Khả năng tự làm sạch của nguồn nước

 Khái niệm khả năng tự làm sạch của nguồn nước

Khả năng tự làm sạch là khả năng tự điều tiết trong hoạt động của môi trường thông qua một số cơ chế đặc biệt để giảm thâp ô nhiễm từ bên ngoài vào hoặc làm cho chất độc thành chất không độc.

Tự làm sạch nguồn nước là quá trình phục hồi lại trạng thái chất lượng ban đầu nhờ các quá trình thuỷ động học, vật lý, hoá học, sinh hoá,…diễn ra trong môi trường nước.

  Các loại nguồn nước:

Tất cả các loại nước trong thiên nhiên đều qua dạng nước mưa. Nước bay hơi từ đại dương, ngưng tụ lại thành những đám mây rồi lại rơi xuống lục địa thành mưa, tuyết. Sau đó nước tập trung vào sông hồ rồi lại chảy ra biển, đại dương.

Chu trình thủy văn gồm 3 nguồn nước: Nước mưa, nước mặt, nước ngầm.

       – Nước mưa: Về mặt vệ sinh, vi trùng học và hóa học, thì nước mưa sạch nhất, chỉ có nhược điểm là nồng độ muối trong đó quá ít.

       Nước ngầm: Về mặt vệ sinh thì nước ngầm kém nước mưa, nhưng sạch hơn nước mặt. Nhiều khi không phải xử lý mà vẫn sử dụng được. Thực chất nước ngầm là do nước mặt thấm xuống đất. Thành phần hóa lý của nước ngầm tùy thuộc cấu tạo địa chất và thành phần nước mặt.

Đối với nước ngầm, sự nhiễm bẩn về vi khuẩn rất đa dạng. Thông thường nước ngầm mạch nông bị nhiễm bẩn nhiều hơn so với nước ngầm mạch sâu. Càng thấm sâu xuống lòng đất, vi khuẩn càng ít đi bởi vì những lớp đất trên cũng có khả năng giữ lại hầu hết vi khuẩn. Nhiều số liệu cho thấy ở dưới các hố phân, vi khuẩn không thể thâm nhập xuống chiều sâu 30-40cm cách mặt đất. Tuy nhiên có khi ở độ sâu 1,5m và hơn nữa cũng phát hiện thấy vi khuẩn và làm nước ngầm bị nhiễm khuẩn.

       – Nước mặt: Khi nước mưa rơi xuống đất, chảy vào các sông hồ gọi là nước mặt. Nước mặt bẩn nhất cả về vi sinh vật, chất hữu cơ, vô cơ. Nước mặt rất giàu các chất dinh dưỡng – môi trường tốt cho nhiều vi sinh vật phát triển, kể cả nấm và động vật hạ đẳng.

Các quá trình tự làm sạch của sông

Quá trình tự làm sạch bao gồm hai quá trình cơ bản: Quá trình xáo trộn, pha loãng giữa nước thải và nước nguồn; quá trình khoáng hóa các chất hữu cơ dưới sự tham gia của các vi sinh vật và thủy sinh vật nước.

Trong thực tiễn, hai quá trình này diễn ra đồng thời nhưng cường độ của chúng phụ thuộc vào vị trí miệng xả nước thải, các yếu tố thuỷ động học dòng chảy như vận tốc, mực nước, lưu lượng, hệ số nhám, hệ số khuếch tán rối, hình thái sông hồ, độ uốn khúc của dòng chảy…và các điều kiện môi trường khác.

Nhờ hai quá trình trên nồng độ các chất ô nhiễm đưa vào nguồn nước sau một thời gian sẽ giảm xuống đến một mức nào đó. Kết quả cuối cùng của các quá trình này là phục hồi một phần hoặc toàn bộ trạng thái ban đầu của nguồn nước.

Để đơn giản cho việc nghiên cứu, đánh giá quá trình tự làm sạch nguồn nước, người ta chia ra các giai đoạn tự làm sạch theo không gian trong dòng chảy sông.

– Vùng 1: vùng xáo trộn nước thải với nước nguồn. Ớ đây chủ yếu diễn ra quá trình pha loãng nước sông với nước thải;

– Vùng 2: vùng pha loãng hoàn toàn nước sông với nước thải. Điểm ranh giới giữa vùng 1 và vùng 2 chỉ là quy ước vì trong thực tế không có điểm xáo trộn hoàn toàn nước thải với nước sông. Tuy nhiên thời điểm khoảng 80% lượng nước sông tham gia pha loãng nước thải được coi là điểm xáo trộn hoàn toàn. Tại vùng này chủ yếu diễn ra các quá trình hoá lý và sinh hoá để chuyển hoá chất bẩn;

– Vùng 3: vùng khôi phục trạng thái ban đầu của nguồn nước

Tự làm sạch bằng Quá trình xáo trộn pha loãng:

Pha loãng là một trong những yếu tố chính làm giảm nồng độ chất bẩn khi xả vào nguồn nước. Trong quá trình pha loãng, tổng lượng chất bẩn được coi như không thay đổi cho trường hợp chất ô nhiễm bền vững và không bền vững.

Quá trình pha loãng (xáo trộn) thuần túy lý học giữa nước thải với nguồn nước. Khi xác định mức độ xáo trộn giữa nước thải với nước sông không lấy toàn bộ lưu lượng nước sông để tính vì ở khía cạnh cống xả quá trình xáo trộn chưa thể đạt hoàn toàn, chỉ đạt hoàn toàn ở một khoảng cách nào đó xa cống xả. Mặc khác, tỉ lệ giữa lưu lượng nước thải và lưu lượng nước nguồn càng lớn thì khoảng cách từ cống xả đến điểm tính toàn (là nơi thực hiện quá trình xáo trộn hoàn toàn) sẽ càng lớn.

Sự tương quan giữa lưu lượng nguồn và lưu lượng nước thải là yếu tố quan trọng trong quá trình tự làm sạch là hệ số pha trộn n:

Trong đó:

Q: Lưu lượng nước nguồn tham gia vào quá trình xáo trộn, m³/s

q: Lưu lượng nước thải xả là vào nguồn, m³/s

C: Hàm lượng chất bẩn của nước thải, g/l

C_ng: Hàm lượng chất bẩn của nước nguồn, g/l

C_gh: Hàm lượng chất bẩn của hồn hợp nước thải với nước nguồn sau khi đã xáo trộn kỹ, g/l.

Như vậy ta thấy trong quá trình xáo trộn pha loãng chỉ giúp giảm nồng độ nhưng không làm giảm tải lượng chất ô nhiễm. Phương trình cân bằng vật chất cho quá trình xáo trộn, pha loãng:

qC_nt + QC_s = C_gh(q +  aQ)

+ q: Lưu lượng xả thải; m³/h

+ Q: Lưu lượng nước sông; m³/h

+ C_nt: Nồng độ chất bẩn trong nước thải; g/m³

+  C_s : Nồng độ bẩn của nước sông trên điểm xả thải; g/m³

+ C_gh: Nồng độ giới hạn cho phép trong nước sông phụ thuộc vào mục đích sử dụng; g/m³

+ a: Hệ số xáo trộn; %

Thực tế thì không phải tất cả lưu lượng nước nguồn tham gia vào quá trình xáo trộn mà chỉ một phần. Phần nước nguồn tham gia vào quá trình được đặc trưng bởi hệ số xáo trộn.

Sự xáo trộn khuếch tán chủ yếu là do lực gió, sóng, đuổi về mọi hướng và do chênh lệch áp suất, nhiệt độ và các đặc tính của dòng sông: vận tốc dòng chảy, lưu lượng nước, bề rộng sông, bề sâu… tạo nên.

Hệ số xáo trộn a được tính theo công thức sau:

Với L: chiều dài theo lạch sông tính từ điểm xả đến điểm tính toán (cuối vùng xáo trộn) (m)

α là hệ số tính đến các yếu tố thủy lực của dòng sông và được tính theo công sau:

ϕ: hệ số tính đến sự uốn khúc của dòng sông và ϕ = L^­_l­­­/L­­_t (tỷ số chiều dài theo lạch và chiều dài theo đường thẳng)

ξ: hệ số phụ thuộc vào vị trí điểm xả:

+ Xả ngay bờ: ξ =1

+ Xả giữa lòng sông: ξ =1,5

K: hệ số khuếch tán; m/s và K  = (V_tb x H_tb) / 200

Với V_tb ; H_tb là vận tốc trung bình, chiều sâu trung bình của đoạn sông đang tính toán.

Quá trình xáo trộn và pha loãng nước sông hồ với nước thải có ý nghĩa rất lớn trong việc bảo vệ nguồn nước:

– Giảm được nồng độ chất bẩn tại các điểm cục bộ trong sông hồ;

– Phân bố đều tải trọng chất bẩn trong toàn bộ dung tích nước nên tăng cường được quá trình tự làm sạch (phân bố tải trọng chất bẩn cho vi sinh vật);

– Do giảm được tải lượng chất bẩn cục bộ, phù hợp với khả năng tự điều chỉnh của hệ sinh thái vực nước nên độ ổn định của hệ được bảo đảm;

– Dựa vào số lần pha loãng nước nguồn với nước thải, chúng ta có thể xác định được mức độ xử lý nước thải cần thiết và thiết lập được các biện pháp bảo vệ sông hồ khác.

Tự làm sạch bằng quá trình khoáng hóa các chất hữu cơ

Đối với các chất bẩn không bền vững, khi được đưa vào nguồn nước, dưới tác động của các quá trình sinh học, hoá học và vật lý, chúng sẽ bị phân huỷ hoặc chuyển hoá từ dạng này sang dạng khác. Sự chuyển hoá này có xu thế phục hồi trạng thái ban đầu cho nguồn nước.

Đây là một sự tổng hợp nhiều quá trình diễn ra trong nguồn nước:

– Quá trình phân hủy hiếu khí các chất hữu cơ dưới sự tham gia của các vi sinh vật và thủy sinh vật (quá trình tiêu thụ oxy).

– Quá trình hòa tan oxy (quá trình làm thoáng).

Tốc độ chuyển hoá chất ô nhiễm từng quá trình này phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố như thành phần và đặc điểm quần xã thuỷ sinh vật trong vực nước, nhiệt độ nước, độ pH, cường độ chiếu sáng, độ sâu lớp nước, thành phần cặn lơ lửng và các chất hoà tan, đặc điểm bùn đáy…

Quá trình phân hủy hiếu khí (quá trình tiêu thụ oxy):

Sự phân hủy chất bẩn có ý nghĩa lớn nhất trong quá trình tự làm sạch của nguồn nước. Khi chất ô nhiễm xuất hiện, 70-80% bị lên men, oxy hóa tạo thành CO₂, H₂O, và NH₄ theo 2 giai đoạn:

– Oxy hóa các hợp chất chứa Carbon thành CO₂ và H₂O.

– Oxy hóa các hợp chất chứa Nitơ thành nitrit nhờ vi sinh vật Nitrosomonas và từ nitrit thành nitrate nhờ vi sinh vật Nitrobacter.

Trong đó:

+ L_a: hàm lượng BOD ở thời điểm ban đầu; mg/l

+ L_t : hàm lượng BOD qua khoảng thời gian t; mg/l

+ k: hằng số tiêu thụ oxy với nhiệt độ cho trước

+ t: thời gian xảy ra quá trình tiêu thụ oxy; ngày

Cơ chế: vi khuẩn là nhân tố chính trong quá trình sinh hóa bình thường trong nguồn nước thiên nhiên. Chúng biến các chất hữu cơ hòa tan thành tế bào của mình và các chất vô cơ. Các chất vô cơ lại được tảo sử dụng. Động vật hạ đẳng, vi khuẩn làm thức ăn cho cá bé, rồi cá lớn. Cá lại là nguồn thức ăn cho con người. Vi khuẩn và nấm phân hủy chất hữu cơ để giải phóng CO₂, H₂O và một số muối khoáng. Trong quá trình này chúng sử dụng một lượng ôxy rất lớn nên thường gây ra hiện tượng thiếu hụt ôxy ngay sau khi xả nước thải vào sông hồ. Quá trình này diễn ra càng mạnh thì hiệu quả tự làm sạch nguồn nước càng cao.

Vi khuẩn đóng vai trò chính trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong thiên nhiên và được coi là tác nhân thu gom có hiệu quả chất hữu cơ trong dịch loãng. Vi khuẩn ôxy hóa chất hữu cơ để tự cung cấp năng lượng nhằm tổng hợp các phân 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.

Lượng vi khuẩn và nấm trong nước tùy thuộc vào nhiều yếu tố. trong nước sạch thường không đủ chất hữu cơ (chất dinh dưỡng) cho các loại hoại sinh. Khi các chất hữu cơ lẫn vào nước nguồn thì các vi sinh vật phát triển nhảy vọt. Trong quá trình sinh trưởng phát triển các vi sinh vật tiêu thụ càng càng ôxy. Kết quả nồng độ ôxy trong nước giảm, thậm chí bị tiêu thụ hoàn toàn, tạo điều kiện thiếu khí trong môi trường.

Thực vật phù du: là thực vật sống trôi nổi trong nước, có thể tự dưỡng qua quá trình quang hợp góp phần phân giải chất hữu cơ hạn chế ô nhiễm nước. Nó làm giàu ôxy trong nước, ôxy rất cần cho quá trình phân hủy chất hữu cơ, làm giảm các nguyên tố dinh dưỡng trong nước. Nó là nguồn thức ăn cho các loại sinh vật ăn thực vật. Tuy nhiên, thực vật phù du phát triển quá mạnh thì lại làm nguồn nước biến đổi lần thứ hai.

Các vùng biến đổi của chất thải:

• Vùng phân rã: vùng này xả ra ở nơi thấp hơn của cống, khi lượng nước chảy vào sông. Tiêu biểu của vùng này là nước trở nên đậm và đục với sự hình thành của cặn lắng. Hàm lượng ôxy hòa tan giải xuống 40% hàm lượng CO₂ tăng lên, xảy ra sự thông khí trở lại nhưng chậm hơn khử oxit. Tình trạng này không thuận lợi cho sự phát triển của thủy sinh vật. Nấm phát triển ở những điểm cao hơn, vi khuẩn phát triển ở những điểm thấp hơn, sinh ra những côn trùng nhỏ chiếm ưu thế sống ổn định trong nước cống.
• Vùng phân hủy mạnh: vùng này thấy rấ rõ khi nước bị ô nhiễm nặng và đặc trưng bởi sự vắng mặt ôxy hòa tan, diễn ra sự phân hủy kỵ khí. Do kết quả của dự phân hủy cặn, các bọt khí và bùn cặn có thể xuất hiện trên mặt nước tạo thành váng màu đen. Nước sẽ có màu xám đen và có mùi hôi thối của các hợp chất chứa lưu huỳnh. Các vi sinh vật chủ yếu là vi khuẩn kỵ khí, nấm hầu như đã biến mất; các loài động vật bậc cao cũng rất ít, chỉ có một ít loài ấu trùng, côn trùng,…
• Vùng phục hồi: ở vùng này nhiều chất hữu cơ đã lặng đọng xuống ở dạng cặn. Cặn bị phân hủy kỵ khí dưới đáy hoặc trong dòng nước chuyển động. Vì nhu cầu tiêu thụ ôxy của nước nhỏ hơn tốc độ làm thoáng bề mặt nên tình trạng được cải thiện, nước được trong hơn. Lượng CO2, NH4 giảm và ôxy hòa tan, NO2-, NO3- tăng lên. Vi khuẩn có xu hướng giảm về số lượng vì việc cung cấp thức ăn bị giảm, chúng chủ yếu là loài hiếu khí. Nấm xanh, tảo xuất hiện đã sử dụng các hợp chất chứa nitơ và CO2 rồi giải phòng ôxy giúp cho việc làm thoáng và hòa tan ôxy mạnh mẽ hơn. Tiếp theo, nhu cầu tiêu thụ ôxy giảm; các loài tảo cũng ít hơn; xuất hiện các loài nguyên sinh động vật, nhuyễn thể, các thực vật nước, quần thể cá cũng ổn định dần và tìm thức ăn trong vùng này.
• Vùng nước trong: ở đây dòng chảy đã trở lại trạng thái tự nhiên và có các loài phù du thông thường của nước sạch. Do ảnh hưởng của độ phfu dưỡng do ô nhiễm trước đây cho nên các loài phù du sẽ xuất hiện các số lượng lớn. Nước trở lại trạng thái cân bằng ôxy – lượng ôxy hòa tan lớn hơn lượng ôxy tiêu thụ – trạng thái ban đầu của nước đã được phục hồi hoàn toàn.

Quá trình làm thoáng

Quá trình làm thoáng bổ sung oxy cho nguồn nước. Hai nguồn cấp oxy cho nước: oxy không khí thông qua quá trình xáo trộn và quá trình quang hợp của các thực vật nước.

Quá trình làm thoáng được tính theo công thức:

Trong đó:

D_a: độ thiếu hụt oxy ban đầu; mg/l

D_t: độ thiếu hụt oxy qua thời gian t; mg/l

K₂: hằng số tốc độ hòa tan oxy trong nước

T: thời gian xảy ra quá trình hòa tan oxy