion kim loại như Ca, Mg, Ba, Cd, Cu, Fe, Pb, Hg, Mo, Ra, Zn... và các anion SO42-, HCO3-, CN-, F-... Trong vùng khô hạn, nơi độ ẩm của các lớp đất gần trên bề mặt nhỏ thì kết tủa hóa học là một cơ chế chủ yếu làm giảm nồng độ ô nhiễm.
d) Cơ chế loại trừ vi khuẩn, virus
Các loại vi khuẩn, virus trong nước có khuynh hướng di chuyển qua màng xốp (như đất) chậm hơn so với nước, ngoài ra chúng còn phải cạnh tranh với các vi sinh vật đất, vì vậy chúng sẽ bị loại một phần lớn khi đi qua chỉ 1m đất với điều kiện đất đó chứa những lượng sét và bùn đủ lớn.
Hầu hết các vi sinh vật gây bệnh đều không thể phát triển trong môi trường đất được, vì vậy cuối cùng chúng đều bị tiêu diệt. Thời gian tồn tại của chúng tùy thuộc vào các điều kiện môi trường.
e) Cơ chế pha loãng
Các chất gây ô nhiễm nước ngầm khi chảy qua môi trường xốp sẽ bị pha loãng nồng độ
do sự phân tán thủy động diễn ra với mức độ vi mô lẫn vĩ mô. Cơ chế pha trộn này gây