Chương 1: TỔNG QUAN 1.1.Điều kiện tự nhiên lưu vực hồ Dầu Tiếng [5], [27]
1.6. Nước tự nhiên và ô nhiễm nguồn nước
1.6.1.1.Thành phần hóa học của nước tự nhiên
Nước tự nhiên chiếm khoảng 1% tổng lượng nước trên trái đất, gồm nước sông hồ, nước bề mặt và nước ngầm [9].
Đặc điểm của loại nước này phụ thuộc vào đặc điểm khí hậu, địa chất, địa mạo và vị trí thủy vực. Các nguồn nước tự nhiên không nối liền nhau nên thành phần của nó có thể không giống nhau giữa các lưu vực và giữa các vị trí trong từng lưu vực.
31
Các Ion hòa tan
Hầu hết các acid, bazờ và muối vô cơ đều tan trong nước tự nhiên. Trong nước sông hồ nồng độ HC0R3RP-
P là cao nhất (58 mg/1), tiếp sau đó là CaR2RP+
P (15 mg/1), Silic (13,1 mg/1), SOR4RP-P (11 mg/l), ClP-P (8 mg/1). Sự hòa tan các lon trong nước chính là yếu tố quyết định độ mặn của nước. Nông độ các lon hòa tan tỷ lệ thuận với độ dân điện (Ec) [11] .
Thành phân hóa học trung bình của nước sông hồ được trình bày ở bảng [1.1].
Bảng 1.1: Thành phần hóa học trung bình của nước sông hồ [9] (nguồn Morel F.
M. M, 1983 )
Các khí hòa tan
Hầu hết các chất khí có trong khí quyển đều có thể hòa tan hoặc phản ứng với nước, trừ khí metan (CHR4R) [9], [11].
• Oxy hòa tan (DO)
Oxy là khí hòa tan trong nước nhưng không tác dụng với nước về mặt hóa học.
Oxy cần cho quá trình trao đổi chất, có ý nghĩa lớn đối với quá trình tự làm sạch của dòng sông. Độ hòa tan của oxy trong nước phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và áp suất của môi trường [9].
Trong nước ngọt oxy hòa tan DO (ở điều kiện 0°C và 1 at) bằng 14,6 mg/1 và DO (ở 35°C) bằng 7 mg/1, người ta thường lấy DO (ở 25°C, 1 at) bằng 8 mg/1 [9].
Trong điều kiện nguồn nước không bị ô nhiễm các chất hữu cơ không bền, giá trị oxy hòa tan (DO) thường gần bằng giá trị oxy hòa tan ở mức bảo hòa. Theo Đặng
32
Kim Chi (2006) [9] nếu nguồn nước bị ô nhiễm các chất hữu cơ có khả năng oxy hóa bằng sinh học (chỉ số BOD cao), khi đó do hoạt động tiêu thụ oxy của các vi khuân hàm lượng oxy trong nước sẽ giảm. Khi lượng oxy trong nước tháp (< 2ppm), các vi khuẩn sẽ lấy oxy của các hợp chất chứa oxy để oxy hóa SOR4RP2-
P—►HR2RS —► S..., nước sẽ không có oxy và vùng đó sẽ trở thành vùng yếm khí.
Trong nước, oxy tham gia chủ yếu vào các quá trình sau:
Mức tiêu thụ oxy trong nước bởi các chất ô nhiễm được biểu thị qua chỉ số BOD (nhu cầu oxy hóa sinh học) hay COD (nhu cầu oxy hóa hóa học).
• Khí Cacbonic (COR2R) trong nước [9], [11]
Khí COR2Rđóng vai trò rất quan trọng trong nước, COR2R phản ứng với nước tạo ra các lon bicacbonat (HCOR3RP-P) và cacbonat (COR3RP2-P) và tham gia vào quá trình cân bằng hóa học trong nước do khống chế ổn định pH trong nước, đồng thời ảnh hưởng tới sự tạo phức trong nước. Ngoài ra, COR2R còn tham gia vào hoạt động quang hợp của thực vật và quá trình lắng đọng của các trầm tích cacbonat trong nước.
COR2R dễ hòa tan trong nước, độ hòa tan của COR2R trong nước tăng theo chiều tăng của nhiệt độ.
33
Khi C02 tan vào nước ta có phản ứng sau: pH<5 C02 + H20 ; ằ H2CO3 pH>5
H2CO3 i Ĩ H+ + HCO3"
pH>8
HCO3" 4 - H+ + CO32"
Như vậy, khi pH = 8,3 trong nước chủ yếu là COR3RP2-
P, khi pH = 5 trong nước chủ yếu là HR2RCOR3R (COR2R).
Ở lớp trầm tích, COR2R tham gia phản ứng:
CaCOR3R + COR2R + HR2RO ► Ca(HCOR3R)R2R ► CaP2+P + 2HCOR3RP- Quá trình này dẫn đến làm thay đổi pH của môi trường.
Các chất rắn [11]
Các chất rắn bao gồm các thành phần vô cơ, hữu cơ và sinh vật được phân thành hai loại dựa theo kích thước:
- Chất rắn đi qua được giấy lọc: là chất rắn có đường kính ≤ l0P-6P m trong đó gồm: chất rắn dạng keo có kích thước từ l0P-9Pđến 10P-6P m và chất rắn hòa tan có kích thước nhỏ hơn l0P-9P m
- Chất rắn không qua được giấy lọc: là chất rắn có đường kính lớn hơn
Ngoài ra, dựa theo độ bay hơi của nhiệt độ sấy 103 - 105°C có thể phân chất rắn thành chất rắn bay hơi và chất rắn không bay hơi.
Các chất hữu cơ [11]
34
Các chất hữu cơ là các chất có nguyên tử cacbon (C) tạo liên kết C - H trong phân tử.
Trong nguồn nước tự nhiên không ô nhiễm, hàm lượng chất hữu cơ rất thấp. Tuy nhiên, nếu nước bị ô nhiễm do chất thải sinh hoạt, chất thải công nghiệp, chất thải nông nghiệp ...thì nồng độ chất hữu cơ trong nước sẽ tăng cao.
Dựa vào khả năng bị phân hủy do vi sinh vật trong nước, có thể phân chất hữu cơ thành hai nhóm:
- Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học: đường (cacbohydrat), chát béo, protein, dầu mỡ thực, động vật... Trong môi trường nước các chất này dễ bị vi sinh vật phân hủy tạo ra khí cacbonic và nước.
- Các chất hữu cơ khó bị phân hủy sinh học: các hợp chất do hữu cơ như:
DDT, Lindane, Aldrine, polyclorobiphenyl - PCB, dioxin..., các hợp chất đa vòng ngưng tụ như: pren, naphtalen, anthraxen .... Hầu hết các chất này có độc tính cao, khó bị vi sinh vật phân hủy, bền vững trong môi trường nên có khả năng gây tác hại lâu dài cho đời sống sinh vật và sức khỏe con người.
1.6.1.2.Thành phần sinh học trong nước tự nhiên
Theo Lê Quốc Hùng (2006) [11] trong nước tự nhiên các loài sinh vật chủ yếu là vi khuẩn, nấm, siêu vi trùng, tảo, cây cỏ, động vật nguyên sinh, động vật đa bào, các loài nhuyễn thể và các loài động vật có xương sống.
1.6.1.3.Chất lượng nước
Chất lượng nước là đặc trưng hàm lượng các chất hòa tan trong nước, phục vụ yêu cầu dùng nước cụ thể theo tiêu chuẩn và đối tượng sử dụng nước.
Tùy theo mục đích sử dụng mà người ta đưa ra các tiêu chuẩn chất lượng nước khác nhau về mức độ sao cho phù hợp với nhu câu sử dụng. Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) 5942 - 1995: tiêu chuẩn nước mặt, thể hiện ở bảng 1.2
Tuy nhiên, Viện sinh học các thủy vực nội địa thuộc viện Hàn lâm khoa học Liên Xô cũ đã đưa ra thang đánh giá 6 bậc để đánh giá chất lượng nước, thể hiện ở bảng 1.3.
35
Trên cơ sở bảng đánh giá chất lượng nước, Viện sinh học các thủy vực nội địa thuộc viện Hàn lâm khoa học Liên Xô cũ mới đưa ra bảng hướng dẫn sử dụng các loại nước, thể hiện ở bảng 1.4.
This image cannot currently be displayed.
36
This image cannot currently be displayed.
37
This image cannot currently be displayed.
38 1.6.2.Ô nhiễm nguồn nước
Ô nhiễm nguồn nước là sự thay đổi thành phần và tính chất của nước gây ảnh hưởng đến hoạt động sống bình thường của con người và sinh vật.
Theo hiến chương Châu Âu thì: "Sự ô nhiễm nước là một biến đổi chủ yếu do con người gây ra đối với chất lượng nước, làm ô nhiễm nước và nguy hại cho việc sử dụng, cho công nghiệp, nông nghiệp, nuôi cá, nghỉ ngơi - giải trí, cho động vật nuôi cũng như các loài hoang dại" [12].
Có nhiều tác nhân gây ô nhiễm nguồn nước, có thể có nguồn gốc tự nhiên như:
núi lửa, lũ lụt, xói mòn, xâm nhập mặn, phong hóa... hay nguôn góc nhân tạo do các hoạt động của con người trong sinh hoạt, sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, xây dựng công trình thủy lợi, giao thông vận tải, dịch vụ du lịch....đã sản sinh ra các chất gây ô nhiễm nguồn nước [9], [11], [12].
1.6.2.1.Các chất gây ô nhiễm nước
Các chất hữu cơ
• Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học
Theo Lê Quốc Hùng (2006) [11] trong nước thải từ khu dân cư, khu công nghiệp chế biến thực phẩm có chứa các chất gây ô nhiễm cacbohydrat, protein, chất béo...Các hợp chất này có phân tử lớn không thể thấm qua màng vi sinh nên quá trình phân huy hợp chất hữu cơ do vi sinh gồm: thủy phân cacbohydrat thành đường hòa tan, phân tử protein thành các acid amin, chất béo thành acid béo mạch ngắn, và phân hủy sinh học hiếu khí chuyển các chất hữu cơ này thành khí cacbonic và nước. Nếu phân hủy kỵ khí thì sản phẩm cuối cùng là các acid hữu cơ, rượu và các khí cacbonic, mêtan, hydro sulphua.
Sơ đồ phân hủy sinh học các chất hữu cơ:
Phân hủy hiếu khí:
+ 02 hòa tan trong nước
39
Trong nước thải sinh hoạt, có đến 60 - 80% tổng các chất hữu cơ kém bền, dễ bị phân hủy sinh học. Trong đó có 40 - 60% là protêin, 25 - 50% cacbohydrat và khoảng 10% là chất béo.
Trong chất rắn từ nước thải sinh hoạt, chất hữu cơ chiếm 55% trong tổng chất rắn, 75% trong chất rắn lơ lững và 45% trong chất rắn hòa tan.
• Các chất hữu cơ bền vững
Đây là các chất hữu cơ có độc tính cao, bền vững, khó bị vi sinh vật phân hủy, có độc tính cao đối với sinh vật và con người. Chúng có khả năng tồn lưu trong môi trường và trong cơ thể sinh vật nên có tính tích lũy qua chuỗi thức ăn, gây tác hại lâu dài đèn đời sông sinh vật và từ sinh vật chuyên vào con người. Các chất này thường có trong nước thải công nghiệp lọc hóa dầu, sản xuất bột giấy, nhuộm... và nước chảy tràn từ các vùng nông nghiệp sử dụng thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ...[Ì 1].
Các chất vô cơ
• Các loại phân bón, hóa chất vô cơ [9], [11]
Đây là các hóa chất có thành phần chủ yếu là cacbon, hydro, oxy, các nguyên tố N, P, K dưới dạng các hợp chất vô cơ, hữu cơ và các nguyên tố vi lượng khác. Chúng được bổ sung vào đất dưới dạng phân bón phức tạp, do một phần đưa vào bị rữa trôi theo nước, bốc hơi vào khí quyển hoặc chuyển hóa thành các dạng khác và tồn lưu trong môi trường.
Việc dư thừa các chất dinh dưỡng vô cơ sẽ gây nên hiện tượng "phú dưỡng"
trong nước bề mặt là nguyên nhân của sự phát triển nhanh ở một số loài thực vật bậc thấp như tảo, rong, rêu và các thực vật thân mềm trong nước, trên lớp bề mặt của nguồn nước, ảnh hưởng tới sự cân băng sinh học của nước. Các thực vật phát triển do hiện tượng phú dưỡng sau khi chết đi sẽ phân hủy trong nước tạo ra một lượng lớn các hợp chất hữu cơ. Những chất hữu cơ này trong quá trình oxy hóa sẽ tiêu thụ một lượng lớn oxy hòa tan trong nước, gây nên hiện tượng thiếu oxy làm xuất hiện các quá
40
trình khử khiến cho nồng độ các chất có tính khử như H2S, NH3 tăng lên. Kết quả là các loại photphat sắt (FeP3+P) khó hòa tan sẽ chuyển thành photphat sắt (FeP2+P) dễ hòa tan. Các lon kim loại và HPOR4RP2-
P sẽ hòa tan trong nước do chuyển hóa từ các chất lắng cặn trong nước và như vậy nguồn nước bề mặt sẽ bị nhiễm độc. Thêm vào đó, xác các thực vật, động vật chết do thiếu oxy sẽ phân hủy, các sinh vật sống dưới nước sẽ chết.
Trong điều kiện đó, chỉ có một số loài cá dữ có thể sống được.
Các họp chất phân bón nitơ dưới dạng NOR3RP-
P tiêu thụ nhanh trong đất hoặc các hợp chất nitơ dạng urê hay amồn tiêu thụ dần dần đều có đặc tính cơ bản là độ hòa tan của chúng trong nước khá lớn, điều này dễ ảnh hưởng tới sự ô nhiễm nước ngầm và nước mặt.
Do kết quả của quá trình oxy hóa các hợp chất nitơ mà hàm lượng nitrat trong nước sinh hoạt tăng lên rất nhiều. Điều này không có lợi cho sức khỏe con người. Khi hàm lượng nitrat (NOR3RP
-
P) trong nước uổng tăng cao sẽ ảnh hưởng tới thành ruột và khi nó tạo thành nitrit (NOR2RP-
P) sẽ gây nên phản ứng khử vi sinh ở dạ dày và đường ruột.
Nitrit (NOR2RP-P) sinh ra sẽ kết hợp với hồng cầu (hêmôglôbin) trong máu chuyển hóa thành mêthêmôglôbin, cuối cùng chuyển thành mêthêmôglôbinamin là chất ngăn cản việc liên kết và vận chuyển oxy, gây bệnh thiếu oxy trong máu và sinh ra bệnh máu trắng.
4 HbFeR2RP2+POR2R + 4NOR2RP-P + 2HR2RO -> 4 HbFeR2RP3+POH + 4 NOR3RP-P + OR2R Hêmôglôbin Mêthêmôglôbin
Ngoài ra nitrit có thể nitrô hóa các amin và amit ở môi trường acid yếu thành các nitrôsamin là nguyên nhân gây ung thư, sinh quái thai...
• Các khoáng acid [9]
Ở các mỏ than, khi không còn khai thác, sẽ có một khối lượng lớn các chất thải đi vào nguồn nước. FeSR2R là chất bền trong môi trường thiếu oxy không khí, nhưng khi bị khai thác, tiếp xúc với không khí và có sự tham gia của vi sinh vật sẽ sinh ra phản
41 ứng:
2 FeSR2R + 2 HR2RO + 7OR2R ----► 2FeP2+P + 4HP+P + 4SOR4RP2- 4 FeP2+P + OR2R + 4HP+P ----► 4 FeP3+P + 2 HR2RO
Phản ứng sau xảy ra chậm khi pH < 3,5 nhưng khi có mặt vi khuẩn sát triobacillius ferroxidants và pH = 3,5 H- 4,5 thì phản ứng xảy ra nhanh hơn với xúc tác là nhiêu loại vi khuân có khả năng hòa tan pyrit:
Hợp chất Fe( HR2RO)R6RP3+P có thể được xem như là một acid, ở pH > 3 sẽ cho kết tủa Fe(OH)R3Rnhư sau:
Đây chính là nguyên nhân ở các lòng suối bị ô nhiễm bởi các khoáng acid sẽ có lớp cặn vàng Fe(OH)3. Nước sẽ có màu đỏ Fe(OH)R3R và HR2RSOR4R phá hủy cân bằng sinh thái trong nước làm cá và rong tảo chết.
• Chất lắng
Quá trình khai thác mỏ, xây dựng và phát triển nông nghiệp một cách bừa bãi gây nên hiện tượng xói mòn đất tự nhiên làm tăng lượng cặn lắng trong nước, gây ô nhiễm nguồn nước mặt. Các chất lắng là nguồn sinh ra các chất vô cơ, hữu cơ trong suối, trong nước bề mặt, ở cửa sông và biển. Chúng có khả năng trao đổi cation với các chất trong môi trường nước [9].
• Các nguyên tố vết trong nước
Đó là những nguyên tố có rất ít trong nước, nhỏ hơn vài ppm, chúng thường là các kim loại (Pb, Cd, Hg, As, Se...) hoặc các á kim (Se, Sb...). Ở nồng độ thấp, một số là chất dinh dưỡng cho cơ thể sống của động thực vật, còn khi ở nồng độ cao chúng là những chất gây nhiễm độc rất mạnh. Tuy nhiên, một số kim loai nặng như: Hg, Cd, As rất độc đối với sinh vật kể cả ở nồng độ thấp [9], [11].
Phóng xạ
42
Gồm các hạt alpha, beta, các tia gamma và bức xạ nơtron, chúng có khả năng xuyên và cơ thể sống qua đường hô hấp, tiêu hóa gây tác hại cho cơ thể. Đặc biệt bức xạ hạt nhân có khả năng gây tác động mãn tính đến nhiễm sắc thể gây ung thư, hại phôi thai và ảnh hưởng đến di truyền [l1].
Các sinh vật gây bệnh
Nguồn nước bị ô nhiêm do nhận nước thải sinh hoạt, nước bị nhiễm phân và đặc biệt là nước thải bệnh viện. Các loại vi khuẩn, ký sinh trùng, sinh vật gây bệnh sẽ theo nguồn nước bị ô nhiễm lan truyền bệnh cho người và động vật [9].
Trong nước bị nhiễm phân có 3 nhóm vi sinh chỉ thị:
- Nhóm Coliform đặc trưng là Escherichia coli (E. coli).
- Nhóm Streptococci đặc trưng là Streptococcus faecalis.
- Nhóm Clostridia khử sulphit đặc trưng là Clostridium perfringents.
Sự có mặt của các vi sinh vật này chỉ ra rằng nước bị nhiễm phân, có thể có vi trùng gây bệnh và ngược lại, nêu không có vi sinh vật chỉ thị phân có nghĩa là có thê không có vi trùng gây bệnh do phân.
Trong 3 nhóm vi sinh chỉ thị ô nhiễm phân thì nhóm Coliform là nhóm quan trọng nhất trong việc đánh giá vệ sinh nguồn nước và có đầy đủ các tiêu chuẩn của loại vi sinh chỉ thị [9] .
1.6.2.2.Các thông số cơ bản đánh giá chất lượng nước
Màu sắc
Nước tự nhiên sạch thường trong suốt và không màu, cho phép ánh sáng mặt trời chiếu tới các tầng nước sâu. Màu sắc của nước là do: các chất hữu cơ trong cây cỏ bị phân rã, nước có sắt và mangan ở dạng keo hoặc dạng hòa tan, nước có chất thải công nghiệp. Màu sắc làm ảnh hưởng đến chất lượng nước, gây tác động xấu đến hoạt động sống của thủy sinh vật trong môi trường và ảnh hưởng tới chất lượng của sản phẩm khi sử dụng nước có màu trong sản xuất [11], [12].
Mùi và vị
43
Nước tự nhiên không mùi vị. Mùi vị của nước là do có chất hữu cơ từ cống rãnh khu dân cư, xí nghiệp chế biến thực phẩm, có nước thải công nghiệp hóa chất, chế biến dầu mở, có các sản phẩm từ sự phân hủy cây cỏ, rong, tảo, động vật [12], [23].
Độ đục
Độ đục trong nước là do các hạt rắn lơ lững, các chất hữu cơ phân rã hoặc do các động thực vật trong nước gây nên. Độ đục làm giảm khả năng truyền ánh sáng trong nước, ảnh hưởng tới quá trình quang họp của sinh vật ở nước và làm suy giảm chất lượng nước [9].
Nhiệt độ
Nhiệt độ nước tự nhiên phụ thuộc vào điều kiện khí hậu, thời tiết của khu vực hay môi trường lưu vực. Nhiệt độ cao của nước sẽ làm thay đổi các quá trình sinh, hóa, lý học của hệ sinh thái nước [9], [12].
Độ pH
Độ pH là một trong những yếu tố quan trọng trong nước. Sự thay đổi giá trị pH có thể dẫn tới những thay đổi về thành phần các chất trong nước do quá trình hòa tan hoặc kết tủa, hoặc thúc đẩy hay ngăn chặn những phản ứng hóa học hay sinh học xảy ra trong nước [9].
Độ dẫn điện (Ec):
Độ dẫn điện (Ec) của nước phụ thuộc vào tổng ion trong nước. Ở nước ngọt Ec cú trị số hàng chục às/cm, ở nước sulphat Ec cú trị số hàng trăm às/cm và ở nước lợ mặn Ec cú trị số hàng ngàn đến hàng chục ngàn às/cm [23].
Hàm lượng chất rắn [9]
Chất rắn có trong nước là do các chất vô cơ hòa tan hoặc không hòa tan và các chát hữu cơ.
Chất rắn ảnh hưởng tới chất lượng nước khi sử dụng cho sinh hoạt và cho sản xuât.
Một số chỉ tiêu biểu thị hàm lượng chất rắn: