Nitơ cĩ trong nước biển ngồi dạng phân tử (khí N2) cịn tồn tại trong các hợp chất vơ cơ và hữu cơ khác nhau dưới dạng phân tử hay hồ tan. Phần quan trọng và cĩ ý nghĩa nhất của các hợp chất nitơ là hợp phần nitơ vơ cơ hồ tan tồn tại dưới dạng ion amoni (NH4+), nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-). Đây là dạng tồn tại mà thực vật cĩ thể đồng hố trong quá trình quang hợp để tổng hợp nên chất hữu cơ.
Trên thực tế, hầu hết các mơ hình chất lượng nước khác chỉ mơ phỏng hai hợp phần chính của Nitơ là Amoni và Nitrat (vì Nitrit chỉ xuất hiện với nồng độ rất nhỏ và chuyển hố nhanh chĩng qua quá trình đạm hố), trong tài liệu tham khảo về cơ sở tốn học của ECO Lab tuy cả ba hợp phần của Nitơ đều được mơ phỏng thơng qua các phương trình cân bằng mơ tả đầy đủ và chi tiết các quá trình chuyển hĩa, nhưng kết quả tính tốn sẽ chỉ cĩ hai hợp phần chính của nitơ vơ cơ hịa tan được tính đến đĩ là amoni và nitrat.
2.3.2.1. Amoni (NH4+)
Amoni được thực vật đồng hố trong quá trình quang hợp và chuyển thành nitrat thơng qua quá trình đạm hố. Biến đổi nồng độ Amoni được biểu diễn thơng qua phương trình cân bằng sau:
(2.19) trong đĩ:
- ammonium yield from BOD decay (7): lượng amoni bổ sung thêm từ quá trình sử dụng ơxy phân hủy các chất hữu cơ. Biểu thức tính tốn cĩ dạng:
(2.20)
44
- transformation of ammonium to nitrate (8): quá trình đạm hĩa, chuyển hĩa
amoni thành nitrat.
(2.21)
- ammonium uptake by plants (9): quá trình đồng hố của thực vật (sử dụng Amoni)
(2.22)
- ammonium uptake by bacteria(10): quá trình khống hĩa do vi khuẩn
(2.23)
- heterotroph (11): hơ hấp của sinh vật dị dưỡng.
(2.24)
giải thích các ký hiệu:
- YBOD: hàm lượng nito trong các hợp chất hữu cơ được giải phĩng sau khi phân hủy(mg NH3-N/mgBOD)
- UNp: lượng amoni sử dụng trong quá trình đồng hĩa của thực vật (mgN/mgO2)(vào thời gian ban đêm được giả thiết là hằng số)
- UNb: lượng amoni sử dụng trong quá trình khống hĩa (mgN/mgBOD) - HS_NH3: nồng độ nửa bão hịa của nito trong quá trình khống hĩa (mgN/l)
2.3.2.2. Nitrit (NO2-)
Biểu thức tốn cho nitrit trong ECO Lab chỉ bao gồm 2 quá trình chủ yếu mang tính nối tiếp nhau trong quá trình đạm hĩa, đĩ là quá trình chuyển từ amoni sang nitrit và chuyển hĩa từ nitrit sang nitrat.
45 trong đĩ: trong đĩ:
- transformation of ammonia to nitrite (12): quá trình chuyển hĩa từ amoni
sang nitrit.
(12) =
(2.26)
- transformation of nitrite to nitrate (13): quá trình chuyển hĩa từ nitrit sang
nitrat. (13) = (2.27) giải thích các ký hiệu: - NH3: nồng độ amoni (mg/l). - NO2: nồng độ nitrit (mg/l)
- K5: tốc độ chuyển từ nitrit sang nitrat tại 20oC (1/ngày) - : hệ số nhiệt độ trong quá trình chuyển từ nitri sang nitrat
2.3.2.3. Nitrat (NO3-)
Nitrat là một hợp phần quan trọng trong các hợp phần của nito vơ cơ hịa tan. Các quá trình chủ yếu tham gia làm biến đổi nồng độ của nitrat là quá trình chuyển hĩa từ nitrit sang nitrat và quá trình đạm hĩa.
(2.28)
trong đĩ:
- denitrification (14): quá trình nghịch đạm hĩa
(14) = (2.29)
giải thích các ký hiệu:
- K6: tốc độ của quá trình đạm hĩa (1/ngày) - : hệ số nhiệt độ Arrhenius.
46
Trong chu trình của Nitơ, quá trình đạm hố và nghịch đạm hố cĩ vai trị hết sức quan trọng mà trong đĩ các dạng hợp chất của Nitơ cĩ thể chuyển hố lẫn nhau qua các quá trình sinh hố học. Quá trình đạm hố là quá trình Amoni bị oxi hố và chuyển thành nitrit và cuối cùng là nitrat. Trên thực tế, vì nitrit là sản phẩm trung gian, kém bền vững nên đạm hĩa cĩ thể được biểu diễn một cách ngắn gọn như sau:
O NO H O H
NH4 2 2 3 2 2
(2.30)
Như vậy đạm hĩa chỉ cĩ thể xảy ra trong điều kiện ưa khí. Ngồi ra quá trình này cịn cĩ sự tác động của các vi khuẩn nitrat hố (họ Bacteriaceae, giống Nitrocomonas Win trong giai đoạn chuyển amoni thành nitrit và họ Bacteriaceae,
giống Nitrobaeter Win trong giai đoạn chuyển nitrit thành nitrat). Theo Bowie cùng nhiều người khác (1985) thì nhĩm vi khuẩn trong quá trình đạm hố cĩ điều kiện về mơi trường sống khá hẹp: trị số pH từ 7-9.8, nhiệt độ từ 10oC-60oC, nhiệt độ tối ưu là 30oC.
2.3.3. Photpho
Photpho là một nguyên tố dinh dưỡng quan trọng, cĩ mặt trong thành phần của các hợp chất hữu cơ tích trữ được nhiều năng lượng dinh dưỡng (các chất này chỉ được hình thành khi thực vật sử dụng photpho). Tuy nồng độ của photpho trong nước biển là khá nhỏ bé và nhu cầu sử dụng photpho của thực vật cũng khơng nhiều (kém nitơ 7 lần) nhưng photpho lại trở thành yếu tố giới hạn quang hợp vì nồng độ các photphat quá nhỏ bé. Theo Hutchinson (1957) thì ý nghĩa sinh thái của photpho lớn hơn tất cả các nguyên tố cĩ mặt trong cơ thể sống.
Chu trình photpho đơn giản hơn nhiều so với chu trình Nitơ, trong đĩ các quá trình phân huỷ, bài tiết và đồng hố của thực vật là những quá trình quan trọng. Photpho vơ cơ ở dạng các phophat (PO43-) được thực vật sử dụng trong quá trình đồng hố. Cơng thức tính photphat cĩ dạng như sau:
47
(2.31) trong đĩ:
- phosphorus yield from BOD decay (15): lượng photpho bổ sung thêm từ quá
trình sử dụng oxi phân hủy các chất hữu cơ. Biểu thức tính tốn cĩ dạng:
(2.32)
- (16): quá trình đồng hĩa của thực vật
(2.33)
- (17): quá trình khống hĩa do vi khuẩn
(2.34)
giải thích các ký hiệu:
- UPp: lượng photpho đồng hĩa bởi thực vật (mgP/mgO2)
- UPb: lượng photpho khống hĩa bởi vi khuẩn (mgP/mgO2)
- Y2: hàm lượng photpho trong vật chất hữu cơ dưới đáy (mgP/mgO2)
- F(N,P): giới hạn dinh dưỡng trong quá trình quang hợp
-HS_PO4: nồng độ bán bão hịa của photpho trong quá trình khống hĩa của thực vật (mgP/l).
Các giá trị đầu vào của các biến số, các hệ số lựa chọn cho các quá trình trong mơ hình ECO Lab sẽ được trình bày chi tiết trong chương 3 của luận văn.
48
chương 3
các kết quả tính tốn chất lượng nước cho khu vực vịnh vân phong