CHƯƠNG II: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU
2.5 Các thông số lý-hóa đánh giá chất lượng môi trường nước
Để đánh giá chất lượng nước cũng như mức độ gây ô nhiễm nước, có thể dựa vào một số chỉ tiêu cơ bản và quy định giới hạn của từng chỉ tiêu đó tuân theo Luật môi trường của một quốc gia hoặc tiêu chuẩn quốc tế qui định cho từng loại nước sử dụng cho các mục đích khác nhau (Đặng Kim Chi, 2001).
2.5.1 pH
Là một trong những chỉ tiêu cần kiểm tra, giá trị pH cho phép ta quyết định xử lý nước theo phương pháp thích hợp. Sự thay đổi các giá trị trong nước có thể dẫn đến những thay đổi về thành phần các chất trong nước do quá trình hòa tan hoặc kết tủa, hoặc thúc đẩy hoặc ngăn chặn các phản ứng hóa học, sinh học xảy ra trong nước (Đặng Kim Chi, 1998).
Nước tự nhiên thông thường có độ pH khoảng 4 – 9. Xác định độ pH của nước một mặt có ý nghĩa đánh giá về độ axit của nước, mặt khác qua độ pH có thể nhận xét sự có mặt của các dạng muối tan, mức độ ô nhiễm của nước và mức độ xử lý nước (Sổ tay phân tích Đất, Nước, Phân bón, Cây trồng, 1998)
Giá trị pH là một trong những yếu tố quan trọng nhất để xác định chất lượng nước về mặt hóa học. pH là một chỉ tiêu quan trọng đối với mỗi giai đoạn trong kỹ thuật môi trường, là một chỉ tiêu cần kiểm tra đối với chất lượng. pH là yếu tố môi trường ảnh hưởng đến tốc độ và giới hạn phát triển của sinh vật trong môi trường nước, sự thay đổi giá trị pH trong nước có thể dẫn tới những thay đổi
về thành phần các chất trong nước do hóa trình hòa tan hoặc kết tủa, hoặc thúc đẩy hay ngăn chặn những phản ứng hóa học, sinh học xảy ra trong nước (Đặng Kim Chi, 2001).
Tính chất của nước được xác định theo các giá trị khác nhau của pH. Khi pH = 7, nước có tính trung tính; khi pH > 7, nước có tính kiềm; khi pH < 7, nước có tính axit. pH được chia thành 14 mức từ 0 – 14. Sự biến động pH theo ngày – đêm là kết quả của sự thay đổi giữa quang hợp và hô hấp của thực vật phù du và các loài thực vật khác trong thủy vực. pH giảm là do quá trình phân hủy hữu cơ, hô hấp của thủy sinh vật. Hai quá trình này giải phóng ra nhiều CO2, CO2 phản ứng với nước tạo ra H+. Ngược lại, quá trình quang hợp được thực vật hấp thu CO2 làm pH tăng dần, khi CO2 tự do hòa tan trong nước bị hấp thu hoàn toàn thì pH tăng lên 8,34 (Trương Quốc Phú, 2008).
Nhìn chung, sự sống tồn tại và phát triển tốt nhất trong điều kiện môi trường nước trung tính có pH = 7. Tuy nhiên, sự sống vẫn chấp nhận một khoảng nhất định trên dưới giá trị trung tính (6 < pH < 8,5), đôi khi còn rộng hơn và cá biệt vẫn có những sinh vật sống được ở các pH cực tiểu (0 < pH < 1) và cực đại pH = 14 trong tự nhiên luôn luôn tồn tại hệ đệm, do vậy sự thay đổi nồng độ axit (H+) hoặc bazơ (OH-) đến một mức nào đó mới dẫn đến sự thay đổi pH (Trịnh Lê Hùng, 2007).
pH thấp sẽ thúc đẩy sự hòa tan các muối sắt, nhôm, làm tăng sự ảnh hưởng xấu các ion này lên thủy sinh vật. Ngoài ra, pH còn ảnh hưởng lên độc chất, có thể làm tăng tính độc hay giảm tính độc của độc tố (Lê Huy Bá, 2008).
2.5.2 Hàm lượng ôxy hòa tan trong nước – DO ( Dissolved Oxygen) Hàm lượng oxy hòa tan trong nước (mg/l) là lượng oxy từ trong không khí có thể hòa tan vào trong nước trong điều kiện nhiệt độ, áp suất xác định. Oxy hòa tan trong nước sẽ tham gia vào quá trình trao đổi chất, duy trì năng lượng cho quá trình phát triển, sinh sản và tái sản xuất cho các vi sinh vật sống dưới nước.
Hàm lượng oxy hòa tan trong nước giúp ta đánh giá chất lượng nước. Về mặt hóa học, oxy không tham gia phản ứng hóa học mà độ hòa tan của oxy trong nước phụ thuộc vào áp suất và nhiệt độ. Khi chỉ số DO thấp, có nghĩa là nước có nhiều chất hữu cơ, nhu cầu oxy hóa tăng nên tiêu thụ nhiều oxy trong nước. Khi chỉ số DO cao chứng tỏ nước có nhiều rong tảo tham gia quá trình quan hợp giải phóng oxy (Đặng Kim Chi, 2001).
Trong nước ngọt lượng oxy hòa tan DO (ở điều kiện 0ºC và 1 at) bằng 14,6 mg/l và DO (ở 35ºC) bằng 7 mg/l, người ta thường lấy DO (ở 25ºC, 1 at) bằng 8 mg/l. Vào các mùa thu, đông lượng oxy hòa tan trong nước nhiều hơn vào
các mùa xuân, hè do nhiệt độ mùa xuân hè tăng, nồng độ muối tăng, quá trình hô hấp tăng dẫn đến độ oxy hòa tan giảm (Đặng Kim Chi, 2001).
Oxy trong môi trường nước chủ yếu là: sản phẩm của quá trình quang hợp của thực vật thủy sinh, hay sự khuyếch tán từ không khí vào. Đối với các thủy vực nước đứng như ao, hồ,… thì oxy được cung cấp từ quá trình quang hợp là chủ yếu, còn thủy vực nước chảy như sông, suối… thì oxy được cung cấp từ quá trình khuyếch tán từ không khí vào là chủ yếu (Lê Anh Xuân, 1994 được trích dẫn bởi Nguyễn Phan Nhân, 2008).
Thông số DO thường được sử dụng để đánh giá mức độ ô nhiễm hữu cơ của nguồn nước. Trong các hệ sinh thái nước DO thường có nhịp độ ngày đêm, cực đại vào giữa trưa, cực tiểu vào ban đêm. DO cũng biến đổi theo chiều sâu thường thì oxy hoà tan nhiều ở lớp mặt (Hoàng Hưng, 2000).
Các sinh vật sống trong nước gồm các động vật và vi sinh vật hiếu khí cần oxy, các vi sinh vật kị khí không cần oxy, thực vật nói chung cũng như thực vật sống trong nước nói riêng ban ngày quang hợp nên nhả oxy cho môi trường còn ban đêm lại tiêu thụ một phần oxy. Như vậy, nguồn oxy hòa tan trong nước chủ yếu được đưa vào từ không khí thông qua mặt thoáng của khối nước trao đổi với không khí. Ở nhiệt độ và áp suất bình thường, lượng oxy hòa tan trong nước nằm trong khoảng từ 8 – 15mg/L. Trong môi trường có nhiều chất dinh dưỡng, các vi sinh vật hiếu khí hoạt động mạnh, cần tiêu thụ rất nhiều oxy nên lượng oxy hòa tan trong nước giảm rõ rệt. Việc giảm lượng oxy hòa tan trong nước đã tạo điều kiện cho các vi khuẩn yếm khí hoạt động nên đã sinh nhiều các hợp chất có mùi xú uế. Như vậy, việc xác định chỉ tiêu DO có thể đánh giá sơ bộ mức độ ô nhiễm của môi trường nước. Nước có DO thấp thường là nước bị ô nhiễm (Trịnh Lê Hùng, 2007).
2.5.3 Nhu cầu ôxy hóa học – COD (Chemmical Oxygen Demand) Nhu cầu oxy hóa học (chemical oxygen demand) là chỉ tiêu đánh giá nhu cầu oxy cần cho oxy hóa bằng con đường hóa học các chất hữu cơ trong nước.
Thông số này có ý nghĩa trong việc đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải, của các sông ngòi và độ sạch của nước được xử lý (Sổ tay phân tích Đất, Nước, Phân bón, Cây trồng, 1998).
Đây là chỉ tiêu để đánh giá định lượng chất hữu cơ có trong thủy vực. Khi vật chất hữu cơ trong thủy vực nhiều, quá trình phân hủy chúng làm tiêu hao nhiều oxy trong thủy vực gây nên hiện tượng nhiễm bẩn của thủy vực; ngược lại nếu nó quá ít thủy vực sẽ nghèo dinh dưỡng.
- COD = 2 ppm: thủy vực rất nghèo dinh dưỡng.
- COD = 2 – 5 ppm: thủy vực nghèo dinh dưỡng.
- COD = 5 – 10: thủy vực có dinh dưỡng trung bình.
- COD = 10 – 20ppm: thủy vực giàu dinh dưỡng.
- COD = 20 – 30 ppm: thủy vực rất giàu dinh dưỡng.
- COD > 30ppm: thủy vực bị nhiễm bẩn (Nguyễn Văn Bé, 1995).
Ngoài ra, đối với nguồn nước bị ô nhiễm bởi nước thải thành phố hoặc nhiều loại nước thải khác, mức độ nhiễm của COD được xác định như sau:
+ Nước rất sạch khi COD <=6 mg/L + Nước sạch khi COD từ 6-20 mg/L + Nước hơi bẩn khi COD từ 20-50mg/L + Nước bẩn khi COD từ 50-70 mg/L + Nước bẩn nặng khi COD từ 70-100mg/L
+ Nước rất bẩn khi COD >100mg/L (Vũ Nam, 2003).
COD được sử dụng rộng rãi trong phân tích nước thải trong việc vận hành các thiết bị xử lý, trong các hệ thống nuôi trồng thủy sản do thời gian xác định ngắn (khoảng 3 giờ) nên cho kết quả kịp thời.
Tuy nhiên, COD không phản ánh được tốc độ phân hủy của vật chất hữu cơ tồn tại trong điều kiện tự nhiên, đồng thời phép đo COD còn bị sai số bởi chất oxy hóa mạnh cũng có thể oxy hóa chất vô cơ thành các hóa trị cao hơn (Huỳnh Quốc Tịnh, 2003).
2.5.4 Đạm nitrit N-NO2-
Nitrit là chất trung gian trong chu trình nitơ (Nguyễn Khắc Cường, 2002).
Trong thuỷ vực nitrit được tạo thành từ quá trình oxy hóa ammonia và ammonium nhờ hoạt động của nhóm vi khuẩn hoá tổng hợp Nitrosomonas (Trương Quốc Phú, 2008). Hàm lượng NO2- ở tầng mặt ao luôn thấp hơn ở tầng đáy và tầng mặt có nhiều oxy và nhiệt độ cao hơn tầng đáy. Nếu trong nước hàm lượng oxy hoà tan tăng thì hàm lượng NO2- giảm và ngược lại. Hàm lượng NO2-
giảm xuống mức thấp nhất vào lúc 14 – 16 giờ và tăng khi hàm lượng oxy hòa tan, nhiệt độ trong nước giảm và đạt đến giá trị cao nhất vào lúc 6 giờ.
NH4+ + 3/2 O2 → NO2- + 2H+ + H2O+ 76 kcal
Trong điều kiện không có oxy, nhiều loài vi sinh vật có thể sử dụng nitrate hoặc một dạng oxy hóa khác của nitrogen (thay vì oxy) như một chất nhận điện tử trong quá trình hô hấp. Quá trình dị dưỡng này được gọi là khử nitrate hay hô
hấp nitrate, khi đó nitrate bị khử thành nitrit, hyponitric, hydroxylamine, ammonia hay khí N2. Quá trình này còn được gọi là quá trình phản nitrate hóa, các hợp chất trung gian trong quá trình chuyển hóa thường là những dạng độc nên không có lợi cho thủy sinh vật (Trương Quốc Phú, 2008).
2.5.5 Đạm nitrate N-NO3-
Nitrate là dạng oxy hóa cao nhất trong chu trình nitơ và thường đạt đến những nồng độ đáng kể trong các giai đoạn cuối cùng của quá trình oxy hóa sinh học (Nguyễn Khắc Cường, 2002).
Trong thủy vực có nhiều đạm ở dạng N-NO3- chứng tỏ quá trình oxy hóa đã kết thúc. Tuy vậy, các nitrate chỉ bền ở điều kiện hiếu khí. Trong điều kiện yếm khí N-NO3- bị khử thành nitơ tự do tách ra khỏi nước, loại trừ được sự phát triển của tảo và các thực vật khác sống trong nước. Nhưng mặt khác khi hàm lượng nitrate trong nước khá cao có thể gây độc hại với người, vì khi vào cơ thể trong điều kiện thích hợp, ở hệ tiêu hóa chúng sẽ chuyển hóa thành nitrit, kết hợp với hồng cầu tạo thành chất không vận chuyển oxy, gây bệnh xanh xao thiếu máu (Đặng Kim Chi, 2001).
Nitrate trong nước bề mặt thường có trong khoảng 0,1 – 10mg/l. Nitrate có tác dụng tích cực đối với cây trồng nhưng có tác dụng tiêu cực với môi trường sống của con người (Sổ tay phân tích Đất, Nước, Phân bón, Cây trồng, 1998).
Theo Nguyễn Thị Kim Thái và Lê Thị Hiền Thảo (2003) được trích dẫn bởi Huỳnh Thị Pha (2010), nitrate là một trong những dạng đạm được thực vật hấp thu dễ nhất, ít độc với thủy sinh vật trừ khi hấp thụ quá nhiều. Tuy nhiên, sự có mặt của nitrate cũng là điều không mong muốn vì khả năng chuyển hóa thành nitrit.
2.5.6 Phosphate P-PO43-
Lân là thành phần quan trọng của acid nucleic và adenosine phosphate, yếu tố trao đổi năng lượng (Lam Mỹ Lan, 2000). Trong môi trường nước, lân tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, thường thì tồn tại ở 3 dạng: orthophosphate, polyphosphate, phosphate có liên kết hữu cơ. Nguồn phosphate đưa vào môi trường là phân người, phân gia súc và nước thải một số ngành công nghiệp sản xuất lân, công nghiệp thực phẩm và trong nước thải từ đồng ruộng (Lê Trình, 1997), nhưng thực vật thủy sinh dễ hấp thụ nhất là dạng orthophosphate hoà tan (PO4³-) (Lam Mỹ Lan, 2000).
Tuy là một nguyên tố cần thiết, song nếu quá nhiều sẽ xúc tiến sự phát triển nhanh mạnh của tảo xanh hoặc thực vật lớn gây tắc nghẽn thủy vực. Quá trình này gọi là thừa dinh dưỡng hay phú dưỡng hoá. Những thủy vực thừa dinh
dưỡng thường có mùi hôi thối do sự phát triển quá mạnh của những sinh vật phân giải, làm cạn kiệt oxy hoà tan; phân hủy và thối rửa tảo và thực vật lớn đã chết.
Đây là dạng ô nhiễm nguy hiểm làm chết tôm cá và sau đó phải bỏ hoang (Lê Văn Khoa, 1995).
Nguồn thải đưa vào môi trường là phân (người, súc vật), phân bón trong nông nghiệp, từ các chất tẩy rửa trong sinh hoạt hằng ngày và trong một số ngành công nghiệp sản xuất phân lân, thực phẩm (Trịnh Xuân Lai, 2000).
Bên cạnh đó có thể xác định mức độ ô nhiễm nước thông qua thông số P- PO4³- như sau:
+ Nước rất sạch khi P-PO4 3- có nồng độ <= 0.01 mg/L + Nước sạch khi P-PO4 3- có nồng độ từ 0.01-0.05 mg/L + Nước hơi bẩn khi P-PO4 3- có nồng độ từ 0.05-0.1 mg/L + Nước bẩn khi P-PO4 3- có nồng độ từ 0.1-0.15 mg/L + Nước bẩn nặng khi P-PO4 3- có nồng độ từ 0.15-0.3 mg/L
+ Nước rất bẩn khi P-PO4 3-có nồng độ >0.3 mg/L (Vũ Nam, 2003).
Theo Trương Quốc Phú (2006) trong thủy vực tự nhiên hàm lượng lân tổng số ít khi vượt quá 1mg/L. Và hàm lượng P-PO4 3- thường rất thấp, ít khi nào vượt quá 200μg/L (chỉ khoảng 5 – 20μg/L) ngay cả trong thủy vực giàu dinh dưỡng. Nếu hàm lượng P-PO4 3- nhỏ hơn 0,005mg/L thì thực vật không phát triển được, nhưng khi vượt quá 0,2mg/L thì gây hiện tượng thực vật nở hoa.
2.5.7 Tổng Sắt
Sắt là kim loại phong phú tạo nên vỏ trái đất. Sắt hiện diện ở hầu hết các nguồn nước tự nhiên.
Khi trong nước có chứa các ion sắt sẽ gây đục và màu trong nước do:
Fe2+ Fe3+(màu nâu đỏ)
Đồng thời ảnh hưởng tới độ cứng, duy trì sự phát triển của một số vi khuẩn gây thối rửa trong hệ thống phân phối nước.
Hàm lượng sắt có thể xuất hiện trong nước là do nó hòa tan trong nước ngầm (dưới dạng Fe2+), hay có trong nước thải công nghiệp.
Sắt thường có trong nước ngầm dưới dạng muối tan hoặc phức chất do hòa tan từ các lớp khoáng trong đá hoặc do ô nhiễm nước bề mặt bởi nước thải (Đặng Kim Chi, 1998). Nước có hàm lượng sắt cao (lớn hơn 0,3 mg/L) gây trở ngại rất
Oxh
lớn cho việc sử dụng nước trong sinh hoạt. Nước đục do sắt có màu vàng nhiều cặn là thức ăn của các loại vi khuẩn ưa sắt.
Hàm lượng sắt trong nước tự nhiên và nước thải biến động trong khoảng rộng (0,01 – 30mg/l) tùy thuộc vào nguồn nước và nguồn ô nhiễm. Ngoài ra, còn phụ thuộc độ pH của nước và sự có mặt của oxy hòa tan, hàm lượng cacbonate và CO2 cũng như chất hữu cơ (Sổ tay phân tích Đất, Nước, Phân bón, Cây trồng, 1998).
Hàm lượng sắt trong nước tự nhiên không lớn (đặc biệt là trong nước mặt) thường nhỏ hơn 1mg/L (Trần Ngọc Lan, 2008). Sắt trong nước tự nhiên thường tồn tại dưới dạng Fe (II), Fe (III) và kết hợp với các chất hữu cơ ở dạng hòa tan hay không hòa tan. Trong đó Fe (II) thường độc hơn vì quá trình oxy hóa nó thành Fe (III) làm tiêu hao oxy của môi trường nước tạo thành các rỉ sắt gây ảnh hưởng đến quá trình hô hấp của động vật thủy sinh (Trương Quốc Phú, 2006).
Tỷ lệ các muối sắt tỷ lệ nghịch với pH, pH càng cao thì hàm lượng các muối sắt càng nhỏ. Do đó, khi quá trình quang hợp của thực vật xảy ra mạnh làm pH của nước tăng, các muối hòa tan của sắt trong nước hầu như không có (Trương Quốc Phú, 2006).
Tuy nhiên, hàm lượng sắt trong nước tự nhiên dao động trong một giới hạn lớn từ 0,01 – 26,1mg/L tùy thuộc vào nguồn nước và những vùng mà nguồn nước chảy qua. Ngoài ra, nồng độ sắt trong nước còn phụ thuộc vào độ pH và sự có mặt của một số chất như cacbonat, CO2, O2 và các chất hữu cơ tan trong nước;
chúng sẽ oxy hóa hay khử sắt và làm cho sắt có thể tồn tại ở dạng tan Fe (II) hay kết tủa Fe (III). Trong môi trường pH và nồng độ oxy thấp, sắt trong nước tồn tại dạng khử là Fe2+. Fe (III) sẽ được tạo thành từ Fe (II) khi có sự tiếp xúc với oxy và nếu pH môi trường nước cao, Fe3+ sẽ có thể bị hydrate hóa (thủy phân) tạo thành hydroxide sắt màu đỏ, ít tan, tồn tại ở dạng keo lơ lửng trong nước hay lắng xuống đáy thủy vực (Trần Sỹ Nam, 2011).
2.6 Giá trị giới hạn của các thông số lý, hóa nước trong QCVN 08: