English
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
Cng: Hàm lượng chất bẩn của nước nguồn, g/l
Cgh: 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:
qCnt + QCs = Cgh(q + aQ)
+ q: Lưu lượng xả thải; m3/h
+ Q: Lưu lượng nước sông; m3/h
+ Cnt: Nồng độ chất bẩn trong nước thải; g/m3
+ Cs : Nồng độ bẩn của nước sông trên điểm xả thải; g/m3
+ Cgh: 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 = Ll/Lt (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 = (Vtb x Htb) / 200
Với Vtb ; Htb 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.