IV. GIỚI THIỆU MỘT SỐ TIÊU CHUẨN, QUY CHUẨN ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MÔ
2.1.Các thông số vật lý môi trường nước
2. CÁC THÔNG SỐ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC
2.1.Các thông số vật lý môi trường nước
2.1.1. Nhiệt độ của nước
Nguồn nhiệt chính làm cho nước trong các thủy vực ấm lên là do năng lượng ánh sáng mặt trời cung cấp. Ngồi ra, cịn có thể do năng lượng sinh ra trong q trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ và vô cơ trong nước và nền đáy của thủy vực, nhưng năng lượng sinh ra bởi các q trình oxy này khơng đáng kể so với năng lượng mặt trời cung cấp. Do đó, nhiệt độ của nước thay đổi theo vị trí địa lý của thủy vực, theo mùa, theo thời tiết và theo ngày đêm. Sự thay đổi nhiệt độ của nước trong các thủy vực theo ngày đêm gắn liền với cường độ chiếu sáng của mặt trời trong ngày. Thường nhiệt độ của nước trong các thủy vực thấp nhất vào buổi sáng lúc 2:00-5:00, cao nhất vào buổi chiều lúc 14:00-16:00 giờ và lúc 10:00 giờ nhiệt độ của nước trong thủy vực gần tới nhiệt độ trung bình ngày đêm. Biên độ dao động nhiệt độ trong ngày đêm lớn hay nhỏ phụ thuộc vào tính chất của thủy vực: các thủy vực nhỏ và nơng có biên độ dao động nhiệt độ ngày đêm lớn hơn các thủy vực lớn và sâu. Sự thay đổi nhiệt độ theo ngày đêm ở các ao nơng có thể rất đáng kể: ở tầng mặt sự chênh lệch nhiệt độ ngày đêm có thể tới 10oC, ở độ sâu 20 cm là 5oC còn ở đáy ao là 2oC.
Trong thủy vực năng lượng nhiệt có thể bị mất đi do nước bốc hơi, phát xạ nhiệt, hấp thụ vào nền đáy hoặc dòng chảy ra khỏi thủy vực. Cân bằng nhiệt độ trong môi trường nước:
Nhiệt lượng đi vào Nhiệt lượng đi ra
Qnước cấp Qbức xạ mặt trời Qphản ứng hóa học Qbay hơi Qbức xạ Qnước ra Qtruyền nhiệt
Nhiệt độ ít được coi là một thơng số ô nhiễm trong môi trường tự nhiên, nhiệt độ của nước trong tự nhiên chỉ được quan tâm do nó ảnh hưởng đến các chất khí và một số chất hóa học khác Nhiệt độ ảnh hưởng tới chất lượng nước và mức độ ơ nhiễm thơng qua các q trình sinh học. Các sinh vật khác nhau có sự thích nghi khác nhau với nhiệt độ. Thông thường nhiệt độ tối ưu cho các quá trình sinh học là 20 – 25 độ. Nhiệt độ của nước thải có thể rất cao hoặc rất thấp so với nhiệt độ nước tự nhiên (nước thải q trình làm mát, xử lý khí thải, nước thải sau làm lạnh…). Thơng thường, nhiệt độ nước thải được chấp nhận trong khoảng nhỏ hơn hoặc bằng 4 độ.
2.1.2. Độ đục/độ trong của nước
Độ đục là khả năng cản những tia nắng mặt trời và độ trong của nước là khả năng ánh sáng mặt trời xuyên qua nước. Hai tính chất này của nước tỉ lệ nghịch với nhau và phụ thuộc vào lượng keo khoáng, vật chất hữu cơ lơ lững, sự phát triển của các vi tảo, sóng gió thủy triều và lượng nước mưa đổ vào thủy vực. Ở những thủy vực khác nhau nguyên nhân gây ra độ vẫn đục khác nhau. Đối
Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường
với nước sông, độ đục của nước là do sự có mặt của các chất khơng hịa tan như phù sa (kích thước khoảng 2 – 50µm), các hạt keo (< 2µm) có nguồn gốc vơ cơ hoặc hữu cơ. Do đó độ đục thay đổi theo mùa, độ đục cao thường xuất hiện sau những trận mưa lớn. Ở các thủy vực nước đứng, độ đục còn do các vật chất hữu cơ từ xác thực vật, tảo, thức ăn bổ sung vào thủy vực nuôi trồng thủy sản…
Độ đục và độ trong của nước có ảnh hưởng đến cường độ chiếu sáng của mặt trời vào thủy vực nên có ảnh hưởng đến cường độ quang hợp của thực vật phù du. Khi độ trong thấp (độ đục cao), lượng ánh sáng xâm nhập vào thủy vực ít - cường độ quang hợp của thực vật phù du giảm. Đối với cá, khi độ trong thấp cá khó hơ hấp cường độ bắt mới giảm. Nhưng độ trong quá cao, nước nghèo dinh dưỡng, sinh vật phù du phát triển kém, hạn chế thành phần thức ăn tự nhiên của cá, năng suất cá ni giảm. Độ trong thích hợp cho các ao ni cá là từ 20-30 cm, đối với các ao nuôi tôm là 30-45 cm. Độ trong được đo bằng đĩa Secchi có đường kính bằng 20 cm, độ đục được đo bằng độ hấp thụ ánh sáng hoặc hàm lượng tổng chất rắn lơ lửng. Nguồn gốc của độ đục:
•Bên ngồi: chất rắn trong nước, hạt vật chất rửa trôi, các vật chất gây ô nhiễm trong nước thải, bụi trầm tích từ khơng khí…
•Bên trong: chất lơ lửng từ nền đáy, xác động thực vật… Ảnh hưởng của độ đục:
•Giảm xâm nhập ánh sáng, giảm sự phát triển của thực vật nổi và thực vật bậc cao ở dưới sâu •Độ đục quá lớn sẽ gây tổn thương mang, mù mắt… các loài động vật ở nước. Chất rắn lơ lửng
có thể bao phủ trứng tơm, cá, giảm tỷ lệ nở của chúng. •Gây ra sự lắng tụ trên nền đáy, lâu dần làm nơng thủy vực
•Xảy ra q trình hấp phụ và giải phóng các chất dinh dưỡng hịa tan
2.1.3. Độ màu của nước
Nước tự nhiên khơng có màu, lớp nước đủ dày sẽ có màu xanh lơ của da trời. Hầu hết nước tự trong các thủy vực đều có màu do ảnh hưởng của các hợp chất hịa tan, khơng tan, sự phát triển của sinh vật, ảnh hưởng bởi nền đáy… Màu thực của nước là màu do các hợp chất hòa tan trong nước gây ra, màu giả là màu của các hợp chất khơng hịa tan (lơ lững) ra. Trong ngành nuôi trồng thủy sản ta chú ý đến màu giả của nước nhiều hơn, vì qua đó có thể đánh giá sơ bộ mơi tường nước đó giàu hay nghèo dinh dưỡng. Màu nước thích hợp cho các ao nuôi là màu xanh lá chuối non (nước ngọt) và màu vàng nâu (nước lợ, mặn). Mơi trường nước ni trồng thủy sản có thể có một số màu đặc trưng như sau:
•Nước màu xanh nhạt (đọt chuối non): nước có màu xanh nhạt do sự phát triển của tảo lục (Chlorophyta), lồi tảo này thường phát triển mạnh trong mơi trường nước ngọt hoặc nước lợ nhạt (nhỏ hơn 10‰).
•Màu xanh đậm (xanh rêu): nước có màu xanh đậm do sự phát triển của tảo lam (Cyanophyta), lồi tảo này phát triển mạnh cả trong mơi trường nước ngọt, lợ lẫn nước mặn.
•Màu vàng nâu (màu nước trà): nước có màu vàng nâu do sự phát triển của tảo silic (Bacillariophyta), loài tảo này thường phát triển mạnh ở mơi trường nước lợ, mặn vào đầu vụ ni.
•Màu vàng cam (màu rỉ sắt): màu này thường xuất hiện ở các ao nuôi mới xây dựng trên vùng đất phèn. Màu vàng cam là do đất phèn tiềm tàng (FeS2) bị oxy hóa tạo thành các váng sắt. •Màu đỏ gạch (màu đất đỏ): nước có nhiều phù sa do đất cát bị xói mịn từ vùng thượng nguồn
Bài giảng: Ơ nhiễm mơi trường, 2012Bộ mơn: Cơng nghệ mơi trường
•Màu nâu đen: nước có màu nâu đen do trong nước có chứa nhiều vật chất hữu cơ. Trường hợp này hàm lượng oxy hịa tan rất thấp.
•Màu trắng đục: nước có màu trắng đục do trong nước có chứa nhiều hạt sét (keo đất), trường hợp này thường do nước mưa rửa trôi từ đất từ trên bờ ao.
•Nước rất trong: do nước nghèo dinh dưỡng hoặc nước bị nhiễm phèn.
2.1.4. Độ mùi của nước
Nước thiên nhiên trong các thủy vực thường có mùi do có sự hiện diện của các vi khuẩn, các hợp chất vơ cơ, hữu cơ hịa tan hay khơng hịa tan gây ra. Các hợp chất hữu cơ đang bị phân hủy sẽ hình thành các hợp chất có mùi rất khó chịu.
•Mùi tanh và hơi: có vi khuẩn phát triển •Mùi tanh: nước có nhiều sắt.
•Mùi chlorine: do q trình khử khuẩn. •Mùi trứng thối: do có nhiều khí H2S. •Mùi bùn: do tảo lục phát triển mạnh.
Ngoài ra, các tảo lam như Anabaena, Nostoc thường tiết ra nhiều độc tố thuộc loại polypeptite, polysacharit, acid hữu cơ, nhất là phytonxite (Aldehyd và acid hũu cơ bay hơi) làm cho nước có mùi rất tanh và độc hại đối với thủy sinh vật, nhiều lồi sinh vật khơng xương sống ở nước chết hay không sinh sản do bị nhiễm độc bởi các chất thải của tảo.
2.1.5. Vị của nước
Nước thiên nhiên có vị là do sự có mặt một số muối hay các khí hịa tan trong nước gây ra. Vị của nước phụ thuộc vào số lượng và thành phần hóa học của các chất chứa trong nước, nhiệt độ của nước (nhiệt độ thấp vị khó phát hiện) và độ nhạy cảm người thử. Có thể phân biệt 4 loại vị cơ bản của nước : mặn, ngọt, đắng, chua.
•Vị chua: do muối nhơm và sắt
•Vị đắng, chát: do nhiều Mg2+ (lớn hơn 1g/l), Na2CO3 , MgSO4 , MgCl2 •Vị mặn: do muối NaCl hịa tan > 500mg/l
•Vị ngọt: do nhiều khì CO2 hịa tan,
2.1.6. Chất rắn trong nước
Có nhiều vật chất dạng rắn tồn tại trong mơi trường nước, để phân loại chúng có nhiều cách khác nhau:
• Theo bản chất: chất rắn vơ cơ và chất rắn hữu cơ
• Theo khả năng hịa tan: chất rắn hịa tan và chất rắn khơng tan • Theo khả năng sa lắng: chất rắn lơ lửng và chất rắn lắng được • Theo khả năng lọc: chất rắn qua lọc và chất rắn không qua lọc…
Các chất rắn bao gồm các thành phần vô cơ và hữu cơ bao gồm cả các cơ thể sinh vật được phân thành hai loại dựa theo kích thước và khả năng (phương pháp) loại bỏ chúng ra khỏi mơi trường nước:
Chất rắn có thể qua lọc: có đường kính ≤ 10-6 m (≤ 1µm) trong đó có hai loại: chất rắn dạng keo có kích thước từ 10-9 đến 10-6 và chất rắn hòa tan (các ion và phân tử hịa tan) có kích thước nhỏ hơn 10-9 m. Vi khuẩn thuộc loại chất rắn dạng keo.
Bài giảng: Ơ nhiễm mơi trường, 2012Bộ mơn: Cơng nghệ mơi trường
Chất rắn khơng qua lọc: có đường kính lớn lơn 10-6m. Tế bào tảo, hạt bùn là các loại chất rắn lơ lửng có kích thước 10-5 – 10-6m, sạn, cát thuộc loại chất rắn có thể lắng, có kích thước lớn hơn 10-5m.
Tùy vào kích thước, trạng thái tồn tại của các chất rắn trong mơi trường có thể thuộc về một số dạng hệ rắn – lỏng sau đây:
a. Hệ rắn – lỏng tồn tại dạng hệ keo
Hệ keo, còn gọi là hệ phân tán cao, là một hệ thống có hai thể của vật chất, một dạng hỗn hợp ở giữa hỗn hợp đồng nhất và hỗn hợp không đồng nhất.
•Trong một hệ phân tán keo, các giọt nhỏ hay hạt nhỏ của một chất gọi là chất phân tán, được phân tán trong một chất khác đó là mơi trường phân tán.
• Trong một hệ keo cao phân tử, các chất cao phân tử được phân tán trong một một trường đồng nhất - môi trường phân tán.
Các hạt phân tán trong một hệ keo có kích thước từ 0,001 đến 1 µm. Một số tài liệu khác định nghĩa là các hạt keo có kích thước khơng nhìn được bằng kính hiển vi quang học thơng thường, tức là các hạt keo có kích thước lớn nhất vào khoảng 0,1 µm. Các hệ phân tán với kích thước hạt phân tán nằm trong khoảng này gọi là aerosol keo, nhũ tương keo, bọt keo, huyền phù keo hay hệ phân tán keo. Hệ keo có thể có màu hay mờ đục vì hiệu ứng Tyndall, là sự tán xạ ánh sáng bởi các chất phân tán trong hệ keo.
Ngồi ra cịn có cách phân biệt các hệ keo theo đặc tính tương tác giữa chất phân tán và môi trường phân tán: kỵ nước hay ưa nước.
• Kỵ nước: được đặc trưng bởi tương tác yếu giữa chất phân tán và môi trường phân tán, năng lượng bề mặt lớn. Đây là dạng hệ keo phổ biến.
• Ưa nước: được đặc trưng bởi tương tác mạnh giữa chất phân tán và môi trường phân tán, làm giảm năng lượng bề mặt.
Các hạt keo thường có kích thước lớn nên khơng bị tác động của hiệu ứng lượng tử. Mặc dù vậy chúng đủ nhỏ để có thể bị tác động bởi các chuyển động nhiệt trong hệ keo. Các lực sau đây đóng vai trị quan trọng trong tương tác giữa những hạt keo:
•Lực đẩy hạt rắn: Thường các hạt keo là các chất rắn, vì thế hai hạt keo khơng thể ở gần nhau hơn là tổng số bán kính của chúng.
•Tương tác tĩnh điện: Hạt keo có thể mang khả năng tích điện. Lực tương tác Coulomb tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Mặc dù vậy, nếu có hạt phân tán tích điện ngược với hạt keo, chúng sẽ tích tụ chung quanh hạt keo và chắn các lực tương tác này.
Lực Van der Waals: Nếu chỉ số khúc xạ của các hạt keo khác với chỉ số khúc xạ của môi trường phân tán chúng sẽ bị hút theo thế năng của lực van der Waals tỉ lệ với r-6.
Lực entropy: Theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học, một hệ thống có thể đi đến trạng thái có entropy cực đại. Điều này có thể dẫn đến các lực có hiệu quả ngay cả giữa những khối rắn.
Một hệ keo được gọi là hệ keo bền khi các hạt keo không lắng xuống đáy của mơi trường phân tán và khơng kết dính lại với nhau. Ổn định không gian và ổn định tĩnh điện là hai phương pháp chính để ổn định một hệ keo. Ổn định tĩnh điện dựa trên lực đẩy tương tác giữa những phần tử có cùng điện tích. Các thể khác nhau thường có tính hấp thụ điện khác nhau, vì thế mà tạo thành hai lớp tích điện trên mọi bề mặt. Các hạt keo có kích thước nhỏ dẫn đến tỷ lệ bề mặt rất lớn (so với thể tích của hạt keo) nên hiệu ứng này được tăng cường rất nhiều trong các hệ keo. Trong một hệ keo bền, trọng lượng của chất phân tán rất nhỏ nên lực đẩy của chất lỏng hay động năng không đủ lớn
Bài giảng: Ơ nhiễm mơi trường, 2012Bộ mơn: Cơng nghệ môi trường
để vượt qua được lực đẩy tĩnh điện giữa các lớp tích điện của mơi trường phân tán. Hạt keo có tích điện có thể quan sát thấy bằng cách đưa hệ keo vào một điện trường: tất cả các hạt đều đi về cùng một điện cực và vì thế phải có cùng điện tích. Sự phá vỡ một hệ keo gọi là đơng tụ hay keo tụ, có thể thực hiện bằng cách đun nóng hay cho thêm chất điện phân. Đun nóng sẽ làm tăng vận tốc của các hạt keo, làm cho chúng có đủ năng lượng xuyên qua lớp cản và kết hợp lại với nhau. Vì được lặp lại nhiều lần, các hạt keo lớn đủ để lắng xuống. Chất điện phân được thêm vào sẽ trung hòa các lớp ion trên bề mặt các hạt keo.
Phần lớn các chất rắn qua lọc đều là những chất có khả năng tạo hệ keo trong môi trường nước, chúng tồn tại bền vững trong nước (theo không gian và thời gian) đồng thời khó loại bỏ bằng các q trình tự nhiên thơng thường.
b. Hệ rắn – lỏng tồn tại dạng huyền phù
Huyền phù (Nổi lơ lửng, từ phù có nghĩa là nổi và huyền là treo hay đeo lơ lửng) là một hệ gồm pha phân tán là các hạt rắn lơ lửng trong môi trường phân tán lỏng (hỗn hợp dị thể). Ví dụ bột mì trong nước. Nếu để n một huyền phù thì ngược lại với dung dịch, chất rắn có kích thước khơng nhỏ lắm sẽ lắng xuống đáy tạo thành một lớp cặn (sa lắng hay trầm tích). Chất lỏng phía trên có thể được chiết ra (lắng gạn) và tách chất rắn ra khỏi chất lỏng. Ở các phần tử có kích thước nhỏ có thể tăng nhanh q trình sa lắng bằng phương pháp ly tâm vì kích thước các phần tử rắn càng nhỏ thì sự sa lắng càng chậm.
Các hạt có kích thước lớn hơn (≥ 1µm) hay các hạt khơng qua lọc đa phần là những hạt có thể tạo ra dạng huyền phù trong mơi trường nước trừ khi kích thước của chúng qua lớn và không thể tồn tại lâu trong tầng nước. Các hạt huyền phù thường sa lắng chậm (còn gọi là các chất rắn lắng được) có thể bị loại bỏ khỏi nước bằng các quá trình tự nhiên với một thời gian đủ dài (quá trình lắng, bị sử dụng bởi sinh vật…)
c. Hệ nhũ tương
Nhũ tương là một hệ phân tán cao của hai chất lỏng mà thơng thường khơng hịa tan được với nhau. Thể trong (thể được phân tán) là các giọt nhỏ được phân tán trong thể ngoài (chất phân tán). Tùy theo môi trường chất phân tán mà người ta gọi thí dụ như là nhũ tương nước trong dầu