Đang tải... (xem toàn văn)
Môn học trang bị những kiến thức cơ bản về ô nhiễm môi trường đất, nước, không khí, thực phẩm bao gồm các đối tượng: • Nguồn gốc, nguyên nhân của ô nhiễm môi trường • Các tác nhân ô nhiễm, cơ chế cơ bản của các tác nhân ô nhiễm khi đưa vào môi trường Quá trình lan truyền các chất ô nhiễm trong môi trường Tác hại của các chất ô nhiễm đối với môi trường và sinh vật Các tiêu chí đánh giá ô nhiễm môi trường
Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường MỤC LỤC BÀI MỞ ĐẦU......................................................................................................................................3 I. MỤC TIÊU, Ý NGHĨA MÔN HỌC Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG....................................................3 1. Mục tiêu môn học...................................................................................................................3 2. Nội dung môn học...................................................................................................................3 3. Tài liệu tham khảo...................................................................................................................3 II. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN...........................................................................................................3 1. Môi trường và các thành phần môi trường..............................................................................3 1.1. Khái niệm môi trường.................................................................................................3 1.2. Chức năng của môi trường.........................................................................................5 2. Khái niệm ô nhiễm môi trường...............................................................................................6 3. Một số vấn đề liên quan..........................................................................................................8 III. KIẾN THỨC CHUNG...................................................................................................................9 1. Nguồn thải và đặc tính của nguồn thải....................................................................................9 2. Các quá trình cơ bản trong môi trường.................................................................................11 2.1. Các quá trình vật lý xảy ra với chất ô nhiễm trong môi trường................................12 2.2. Các quá trình hóa học xảy ra với chất ô nhiễm trong môi trường............................18 2.3. Các quá trình sinh học xảy ra với các chất ô nhiễm trong môi trường.....................18 2.4. Đặc điểm của chất ô nhiễm quyết định loại và mức độ các quá trình diễn ra với chất đó.19 ............................................................................................................................................................21 CHƯƠNG I. Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ...................................................................21 I. Bản chất tự nhiên của khí quyển.....................................................................................................21 1.1. Thành phần tự nhiên của khí quyển...................................................................................21 1.2. Cấu trúc của khí quyển.......................................................................................................22 II. Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ....................................................................................23 2.1. Các tác nhân gây ô nhiễm môi trường không khí..............................................................23 2.1.1. Các vật chất gây ô nhiễm dạng hạt........................................................................24 2.1.2. Các chất khí gây ô nhiễm.......................................................................................27 2.1.3. Tiếng ồn.................................................................................................................32 2.1.4. Phóng xạ................................................................................................................40 2.1.5. Nhiệt......................................................................................................................46 2.2. Lan truyền ô nhiễm trong môi trường không khí...............................................................47 2.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến lan truyền chất ô nhiễm...............................................48 2.2.2. Giới thiệu một số mô hình tính toán lan truyền chất ô nhiễm...............................55 III. MỘT SỐ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN TỚI MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ.......................................62 3.1. Vấn đề môi trường toàn cầu...............................................................................................62 3.1.1. Hiệu ứng nhà kính và sự biến đổi khí hậu toàn cầu...............................................62 3.1.2. Mưa axít.................................................................................................................68 3.1.3. Suy giảm tầng Ozon..............................................................................................71 e. Bảo vệ tầng Ôzôn.........................................................................................................73 3.2. Ô nhiễm không khí do một số hoạt động phát thải điển hình............................................73 IV. GIỚI THIỆU MỘT SỐ TIÊU CHUẨN, QUY CHUẨN ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ..........................................................................................................73 CHƯƠNG II – Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC...........................................................................75 1. ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN CỦA MÔI TRƯỜNG NƯỚC................................................................75 1.1. Đặc điểm của nước ngầm...................................................................................................75 1.1.1. Thành phần của nước ngầm...................................................................................75 1.1.2. Sự nhiễm bẩn nước ngầm......................................................................................78 1.2. Đặc điểm của nước mặt......................................................................................................79 1.2.1. Độ truyền quang của ánh sáng vào môi trường nước............................................79 1.2.2. Sự phân tầng của thủy vực.....................................................................................81 1.2.3. Phân vùng tự nhiên trong thủy vực........................................................................83 1 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường 1.3. Đặc điểm của nước thải......................................................................................................86 1.3.2. Nước thải công nghiệp...........................................................................................90 2. CÁC THÔNG SỐ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC..............................................................97 2.1. Các thông số vật lý môi trường nước.................................................................................97 2.1.1. Nhiệt độ của nước..................................................................................................97 2.1.2. Độ đục/độ trong của nước.....................................................................................97 2.1.3. Độ màu của nước...................................................................................................98 2.1.4. Độ mùi của nước....................................................................................................99 2.1.5. Vị của nước............................................................................................................99 2.1.6. Chất rắn trong nước...............................................................................................99 2.2. Các thông số hóa học môi trường nước...........................................................................103 2.2.1. Thế pH.................................................................................................................103 2.2.4. Nhóm các chất khí trong nước.............................................................................106 a. Oxy hòa tan (DO - Disolved Oxygen).......................................................................106 b. Khí cacbonic (cacbon dioxyt – CO2)........................................................................110 c. Hydro sunphit (H2S)..................................................................................................113 d. Metan (CH4)..............................................................................................................115 2.2.5. Nhóm thông số nhu cầu oxy của nước................................................................115 a. Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD - Biochemical Oxy Demand).......................................115 b. Nhu cầu oxy hóa học (COD – Chemical Oxygen Demand)......................................117 a. Các chất hữu cơ dễ bị phân huỷ sinh học (các chất tiêu thụ oxy)..............................119 b. Các chất hữu cơ bền vững.........................................................................................120 2.2.7. Nhóm các chất vô cơ trong nước.........................................................................123 a. Các chất dinh dưỡng vô cơ hòa tan............................................................................124 b. Các ion liên quan đến áp suất thẩm thấu...................................................................128 c. Các kim loại và á kim loại quan trọng khác..............................................................131 4.3. Các thông số sinh học môi trường nước..........................................................................137 3. QUÁ TRÌNH VẬN CHUYỂN VÀ CHUYỂN HÓA CHẤT GÂY Ô NHIỄM TRONG NƯỚC 141 Quá trình tự làm sạch..............................................................................................................141 3.1.1. Quá trình pha loãng.............................................................................................141 3.1.2. Quá trình lắng đọng.............................................................................................142 3.1.3. Khả năng tự làm sạch hoá học của nước.............................................................142 3.1.4. Khả năng tự làm sạch hoá sinh của nước............................................................142 4. MỘT SỐ VẤN ĐỀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC..............................................................142 4.1. Hiện tượng phú dưỡng nguồn nước.................................................................................142 4.2. Phát thải ô nhiễm tại một số hoạt động điển hình............................................................146 5. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG TIÊU CHUẨN, QUY CHUẨN HIỆN HÀNH.................................146 5.1. Đối với nước cấp sinh hoạt..............................................................................................146 5.2. Đối với nước tự nhiên......................................................................................................146 5.3. Đối với nước thải.............................................................................................................146 Nguồn: Alloyway và Fergusson (1990)[10].....................................................................................156 Bảng 3.5:Hàm lượng một số KLN trong nước thải ở một số khu vực....................................157 (mg/kg)....................................................................................................................................157 Quá trình chuyển hóa các kim loại nặng trong đất........................................................158 2 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường BÀI MỞ ĐẦU I. MỤC TIÊU, Ý NGHĨA MÔN HỌC Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG 1. Mục tiêu môn học Hiện nay môi trường là vấn đề nóng bỏng và cấp bách, không chỉ của một quốc gia mà là vấn đề toàn cầu, không chỉ riêng cho các nhà khoa học mà là của tất cả mọi người. Sinh thái, tài nguyên, môi trường đã và đang bị phá hủy một cách nghiêm trọng từng ngày, từng giờ với tốc độ rất nhanh chóng. Những vấn đề môi trường đang ở mức độ báo động ảnh hưởng đến sức khỏe cộng đồng trong những năm gần đây là: thiếu nước sạch, ô nhiễm không khí, ô nhiễm lương thực, suy thoái chất lượng đất… Trước những hiện trạng trên, để phát triển bền vững thì hoạt động bảo vệ môi trường là cần thiết. Điều tiên quyết để bảo vệ môi trường đúng khoa học và hợp lý là phải hiểu biết những khái niệm cơ bản về môi trường và bản chất của quá trình ô nhiễm trong môi trường. Môi trường là một lĩnh vực rộng lớn với nhiều khía cạnh khác nhau. Môn học này giới thiệu các khái niệm cơ bản nhất xoay quanh hiện tượng ô nhiễm môi trường và các hệ quả của quá trình này. 2. Nội dung môn học Môn học trang bị những kiến thức cơ bản về ô nhiễm môi trường đất, nước, không khí, thực phẩm bao gồm các đối tượng: • Nguồn gốc, nguyên nhân của ô nhiễm môi trường • Các tác nhân ô nhiễm, cơ chế cơ bản của các tác nhân ô nhiễm khi đưa vào môi trường • Quá trình lan truyền các chất ô nhiễm trong môi trường • Tác hại của các chất ô nhiễm đối với môi trường và sinh vật • Các tiêu chí đánh giá ô nhiễm môi trường 3. Tài liệu tham khảo a. Tài liệu bắt buộc 1. Phạm Ngọc Đăng, Môi trường không khí, NXB KHKT, Hà Nội, 1997. 2. Trần Ngọc Chấn, Ô nhiễm không khí và xử lý khí thải, NXB Khoa học kỹ thuật, 2001 3. Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga, Giáo trình Công nghệ xử lý nước thải, Nhà xuất bản Khoa học và Kỹ thuật 4. Lê Văn Khoa, Sinh thái và môi trường đất, NXB ĐHQGHN. 2004. 5. Lê Huy Bá, Độc học môi trường cơ bản, Đại học Quốc gia Hồ Chí Minh 6. Trần Hiếu Nhuệ, Quản lý chất thải rắn, NXBKHKT b. Tài liệu tham khảo 1. Enviromental and Pollution science, second edition, Ian L. Pepper, Ph.D. 2. Theory and practice of water and wastewater treatment. Ronald L.Droste II. CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN 1. Môi trường và các thành phần môi trường 1.1. Khái niệm môi trường Theo luật Bảo vệ môi trường, 2005, Môi trường bao gồm các yếu tố tự nhiên và vật chất nhân tạo bao quanh con người, có ảnh hưởng đến đời sống, sản xuất, sự tồn tại, phát triển của con người và sinh vật. Như vậy, Môi trường bao gồm các yếu tố vật chất tự nhiên hoặc nhân tạo, lý học, 3 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường hóa học, sinh học, kinh tế - xã hội cùng tồn tại trong một không gian bao quanh con người. Các yếu tố này có mối quan hệ mật thiết, tương tác lẫn nhau và tác động lên từng cá thể hay cả cộng đồng cùng tồn tại và phát triển. Thành phần môi trường là yếu tố vật chất tạo thành môi trường như đất, nước, không khí, âm thanh, ánh sáng, sinh vật, hệ sinh thái và các hình thái vật chất khác. Môi trường gồm nhiều thành phần khác nhau trong đó mỗi thành phần môi trường là một môi trường với đầy đủ ý nghĩa của nó. Ví dụ đất là một thành phần của môi trường sinh thái nhưng chính đất lại là một môi trường gọi là môi trường đất, trong môi trường đất cũng có đầy đủ các thành phần như: vật chất vô sinh, hữu sinh, các thành phần vật lý, hóa học và sinh học… Môi trường tự nhiên bao gồm các yếu tố thiên nhiên như vật lý, hóa học, sinh học… tồn tại khách quan ngoài ý muốn của con người và chịu sự chi phối một cách gián tiếp thông qua các hoạt động của con người. Môi trường nhân tạo bao gồm những nhân tố vật lý, hóa học, sinh học, xã hội… do con người tạo ra và chịu sự chi phối trực tiếp của con người Môi trường xã hội bao gồm các mối quan hệ giữa con người với con người tạo ra sự thuận lợi hoặc trở ngại cho sự tồn tại và phát triển của cá nhân, cộng đồng con người. Về mặt vật lý, Trái đất được chia làm 3 quyển vô sinh: khí quyển, thủy quyển và địa quyển (thạch quyển), chúng được cấu tạo bởi các vật chất (vô cơ và hữu cơ) và năng lượng (thế năng, cơ năng, hóa năng, quang năng…) Ngoài ra còn có một quyển sinh học là sinh quyển bao gồm các cơ thể có sự sống và các thành phần vô sinh tạo nên môi trường sống của các cơ thể này. Sinh quyển tồn tại song song và đan xen trong các quyển vô sinh còn lại. Do ảnh hưởng của con người đến môi trường sống là khá lớn và ngày càng mở rộng hơn, sâu sắc hơn nên hiện nay còn có quan điểm chia môi trường ra thành năm quyển (trong đó có thêm Nhân sinh quyển). Thạch quyển là lớp vỏ trái đất có độ dày 60 – 70 km trên phần lục địa và 2 – 8 km dưới đáy đại dương. Tính chất vật lý và thành phần hóa học của thạch quyển tương đối ổn định có vai trò làm nền tảng cho sự phát triển của sinh vật và con người trên trái đất. Trong đó, địa quyển bao gồm lớp đất mỏng trên bề mặt của thạch quyển, là nơi các hoạt động sống diễn ra mạnh mẽ nhất. Thủy quyển là phần nước tồn tại trên trái đất bao gồm ao, hồ, sông, suối, kênh rạch, biển, đại dương, nước ngầm và các dạng tồn tại khác của nước như băng tuyết, hơi nước. Với tổng lượng nước 1.454,7 triệu km khối, lượng nước này nếu phân bố đều trên bề mặt trái đất sẽ tạo nên một lớp nước dày 30 – 40 cm bao gồm nước ngọt, nước mặn và nước lợ. Thủy quyển đóng vai trò quan trọng không thể thiếu trong cuộc sống của sinh vật sống và cân bằng khí hậu. Khí quyển là lớp không khí bao quanh Trái đất, có giới hạn từ mặt đất đến nơi cuối cùng có sự tồn tại của các chất khí ở mật độ rất thấp. Khí quyển đóng vai trò quan trọng trong duy trì sự sống, quyết định tính chất khí hậu… trên Trái đất. Sinh quyển bao gồm các cơ thể sống, một phần của thạch quyển (chủ yếu là địa quyển), thủy quyển và khí quyển tạo nên môi trường sống cho sinh vật. Nói cách khác, sinh quyển là môi trường mà tại đó tồn tại sự sống. Tuy nhiên, khác với các quyển vật lý vô sinh, trong sinh quyển, ngoài vật chất và năng lượng còn chứa một nguồn tài nguyên đặc biệt – tài nguyên thông tin về cấu trúc, cơ chế tồn tại và phát triển của sự sống… Dạng thông tin phức tạp và phát triển cao nhất chính là trí tuệ của con người, đó là dạng tài nguyên có tác động ngày càng mạnh mẽ tới sự tồn tại và phát triển của Trái đất. 4 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường 1.2. Chức năng của môi trường Các chức năng cơ bản của môi trường: đối với một cá thể con người cũng như đối với toàn bộ nhân sinh quyển, môi trường có 3 chức năng cơ bản: a. Môi trường là không gian sống của con người Trong cuộc sống của mình con người cần một phạm vi không gian nhất định để sống và hoạt động, đồng thời với đó là đòi hỏi không gian đó phải đảm bảo một chất lượng nhất định cho sự sống của con người. Trái đất, một bộ phận môi trường gần gũi nhất của loài người trong hàng trăm triệu năm qua không hề thay đổi về độ lớn trong khi đó dân số loài người trên Trái đất lại tăng lên theo cấp số nhân. Do đó, diện tích bình quân đầu người giản sút nhanh chóng qua thời gian. Bảng 1. Quá trình tăng trưởng dân số và thu hẹp diện tích bình quân đầu người trên Thế giới Năm -106 -105 -104 0 1650 1840 1930 1994 2010 Dân số (triệu người) 0,125 1 5 200 545 1000 2000 5000 7000 Diện tích (ha/người) 120000 15000 3000 75 27,5 15 7,5 3 1,88 Trung bình mỗi người một ngày cần khoảng 4 m 3 không khí để thở, 2,5 lít nước để uống và một lượng lương thực, thực phẩm ương ứng 2.000 – 2.400 calo. Đồng thời với sự hạn chế không gian sống là sự căng thẳng về phân bố không đều trong mật độ dân số. Tại các khu vực đô thị, khu công nghiệp, khu vực thâm canh nông nghiệp lâu đời, diện tích đất bình quân trên đầu người chỉ bằng 1% đến 0,1% giá trị trung bình toàn thế giới. Dân số đông và mật độ dân số lớn dẫn tới mất ổn định xã hội, suy giảm chất lượng cuộc sống (chăm sóc trẻ em, giáo dục, y tế, tội phạm và tệ nạn xã hội…) Ngoài ra, căn cứ vào từng mục đích tiếp cận khác nhau có thể chia chức năng không gian sống của môi trường ra thành: - Chức năng xây dựng: mặt bằng, nền móng cho các kiến trúc hạ tầng, đô thị, khu dân cư - Chức năng vận tải: cung cấp mặt bằng, khoảng không gian, nền móng giao thông, đường bộ, đường thủy, đường hàng không để di chuyển người, hàng hóa và các vật liệu khác. - Chức năng sản xuất: cung cấp mặt bằng cho sản xuất nông, lâm, ngư nghiệp, công nghiệp - Chức năng vui chơi, giải trí, giá trị thẩm mỹ Con người đòi hỏi không gian sống không chỉ về mặt phạm vi mà còn về mặt chất lượng. Không gian sống có chất lượng cao trước hết phải sạch sẽ, tinh khiết và an toàn. Ví dụ, không khí, đất, nước tiếp xúc hoặc được con người sử dụng phải ít chứa chất bẩn, chất độc hại với sức khỏe con người, tiếp đó phải thỏa mãn thẩm mỹ, tâm lý của con người. Đây là một yêu cầu ngày càng quan trọng khi chất lượng cuộc sống càng ngày càng cao. b. Môi trường là nơi cung cấp tài nguyên Môi trường là nơi con người khai thác các nguồn lực về vật liệu, năng lượng cần thiết cho cuộc sống của mình. Tất cả các nền sản xuất từ thô sơ, lạc hậu nhất như săn bắt, hái lượm đến công nghệ cao hơn trong nông nghiệp, công nghiệp… đều phải sử dụng các tài nguyên thiên nhiên như đất, nước, không khí, khoáng sản, năng lượng… từ những thành phần cấu thành lên Trái đất. Con người đã và đang tiến hành khảo sát, thăm dò, khai thác các tài nguyên tiềm tàng trong lòng đất, dưới biển sâu, trên các hành tinh khác. Với sự phát triển của nền văn minh con người, những tài 5 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường nguyên không tái tạo càng ngày càng suy giảm. Để khắc phụ tình trạng này, những nghiên cứu phát triển nguyên liệu mới, nhiên liệu thay thế… được tiến hành nhưng cũng sử dụng những tiềm năng sẵn có trong môi trường xung quanh. Tài nguyên trong môi trường gồm có nhiều loại trong đó có thể phân ra hai nhóm chính: tài nguyên thiên nhiên và tài nguyên con người. Tài nguyên thiên nhiên là những tài nguyên có sẵn trong tự nhiên mà con người có thể khai thác, sử dụng vào những mục đích nhất định: đất, nước, rừng, khoáng sản, năng lượng… Tài nguyên con người là sức lao động, trí tuệ, thể chế xã hội, tập quán, tín ngưỡng… đêm lại cho xã hội khả năng duy trì và phát triển hơn. Phân chia theo phương thức sử dụng tài nguyên thiên nhiên, ta chia ra: tài nguyên vật liệu (là tài nguyên tồn tại ở dạng vật chất, được sử dụng là nguyên liệu cho quá trình sản xuất và các hoạt động khác của con người), tài nguyên năng lượng (năng lượng từ Mặt trời, địa nhiệt và năng lượng hạt nhân) và tài nguyên thông tin. Chính vì việc sử dụng tài nguyên cho các mục đích phát triển của con người và cách thức phân loại tài nguyên như trên, nhiều tài liệu còn đưa: Chức năng thông tin là một chức năng cơ bản của môi trường. Phân chia theo khả năng tái tạo, tài nguyên gồm có loại tái tạo được (có thể phục hồi sau một khoảng thời gian nhất định hoặc vô hạn) và loại không tái tạo được (hữu hạn, không thể phục hồi được hoặc có thể phục hồi nhưng trong thời gian rất dài). Khoa học công nghệ tiến bộ tạo ra được nhiều vật liệu nhân tạo sử dụng những nguyên liệu sẵn có nhưng tạo ra những sản phẩm chưa từng có trong tự nhiên đã đưa nhân loại tiến một bước dài trong sự phát triển. Tuy nhiên, một số trường hợp lại gây nên những vấn đề nghiêm trọng cho môi trường như thời gian phân hủy kéo dài của các vật liệu nhân tạo, độc tính và khả năng tác động của các hóa chất nhân tạo cao hơn gấp nhiều lần so với những chất độc từng có trong tự nhiên. Đó cũng là một trong những vấn đề môi trường được quan tâm hiện nay. c. Môi trường là nơi chứa đựng và đồng hóa phế thải Trong sử dụng nguyên liệu, năng lượng trong cuộc sống sinh hoạt và sản xuất của con người, hiệu suất không bao giờ đạt 100%, nói cách khác con người luôn luôn tạo ra phế thải từ các hoạt động của mình. Phế thải tạo ra do sinh hoạt và sản xuất đi vào môi trường và môi trường chính là nơi chứa đựng các phế thải đó. Trong các xã hội chưa công nghiệp hóa với mật độ dân số thấp, phế thải thường được tái sử dụng (chất bài tiết được dùng làm phân bón; thức ăn thừa, nông lâm sản trước và sau chế biến được tận dụng làm thức ăn gia súc; các vật liệu từ hữu cơ đến vô cơ đều có những phương thức khác nhau để trở thành nguyên liệu cho một quá trình khác). Những phế thải không được tái sử dụng trong một thời gian dài sẽ được các quá trình hóa – sinh học trong tự nhiên đưa trở lại dạng có thể dùng làm nguyên liệu cho quá trình sản xuất mới. Trong xã hội công nghiệp hóa với mật độ dân số cao, lượng phế thải thường rất lớn, theo đó nơi chứa thường không đủ và càng không đủ để các quá trình tự nhiên xử lý chúng. Vấn đề không có nơi chứa và xử lý phế thải trở thành những vấn đề căng thẳng của môi trường. Khả năng tiếp nhận và đồng hóa phế thải do con người và các hoạt động khác đưa vào môi trường còn được gọi là khả năng nền. Nếu lượng thải lớn hơn khả năng nền, môi trường sẽ bị tác động. Từ chức năng cơ bản về khả năng chứa và đồng hóa của môi trường, ta có khái niệm về sức chịu tải của môi trường. Trong đó, Sức chịu tải của môi trường là giới hạn cho phép mà môi trường có thể tiếp nhận và hấp thụ các chất gây ô nhiễm 2. Khái niệm ô nhiễm môi trường a. Ô nhiễm môi trường 6 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Theo Luật bảo vệ môi trường, 2005: Ô nhiễm môi trường là sự biến đổi của các thành phần không phù hợp với tiêu chuẩn môi trường, gây ảnh hưởng xấu đến con người và sinh vật. (Điều 3.6) Ô nhiễm môi trường còn được hiểu là việc chuyển các chất thải hoặc năng lượng vào môi trường đến mức có khả năng gây hại đến sức khoẻ con người, đến sự phát triển sinh vật hoặc làm suy giảm chất lượng môi trường. Các tác nhân ô nhiễm bao gồm các chất thải ở dạng khí (khí thải), lỏng (nước thải), rắn (chất thải rắn) chứa hoá chất hoặc tác nhân vật lý, sinh học và các dạng năng lượng như nhiệt độ, bức xạ. Tuy nhiên, môi trường chỉ được coi là bị ô nhiễm nếu trong đó hàm lượng, nồng độ hoặc cường độ các tác nhân trên đạt đến mức có khả năng tác động xấu đến con người, sinh vật và vật liệu. Ô nhiễm môi trường là sự thay đổi trực tiếp hay gián tiếp các thành phần và đặc tính của bất kỳ thành phần nào của môi trường hay toàn bộ môi trường vượt quá mức cho phép (đã được quy định). Nguyên nhân gây ô nhiễm môi trường có thể do các hoạt động nhân tạo của con người hoặc các quá trình tự nhiên. Để đánh giá mức độ ô nhiễm có thể: dựa vào tình trạng sức khỏe và bệnh tật của con người và của sinh vật hay dựa vào các thang đo tiêu chuẩn chất lượng môi trường. b. Chất ô nhiễm Chất thải là vật chất ở thể rắn, lỏng, khí được thải ra từ sản xuất, kinh doanh, dịch vụ, sinh hoạt hoặc hoạt động khác. (Luật bảo vệ môi trường, 2005 Điều 3.10) Chất thải nguy hại là chất thải chứa yếu tố độc hại, phóng xạ, dễ cháy, dễ nổ, dễ ăn mòn, dễ lây nhiễm, gây ngộ độc hoặc đặc tính nguy hại khác. (Luật bảo vệ môi trường, 2005 Điều 3.11) Chất gây ô nhiễm là chất hoặc yếu tố vật lý khi xuất hiện trong môi trường thì làm cho môi trường bị ô nhiễm. (Luật bảo vệ môi trường, 2005 Điều 3.9) Chất độc là bất kỳ chuất nào có thể gây ra các hiệu ứng xấu thậm chí gây tử vong cho người, sinh vật và hệ sinh thái (theo Lê Huy Bá, 2006). Chất độc phân theo đặc tính sinh học bao gồm độc chất (toxicant – tác nhân hóa học gây độc đến sinh vật) và độc tố (toxin – vai trò và bản chất của chất độc đó). Chất độc phân theo bản chất bao gồm chất độc bản chất (là những chất gây độc ở liều lượng rất nhỏ) và chất độc liều lượng (là những chất không gây độc ở liều lượng nhỏ). Chất độc phân chia theo tính năng gây độc bao gồm độc cấp tính (nguy cấp, có thể gây chết hoặc gây ảnh hưởng ngắn hạn, thức thời) hoặc dạng mãn tính (âm ỷ tồn tại trong cơ thể và quần xã sinh vật trong thời gian dài, gây ra những tác động trong một khoảng thời gian rất lâu sau khi nhiễm). Trên thực tế, phần lớn các chất ô nhiễm quan trọng trong môi trường đều có tính độc. c. Tiêu chuẩn, quy chuẩn chất lượng môi trường Tiêu chuẩn môi trường là giới hạn cho phép của các thông số về chất lượng môi trường xung quanh, về hàm lượng của chất gây ô nhiễm trong chất thải được cơ quan nhà nước có thẩm quyền quy định làm căn cứ để quản lý và bảo vệ môi trường. (Luật bảo vệ môi trường, 2005 Điều 3.5) Theo Luật: tiêu chuẩn và quy chuẩn kỹ thuật, 2006 Tiêu chuẩn là quy định về đặc tính kỹ thuật và yêu cầu quản lý dùng làm chuẩn để phân loại, đánh giá sản phẩm, hàng hóa, dịch vụ, quá trình, môi trường và các đối tượng khác trong hoạt động kinh tế - xã hội nhằm nâng cao chất lượng và hiệu quả của các đối tượng này. Tiêu chuẩn do một tổ chức công bố dưới dạng văn bản để tự nguyện áp dụng. (Điều 3.1). Quy chuẩn kỹ thuật là quy định về mức giới hạn của đặc tính kỹ thuật và yêu cầu quản lý dùng làm chuẩn để phân loại, đánh giá sản phẩm, hàng hóa, dịch vụ, quá trình, môi trường và các đối tượng khác trong hoạt động kinh tế - xã hội phải tuân thủ để bảo đảm an toàn, vệ sinh, sức khỏe con người, bảo vệ động vật- thực vật, môi trường, bảo vệ lợi ích và an ninh quốc gia, quyền lợi của 7 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường người tiêu dùng và các yêu cầu thiết yếu khác. Quy chuẩn kỹ thuật do cơ quan nhà nước có thẩm quyền ban hành dưới dạng văn bản để bắt buộc áp dụng. (Điều 3.2) Tất cả các tổ chức, cá nhân phải tuân thủ tiêu chuẩn môi trường do Nhà nước công bố bắt buộc áp dụng (Điều 8, Luật bảo vệ môi trường, 2005). Chính phủ quy định thẩm quyền, trình tự, thủ tục xây dựng, ban hành và công nhận tiêu chuẩn môi trường quốc gia phù hợp với quy định của pháp luật về tiêu chuẩn hóa. Bộ Tài nguyên và Môi trường công bố, quy định lộ trình áp dụng, hệ số khu vực, vùng, ngành cho việc áp dụng tiêu chuẩn môi trường quốc gia phù hợp với sức chịu tải của môi trường. Việc điều chỉnh tiêu chuẩn môi trường quốc gia được thực hiện năm năm một lần; trường hợp cần thiết, việc điều chỉnh một số tiêu chuẩn không còn phù hợp, bổ sung các tiêu chuẩn mới có thể thực hiện sớm hơn (Điều 13.3, Luật bảo vệ môi trường, 2005). Tiêu chuẩn môi trường (TCVN)bao gồm các nội dung (Điều 9, Luật bảo vệ môi trường, 2005): 1. Cấp độ tiêu chuẩn. 2. Các thông số về môi trường và các giá trị giới hạn. 3. Đối tượng áp dụng tiêu chuẩn. 4. Quy trình, phương pháp chỉ dẫn áp dụng tiêu chuẩn. 5. Điều kiện kèm theo khi áp dụng tiêu chuẩn. 6. Phương pháp đo đạc, lấy mẫu, phân tích. Hiện nay, hệ thống tiêu chuẩn môi trường quốc gia bao gồm tiêu chuẩn về chất lượng môi trường xung quanh và tiêu chuẩn về chất thải: Tiêu chuẩn về chất lượng môi trường xung quanh quy định giá trị giới hạn cho phép của các thông số môi trường phù hợp với mục đích sử dụng thành phần môi trường, bao gồm hai loại thông số: Giá trị tối thiểu của các thông số môi trường bảo đảm sự sống và phát triển bình thường của con người, sinh vật; Giá trị tối đa cho phép của các thông số môi trường có hại để không gây ảnh hưởng xấu đến sự sống và phát triển bình thường của con người, sinh vật (Điều 12, Luật bảo vệ môi trường, 2005). Tiêu chuẩn về chất thải phải quy định cụ thể giá trị tối đa các thông số ô nhiễm của chất thải bảo đảm không gây hại cho con người và sinh vật. Thông số ô nhiễm của chất thải được xác định căn cứ vào tính chất độc hại, khối lượng chất thải phát sinh và sức chịu tải của môi trường tiếp nhận chất thải. Thông số ô nhiễm quy định trong tiêu chuẩn về chất thải phải có chỉ dẫn cụ thể các phương pháp chuẩn về lấy mẫu, đo đạc và phân tích để xác định thông số đó (Điều 13, Luật bảo vệ môi trường, 2005). 3. Một số vấn đề liên quan a. Quá trình nhiễm bẩn Quá trình nhiễm bẩn là một quá trình suy thoái môi trường trong đó có sự xuất hiện của một chất, một thành phần môi trường không có trong tự nhiên hoặc với nồng độ vượt quá nồng độ vốn có trong tự nhiên. Chất nhiễm bẩn (contaminant) là một chất do con người tạo ra từ các hoạt động sống, tồn tại trong môi trường tại nồng độ lớn hơn nồng độ vốn có trong tự nhiên (theo Moriarty, 1983; Manahan, 2000) Do đó, chất ô nhiễm (pollutant) là một chất nhiễm bẩn tuy nhiên nồng độ của nó đủ lớn để gây bất lợi cho sự sống của con người và các sinh vật khác (theo Moriarty, 1983) b. Suy thoái môi trường 8 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Suy thoái môi trường là sự suy giảm về chất lượng và số lượng của thành phần môi trường, gây ảnh hưởng xấu đối với con người và sinh vật (Điều 3.7, Luật Bảo vệ môi trường, 2005). Suy thoái môi trường trước tiên là sự thay đổi đặc tính của môi trường: số lượng, chất lượng và thành phần của môi trường, làm suy giảm đa dạng sinh học và chất lượng môi trường, hậu quả cuối cùng là gây hại cho đời sống sinh vật và con người. Có nhiều nguyên nhân khác nhau dẫn tới suy thoái môi trường, dựa vào nguồn gốc có thể chia ra suy thoái môi trường do tự nhiên và suy thoái môi trường do con người. Ô nhiễm môi trường là một trong các biểu hiện của quá trình suy thoái. c. Sự cố môi trường Sự cố môi trường là tai biến hoặc rủi ro xảy ra trong quá trình hoạt động của con người hoặc biến đổi thất thường của tự nhiên, gây ô nhiễm, suy thoái hoặc biến đổi môi trường nghiêm trọng (Điều 3.8, Luật Bảo vệ môi trường, 2005). d. Kiểm soát ô nhiễm, bảo vệ môi trường Từ buổi đầu xuất hiện, con người đã bắt đầu tác động vào môi trường sống xung quanh để đảm bảo cho sự tồn tại và phát triển của mình. Sau một thời gian dài, con người trở thành kẻ độc tôn, chiếm đoạt mọi nguồn tài nguyên có thể khai thác được trong khi chính bản thân con người đáng vai trò không đáng kể trong quá trình chuyển hóa vật chất của tự nhiên. Ngày nay con người là chủ hành tinh, sinh sống được ở những hệ sinh thái khác nhau, đồng thời nhân tố xã hội và tiến bộ công nghệ đã khiến cho hiệu lực của chọn lọc tự nhiên đến con người ở mức không đáng kể. Đa phần các hệ sinh thái có con người sinh sống trở thành hệ sinh thái nhân tạo hoặc bị tác động rõ rệt của con người. Đi cùng với sự tiến bộ đó là số loại và lượng vật chất con người khai thác từ thiên nhiên càng nhiều trong khi loại và lượng chất thải không ngừng tăng lên. Trong đó, các hoạt động chính làm ảnh hưởng đến môi trường của con người gồm có: + Khai thác tài nguyên thiên nhiên + Sử dụng nhiên liệu, nguyên liệu, công nghệ - kỹ thuật + Sử dụng hóa chất và các sản phẩm khác không có trong tự nhiên Bảo vệ môi trường bao gồm các hoạt động nghiên cứu cũng như những biện pháp thực hiện trực tiếp hoặc gián tiếp nhằm tạo mọi điều kiện giữ cho môi trường trong lành, cải thiện các điều kiện vật chất, điều kiện sống của con người và sinh vật ngày các tốt hơn, mà vẫn duy trì được sự cân bằng sinh thái và tăng tính đa dạng sinh học. Quản lý môi trường là một lĩnh vực khoa học môi trường bao gồm việc quản lý tài nguyên, môi trường tự nhiên (quản lý sông, hồ, rừng, cây xanh, biển, bờ biển, không khí…) dùng các công cụ kinh tế để thúc đẩy sự phát triển bền vững. III. KIẾN THỨC CHUNG 1. Nguồn thải và đặc tính của nguồn thải Có nhiều phương pháp khác nhau để phân loại nguồn thải tùy vào các đặc tính khác nhau của nguồn và tủy vào mục đích tiếp cận đánh giá nguồn thải có các cách phân loại nguồn ô nhiễm khác nhau. Cụ thể như: a. Dựa vào loại chất thải/chất gây ô nhiễm trong nguồn thải + Nguồn thải chất thải khí: là các nguồn thải tạo ra các chất ô nhiễm ở dạng khí: ống khói của một nhà máy, ống xả khí của một phương tiện giao thông, khí bốc hơi từ bãi chôn lấp chất thải, khí bay hơi từ ruộng lúa, ao hồ bị ô nhiễm… + Nguồn thải chất thải lỏng: là các nguồn thải tạo ra các chất thải ở dạng lỏng: các chất ô nhiễm hòa tan trong nước và các dung môi khác: cống thải nhà máy, nước rửa đường và các bề mặt khác, nước mưa chảy tràn, nước thải của con người và vật nuôi… 9 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường + Nguồn thải chất thải rắn: là các nguồn thải tạo ra các chất thải ở dạng rắn: sản phẩm lỗi, hỏng, vật liệu thừa, đồ vật, thiết bị cũ, hỏng, đã qua sử dụng… Chi tiết hơn, có thể phân chia nguồn thải theo loại chất ô nhiễm đặc trưng hoăc đặc tính của các chất ô nhiễm trong nguồn thải đó ví dụ: nguồn thải hữu cơ, nguồn thải chứa kim loại nặng, nguồn thải chứa hóa chất bảo vệ thực vật, nguồn thải mang tính axit/tính kiềm, nguồn chất thải nguy hại… b. Dựa trên nguồn gốc phát sinh + Nguồn tự nhiên: là những nguồn phát sinh các chất ô nhiễm trong điều kiện tự nhiên, ví dụ như hoạt động của núi lửa, cháy rừng, phân hủy tự nhiên trong các đầm lầy, ruộng lúa nước, chất thải tự nhiên và xác chết của sinh vật… + Nguồn nhân tạo: là những nguồn phát sinh chất ô nhiễm do hoạt động sống của con người gây ra ví dụ như hoạt động sinh hoạt, sản xuất nông nghiệp, công nghiệp, dịch vụ, giao thông, xử lý chất thải… c. Dựa trên hình thái không gian của nguồn + Nguồn điểm điển hình là các miệng ống khói và lỗ khí thải của các ống thống thông gió nhân tạo. + Nguồn đường thường gặp là cửa mái thông gió tự nhiên tương đối dài, một dãy các lỗ thoát khí đặt thẳng hàng kề nhau của hệ thống thông gió và đường giao thông có mật độ xe chạy lớn. + Nguồn mặt thường gặp như là sự bay bụi từ bãi than, bến khai thác đá, bãi nghiền clanke, sự độc hại từ bể chứa hóa chất có kích thước lớn, hay từ mặt hồ, ao bị ô nhiễm nước. Ngoài ra còn có hình thái nguồn không gian, đó là bóng động sau công trình bị nhiễm bẩn. Chất độc hại do hệ thống thông gió và cửa sổ, cũng như do quá trình công nghệ thải ra bị cuốn hút vào bóng khí động và tạo thành các đám mây nhiễm bẩn là là trên mặt đất và trở thành nguồn ô nhiễm không gian, hoặc như là khi nổ mìn khai thác than, đá, đất, hơi thuốc nổ mìn và bụi đất đá bay lên thành một lùm khói bụi lớn có hình khối không gian ba chiều. Tuy nhiên cách phân loại chỉ có ý nghĩa tương đối, tùy theo quan điểm và mục đích giải quyết các bài toán ô nhiễm không khí mà người ta nhìn nhận đó là nguồn ô nhiễm điểm, đường hay vùng ô nhiễm. d. Dựa vào một số đặc tính khác của nguồn thải Liên quan đến khả năng lan truyền các chất ô nhiễm vào môi trường: + Nguồn nóng là những nguồn thải có nhiệt độ cao hơn so nhiệt độ môi trường xung quanh hoặc môi trường tiếp nhận: như ống khói các lò nung, lò sấy, nước thải của quá trình đun, sấy, làm mát thiết bị… + Nguồn lạnh hay nguồn nguội là những nguồn thải có nhiệt độ xấp xỉ nhiệt độ môi trường xung quanh: như là các ống thải khí độc hại bay hơi từ các quá trình hóa học của công nghệ sản xuất, nước thải từ các quá trình giặt rửa không gia nhiệt… + Nguồn thấp: là các nguồn thải từ dây chuyền công nghệ sản xuất, từ lỗ thoát khí thải của hệ thống thông gió, từ các cửa thoát khí của các phân xưởng …chúng là những nguồn là là sát mặt đất. Chất ô nhiễm khuếch tán từ các nguồn thấp chịu ảnh hưởng của các công trình lân cận rất lớn. + Nguồn cao: là những nguồn phát thải chất ô nhiễm từ các ống khói cao, ít chịu ảnh hưởng của các công trình xung quanh. 10 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường 2. Các quá trình cơ bản trong môi trường Một chất ô nhiễm đi vào môi trường không đứng yên ở một vị trí mà theo thời gian sẽ có sự biến đổi từ vị trí này đến vị trí khác, từ trạng thái tồn tại này sang trạng thái tồn tại khác. Điều này có ý nghĩa là một chất đi vào môi trường sẽ chịu ảnh hưởng bởi các quá trình khác nhau liên quan đến khả năng gây ô nhiễm của chất đó tới môi trường và mức độ của quá trình ô nhiễm. Bất cứ thành phần môi trường nào cũng được cấu tạo bởi ba pha cơ bản: rắn, lỏng và khí. Một chất ô nhiễm biến đổi trong môi trường thông qua hai quá trình cơ bản: chuyển từ vị trí này sang vị trí khác hoặc từ trạng thái vật lý này sang trạng thái vật lý khác (vận chuyển (transport) và chuyển pha (phase transfer)) và quá trình biến đổi bản chất hóa học (chuyển hóa – transformation). Ví dụ: một chất ô nhiễm ở dạng lỏng có thể hấp phụ lên trên bề mặt chất rắn, kết tủa thành dạng rắn, phân hủy chuyển hóa thành theo con đường hóa học hoặc sinh học. Chất ô nhiễm trong pha rắn có thể đi vào nước nhờ quá trình hòa tan và khuếch tán. Chất ô nhiễm trong không khí có thể đi vào nước và đất do quá trình trầm tích, sa lắng do trọng lực hoặc do mưa… Các con đường di chuyển và biến đổi của vật chất trong môi trường có thể được thể hiện như hình sau: Hình 1: Các hiện tượng vận chuyển và chuyển hóa vật chất quan trọng trong môi trường Nguồn: W. J. Lyman, 1995 (Fundermental of Aquatic Toxicology 2nd) Bảng 2: So sánh các quá trình cơ bản xảy ra đối với chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ trong môi trường nước Chất hữu cơ Chất vô cơ Chuyển pha Hòa tan Hấp phụ Bay hơi Trầm tích (lắng đọng) Hòa tan Hấp phụ Bay hơi Trầm tích (lắng dọng) 11 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Vận chuyển (chuyển khối) Đối lưu Trầm tích (sa lắng) Khuếch tán Chuyển hóa vô sinh (chuyển hóa hóa học) Thủy phân Quang phân Chuyển hóa hữu sinh (chuyển hóa sinh học) Phân hủy yếm khí Phân hủy hiếu khí Đối lưu Trầm tích (sa lắng) Khuếch tán Thủy phân Hình thành phức chất Oxy hóa – khử Polymer hóa Quang phân Oxy hóa khử Khử sunphit Metyl hóa và khử metyl Khử alkyl Nguồn: W. J. Lyman, 1995 (Fundermental of Aquatic Toxicology 2nd) Đặc tính vận chuyển và chuyển hóa của một chất hay nói cách khác là khả năng xảy ra vận chuyển và chuyển hóa một chất ô nhiễm phụ thuộc vào các đặc điểm sau: • Bản chất của chất ô nhiễm và nồng độ của chất đó trong môi trường. Xét về bản chất hóa học liên quan tới các quá trình chủ yếu xảy ra đối với các chất ô nhiễm, người ta chia chất ô nhiễm ra làm 3 loại: hợp chất hữu cơ, hợp chất vô cơ, hợp chất cơ kim loại. • Loại môi trường (đất, nước, không khí) mà chất đó tồn tại/xuất hiện. 2.1. Các quá trình vật lý xảy ra với chất ô nhiễm trong môi trường Các quá trình vật lý cơ bản liên quan đến nồng độ/mức độ của các yếu tố môi trường (quan trọng nhất là các chất nhiễm bẩn trong môi trường) bao gồm: 2.1.1. Quá trình đối lưu Đối lưu (advection): là sự di chuyển thụ động một chất nhiễm bẩn trong môi trường cùng với quá trình vận động tự nhiên của môi trường. Sự đối lưu không bị ảnh hưởng bởi tính tan, và xảy ra với tất cả các dạng vật chất (hòa tan hoặc không tan). Do vậy, để phân biệt vơi các dạng vận chuyển vật lý khác, sự đối lưu còn được gọi là vận chuyển không tan. Vận chuyển các các chất ô nhiễm bởi quá trình đối lưu phụ thuộc vào tốc độ di chuyển của dòng đối lưu (trong môi trường thường quan tâm đến dòng nước, không khí). Đo đó, khi nói tới khả năng di chuyển đối lưu của một chất ô nhiễm, người ta thường quan tâm tới vận tốc di chuyển của môi trường. Đối lưu gồm có hai dạng: đối lưu đồng nhất và không đồng nhất. 12 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Hình 2: Cơ chế quá trình đối lưu trong không khí a. Đối lưu đồng nhất: Sự di chuyển trong cùng một pha (vận chuyển đồng nhất) gọi là đối lưu đồng nhất bao gồm sự vận chuyển một chất trong không khí theo chiều gió hoặc theo dòng đối lưu của không khí; các vật chất di chuyển theo dòng nước hoặc từ dòng thải đi vào nước… Sự đối lưu của không khí và nước có thể thay đổi theo thời gian và không gian của cùng một cấu thành. Trong không khí, sự đối lưu chiếm ưu thế do những dòng khí được tạo thành do sự chênh lệch áp suất, ảnh hưởng của hướng gió và cường độ gió, với dòng khí được tác động bởi sự chênh lệch áp suất. Hướng và cường độ của vận tốc khí dư. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình đối lưu của không khí luôn luôn thay đổi theo vùng, thời gian trong ngày, mùa, giá trị trung bình các năm do đó để đánh giá quá trình đối lưu và ảnh hưởng của quá trình này đến phân bố các chất cũng cần phải đánh giá các yếu tố này. Trong nước mặt, các dòng đối lưu thường chiếm ưu thế trong việc vận chuyển chất ô nhiễm. Tốc độ vận chuyển bởi đối lưu theo một chiều (trục x): Vx = αvxAxC Trong đó: α – hệ số đối lưu (= 1 đối với nước) vx – vận tốc dòng trung bình theo trục x (m/s) Ax – Tiết diện mặt cắt dòng đối lưu theo trục x, m2 C – nồng độ vật chất ô nhiễm g/m3 VD: Nếu dòng chảy của nước ra khỏi hồ là 1000 m 3/s và nồng độ chất ô nhiễm là 1mg/m 3, thì chất ô nhiễm được đối lưu từ hồ với tốc độ là 1000 mg/s. 13 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Hình 3: Ảnh hưởng của các hạt rắn trong đất tới quá trình đối lưu của dòng nước (A) Trên phạm vi nhỏ; (B) Trên phạm vi lớn Nguồn: Environmental and Pollution science, Elsevier Academic Press, 2006 Trong môi trường đất, quá trình đối lưu đồng nhất phụ thuộc và tỉ lệ giữa các pha và một số yếu tố vật lý đất khác. Quá trình đối lưu của các chất rắn không tan và hòa tan phụ thuộc vào quá trình vận chuyển của các dòng nước trong đất. Tốc độ vận chuyển đối lưu trong đất phụ thuộc vào kích thước và phân bố của các lỗ hổng giữa các hạt đất. Trong nước ngầm, vận tốc dòng đối lưu được xác định thông qua các đặc điểm địa chất riêng biệt của môi trường thông qua đó dự báo xu hướng di chuyển của chất ô nhiễm. Hiện nay có một vài kỹ thuật khác nhau trong việc xác định vận tốc dòng nước ngầm ngoài thực tế, một trong số đó là sử dụng phương trình tính toán áp dụng định luật Darcy: v = q/n = (K ∆h/∆l)/n Trong đó: v = vận tốc trung bình của dòng chảy (m/s) q = vận tốc Darcy (m/s) n = độ xốp K = hệ số dẫn thủy lực (m/s) ∆h/∆l = độ dốc thủy lực Phương pháp tiếp cận này sử dụng các số liệu về độ dẫn thủy lực và độ dốc thủy lực do đó trong nhiều trường hợp phải áp dụng các hệ số tra bảng trong các sổ tay hướng dẫn xác định các thông số thủy lực của dòng chảy. b. Đối lưu không đồng nhất: Sự di chuyển giữa các pha khác nhau (vận chuyển không đồng nhất) gọi là đối lưu không đồng nhất bao gồm sự lắng đọng của các vật chất lơ lửng xuống nền đáy, lắng đọng không khí vào đất hoặc nước, hấp thu các hạt ô nhiễm bởi sinh vật (tích lũy sinh học). Vận chuyển đối lưu không đồng nhất liên quan đến pha thứ cấp trong pha đối lưu, khi một hạt trong không khí hoặc nước hoạt động như một chất mang. Bảng 3. Mức độ tích lũy các kim loại vết trong nhuyễn thể (introduc) 14 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Kim loại Ký hiệu Mức tích lũy (lần) so với nước Cadimi Cd 2 260 000 Sắt Fe 291 500 Chì Pb 291 500 Crom Cr 200 000 Mangan Mn 55 500 Niken Ni 12 000a Molip đen Mo 90 Trong nhiều trường hợp đối lưu không đồng nhất được coi là đối lưu đồng nhất khi biết được tốc độ dòng và nồng độ chất trong pha thứ cấp. Trong hệ thống đất và nền đáy, các hạt min có thể đóng vai trò quan trọng trong vận chuyển đối lưu không đồng nhất, do chúng có khả năng di động lớn hơn các hạt kích thước lớn, chúng có khả năng hấp thu nhiều độc chất vì thành phần cacbon và tỉ diện lớn. 2.1.2. Quá trình khuếch tán Khuếch tán (diffusion) hay phân tán (dispersion): là quá trình vận chuyển một chất bởi việc di động ngẫu nhiên dựa vào trạng thái không cân bằng. Vận chuyển khuếch tán làm cho một chất giữa môi trường (nước và khí) đạt đến nồng độ cân bằng. VD: sự khuếch tán gây nên sự di chuyển một độc chất trong cùng một pha từ nơi có nồng độ cao sang nơi có nồng độ thấp cho đến khi chất đó phân tán đồng nhất trong pha. a. Khuếch tán trong cùng một pha: vận chuyển khuếch tán trong cùng một pha có thể gây nên sự chuyển động ngẫu nhiên của chất ô nhiễm (khuếch tán phân tử), sự xáo trộn của môi trường khuếch tán (khuếch tán xáo trộn), hoặc kết hợp cả hai. Khuếch tán xáo trộn thường chiếm ưu thế trong môi trường không khí và nước do các dòng vận chuyển xáo trộn và dòng xoáy thường phổ biến trong tự nhiên. Trong đất, nền đáy vận tốc nước thường thấp để tạo các dòng xoáy, tuy nhiên sự xáo trộn ngẫu nhiên vẫn có thể xảy ra khi nước chảy xung quanh các hạt đất. Tốc độ vận chuyển bởi khuếch tán được xác định bằng công thức: Trong đó: : hệ số khuếch tán (= 1 đối với nước) : Tiết diện mặt cắt dòng đối lưu theo trục x (m2) : biến động nồng độ vật chất ô nhiễm theo trục x (g/m3.m) Dx được tính bằng tổng của khuếch tán xáo trộn và khuếch tán phân tử Trong đó: : vận tốc dòng trung bình theo trục x (m/s) : đặc trưng vật lý hệ thống theo trục x (độ khuếch tán) m : hệ số thực nghiệm (thường đặt là 1) : hệ số khuếch tán phân tử (m2/s) 15 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Nguồn: Environmental and Pollution science, Elsevier Academic Press, 2006 b. Khuếch tán giữa các pha: được xem như là phương thức vận chuyển thứ 3 của các quá trình vận chuyển hoặc như một phản ứng chuyển hóa. Tuy nhiên, vân chuyển giữa các pha không phải là một phản ứng chuyển hóa bởi khi chúng di chuyển giữa các pha, chúng không bị thay đổi bản chất và cấu trúc. VD: Khi một chất ô nhiễm tiếp cận bề mặt tiếp xúc của 2 pha khí – nước, hạt – nước, hoặc màng sinh học – nước, 2 môi trường khuếch tán tạo nên mỗi mặt của bề mặt tiếp xúc, chúng sẽ hòa tan vào trong 2 pha cho đến khi đạt trạng thái cân bằng. 2.2. Quá trình chuyển pha (phase transfer) (1) Bốc hơi (2) Hòa tan (3) Bay hơi và hấp thụ (4) Hấp phụ và giải hấp Hình 4: Các quá trình chuyển khối cơ bản Nguồn: Environmental and Pollution science, Elsevier Academic Press, 2006 Chất nhiễm bẩn đi vào trong môi trường có thể bị thay đối kích thước và di chuyển từ pha này sang pha khác. Quá trình này quyết định tới động thái của nó trong môi trường. Quá trình chuyển pha là một trong những quá trình biến đổi chất ô nhiễm trong môi trường cơ bản nhất và đơn giản nhất. Hình 5: Ảnh hưởng của các quá trình vận chuyển theo thời gian và không gian 16 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Nguồn: Environmental and Pollution science, Elsevier Academic Press, 2006 Trong đó: (1) Đối lưu với vận tốc lớn; (2) Đối lưu với vận tốc nhỏ; (3) Đối lưu vận tốc nhỏ, có khuếch tán; (3) Đối lưu với vận tốc nhỏ, khuếch tán, phân hủy; (5) Đối lưu với vận tốc nhỏ, khuếch tán, chuyển hóa Các quá trình chuyển khối cơ bản được quan tâm đó là: Sự vận chuyển các phân tử ở trạng thái rắn (tinh thể) vào trong nước được gọi là hòa tan (dissolution). Quá trình hòa tan cũng xảy ra đối với các chất khí, các chất hòa tan từ pha lỏng này sang pha lỏng khác. Khả năng hòa tan của chất nhiễm bẩn là khác nhau phụ thuộc vào tính chất lý hóa học của nó và tính chất đặc trưng của pha lỏng. Ví dụ muối, đường tinh thể khi cho vào trong nước hòa tan nhanh chóng vào nước cho đến khi tồn tại trong nước chỉ có duy nhất pha lỏng. Khi cho một lượng nhỏ hóa chất vào trong 2 pha lỏng không hòa tan, lắc đều, các pha sẽ tách nhau và hóa chất sẽ phân bố trong 2 pha đó tùy theo độ hòa tan của nó trong mỗi pha. Tỉ số nồng độ tại trạng thái cân bằng được gọi là hệ số phân bố (K dt), giá trị này có thể đo được trong phòng thí nghiệm Kdt = C1/C2 với C1 và C2 là nồng độ của hóa chất trong pha 1 và 2 Ví dụ, một vật chất đi vào trong nước có thể tồn tại ở một (hoặc nhiều hơn) các vị trí trong ba vị trí sau đây: Trên bề mặt nước (dầu hỏa, xăng, dầu mỡ động thực vật và các vật chất nhẹ hơn nước khác); Trong khối nước (các hạt có kích thước nhỏ, các chất hữu cơ phân cực…) hoặc Dưới đáy (các hạt có kích thước lớn, các chất hữu cơ không phân cực có khối lượng riêng nặng hơn nước…). Quá trình hòa tan không chỉ xem xét đến các vật chất tồn tại ở vị trí thứ hai mà là quá trình diễn ra lâu dài. Ở nhiệt độ phòng, độ hòa tan của phần lớn các chất hữu cơ nằm trong khoảng từ 1 đến 100.000 ppm, một vài hợp chất có thể cao hơn (rượu, etyl tan vô hạn trong nước) trong khi đó một số chất có tính tan kém hơn. Đa phần các chất hữu cơ không tan hoặc tan kém trong nước là những chất không phân cực, những chất này ngược lại tan tốt hơn trong dung môi hữu cơ (ví dụ octanol). Do đó, để xác định tính tan của một chất hữu cơ, người ta sử dụng độ tan vào nước (S) ở 25oC. Độ tan vào nước được xác định bằng phương trình hồi quy thực nghiệm thông qua hệ số phân bố (Kow) của chất đó trong hỗn hợp Octanol/nước: Theo Yalkowsky, 1993: logS = -1,165 logKow + 0,288 (n = 41, r2 = 0,97, s = 0,389) Theo Muller và Klein, 1992: logS = -1,16 logKow + 0,79 (n = 156, r2 = 0,95, s = 0,298) Theo Maihot và Peter, 1988: logS = -1,45 logKow + 1,36 (n = 258, r2 = 0,91) Bốc hơi (evaporation) là sự vận chuyển của một chất trong pha lỏng hoặc rắn sang pha khí. Quá trình bốc hơi bao gồm cả quá trình thăng hoa của các phần tử rắn vào không khí. Bay hơi (volatilization) là sự vận chuyển chất nhiễm bẩn từ nước vào pha khí, sự bay hơi khác với sự bốc hơi ở chỗ quá trình vận chuyển của nó có liên quan đến quá trình vận chuyển các phân tử nước vào pha khí. VD: Sự vận chuyển các phân tử benzen từ thùng xăng vào không khí gọi là sự bốc hơi của phân tử benzen. Sự vận chuyển các phân tử benzen từ nước vào không khí được gọi là bay hơi. Sự hấp thu (sorption) ảnh hưởng tới sự vận chuyển các chất nhiễm bẩn trong môi trường. Sự hấp thu là quá trình liên kết các phân tử nhiễm bẩn vào các khe hổng trên bề mặt của pha rắn hoặc đi vào trong lòng khối rắn. Sự hấp thu bao gồm hấp phụ và hấp thụ (bao gồm cả quá trình hấp thụ sinh học). 17 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường 2.2. Các quá trình hóa học xảy ra với chất ô nhiễm trong môi trường Các vật chất tồn tại ở cả ba dạng rắn, lỏng, khí luôn luôn có sự vận động và biến đổi trong môi trường. Ảnh hưởng nguy hại của các hóa chất trong môi trường không phải chỉ ở bản chất hóa học của chất đó mà còn chịu ảnh hưởng của tính bền vững của nó trong môi trường tức là phụ thuộc vào các quá trình chuyển hóa hóa học. Trong phần trên đã đề cập tới quá trình chuyển chất vật lý, quá trình chuyển chất cũng bao gồm có hấp thụ và giải hấp, quá trình kết tủa và hòa tan có bản chất là chuyển hóa hóa học. Xét về bản chất hóa học có hai dạng chuyển hóa: Phản ứng thuận nghịch: liên quan đến sự trao đổi liên tục giữa các trạng thái hóa học (ion hóa, tạo phức, trao đổi hấp phụ ion…) Ion hóa: liên quan tới sự phân li của một hóa chất trung tính thành chất mang điện. HA + H2O = H3O+ + AKết tủa và hòa tan: CuS + H+ = Cu2+ + HSPhản ứng tạo phức: thực hiện các phản ứng ion or cộng hóa trị với chất ô nhiễm để thay đổi tính chất và đăc tính của nó. CuS + H+ = Cu2+ + HSCu2+ + OH- = CuOH+ Cu2+ + Cl- = CuCl+ Cu2+ + GSH = CuGS+ + H+ Phản ứng không thuận nghịch: là sự chuyển hóa hoàn toàn một chất ban đầu thành một chất khác hoặc một sản phẩm khác (quang phân, thủy phân, oxi hóa, khử). Các phản ứng không thuận nghịch làm thay đổi tính cấu trúc và thuộc tính của một hóa chất vĩnh viễn. Thủy phân: là sự tách các phân tử hữu cơ qua phản ứng với nước. Quang phân: xảy ra bởi hấp thụ ánh sáng trực tiếp hoặc bởi phản ứng với một chất khác mà chất này được sinh ra bởi ánh sáng (quang phân gián tiếp). Chuyển hóa quan phân dẫn tới cắt nối đôi, chuyển nhóm, sắp xếp nội phân tử và phản ứng giữa giữa các phân tử đều có thể xảy ra. Phản ứng oxi hóa khử: Oxi hóa là sự mất đi các điện tử, dẫn tới sự gia tăng trạng thái oxi hóa của hóa chất. Sự khử diễn ra khi một chất nhường điện tử (chất khử) chuyển điện tử cho một chất nhận điện tự ( chất oxi hóa). Hầu hết các tác nhận khử hiện diện trong môi trường kỵ khí nơi mà các vi sinh vật thực hiện các phản ứng khử hóa chất. 2.3. Các quá trình sinh học xảy ra với các chất ô nhiễm trong môi trường Về cơ bản, quá trình chuyển hóa bằng con đường sinh học làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm đưa vào môi trường bằng con đường chuyển hóa hoặc tích lũy chính trong sinh khối của sinh vật. Mặt khác, quá trình này cũng có thể phát sinh các chất ô nhiễm thứ cấp như các ankyl kim loại (metyl thủy ngân). Sinh vật sử dụng chất hữu cơ đưa vào môi trường để tăng sinh khối của tế bào làm giảm rõ rệt nồng độ các chất trong môi trường. Cấu trúc vật lý, hóa học của chất nhiễm bẩn ảnh hưởng tới khả năng chuyển hóa sinh học đối với chất đó. Thông thường các chất tan tốt trong nước có khả năng phân hủy sinh học cao hơn (các chất hữu cơ phân cực, các dung môi phân cực, các chất có nhóm chức…). Khả năng phân hủy, chuyển hóa sinh học còn phụ thuộc vào khối lượng riêng và trạng thái tồn tại của chất trong môi trường. Như vậy khi một chất đi vào môi trường với một nồng độ thấp và trạng thái hòa tan tốt, khả năng chuyển hóa sinh học sẽ làm giảm phạm vi ảnh hưởng của chất đó tới môi trường. Bên cạnh đó, 18 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường trạng thái tồn tại của chất cũng quyết định khả năng tích lũy sinh học chất ô nhiễm vào cơ thể sinh vật. Trong thực tế, chất tan tốt trong môi trường là chất dễ tích lũy sinh học theo bậc dinh dưỡng. + Hữu cơ + NH3 + Dinh dưỡng + O2 = Tế bào VSV + H2O + CO2 Tế bào VSV mới Nguồn: Environmental and Pollution science, Elsevier Academic Press, 2006 Bảng 4. Ví dụ về các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng phân hủy sinh học chất ô nhiễm Cấu trúc Hydrocacbon mạch thẳng Hydrocacbon mạch vòng no Tên Khả năng phân hủy sinh học Hảo khí Yếm khí CH3-(CH2)n-CH3 n=1 propan n=8 octan n=34 hexantriacontan Khí Lỏng Rắn Có Có Có Có Kém Kém C5H10 C6H12 Cyclopentan Cyclohexan Lỏng Lỏng Có Có Kém Kém Benzen Naphtalen Lỏng Rắn Có Có Không Không Hexanol Phenol Lỏng Lỏng Có Có Có Có Hydrocacbon C6H6 mạch vòng C10H8 không no Rượu Trạng thái C6H13-OH C5H5-OH Nguồn: Environmental and Pollution science, Elsevier Academic Press, 2006 2.4. Đặc điểm của chất ô nhiễm quyết định loại và mức độ các quá trình diễn ra với chất đó Đặc tính hóa lý của một chất ô nhiễm sẽ quyết định khả năng vận chuyển và nguy cơ tác động của chất đó trong môi trường. Ví dụ các chất hóa học có khả năng bay hơi sẽ có tiềm năng phát tán rộng hơn và ảnh hưởng nghiêm trọng hơn trong khí quyển. Một ví dụ khác, một chất hóa học có hệ số hòa tan cao sẽ dề dàng vận chuyển trong môi trường nước và do đó dễ di động theo dòng nước từ nơi này đến nơi khác. Đặc tính hóa lý của một chất trước tiên phụ thuộc vào cấu trúc phân tử của nó, đồng thời khả năng phân hủy, chuyển hóa sinh học cũng phụ thuộc vào cấu trúc phân tử. Tại điều kiện thường (nhiệt độ 25oC và áp suất 1 atm), một chất hóa học có thể có các trạng thái tồn tại: rắn, lỏng, khí. Trong đó, thông thường tính linh động của một chất phụ thuộc rất lớn vào trạng thái tồn tại của nó: pha khí thường linh động nhất và pha rắn ít linh động nhất. Phần lớn các chất ô nhiễm hữu cơ thường xuất hiện ở trạng thái lỏng trong điều kiện thường nhưng những chất này thường không tan trong nước (xăng, dầu, mỡ, clo hữu cơ…). Khi đi vào trong đất hoặc các môi trường xốp khác, các dung môi chất hữu cơ không tan trong nước thường dính lại và lấp đầy các khe rỗng, các chất này thường khó được làm sạch bằng các phương pháp vật lý. Do đó, chúng tồn tại trong một thời gian dài trong môi trường thông qua việc chuyển khối từ từ sang trạng thái tồn tại khác. Một vấn đề khác, các dung môi hữu cơ thường bao gồm nhiều thành 19 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường phần với đặc tính hóa học khác nhau, ví dụ nhiên liệu hữu cơ trong dầu mỏ gồm có xăng, dầu diesel, các thành phần dầu khác có thể lên đến hàng trăm thành phần khác nhau. Một hỗn hợp dung môi hữu cơ thậm chí có thể chứa các hợp chất không tồn tại ở trạng thái lỏng ở điều kiện thường ví dụ naphtalen, anthracen… Phần lớn các chất vô cơ tồn tại ở trạng thái rắn trong trường hợp tinh khiết (trừ thủy ngân lỏng). Nhân tố quan trọng trong trạng thái tồn tại của các chất vô cơ là trạng thái ion của chúng (ví dụ: Pb2+, Cd2+, NO3-…) do đó chúng có thể tồn tại ở trạng thái hòa tan trong nước và có khả năng bị hấp thu bởi các yếu tố môi trường rắn, lỏng. Thêm vào đó, phần lớn các chất vô cơ có thể kết hợp với các chất vô cơ khác tùy vào cấu trúc và hóa trị của chúng. Bảng 5. Mức độ ảnh hưởng của các quá trình cơ bản đến biến đổi của các chất ô nhiễm Nhóm Chất rắn Hữu cơ Vô cơ Chất lỏng Hữu cơ Vô cơ Chất khí Hữu cơ Vô cơ Chất đại diện Khả năng Áp suất Khả năng Khả năng Phân hủy hòa tan bay hơi bay hơi hấp thu sinh học Naphtalen Pentaclophenol DDT Chì Crom Asen Cadimi Thấp Thấp Thấp Thấp Cao Trung bình Thấp Trung bình Trung bình Thấp Thấp Thấp Thấp Thấp Trung bình Thấp Thấp Thấp Thấp Thấp Thấp Trung bình Cao Cao Trung bình Thấp Thấp Trung bình Trung bình Trung bình Thấp Không có Không có Không có Không có Tricloetan Benzen Thủy ngân Trung bình Trung bình Thấp Cao Cao Trung bình Trung bình Trung bình Thấp Thấp Thấp Trung bình Thấp Trung bình Không có Metan CO2 CO SO2 Trung bình Trung bình Thấp Trung bình Rất cao Rất cao Rất cao Rất cao Rất cao Rất cao Rất cao Rất cao Thấp Thấp Thấp Thấp Thấp Không có Không có Không có Nguồn: Environmental Monitoring and Charactezation, Elsevier Academic Press, 2004 20 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường CHƯƠNG I. Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ I. Bản chất tự nhiên của khí quyển 1.1. Thành phần tự nhiên của khí quyển Thành phần tự nhiên của khí quyển bao gồm: hỗn hợp các chất khí; hơi nước và các phần tử rắn hay lỏng có kích thước rất nhỏ còn gọi là sol khí. Trong thành phần không khí khô bao gồm rất nhiều các chất khí khác nhau (bảng 1.1), trong đó có một số chất khí chủ yếu chiếm tỷ lệ lớn như Nitơ N 2 (78%), Oxi O2 (21%) Argon Ar; Cacbondioxit CO2. Các khí còn lại tuy chỉ chiếm phần nhỏ trong hỗn hợp không khí khô (chưa đầy 0,03%) nhưng chúng đóng vai trò rất quan trọng trong các vấn đề liên quan đến ô nhiễm môi trường không khí. Bảng 1.1. Thành phần không khí khô của khí quyển Tên chất Công thức phân tử Tỷ lệ theo thể Trọng lượng trong khí quyển tích Nitơ N2 78,09 % 3.850.000.000 Oxi O2 20,91 % 1.180.000.000 Argon Ar 0,93 % 65.000.000 Cacbon đioxit CO2 0,032 % 2.500.000 Neon Ne 18 ppm 64.000 Heli He 5,2 ppm 3.700 Metan CH4 1,3 ppm 3.700 Kripton Kr 1,0 ppm 15.000 Hydro H2 0,5 ppm 180 Nitơ oxit N2O 0,25 ppm 1.900 Cacbon monoxit CO 0,1 ppm 500 Ozon O3 0,02 ppm 200 Sulfua đioxit SO2 0,001 ppm 11 Nitơ đioxit NO2 0,001 ppm 8 Trong đó: M là phân tử lượng của chất khí, 22,4 là thể tích (tính bằng lít) của một mole chất khí ở điều kiện tiêu chuẩn (0oC và 1 atm) 21 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Các chất khí với tỷ lệ được cho trong bảng 1.1 là những yếu tố cần thiết cho duy trì sự sống của con người và động thực vật trên Trái Đất. Ví dụ như oxi là yếu tố không thể thiếu cho quá trình hô hấp của con người và các loài sinh vật, nitơ là thành phần sống quan trọng của khí quyển, CO 2 là yếu tố cần thiết cho quá trình quang hợp của thực vật để tổng hợp lên sinh khối và cung cấp oxi; và các khí nhà kính tự nhiên có vai trò đảm bảo giữ ấm cho Trái đất vào ban đêm... Thành phần hơi nước: Hơi nước trong khí quyển tuân theo vòng tuần hoàn nước trong tự nhiên hay nói cách khác nó là sản phẩm của quá trình thoát hơi nước từ bề mặt thủy quyển, địa quyển vào khí quyển và tại đây có sự ngưng kết tạo thành các đám mây, gặp điều kiện thuận lợi chúng sẽ rơi trở lại mặt đất dưới dạng những giọt lỏng (mưa, tuyết). Nó có vai trò quan trọng trong việc hấp thu bức xạ mặt trời và chuyển hóa các chất ô nhiễm. Do tính chất bão hòa hơi nước mà khí quyển chỉ chứa được một lượng hơi nước nhất định (không khí bão hòa hơi nước ở 20 oC chứa 7,3g H2O/m3). Khi đạt tới trạng thái bão hòa, hơi nước thừa sẽ ngưng kết tạo thành giọt nước. Ngoài các thành phần chất khí và hơi nước, trong khí quyển luôn luôn có mặt những sản phẩm ngưng kết của hơi nước (như giọt nước, tinh thể băng), những hạt bụi, khói và những ion mang điện…Tập hợp tất cả những hạt nhỏ này ở trạng thái rắn và lỏng, lơ lửng trong khí quyển gọi chung là sol khí. Các hạt này tồn tại lơ lửng được trong khí quyển là do kích thước của chúng rất nhỏ (thường dao động trong khoảng từ 10-7- 10-3 cm, phổ biến nhất là trong khoảng 10-6- 10-5 cm) và do sự xáo trộn rối theo chiều thẳng đứng và chiều nằm ngang của các dòng khí. Ngoài các hạt dạng sol khí, trong khí quyển còn có các hạt có kích thước lớn nhưng chúng không thể tồn tại lâu mà thường rơi xuống mặt đất (như mưa, tuyết và bụi). Sự có mặt của những hạt trên có ý nghĩa to lớn đối với các quá trình và hiện tượng xảy ra trong khí quyển. Những hạt nước rất nhỏ trong không khí làm giảm độ trong suốt của khí quyển: giọt nước, hạt tinh thể băng to tạo thành mây, sương mù. Các hạt sol khí hấp thụ, phản xạ bức xạ mặt trời làm thay đổi nhiệt độ của khí quyển. Những hạt bụi nhỏ thấm nước còn góp phần quan trọng đẩy nhanh quá trình ngưng kết của hơi nước được gọi là những nhân ngưng kết. Sự phân bố theo chiều thẳng đứng của các hạt sol khí do nhiều yếu tố quyết định, trong đó phải kể đến sự xáo trộn theo chiều ngang và chiều thẳng đứng của không khí; sự liên kết các hạt, sự lắng dưới tác dụng của trọng lực cũng như sự tạo thành những giọt nước và rơi xuống dưới dạng mưa. 1.2. Cấu trúc của khí quyển Khí quyển không đồng nhất theo cả phương thẳng đứng và phương ngang. Theo thành phần chế độ nhiệt và những tính chất vật lý khác của khí quyển có thể chia khí quyển thành các tầng, các lớp khác nhau theo phương thẳng đứng. + Tầng đối lưu (Tropsophere): là tầng thấp nhất của khí quyển, ở đó luôn có quá trình chuyển động đối lưu của khối không khí bị nung từ mặt đất, thành phần khí tương đối đồng nhất. Độ cao trung bình của tầng đối lưu nằm trong khoảng trong khoảng 8 - 12 km ở hai cực và 16 - 18 km ở vùng xích đạo. Tầng đối lưu là nơi tập trung nhiều nhất các thành phần chủ yếu của khí quyển gồm hơi nước, bụi, các chất khí N2, O2, CO2, H2, Ar...và các nguyên tố vết. Các hiện tượng thời tiết chính như mây, mưa, tuyết, mưa đá, bão v.v... diễn ra chủ yếu ở tầng khí quyển này. + Tầng bình lưu (Stratosphere): nằm trên tầng đối lưu với ranh giới trên dao động trong khoảng độ cao 50 km. Không khí tầng bình lưu loãng hơn, ít chứa bụi và hơi nước. Ở độ cao khoảng 25 km trong tầng bình lưu tồn tại một lớp không khí giàu khí Ozon (O 3) thường được gọi là tầng Ozon. 22 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường + Tầng trung gian (Mesosphere): Nằm bên trên tầng bình lưu cho đến độ cao 80 km được gọi là tầng trung gian. Nhiệt độ tầng này giảm dần theo độ cao. + Tầng nhiệt quyển (Thermosphere): từ độ cao 80 km đến 500 km, ở đây nhiệt độ ban ngày rất cao, nhưng ban đêm xuống thấp. Ở tầng này mật độ không khí rất loãng với mật độ phân tử không khí khoảng 1013 phân tử/ cm3. Nhiệt độ trong tầng này tăng dần theo độ cao. + Tầng điện ly (Exosphere): có độ cao từ 500 km trở lên, do tác động của tia tử ngoại, các phân tử không khí loãng trong tầng bị phân huỷ thành các ion nhẹ như He +, H+, O++. Tầng điện ly là nơi xuất hiện cực quang và phản xạ các sóng ngắn vô tuyến. Giới hạn bên ngoài của khí quyển rất khó xác định, thông thường người ta ước định vào khoảng từ 1000 - 2000 km. Hình 1.1: Nhiệt độ và khí áp trung bình ở các tầng của khí quyển (Nguồn: Khảo sát khí quyển, Oklahoma, 1997) Cấu trúc tầng của khí quyển được hình thành do kết quả của lực hấp dẫn và nguồn phát sinh khí từ bề mặt trái đất, có tác động to lớn trong việc bảo vệ và duy trì sự sống trái đất. Trong đó, tầng đối lưu là tầng khí quyển hoạt động nhất, chiếm khoảng 80% khối lượng khí và 90% hơi nước. Các hiện tượng thời tiết đều diễn ra trong tầng khí quyển này và nó cũng là môi trường sống của tất cả các sinh vật trên trái đất. Do đó, nghiên cứu các vấn đề cơ bản của ô nhiễm môi trường không khí cũng chủ yếu tập trung nghiên cứu các quá trình lan truyền, chuyển hóa chất ô nhiễm diễn ra trong tầng này. II. Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ 2.1. Các tác nhân gây ô nhiễm môi trường không khí Các tác nhân gây ô nhiễm môi trường không khí là chất hoặc yếu tố vật lý được thải bỏ vào khí quyển với nồng độ đủ lớn và thời gian tồn tại đủ lâu để gây ảnh hưởng xấu đến sự sinh trưởng phát triển của động thực vật, sức khỏe con người, và cảnh quan môi trường. 23 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Có nhiều tác nhân khác nhau và có thể phân chia thành: • Các tác nhân vật lý: các vật chất dạng hạt, tiếng ồn, nhiệt, phóng xạ • Các tác nhân hóa học: các chất khí và hơi độc hại • Các tác nhân sinh học: các vi sinh vật 2.1.1. Các vật chất gây ô nhiễm dạng hạt a. Phân loại Các vật chất dạng hạt gây ô nhiễm khí quyển có thể là các hạt rắn hoặc các giọt lỏng thường được gọi chung là các aerosol. Đó là các phần tử có kích thước nhỏ bé, được phát sinh từ các quá trình tự nhiên hoặc nhân tạo. Trong khí quyển phần lớn chúng tồn tại ở trạng thái lơ lửng, làm giảm độ trong suốt của khí quyển và gây các ảnh hưởng đến sức khỏe cho con người. Trong khí quyển các aerosol tồn tại với rất nhiều kích thước khác nhau, thường gặp nhất là các bụi, sương và khói • Bụi: là các hạt rắn có kích thước dao động từ 1µm đến vài trăm micromet tùy theo từng dạng bụi (bụi thô, bụi, bụi mịn). • Sương: là các hạt chất lỏng có kích thước < 10 µm được hình thành chủ yếu do quá trình ngưng tụ trong khí quyển. • Khói: là các hạt vật chất có thể là rắn hoặc lỏng được tạo ra trong quá trình đốt cháy nhiên liệu hoặc quá trình ngưng tụ, thường có kích thước 100 µm) và bụi lơ lửng (có kích thước < 100 µm); và sử dụng các ký hiệu TSP (total suspended particle) để chỉ bụi lơ lửng tổng số, các ký hiệu PM (particle matter) để chỉ các nhóm hạt bụi với kích thước tương ứng, ví dụ PM20, PM10, PM5, PM2,5, PM1 để chỉ các hạt bụi có kích thước nhỏ hơn 20 µm , 10 µm , 5 µm, 2,5 µm, 1 µm. Theo thành phần hóa học, người ta thường phân loại thành bụi vô cơ, bụi hữu cơ. Bụi vô cơ như bụi cát, bụi kim loại...; bụi hữu cơ như bụi phấn hoa, muội khói, muội than, các hạt bò hóng... Thành phần hóa học của các hạt bụi khác nhau và phụ thuộc vào nguồn phát sinh ra chúng. Các hạt bụi từ quá trình phong hóa đất đá và chất khoáng ban đầu chứa các hợp chất Canxi (Ca), nhôm (Al) và silic (Si). Bụi khói từ nhiên liệu than dầu gỗ các phế thải rắn, và một số phát thải của 24 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường các nhà máy hóa chất chứa nhiều hợp chất hữu cơ. Bụi từ công nghiệp thường chứa nhiều các kim loại nặng, bụi từ các khu bãi rác chứa nhiều các vi sinh vật gây bệnh... Một số bụi kim loại quan trọng gây ô nhiễm môi trường không khí gồm có chì, kẽm, cadimi, niken, thủy ngân... b. Tính chất Các hạt bụi có thể là các hạt trơ hoặc vô cùng hoạt tính, có thể là các hạt có kích thước nhỏ bé mà thậm chí mắt thường khó phân biệt, đến các hạt có kích thước lớn (kích thước từ 100 đến 0,1 và nhỏ hơn). Do vậy, các hạt bụi khác nhau về khả năng phân tán trong không khí (hay là khả năng lắng của bụi), về tính oxi hóa (tính ăn mòn) hay khả năng nhiễm điện của các hạt bụi khi đặt chúng trong một điện trường. (1) Tính lắng của bụi Các hạt có kích thước lớn hơn 100 lắng chìm dưới tác dụng của trọng lực và tuân theo định luật Newton, tức lắng với vận tốc tăng dần hay chuyển động có gia tốc của hạt. Đó là các phần tử có thể nhìn thấy bằng mắt thường. Các hạt kích thước từ 10 – 0,1 µm có vận tốc lắng chìm, nhưng dễ bị khuấy động do sự chuyển động của không khí, nhất là các hạt 10 – 1 µm. Các hạt kích thước 0,1 – 0,001µm thường không thể lắng chìm. Các hạt siêu nhỏ này thường có chuyển động Brown và lơ lửng trong không khí. (2) Tính oxi hóa Các hạt vật liệu trơ không dễ dàng xảy ra các phản môi trường, và cũng không biến đổi hình thái trong quá trình phát tán, ví dụ: bụi cát, bụi đất đá,... do đó với nhóm hạt trơ này thường không có tính oxi hóa (hay ko có khả năng ăn mòn). Trái lại các vật liệu hoạt tính có thể tham gia các quá trình oxi hóa hoặc phản ứng hóa học với môi trường xung quanh, do đó hình thái hóa học của chúng dễ bị biến đổi trong quá trình phát tán trong môi trường không khí. (3) Tính nhiễm điện Các hạt bụi với thành phần hóa học khác nhau khi được đưa vào điện trường (trừ những hạt trơ) thì những hạt này có khả năng bị nhiễm điện. Nhờ kính hiển vi người ta xác định được điện tích của hạt bụi. c. Tác hại của bụi + Đối với thực vật: bụi che phủ lá thực vật làm giảm khả năng quang hợp của lá cây. Tại những khu vực giao thông đông đúc, khu xây dựng hoặc khu tập trung công nghiệp, đặc biệt khu vực gần các nhà máy xi măng, bụi che kín trên lá, trên thân, giảm sinh trưởng của thực vật + Đối với sức khỏe con người: Bụi lơ lửng có khả năng hấp thụ và khuếch tán ánh sáng mặt trời nên làm giảm độ trong suốt của khí quyển, tức là làm giảm tầm nhìn xa của con người, ảnh hưởng trực tiếp đến các phương tiện giao thông đường bộ, đường thủy, đường hàng không. Nếu nồng độ bụi trong không khí bằng 0,1 mg/m 3 thì tầm nhìn xa chỉ còn 12km, trong khi đó tầm nhìn xa lớn nhất là 36km. Với con người bụi có thể gây tổn thương đến mắt, da, nhưng chủ yếu nhất vẫn là sự xâm nhập bụi vào cơ thể qua đường hô hấp. Khi bụi theo đường hô hấp đưa vào cơ thể người thì tùy theo tính chất của bụi sẽ gây ra các bệnh khác nhau cho con người. Nguy hiểm nhất là những bụi có khả năng tan và có tính độc như bụi kim loại, đặc biệt là bụi chì, bụi silic, bụi amiăng... Các hạt bụi có kích thước 10 µm có thể dừng lại ở mũi. Các hạt nhỏ hơn 10µm thường thâm nhập sâu hơn và lọt qua đoạn đầu của tuyến hô hấp. Các hạt mịn 0,5 - 5µm có thể rơi vào tận cuống 25 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường phổi và một số có thể vào đến tận màng phổi. Do đó các hạt PM10 là các hạt nguy hiểm đối với con người, do kích thước nhỏ chúng có khả năng đi qua lông mũi và đến tận màng phổi. Thực nghiệm cho thấy 70% những hạt vào tận phổi qua đường hô hấp có kích thước 1µm; gần 30% là những hạt có kích thước 1 - 5 µm và những hạt 5 - 10µm chiếm tỷ lệ rất ít. Tác dụng của các hạt đối với các bệnh hô hấp có thể chia thành 3 loại: • Các hạt trơ gây cản trở cơ chế làm sạch của tuyến hô hấp • Các hạt như vật mang khí độc hấp thụ như SO2 gây đồng tác dụng; • Các hạt bản chất độc do các đặc tính lý hóa của chúng bao gồm các kim loại như Chì (Pb), Cadimi (Cd), Niken (Ni), thủy ngân (Hg) được biết như các chất có hại đối với cơ thể. 26 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Bảng 1.2: Nguồn gốc và ảnh hưởng của một số bụi kim loại trong khí quyển Kim loại Nguồn gốc Ảnh hưởng Ni Công nghệ hoá chất và chế biến than, dầu mỏ Gây ung thư Be Chế biến than và kỹ thuật hạt nhân Nhiễm độc phế quản B Chế biến than, sản xuất kính Nhiễm độc ở nồng độ cao As Gia công than, thuốc trừ sâu, chất tẩy Gây ung thư Se Gia công than, sản xuất axit H2SO4 Độc, gây ung thư Hg Công nghiệp hoá chất, điện tử Độc cao V Công nghiệp dầu mỏ, hoá chất (xúc tác) Độc Cd Công nghiệp luyện kim Rối loạn trao đổi chất, hại thận, hại men tiêu hoá Pb Giao thông, bột màu Nhiễm độc phổi, thần kinh Cu Khói thải, công nghiệp luyện đồng Độc Mn Công nghiệp mỏ Độc Cr Công nghiệp mạ Gây ung thư (Cr6+) Ag Phim, ảnh Thay đổi màu da Zn Công nghiệp luyện kim màu, khí thải Gây độc ở nồng độ cao (Hóa học môi trường , Đặng Kim Chi, tr 72) 2.1.2. Các chất khí gây ô nhiễm a. Các hợp chất chứa lưu huỳnh (1) Các oxit lưu huỳnh (SOx) SOx bao gồm 6 hợp chất khác nhau của lưu huỳnh, đó là: SO (lưu huỳnh monoxit); SO 2 (lưu huỳnhdioxit), SO3 (lưu huỳnh trioxit), SO4 (lưu huỳnh tetroxit), S2O3 (lưu huỳnh seskioxit) S2O7 (lưu huỳnh heptoxit), trong đó SO2 và SO3 là hai oxit quan trọng, đại diện cho nhóm các oxit lưu huỳnh SOx. *) Nguồn gốc: Ôxít lưu huỳnh (chủ yếu SO 2) có thể sinh ra từ quá trình tự nhiên hoặc nhân tạo. Trong tự nhiên, SO2 có trong thành phần các sản phẩm của núi lửa khi phun. Nguồn nhân tạo, SO 2 là sản phẩm chủ yếu của quá trình đốt cháy các nhiên liệu có chứa lưu huỳnh trong sản xuất và trong sinh hoạt. Ngoài ra, SO2 còn phát sinh do nung và luyện pirit sắt, quặng lưu huỳnh, do các quá trình trong các phân xưởng rèn đúc, nhiệt luyện và cán thuộc ngành công nghiệp luyện kim, các quá 27 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường trình hóa học sản xuất H2SO4, sản xuất sunfit, tẩy len, sợi, tơ lụa, trùng hợp, dùng khí SO 2 như phương tiện sát trùng, trong máy lạnh, lọc sản phẩm cao su, phân bón, sản xuất khí lò cao, lò cốc ... Lưu huỳnh có trong nhiên liệu như than đá, dầu lửa (hàm lượng nhiều nhất của nó là trong than, có khi đến đến 8%). Nếu hàm lượng S trong than 4% thì lượng SO 2 trong khói chiếm 0,35%; hàm lượng S trong mazut 2% thì lượng SO 2 trong khói 0,31%. Khí thải từ nồi hơi đốt than không xử lý chứa 500 – 5000 ppm hàm lượng SO 2. Khi nung quặng S, khói thải có thể chứa 8% SO 2. Các nhà máy điện đốt than sinh khoảng 60% tổng SO x trong khí quyển; đốt dầu là 14%; và các quá trình công nghiệp xấp xỉ 22%. *) Tính chất + Lưu huỳnh dioxit (SO2) Lưu huỳnh dioxit SO2 còn gọi anhydrit sunfurơ, là chất khí không màu, có mùi hắc và vị cay, khó cháy – nổ. SO2 oxi hóa chậm trong không khí sạch tạo thành SO3 và hòa tan trong nước (11,3 g/ 100ml ở 20oC) thành dung dịch H2SO4 yếu. Trong không khí bị ô nhiễm (ẩm và sương mù) SO 2 tham gia phản ứng hóa học hay xúc tác với các chất ô nhiễm khác hoặc các thành phần khác của không khí bình thường tạo thành SO3, H2SO4 và muối của H2SO4 (dạng sol khí). SO2 cũng có thể được hấp thụ trong các hạt như muối sắt, magie, vanidi có trong không khí, thấm sâu vào các hạt này. + Lưu huỳnh trioxit (SO3) SO3 thường phát thải cùng với SO2 trong quá trình đốt cháy nhiên liệu hóa thạch, với tỷ lệ chiếm khoảng 1-5% so với SO2 và trong điều kiện không khí ẩm SO 3 kết hợp nhanh với hơi ẩm trong khí quyển tạo thành H2SO4. Cả SO2 và SO3 đều được rửa nhanh trong khí quyển nhờ mưa hoặc lắng như sol khí. Đó là lý do tại sao lượng SO2 trong khí quyển sạch nhỏ hơn nhiều so với lượng phát thải hàng năm do các nguồn thải nhân tạo. * Tác hại: Đối với người và động vật: SO2 là chất khí độc. Nó tác động mạnh nhất lên cơ quan hô hấp của người và động vật. Nó kích thích niêm mạc của mắt và tuyến hô hấp trên, làm sưng tấy và tiết nước nhầy, gây ho. Khi hàm lượng thấp, SO 2 làm sưng niêm mạc, hàm lượng cao (>0,5 mg/m 3) SO2 gây tức thở, ho viêm loét đường hô hấp. Khi có mặt đồng thời SO 2 và SO3 chỉ cần ở nồng độ thấp chúng cũng sẽ có tác động hợp lực, phản ứng sinh lý phát sinh mạnh hơn so với phản ứng của từng chất khí riêng biệt, thậm chí co thắt phế quản mạnh và ở nồng độ cao có thể dẫn đến nguy hiểm chết người. Tác động của SO2 đối với cơ thể con người ở các nồng độ khác nhau như bảng 1.3 Bảng 1.3 : Tác động của SO2 đối với cơ thể con người Nồng độ (ppm) Tác động 0,2 Nồng độ ở mức thấp nhất gây cơ thể phản ứng 0,3 Ngưỡng nhận biết vị 0,5 Ngưỡng nhận biết mùi 1,6 Ngưỡng cảm ứng nghịch 8-12 Kích thích làm sưng tấy cổ họng 28 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường 20 Ho lập tức Đối với thực vật: SO2 là một trong số các chất ô nhiễm gây thảm họa nhất đối với thực vật, đặc biệt là cây lá kim (tùng, bách). SO 2 xâm nhập vào các lỗ khí khổng trên lá, phá hủy các mô tế bào đặc biệt là diệp lục, làm cho sự quang hợp bị phá vỡ; ở nồng độ cao làm rụng lá, cây chết dần. Bảng 1.4 : Tác dụng của SO2 với thực vật Nồng độ (mg/m3) Tác động 1,04 – 1,82 Thực vật mẫn cảm với thương tích 1,82 – 5,2 Thực vật bị ngộ độc mãn tính 5,2 – 26 Thực vật (đặc biệt là cây lá kim) bị ngộ độc cấp tính >26 Cây lá kim chết trong vài giờ (Nguồn Molchanov A.A) Hàm lượng lớn SO2, SO3 trong khí quyển gây mưa axit làm phá hủy nhà cửa cầu cống và các công trình xây dựng… (2) Khí sunfuahydro (H2S) * Nguồn gốc Khí sunfuahydro (H2S) xuất hiện trong khí thải của các quá trình sử dụng nhiên liệu hữu cơ chứa sunfua, các quá trình tinh chế dầu mỏ, các quá trình tái sinh sợi hoặc ở khu vực chế biến thực phẩm, rác thải của thành phố do các chất hữu cơ bị thối rữa dưới tác dụng của vi khuẩn, quá trình phân hủy yếm khí trong các đầm lầy. * Tính chất Khí sulfu hydro (H2S) là một chất khí độc hại, không màu sắc nhưng có mùi trứng thối rất khó chịu, có thể nhận biết được mùi ở nồng độ rất nhỏ (< 1ppb), có tỷ trọng d=1,19; nhiệt độ sôi T s = 60,2oC; với nồng độ vào khoảng 40,3 – 45,5 % thể tích không khí thì hỗn hợp sẽ nổ khi có tia lửa. H2S không tồn tại lâu trong khí quyển, nó bị oxy hóa nhanh chóng thành các sulfat có độc tính thấp hơn. * Tác hại: Đối với người và động vật: H2S là độc tố rất có hại đối với thần kinh con người. Ở nồng độ thấp, H2S có tác động lên mắt và đường hô hấp, ở nồng độ (~ 5ppm) H 2S gây nhức đầu, khó chịu. Ở nồng độ cao (>150 ppm) có thể gây tổn thương màng nhày của các cơ quan hô hấp. Ở nồng độ cao hơn (~ 500ppm) H2S gây ỉa chảy, viêm phổi, và khi đạt đến nồng độ 700 – 900 ppm và lớn hơn, H2S nhanh chóng xuyên màng túi phổi và thâm nhập vào mạnh máu, có thể gây tử vong. Khi bị ngộ độc mãn tính bởi H2S hệ thần kinh và tim mạch, cơ quan tiêu hóa, cơ quan hô hấp bị rối loạn. Đối với thực vật: H2S làm tổn thương lá cây, làm rụng lá và giảm sinh trưởng. b. Các hợp chất chứa Nitơ (1) Các ôxít nitơ (NOx) 29 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường * Nguồn gốc: Các oxit nitơ NOx: N2O, NO, N2O4, NO2, N2O5… là sản phẩm của quá trình đốt nhiên liệu ở nhiệt độ cao, quá trình oxy hóa nitơ trong khí quyển do tia sét, núi lửa…, các quá trình phân hủy của vi sinh vật và các quá trình sản xuất hóa học có sử dụng các hợp chất nitơ…Hàng năm có khoảng 48 triệu tấn NOx do các hoạt động của con người sinh ra. Trong các oxit nitơ, khí gây ô nhiễm quan trọng nhất là NO và NO2 NO được tạo thành với quy mô lớn do cháy nhiên liệu không hoàn toàn ở nhiệt độ cao, ngoài ra NO còn được sinh ra trong công nghiệp sản xuất HNO 3 và các hóa chất, hoặc do các động cơ ôtô. NO2 phát thải do cháy nhiên liệu ở nhiệt độ cao và từ các nhà máy sản xuất HNO 3 hoặc sản xuất phân bón. * Tính chất Ôxit nitơ (NO) là một chất khí không màu, không mùi, không tan trong nước, d = 1,340, nhiệt độ sôi Ts = -151,8 oC. NO bị oxi hóa thành NO2 gây ô nhiễm qua phản ứng quang hóa thứ cấp: NO + O3 NO2 + O2 Điôxit nitơ (NO2) là một chất khí màu nâu thẫm – hơi đỏ, vị cay và mùi kích thích, mùi của nó có thể bắt đầu được phát hiện ở nồng độ 0,12 ppm. NO 2 rất dễ bị hấp phụ bức xạ tử ngoại, dễ hòa tan trong nước và tham gia phản ứng quang hóa. Ngoài NO và NO2 thì đinitơ ôxit (N2O) cũng là ôxit nitơ chiếm tỷ lệ cao trong khí quyển. Đó là chất khí không màu, không độc, không phải chất khí ô nhiễm nhưng nó là thành phần quan trọng của khí nhà kính. Ở tầng bình lưu, N 2O khuếch tán và hấp thụ các tia tử ngoại sóng ngắn hoặc bị phân ly bởi oxi nguyên tử hoạt hóa: N2O ———→ NO + N N2O + O ———→ 2NO N2O + O ———→ N2 + O2 * Tác hại: Đối với con người: Các oxit nitơ phần lớn là các chất khí độc, kích thích các tuyến hô hấp trên. Khi bị ngộ độc NOx xuất hiện những cơn ho nhẹ, nồng độ NOx tăng cao gây ho nặng, nôn mửa, đau đầu. NO2 gây kích thích màng phổi dẫn đến triệu chứng phù phổi, ở nồng độ 1ppm do tạo thành axit HNO2 và HNO3 khi NO2 tiếp xúc với bề mặt ẩm của phổi. Phổi sưng tấy dẫn đến tử vong. NO có thể gây nguy hiểm cho cơ thể do tác dụng với hồng cầu trong máu, làm giảm khả năng vận chuyển oxy, gây bệnh thiếu máu. Ở nồng độ 15 ÷ 50 ppm, NO2 gây nguy hiểm cho tim, phổi và gan. Với nồng độ khoảng 100ppm có thể gây tử vong cho người và động vật sau một giờ tiếp xúc. Đối với thực vật: NOx gây tác hại đối với thực vật tương tự như SO x. Dưới tác dụng của O2 trong không khí với nước biến thành HNO 3 bám vào lá cây, gây các vết bỏng màu nâu, hủy hoại mô thực vật. Ở nồng độ 0,5 ppm, NO x làm cây chậm phát triển, và tác hại cấp tính của nó ở nồng độ 1ppm. Đặc biệt, với khí quyển, NO x có thể coi như tác nhân gây nên quá trình phân hủy ôzôn. Phản ứng sẽ kết thúc khi tạo thành HNO3 và các sản phẩm quang hóa. (2) Amôniac (NH3) * Nguồn gốc 30 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Amôniac (NH3) có trong các hệ thống thiết bị làm lạnh sử dụng amôniac trong các nhà máy hóa chất sản xuất phân đạm, sản xuất axit nitric, các quá trình phân giải chất hữu cơ động thực vật, chất thải của con người… * Tính chất Amôniac (NH3) độc, không màu, có mùi khai khó chịu và dễ hòa tan trong nước, có tỷ trọng d = 0,597, nhiệt độ sôi Ts = -33oC. Trong khí quyển NH3 có thể bị oxy hóa thành NO x và có thời gian tồn tại khoảng 7 ngày. *Tác hại: Amôniac (NH3) là khí độc có khả năng kích thích mạnh lên đường hô hấp gây viêm đường hô hấp cho người động vật, gây loét niêm mạc, thanh quản, khí quản, thường gây nhiễm độc cấp tính. Ngưỡng chịu đựng của người đối với amoniac là 20-40mg/m 3. Khi tiếp xúc với amoniac ở nồng độ 100mg/m3 trong thời gian ngắn sẽ không để lại hậu quả lâu dài. Tuy nhiên, khi tiếp xúc với amoniac ở nồng độ 1500-2000 mg/m 3 trong thời gian 30 phút sẽ nguy hiểm đến tính mạng. Amôniac (NH3) dễ hòa tan trong nước, gây nhiễm độc cá và các sinh vật trong nước. Đối với thực vật nhiễm độc NH3 ở nồng độ cao gây bệnh lá cây bị trắng bạch, đốm lá, giảm tỷ lệ nảy mầm hạt giống và thân cây bị lùn. c. Các hợp chất chứa cacbon (1) Ôxit cacbon * Nguồn gốc: Các oxit cacbon chủ yếu là sản phẩm của quá trình cháy, quá trình hô hấp của người và động thực vật, quá trình phân hủy chất hữu cơ (mùn rác), quá trình lên men rượu. Trong đó, CO là sản phẩm của quá trình cháy không hoàn toàn (cháy trong điều kiện thiếu oxi); CO 2 là một thành phần khí tự nhiên quan trọng của khí quyển, không phải là một chất khí gây ô nhiễm, đồng thời là sản phẩm của quá trình cháy hoàn toàn và hô hấp của người và động thực vật. Tuy nhiên, nồng độ của CO2 tăng cao do các quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch trong các hoạt động sống của con người làm gia tăng lượng khí nhà kính dẫn tới các ảnh hưởng nghiêm trọng cho bầu khí quyển. * Tính chất CO là khí không màu, không vị, sinh ra khi đốt cháy các hợp chất chứa cacbon trong điều kiện thiếu oxy, tỷ trọng d=0,967, nhiệt độ sôi T s = -199oC. Khí CO chiếm tỷ lệ lớn trong các khí gây ô nhiễm nhưng nồng độ của khí CO trong môi trường không khí không ổn định.CO tồn tại trong khí quyển với nồng độ nhỏ 0,1 ppm và có thời gian tồn tại khoảng 6 tháng. CO2 là chất khí vốn có sẵn trong thành phần không khí sạch nhưng nó còn có thể được phát sinh khi đốt cháy hoàn toàn nhiên liệu, nguyên liệu chứa cacbon và trong quá trình hô hấp của người và động thực vật. CO2 là khí không màu, không mùi, không cháy, vị chát, dễ hóa lỏng do nén, tỷ trọng d = 1,53, nhiệt độ sôi Ts = -78oC, chủ yếu lưu động ở tấng đối lưu. * Tác hại: Tác hại của khí CO đối với con người và động vật xảy ra khi nó tác dụng với hồng cầu (hêmoglobin) trong máu, tạo thành một hợp chất bền vững, làm giảm hồng cầu trong máu, từ đó giảm khả năng hấp thụ oxy của hồng cầu để nuôi dưỡng tế bào cơ thể. Con người nhạy cảm với CO hơn là động thực vật. Ngộ độc oxit cacbon nhẹ ( 20.000Hz là sóng siêu âm. + Chu kỳ (T, s) là thời gian tính bằng giây để hoàn thành một dao động, T = 1/f + Bước sóng (λ), đơn vị tính là m hoặc cm: là khoảng cách ngắn nhất giữa hai điểm có cùng pha dao động. λ = C/f = C.T + Vận tốc truyền sóng (C), đơn vị tính là m/s hoặc cm/s: là đặc trưng quan trọng của quá trình truyền âm. Khi môi trường khác nhau thì tốc độ truyền âm cũng khác nhau. 34 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Ví dụ: ở t = 0oC => Vận tốc truyền âm trong không khí là 330 m/s, trong nước là 1440 m/s. Khi t =20oC, vận tốc truyền âm trong không khí là 343 m/s. *) Công suất của nguồn âm P (W) Công suất của nguồn âm là tổng số năng lượng âm do nguồn bức xạ vào không gian trong 1 đơn vị thời gian. *) Áp suất âm p (W/m2), (N/m2) Khi sóng âm truyền tới một bề mặt nào đó, do các phân tử của môi trường dao động tác dụng lên đó một lực gây ra áp suất âm - áp suất dư do sóng âm gây ra ngoài áp suất khí quyển. Áp suất âm được xác định theo công thức: p = ρ.C.v Trong đó: ρ (kg/m3): mật độ phân tử trong môi trường C (m/s) vận tốc truyền âm v (m/s) vận tốc dao động của các phân tử *) Cường độ âm: I(J/m2, W/m2): Là số năng lượng âm trong bình đi qua 1 đơn vị diện tích đặt vuông góc với phương truyền trong đơn vị thời gian I = p.v = p2/ρ.C Trong không gian mở, cường độ âm giảm tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách Ir = 1/4πr2 Trong đó: Ir là cường độ âm tại điểm cách nguồn 1 khoảng cách r. *) Mức âm L (dB) L = 20 log10 p/p0 = 10 logI/I0 (dB) Trong đó: p: áp lực âm thanh (N/m2) I: Cường độ âm thanh (W/m2) p0, I0 là áp suất, cường độ của âm tiêu chuẩn; p0 = 2.10-5N/m2, I0 = 10-12W/m2 Mức âm của 1 số nguồn thường gặp:- Vườn yên tĩnh : 20 ÷ 30dB - Tiếng nói thầm xì xào (cách 1m): 35dB - Tiếng nói to: (60 ÷ 70)dB - Phòng hòa nhạc disco: 100dB *) Phổ âm Âm thanh chỉ có 1 tần số gọi là âm đơn, nhưng phần lớn các nguồn âm trong thực tế là âm hỗn hợp của nhiều âm với nhiều tần số khác nhau gọi là phổ âm. Vì vậy khi giải bài toán về âm thanh cần biết được đặc tính tần số của âm, nó cho biết sự phân bố của mức áp suất âm theo tần số. Để thuận tiện, trong âm học người ta chia phạm vi tần số âm nghe được thành các dải tần số. Mỗi dải tần số được đặc trưng bằng các tần số giới hạn (f 1 là giới hạn dưới, f2 là giới hạn trên). Bề rộng dải: ∆f = f1 – f2 và (2) Đặc trưng sinh lý của âm thanh *) Độ cao của âm thanh 35 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Khi dao động trên toàn chiều dài, tần số dao động thấp nhất là âm trầm nhất hay còn gọi là âm cơ bản. Tần số f0 gọi là tần số cơ bản, quyết định độ cao của âm thanh. Tần số dao động 2f 0, 3f0 ... đều gọi là bội số của tần số cơ bản, âm của họa âm. Họa âm càng nhiều, âm nghe càng du dương. Ta có: + f thấp : 16 ÷ 355Hz + f trung bình : (356 ÷ 1400) Hz + f cao : (1401 ÷ 20.000) Hz *) Âm sắc Âm sắc chỉ sắc thái của âm thanh, có thể du dương hay thô kệch, thanh hay rè, trong hay đục. Âm sắc phụ thuộc vào cấu tạo của sóng âm điều hòa. Cấu tạo của sóng âm điều hòa phụ thuộc số lượng các loại tần số, cường độ & sự phân bố xung quanh âm cơ bản. Cường độ và mật độ họa âm cho ta khái niệm về âm sắc khác nhau. Âm điệu chỉ âm cao hay thấp, trầm hay bổng. Âm điệu chủ yếu phụ thuộc vào tần số của âm: f cao => âm cao, f thấp => âm càng trầm. *) Mức to, độ to + Mức to, ký hiệu là F, đơn vị đo là Fon Cảm giác to nhỏ khi nghe âm thanh của tai người được đánh giá bằng mức to và xác định theo phương pháp so sánh giữa âm cần đo với âm tiêu chuẩn. Đối với âm tiêu chuẩn, mức to có trị số bằng mức áp suất âm (đo bằng dB). Muốn biết mức to của 1 âm bất kỳ phải so sánh với âm tiêu chuẩn. Với âm tiêu chuẩn : Mức to ở ngưỡng nghe là 0 Fôn; ngưỡng chối tai là 120 Fôn. Cùng 1 giá trị áp suất âm, âm tần số càng cao => mức to càng lớn. + Độ to, ký hiệu là S, đơn vị đo là Son Khi so sánh âm này to hơn âm kia bao nhiêu lần ta dùng khái niệm "độ to". Độ to là 1 thuộc tính của thính giác, cho phép phán đoán tính chất mạnh yếu của âm thanh. *) Phạm vi nghe thấy của âm thanh - Về tần số: f = 16Hz ÷ 20.000 Hz - Về mức áp suất âm: L = 0 ÷ 140 dB Trong đó: 0dB là ngưỡng nghe: Giới hạn đầu tiên mà tai người cảm thụ được âm thanh. 140 dB là ngưỡng chối tai Mức âm tối thiểu để tai cảm thụ 20 ÷ 30dB 36 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường - Về mức to: F = 0 -120 Fon Bảng 1.5: Một số mức cường độ âm (dB. của một số tiếng ồn thường thấy STT Tiếng ồn Mức âm (dB. ở tần số 1000 Hz 1 Vườn yên tĩnh 30 2 Tiếng nói thầm nhẹ, xì xào, cách 1 m 35 3 Phòng trong nhà vào giữa đêm 32 4 Phòng trong nhà ở vào giờ ban ngày 45 5 Trong các cửa hàng nhỏ 55 6 Trong các của hàng tự động lớn 60 7 Trong phòng hòa nhạc khi biểu diễn 80 8 Trong phòng in 85 9 Trong phân xưởng đúc 100 10 Trong xưởng dệt 105 11 Trong xưởng nồi hơi 110 12 Trong máy bay loại nhỏ 110 13 Trong máy bay phản lực 85 14 Cách động cơ máy bay phản lực 10m 130 15 Cách động cơ máy bay phản lực 3m 140 (Nguồn: Môi trường không khí, Phạm Ngọc Đăng, tr 322) c. Lan truyền âm thanh và các bài tập ứng dụng (1) Xác định mức ồn giảm theo khoảng cách Nếu mức âm đặc trưng của nguồn ồn, thường đo ở độ cao 1,5 m, ở điểm cách nguồn ồn một khoảng cách r1 đã biết (r1 thường bằng 1m đối với tiếng ồn từ máy móc, thiết bị công nghiệp và bằng 7,5m đối với nguồn ồn là dòng xe giao thông) thì mức ồn ở điểm cách nguồn ồn là r 2 sẽ giảm hơn mức ồn ở điểm có khoảng cách r1 là: Đối với nguồn điểm: + Đối với nguồn đường: (1.1) (1.2) Trong đó: a là hệ số kể đến ảnh hưởng hấp thụ tiếng ồn của địa hình mặt đất 37 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Đối với đường nhựa, bê tông a = - 0,1 Đối với mặt đất trống trải không có cây a = 0 Đối với mặt đất trồng cỏ a = 0,1 + Đối với nguồn mặt: mức giảm ồn phụ thuộc cả vào khoảng cách và diện tích nguồn mặt (2) Tổng mức âm (mức ồn) của nhiều nguồn điểm Ở một địa điểm nào đó bất kỳ, có nhiều nguồn điểm gây ồn hoặc ở một điểm nào đó có nhiều nguồn điểm ồn truyền đến thì tổng mức ồn ở địa điểm đó được xác định như sau: Trong đó: ΣL là mức ồn tổng cộng (dB) Li mức ồn của nguồn thứ i n tổng nguồn ồn Nếu n nguồn ồn có mức ồn và tính chất như nhau thì: ΣL = Li + 10lg n (dB) Nếu hai nguồn ồn có tính chất khác nhau ΣL = L1 + ΔL (dB) Trong đó : L1: Mức âm của nguồn âm lớn nhất ∆L: gia số của nguồn âm,phụ thuộc vào hiệu số L1 và L2 , tra bảng ... Bảng 1.6: Gia số mức ồn khi tính tổng mức ồn của hai nguồn ồn Hiệu số của hai 0 nguồn ồn 1 2 3 4 5 6 7 8 9 10 11 12 ΔL 2,5 2 1,6 1,5 1,2 1 0,8 0,6 0,5 0,4 0,2 0 3 (3) Truyền âm qua dải cây xanh Độ giảm mức ồn do cây xanh gây ra ΔL cx (kể cả thành phần giảm tiếng ồn do khoảng cách trên đó trồng cây xanh) phụ thuộc vào nhiều cách trồng cây (mức độ rậm của cây, khe hở dưới tán cây), loại cây, bề rộng và số lượng dải cây và phụ thuộc vào cả tần số của tiếng ồn. Nói chung các dải cây xanh có thể nhìn xuyên qua được và không có bụi cây rậm che dưới tán cây đều ít có tác dụng hạ thấp tiếng ồn. Hiệu quả hạ thấp tiếng ồn của cây xanh do hai tác dụng: - tác dụng phản âm thanh như một màn chắn - tác dụng hút và khuếch tán sóng âm trong suốt bề rộng của dải cây Do phản xạ âm, mức ồn sẽ hạ thấp 1,0 – 1,5 dB mỗi khi gặp một dải cây xanh. Khả năng hút và khuếch tán âm thanh xảy ra đối với các âm tần số cao gấp 2-3 lần so với tần số thấp. Trị số hạ thấp trung bình cho các tần số đối với rừng cây lá rậm là β = 0,12 – 0,17 dB/m. Độ giảm mức ồn sau dải cây xanh có thể xác định gần đúng theo công thức sau: (1.4) 38 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Trong đó: Δ Ld : độ giảm mức ồn do khoảng cách chưa kể tác dụng giảm ồn do trồng cây xanh (dB) 1,5Z : độ giảm của mức ồn do tác dụng phản xạ của cả dải cây Z : số lượng dải cây ΣBi : tổng bề rộng của các dải cây βΣBi :mức ồn hạ thấp do bị âm thanh hút và khuếch tán trong dải cây β thường vào khoảng 0,1 – 0,2 (4) Truyền âm qua màn chắn Màn chắn có thể là các tường (bằng đất, gạch hay bê tông) và các ngôi nhà chắn trên đường truyền âm. Tác dụng giảm tiếng ồn của màn chắn là do hiệu quả của “bóng âm” hình thành sau màn chắn. Do hiện tượng nhiễu xạ của sóng âm nên bóng âm không phải tuyệt đối và kích thước L b (m) của nó phụ thuộc vào bước sóng âm: (1.5) Trong đó: λ - bước sóng âm (m) B- chiều rộng của màn chắn (m) C – tốc độ âm (m/s) f – tần số âm (Hz) c. Hậu quả của ô nhiễm tiếng ồn Nhìn chung bất cứ tiếng ồn nào có trong môi trường đều là loại ô nhiễm, vì nó hạ thấp chất lượng cuộc sống. Tác động xấu của tiếng ồn đối với con người về cơ bản được xác định như sau: (1) Ảnh hưởng tới giấc ngủ Nghiên cứu điều tra xã hội những người sống ở vùng lân cận sân bay cho thấy: khoảng 22% dân nói rằng họ thường cảm thấy rất khó ngủ vì tiếng ồn ở sân bay. Ở khu vực mà tiếng ồn có mức cao thì có đến 50% người dân phàn nàn về tiếng ồn. Tỷ lệ phần trăm số người phàn nàn vì bị đánh thức bởi cường độ âm thanh cao hoặc giấc ngủ không sâu còn cao hơn. Hiện tượng ồn ào gần khu ở vào ban đêm có thể đưa đến hiện tượng người ta phải di chuyển đến nơi khác ở. Thiếu điều kiện ngủ sẽ tác động đến tâm sinh lý rất nặng nề đối với cuộc sống của con người. (2) Ảnh hưởng tới thính giác Tác dụng này chỉ trở thành thực tế quan trọng nếu âm thanh ở mức quá to. Tiếp tục tăng mức âm lên tới khoảng 100 dB trong khoảng thời gian ngắn đã gây tác động xấu đối với thính giác. Nhiều công nhân chịu tác động trực tiếp tiếng ồn của máy bay phản lực hay ở các phân xưởng sản xuất trong một thời gian dài đã nhanh chóng mắc bệnh giảm thính giác. Tiếng ồn mạnh có thể gây chói tai, đau tai, thậm chí làm đứt màng nhĩ. (3) Ảnh hưởng tới khả năng truyền đạt thông tin Âm thanh dùng để trao đổi thông tin như nói chuyện đàm thoại, nghe radio, tivi, ở nơi làm việc, trường học và các chỗ công cộng khác. Vì vậy nếu âm thanh có cường độ vượt quá ngưỡng sẽ ảnh hưởng tới khả năng truyền đạt thông tin. Mức âm lớn nhất của tiếng ồn không gây tác hại đến 39 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường trao đổi thông tin là dưới 55 dB. Tiếng ồn có mức 70dB , có tác dụng xấu đối với trao đổi thông tin công cộng, làm nhiễu loạn thông tin. (4) Ảnh hưởng đối với thể lực, đối với tinh thần và hiệu quả làm việc của con người. Tiếng ồn có thể làm ảnh hưởng xấu đến thể lực và thần kinh, giảm hiệu quả làm việc cho con người. Nó thực chất không chỉ gây tâm thần mà còn gây tai hoạ đối với phần tai trong, nếu tiếng ồn đạt tới 100dB. Một số người sẽ rất khó chịu khi đang làm việc mà nghe tiếng tích tắc của đồng hồ, tiếng thì thầm bên cạnh, trong trường hợp như vậy, các thiếu sót xảy ra trong công tác sẽ tăng lên. Hiệu quả làm việc bị ảnh hưởng từ tiếng ồn có mức âm khoảng 90dB. Như vậy tổng hợp lại tiếng ồn có thể tác động lên con người trên 3 phương diện: +Tác động về mặt cơ học: như che lấp âm thanh cần nghe +Tác động về mặt sinh học: chủ yếu đối với thính giác và hệ thần kinh, cũng có thể gây ra bệnh tim mạch và ảnh hưởng đến thai nhi,... +Tác động lên các hoạt động xã hội: gây khó chịu, cáu gắt, dễ kích thích xung đột xã hội d. Kiểm soát ô nhiễm tiếng ồn Theo báo cáo của WHO ở Hội nghị về môi trường thế giới, tiếng ồn là ô nhiễm dễ kiểm soát nhất trong mọi vấn đề của ô nhiễm môi trường. Tuy vậy chỉ có giáo dục cho mọi người hiểu biết về sự cần thiết phải kiểm soát, giảm nhỏ tiếng ồn và cơ quan nhà nước có các biện pháp quản lý thích đáng mới phòng chống được ô nhiễm tiếng ồn. Có thể nêu một số biện pháp chống ô nhiễm tiếng ồn như sau: + Kiểm soát tại nguồn ồn: Thiết kế và chế tạo các bộ phận giảm âm và ứng dụng trong động cơ máy bay, xe vận tải, xe khách, mô tô, máy móc cơ khí công nghiệp và các trang thiết bị cơ, điện ở trong nhà, đó là biện pháp có hiệu quả nhất. Trường hợp đặc biệt không thể giảm thiểu được nguồn ồn thì bảo vệ công nhân làm việc ở môi trường ồn bằng cách sử dụng các dụng cụ chống ồn cá nhân như là nút tai, bao tai. + Cải tiến thiết kế máy và quy trình vận hành máy, kiểm soát chấn động, tăng cường bọc nguồn âm bằng các vật liệu hút âm. + Hạn chế tiếng ồn do xe cộ gây ra bằng cách quy hoạch tổ chức các đường giao thông hợp lý. Thiết lập phân khu công nghiệp, tăng cường vành đai ngăn tiếng ồn ở xung quanh khu ở, trường học và bệnh viện. Giảm cường độ giao thông trong vùng cần yên tĩnh. + Thiết lập các vành đai cây xanh trong thành phố. Phát triển trồng cây xanh hai bên đường, chú ý chọn các cây có khả năng hút âm tốt. Âm thanh phản xạ qua lại nhiều lần qua các tán cây sẽ giảm đi đáng kể. + Kiểm soát tiếng ồn trong nhà + Giáo dục nhân dân bằng truyền thanh, vô tuyến truyền hình, phim ảnh về chống ô nhiễm tiếng ồn. Ở gia đình, cần giáo dục trẻ em không được bật to radio, không được nói to, hò hét quá mức to ở nơi công cộng, đặc biệt là ban đêm. 2.1.4. Phóng xạ a. Một số khái niệm Phóng xạ là tính chất của một số nguyên tử phát sinh tia bức xạ rồi biến thành một nguyên tố khác. Ví dụ như coban 60 biến thành nikel 60. 40 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Hiện tượng biến đổi của các hạt nhân không ổn định thành ổn định kèm theo giải phóng năng lượng được gọi là hiện tượng phóng xạ. Quá trình mà nguyên tử không bền giải phóng năng lượng dư của nó gọi là sự phân rã phóng xạ. Hạt nhân nhẹ, với ít Proton và nơtron trở lên ổn định sau một lần phân rã. Khi một hạt nhân nặng như Radi hay Urani phân rã, những hạt nhân mới được tạo ra có thể vẫn không ổn định, mà giai đoạn ổn định cuối cùng chỉ đạt được sau một số lần phân rã. Ví dụ: Urani 238 có 92 proton và 146 nơtron luôn mất đi 2 proton và 2 nơtron khi phân rã. Số lượng proton còn lại sau một lần Urani phân rã là 90, nhưng hạt nhân có số lượng proton 90 lại là Thori, vì vậy Urani 238 sau một lần phân rã sẽ sinh ra Thori 234 cũng không ổn định và sẽ trở thành Protatini sau một lần phân rã nữa. Hạt nhân ổn định cuối cùng chỉ được sinh ra sau lần phân rã thứ 14. Phóng xạ là một hiện tượng thuần tuý hạt nhân. Hạt nhân nguyên tử hoàn toàn không thể đụng tới được. Không gì có thể ảnh hưởng đến hiện tượng phân giải hạt nhân hoặc làm thay đổi tính chất; người ta có thể đốt cháy, nghiền nát, tác động về mặt hoá học đến một nguồn phóng xạ, nhưng những cái đó không ảnh hưởng gì đến hạt nhân không ổn định mang tính chất phóng xạ đó được. Một nguồn phóng xạ không thể bị phá huỷ, ngoài việc tự nó phân giải, tự phá huỷ. Đến nay, đã có nhiều công trình nghiên cứu về phóng xạ. Becquerel, Pierre và Marie Curie đã phát hiện ra Radi tự nhiên còn Irene và Fédéric Joliot Curie phát minh ra Radi nhân tạo. Tia phóng xạ là gì? Các chất phóng xạ phát ra các tia bức xạ. Các tia bức xạ có khả năng đâm xuyên qua vật chất và gây hiện tượng ion hoá. Do đó, ta còn gọi các tia phóng xạ là bức xạ ion hoá. Bức xạ là năng lượng dư thừa của hạt nhân nguyên tử được giải phóng ra dưới dạng các sóng điện từ và các dòng phân tử Có hai loại bức xạ ion hoá : - Các tia bức xạ hạt (α, β, nơtron). - Các tia bức xạ điện tử (tia X và tia γ ). Tia alpha (α ) Đối với một nguyên tử nặng, hạt nhân không ổn định và giải phóng ra một lúc 2 proton và 2 nơtron, dưới dạng hạt nhân hêli. Như vậy, hạt alpha là hạt nhân của nguyên tử hêli thoát ra từ một hạt nhân nguyên tử nặng trong quá trình biến đổi hạt nhân. Ví dụ Radi biến thành Radon và phát ra các hạt alpha: 226Ra88 → 222Rn86 + 4He2 Hạt alpha mang điện dương và có tác dụng ion hoá rất mạnh (30.000 cặp ion trong 1 cm không khí mà tia đi qua), nhưng rất ít đâm xuyên. Tia bêta (β) Tia bêta gặp ở trường hợp hạt nhân không ổn định và tuy không quá nặng nhưng lại có nhiều proton hay nơtron. Khi có nhiều nơtron, sự biến đổi nơtron thành protron phát sinh một điện tử (-), tốc độ cao, hạt β. Khi có nhiều protron, sự biến đổi ngược lại và phát sinh một điện tử (+) hay một positron hoặc hạt β (+). Như vậy, tia β là chùm điện tử, phát sinh ra từ hạt nhân nguyên tử, có kèm theo hiện tượng hạt nhân trung hoà (nơtron) biến thành hạt mang điện (protron) hoặc ngược lại, và có tia β (-) (khi P32 biến thành S32 ) và tia β (+) (khi Na22 biến thành Ne22). Trong y học và công nghiệp, những người sử dụng các nguyên tố phóng xạ hay phải tiếp xúc với các loại tia này. 41 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Nói chung, năng lượng của các hạt β kém các hạt α, khả năng ion hoá cũng thấp hơn nhiều (150 cặp ion qua 1 cm không khí ). Nhưng tia β có khả năng đâm xuyên mạnh hơn. Nơtron Nơtron là những hạt không mang điện của hạt nhân nguyên tử, được giải phóng trong quá trình phá vỡ hạt nhân nguyên tử nặng uran (lò phản ứng nguyên tử). Nơtron chỉ bị giữ lại khi va chạm vào các hạt nhân khác, do đó, nó có khả năng đâm xuyên rất lớn, các nguyên tố có hạt nhân bị va chạm trở thành có tính phóng xạ. Tuy nhiên, những “nơtron nhanh” trên đây đi chậm lại trong nước hay parafin và biến thành “nơtron nhiệt” dễ bị các vật liệu đặc biệt như bore và cadimi hấp thụ. Bêtông cũng rất hay được dùng để ngăn nơtron ở xung quanh các lò phản ứng nguyên tử. Tia gamma (γ) Một số hạt nhân, sau khi phóng tia α, β+ hay β-, sẽ có quá nhiều năng lượng và ở trạng thái kích thích. Sự trở lại trạng thái ổn định sẽ phát ra photon gamma. Như vậy, tia gamma là chùm hạt photon phóng ra từ hạt nhân nguyên tử. Các tia γ không bị lệch hướng bởi từ trường, khả năng ion hoá rất kém: chỉ sinh vài cặp ion khi đi qua một centimet không khí. Trái lại, khả năng đâm xuyên lại rất mạnh so với các tia α và β. Phải dùng những tấm chỉ dày hàng centimet mới làm giảm được rõ rệt số tia đi qua. Không bao giờ tia gamma bị hấp thụ hoàn toàn hoặc bị chặn hẳn lại. Bản chất tia gamma là điện tử; như ánh sáng, tia X, tốc độ của tia gamma là 300.000 km/giây. Tia X Giống như tia gamma, tia X cũng là bức xạ điện tử nhưng có bước sóng dài hơn. Các tính chất của tia X cũng tương tự tia gamma. Sự đổi chỗ của các điện tử từ quỹ đạo này sang quỹ đạo khác phát ra tia X. Trong các bóng X quang, tia X phát ra một luồng điện tử động năng lớn đập vào đối âm cực. Đơn vị đo lường bức xạ + Đơn vị hoạt độ phóng xạ (Becquerel) Hoạt độ phóng xạ chỉ khả năng phát ra bức xạ của một chất. Hoạt độ không có nghĩa là cường độ của bức xạ được phát ra hay những rủi ro có thể xảy ra đối với sức khoẻ con người. Nó được quy định bằng đơn vị hoạt độ Becquerel (Bq), phỏng theo tên một nhà vật lý người Pháp, Henri Becquerel. Hoạt độ phóng xạ của một tập hợp các hạt nhân phóng xạ được tính bởi số các phân rã trong nó trong một đơn vị thời gian. Nếu số lượng phân rã là 1/1 giây thì hoạt độ của chất đó được tính là 1 Bq. Hoạt độ không liên quan gì đến kích thước hay khối lượng của một chất. Một nguồn phóng xạ có độ lớn bằng điếu thuốc lá dùng trong một dụng cụ quan trắc phóng xạ có thể có hoạt độ lớn hơn hoạt độ cả thùng lớn chất thải phóng xạ hàng tỷ lần. Nếu số lượng phân rã xảy ra ở một lượng nhỏ của một chất là 1000/1 giây, hoạt độ của chất đó lớn hơn 100 lần so với một số lượng lớn chất chỉ có 10 phân rã xảy ra trong 1 giây. + Chu kỳ bán phân rã Tốc độ phân rã được mô tả bằng chu kỳ bán phân rã, đó là thời gian mà ½ số hạt nhân không bền của một chất nào đó phân rã. Chu kỳ bán phân rã là đơn nhất không thay đổi cho từng hạt nhân phóng xạ và có thể là từ một phần giây đến hàng tỷ năm. Chu kỳ bán rã của Sulfua - 38 là 2 giờ 52 phút, của Radi - 223 là 11,43 ngày, và Cacbon - 14 là 5.730 năm. Trong các chu kỳ bán rã liên tiếp, hoạt độ chất phóng xạ giảm bởi phân rã từ 1/2, 1/4, 1/8, 1/16… so với hoạt độ ban đầu. Điều đó cho phép tính hoạt độ còn lại của bất cứ chất nào tại một thời điểm bất kỳ trong tương lai. 42 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Bức xạ có khắp nơi trong môi trường. Hầu hết các chất phóng xạ có đời sống dài đều sinh ra trước khi có Trái đất, vì vậy một lượng chất phóng xạ luôn tồn tại là điều bình thường không thể tránh khỏi. Trong thế kỷ vừa qua, lượng phóng xạ đó tăng lên không ngừng do các hoạt động như thử vũ khí hạt nhân và phát điện hạt nhân. Mức độ phóng xạ phụ thuộc vào nhiều yếu tố: địa điểm, thành phần của đất, vật liệu xây dựng, mùa, vĩ độ, và mức độ nào đấy nữa là điều kiện thời tiết: mưa, tuyết, áp suất cao, thấp, hướng gió… tất cả đều ảnh hưởng đến bức xạ. Bức xạ được xem là tự nhiên hay nhân tạo là do nguồn gốc sinh ra của nó. b. Nguồn gốc bức xạ (1) Bức xạ tự nhiên Bức xạ tự nhiên là những bức xạ vũ trụ đến từ không gian. Chúng hầu hết bị cản lại bởi khí quyển bao quanh Trái đất, chỉ một phần nhỏ tới được Trái đất. Còn các chất phóng xạ tự nhiên thường tồn tại trong lòng đất dưới dạng hóa thạch và hầu như không làm ai bị chiếu xạ; mặc dù quá trình phân rã phóng xạ vẫn có thể âm ỉ diễn ra; khi các hóa thạch này bị đốt cháy, các chất phóng xạ được thải vào khí quyển rồi sau đó khuếch tán vào môi trường, làm tăng dần chất phóng xạ. Trong các bức xạ tự nhiên, nguyên nhân chung nhất của sự tăng phóng xạ là Radon, một chất khí sinh ra khi Radi kim loại phân rã. Các chất phóng xạ khác được tạo thành trong quá trình phân rã tồn tại tại chỗ trong lòng đất, nhưng Radon thì bay lên khỏi mặt đất. Loại trừ khí Radon, hầu hết các bức xạ tự nhiên không có hại đối với sức khoẻ con người. (2) Bức xạ nhân tạo Những hoạt động của con người cũng tạo ra các chất phóng xạ thải vào khí quyển phần lớn do các vụ thử vũ khí hạt nhân và phần nhỏ hơn nhiều là các nhà máy điện hạt nhân. Những giới hạn phát thải được phép đối với nhà máy điện hạt nhân bảo đảm chúng không gây tác hại gì. Hầu hết các chất phóng xạ sinh ra từ phân hạch hạt nhân nằm trong chất thải phóng xạ và được lưu giữ cách biệt với môi trường. c. Lợi ích và tác hại của phóng xạ (1) Ứng dụng chất phóng xạ trong cuộc sống Sản phẩm tiêu dùng Một số sản phẩm tiêu dùng cũng có chứa chất phóng xạ. Các ngôi nhà thường được trang bị các thiết bị phát hiện khói có chứa nguồn phóng xạ alpha nhỏ, sơn dạ quang đồng hồ và các dụng cụ cũng có chất phóng xạ tác động vào chất phôtpho làm nó sáng lên. Công nghiệp Nhiều người phải tiếp xúc hàng ngày với các vật liệu phóng xạ trong rất nhiều ngành công nghiệp. Con mắt bức xạ nhìn được mọi thứ được sử dụng trong nhiều trường hợp khác nhau, thường để bảo đảm an toàn cho con người. Tia X được dùng để soi hành lý tại các sân bay, kiểm tra các khuyết tật mối hàn và các vết hàn hoặc các vết nứt có trong công trình xây dựng, các đường ống và các cấu trúc khác. Trong quá trình kiểm tra, nó có thể giúp theo dõi những bất thường trong độ dày sản phẩm giấy, của nhựa phim và các lá kim loại. Bức xạ được dùng đo mức độ chất lỏng trong các bồn chứa lớn. Nông nghiệp Bức xạ đã được sử dụng thành công trong việc phát triển 1500 giống cây lương thực và cây trồng khác cho sản lượng cao hơn, chống chịu tốt hơn với điều kiện thiên nhiên và sâu bệnh. 43 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Bức xạ được dùng để kiểm soát ruồi Tsetse ở Zambia, ruồi hại hoa quả ở Mexico và sâu cuốn lá ở Nam Mỹ và Bắc Phi. Trong kỹ thuật vô sinh côn trùng, côn trùng đực được đem chiếu xạ làm cho chúng bị mất khả năng sinh sản trước khi thả chung với côn trùng cái, thế hệ sau sẽ không được sinh ra. Không giống các hoá chất diệt côn trùng, biện pháp này không gây ô nhiễm và có mức tác dụng chọn lọc cao. Y học Sử dụng bức xạ để chẩn đoán bệnh trong chụp X quang, trong điều trị bệnh như xạ trị...Khi tia X vào cơ thể, nó tạo một hình ảnh có những vùng tối hơn và có những vùng sáng hơn, cho phép chụp các cơ quan nội tạng để chẩn đoán bệnh. Xương được tạo hình ảnh rất rõ trên phim nhưng kiểm tra ruột hoặc sụn, bệnh nhân thường được tiêm, uống hoặc đưa vào cơ thể một chất tương phản, chất đó sẽ đọng lại ở nơi sẽ chụp và do tính dễ hấp thu bức xạ đó sẽ cho hình ảnh rất rõ về bộ phận được chụp trên phim X quang. Khi cần nguồn năng lượng lớn hơn X quang như trong xạ trị, thì người ta dùng thiết bị Telecobalt, hay gần đây hơn là dùng máy gia tốc tuyến tính. Máy gia tốc tuyến tính truyền chùm electron năng lượng cao vào sâu trong khối tế bào cần điều trị như các khối u. Vì chùm tia electron rất dễ căn chuẩn, nó chiếu thẳng vào các khối u và phá huỷ khối u trong thời gian vài tuần mà không gây tổn hại nhiều cho tế bào xung quanh hoặc cho da. Các tế bào xung quanh nếu bị ảnh hưởng sẽ có thời gian hồi phục giữa các đợt điều trị. Khi cần thiết, máy gia tốc tuyến tính có thể chụp ảnh các cơ quan nội tạng với hình ảnh rõ hơn nhiều so với chụp X quang. Một hình thức khác nữa của xạ trị là điều trị hocmôn tuyến giáp và một số dạng u giáp trạng. Bệnh nhân được uống một dung dịch có chứa iôt 131, chất này đi vào tuyến giáp và tạo ra nội xạ trị. Trong trường hợp đặc biệt, một nguồn xạ nhỏ liên tục được đưa vào trong cơ thể bên cạnh vùng cần điều trị để thực hiện vùng điều trị ngắn tại chỗ. Chiếu xạ khử trùng và bảo quản thực phẩm Nguồn phóng xạ rất mạnh có thể được sử dụng để khử trùng các dụng cụ như dụng cụ phẫu thuật, găng tay, những dụng cụ không thể khử trùng bằng nhiệt độ cao. Một số loại thuốc cũng được khử trùng bằng chiếu xạ; thực phẩm cũng có thể chiếu xạ để bảo quản được lâu hơn. Hiện nay khoảng 20% thực phẩm bị hỏng trước khi đến được với người tiêu dùng trong khi thực phẩm chiếu xạ có thể bảo quản nhiều tháng. Chiếu xạ thực phẩm cũng loại trừ được các ký sinh trùng và khuẩn có hại. Thực phẩm đó được chiếu xạ không mang tính phóng xạ và không nguy hại đối với người tiêu dùng. (2) Tác hại của bức xạ Bức xạ sinh ra dưới nhiều hình thức. Đối với sức khỏe con người, các dạng quan trọng nhất là các dạng có thể xuyên qua vật chất và làm cho nó bị ion hóa. Nếu bức xạ ion hóa thấm vào các mô sống, các ion được tạo ra đôi khi ảnh hưởng đến quá trình sinh học bình thường. Tiếp xúc với bất kỳ loại nào trong số các loại bức xạ α, β, γ, tia X và nơtron, đều có thể ảnh hưởng tới sức khoẻ. Tác hại của bức xạ đối với con người Bức xạ là một trong những tác nhân có liên quan tới bệnh tật, gây ra sự tổn thương bức xạ ở mức phân tử, tế bào và hệ thống cơ quan của con người. * Cơ chế trực tiếp: bức xạ trực tiếp gây ion hóa các phân tử trong tế bào làm đứt gẫy liên kết trong các gen, các nhiễm sắc thể, làm sai lệch cấu trúc và tổn thương đến chức năng của tế bào. * Cơ chế gián tiếp: Khi phân tử nước trong cơ thể bị ion hóa sẽ tạo ra các gốc tự do, các gốc này có hoạt tính hóa học mạnh sẽ hủy hoại các thành phần hữu cơ như các Enzyme, protein, lipit 44 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường trong tế bào và phân tử ADN, làm tê liệt các chức năng của các tế bào lành khác. Khi số tế bào bị hại, bị chết vượt quá khả năng phục hồi của mô hay cơ quan thì chức năng của mô hay cơ quan sẽ bị rối loạn hoặc tê liệt, gây ảnh hưởng đến sức khỏe. - Các hiệu ứng cấp do bức xạ gây ra: Khi toàn thân nhận một liều cao trong một thời gian ngắn sẽ làm ảnh hưởng đến hệ mạch máu, hệ tiêu hóa, hệ thần kinh trung ương. Các ảnh hưởng trên đều có chung một số triệu chứng như: buồn nôn, ói mửa, mệt mỏi, sốt, thay đổi về máu và những thay đổi khác. Đối với da, liều cao của tia X gây ban đỏ, rụng tóc, bỏng, hoại tử, loét, đối với tuyến sinh dục gây vô sinh tạm thời, đối với mắt gây hư hại giác mạc, kết mạc. - Các hiệu ứng muộn do bức xạ gây ra: ung thư xương, ung thư phổi, ung thư máu, đục thủy tinh thể, giảm thọ, rối loạn di truyền.... Hiệu ứng Sinh hoá của bức xạ. Quá trình ion hoá gây ra những phá huỷ sinh học do phá vỡ trực tiếp các tế bào nhạy cảm hoặc phá huỷ màng tế bào, mặt khác có thể tạo ra các mảnh tế bào có năng lượng cao hơn (các gốc oxy). Các gốc này là tác nhân phá vỡ tế bào. Những biến đổi này được di truyền đến thế hệ sau . Mối quan hệ giữa bức xạ với MT - đặc biệt là đời sống sinh vật- là một vấn đề phức tạp. Các nguồn bức xạ nhân tạo thường được kiểm soát dễ hơn vì tính chất chủ động tại các cơ sở đó, còn các nguồn bức xạ tự nhiên thường khó khiểm soát hơn vì tính chất tồn tại tự nhiên của nó. Vì vậy, cần chú ý đến các bức xạ này nhất là ở điều kiện biến đổi của MT trong nhiều năm qua - đó là bức xạ từ khí quyển, đại dương và lòng đất Hầu như mọi người đều phải chịu ảnh hưởng của bức xạ ion hoá tự nhiên từ hạt nhân phóng xạ Radon, một chất khí có tính phóng xạ tự nhiên được sinh ra khi Radi-226 phân rã. Chính Radon phân rã thành dạng chất có đời sống ngắn và tồn tại lơ lửng trong không khí. Nếu Radon bị hít vào cơ thể, các phân tử của nó sẽ đi vào phổi và tạo ra liều chiếu trong. e. Quản lý và sử dụng bức xạ Ứng dụng bức xạ mang lại hiệu quả thiết thực trong nhiều lĩnh vực kinh tế xã hội nhưng cũng ảnh hưởng đến sức khỏe và môi trường nếu không chấp hành đúng quy định về an toàn bức xạ. Để đảm bảo an toàn và kiểm soát bức xạ cần phải tăng cường hiệu lực cơ quan quản lý nhà nước về an toàn bức xạ và phổ biến rộng rãi các kiến thức về bức xạ trong đời sống xã hội hiện nay. Đối với các hoạt động có liên quan đến bức xạ cần tuân thủ Pháp lệnh An toàn và Kiểm soát Bức xạ ngày 25-6-1996 về những quy định chung, nguyên tắc cơ bản bảo đảm an toàn bức xạ, trách nhiệm giải quyết sự cố bức xạ, khai báo, cấp giấy đăng ký, giấy phép, quản lý nhà nước về an toàn và kiểm soát bức xạ, thanh tra chuyên ngành về an toàn và kiểm soát bức xạ, khen thưởng và xử lý vi phạm và một số văn bản có liên quan đến an toàn và kiểm soát bức xạ như: - Nghị định số 50/1998/NĐ-CP, ngày 16-7-1998 Nghị định của Chính phủ Quy định chi tiết việc thi hành Pháp lệnh An toàn và Kiểm soát Bức xạ - Nghị định 19/2001/NĐ-CP, ngày 11-5-2001 Nghị định của Chính phủ về xử phạt vi phạm hành chính trong lĩnh vực an toàn và kiểm soát bức xạ - Thông tư liên tịch số 2237/1999/TTLT/BKHCNMT-BYT, ngày 28-12-1999 của Bộ Khoa học, Công nghệ và Môi trường - Bộ Y tế hướng dẫn việc thực hiện an toàn bức xạ trong y tế. - Tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN) 6561:1999 Tiêu chuẩn an toàn bức xạ ion hóa tại các cơ sở X- quang y tế. 45 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường 2.1.5. Nhiệt a. Các nguồn ô nhiễm nhiệt Mọi hoạt động của con người trên trái đất đều sinh ra nhiệt, nhưng nguồn gây ô nhiễm nhiệt chủ yếu là: + Quá trình đốt nhiên liệu như than đá, dầu mỏ, khí đốt….trong sản xuất công nghiệp, đặc biệt là các ngành công nghiệp nặng như các nhà máy nhiệt điện, luyện kim, sản xuất chế tạo vật liệu xây dựng… Nhiệt lượng sản sinh từ quá trình sản xuất có thể trực tiếp phát tán vào không khí hoặc gián tiếp thông qua nước làm nguội hay không khí làm nguội thiết bị. Các nhà máy nhiệt điện, điện nguyên tử và các nhà máy tương tự khác thường sử dụng phương pháp làm nguội thiết bị bằng nước, đây là phương pháp truyền thống và có tính phổ biến để khử lượng nhiệt thừa của nhà máy. Nước làm mát được bơm từ sông hồ hay từ ngoài biển, hay từ giếng khoan, nước chảy vào các máy ngưng tụ để trao đổi nhiệt, ở đó, nhiệt độ từ các thiết bị, tuabin, ống khói…sẽ được nước mang đi, nước mát thu nhiệt sẽ trở thành nước nóng và chảy lại về nguồn. Lượng nước dùng để thu nhiệt làm nguội thiết bị thường rất lớn. Ví dụ đối với nhà máy nhiệt điện cần 150 lít nước cho mỗi kWh, đối với nhà máy nhiệt điện nguyên tử và máy phát điện có hiệu suất kém hơn, nhiệt thừa nhiều hơn, nên nước làm nguội máy cần tới 200 lít cho mỗi kWh. Nhà máy nhiệt điện Hiệp Phước, tp HCM với công suất 675MW, mỗi ngày cần tiêu thụ gần 1,5 triệu m 3 nước làm mát. Ở những nơi không đủ nước để làm nguội thiết bị, hoặc do công nghệ sản xuất không cho phép thì người ta dùng phương pháp khác để thải nhiệt thừa, như phương pháp khô, dùng không khí làm mát và thải nhiệt trực tiếp vào không khí. + Sản xuất càng phát triển, dân số càng đông thì tiêu hao nhiên liệu càng lớn và do đó nhiệt lượng thải ra môi trường càng nhiều. Nhiệt lượng do hoạt động của con người sinh ra ngày càng tăng, cùng với môi trường không khí càng ngày bị ô nhiễm dẫn đến khả năng hấp thụ nhiệt bức xạ mặt trời của khí quyển càng tăng dẫn đến hiệu ứng nhà kính, nhiệt độ trung bình của trái đất tăng lên, đó là nguy cơ khủng khiếp đối với mọi sinh vật trên Trái Đất. b. Tác hại của ô nhiễm nhiệt + Ô nhiễm nhiệt sẽ gây ra rất nhiều biến đổi đối với sinh vật dưới nước. Nhiệt độ của nước tăng lên tới 30-350C sẽ nguy hiểm đối với nhiều loài sinh vật dưới nước. Nhiều loại cá có nhiệt độ thích nghi để sinh sản tốt là 100C. + Nhiệt độ tăng lên sẽ làm tăng các phản ứng hoá học và làm suy giảm chất hữu cơ trong nước, giảm độ oxy hoà tan, tỷ lệ các muối hoà tan trong nước sẽ tăng lên. Tác động của các độc tố trong không khí cũng như trong nước đối với cơ thể người và sinh vật đều mạnh lên khi nhiệt độ môi trường tăng lên, thậm chí có khi còn gây tử vong, tuỳ theo loại sinh vật khác nhau mà trị số nhiệt độ gây tử vong có khác nhau, ví dụ như cá hồi đỏ sẽ chết ở nhiệt độ 40 0C, còn cá Pessa mồm rộng thì chết ở nhiệt độ 440C. + Tốc độ biến đổi nhiệt độ nhanh sẽ gây ra sốc về nhiệt độ đối với cơ thể sống, thậm chí dẫn đến tử vong giống như ta đang ở ngoài trời nóng đột ngột bước vào phòng lạnh. Khi nhiệt độ nước đột ngột tăng lên 10-170C thì cá gai sẽ chết trong vòng 35 giây và cá hồi sẽ chết trong vòng 10 giây. + Nhiệt độ có tầm quan trọng sống còn đối với mọi hoạt động sống của cơ thể sinh vật như: quay vòng sinh sản, tốc độ tiêu hoá, tốc độ hô hấp và rất nhiều hoạt động hoá sinh mang lại tác dụng trên cơ thể sinh vật. Nói chung nhiệt độ cao làm tăng tốc độ phản ứng hoá học, tăng quá trình sinh lý, quá trình trao đổi chất và động vật cần ăn thức ăn nhiều hơn. Cá sẽ mau lớn nhất ở nhiệt độ 150C khi mà thức ăn được cung cấp đầy đủ và nhiệt độ 5 0C thì thức ăn có thể cần ít hơn. Nhiệt độ 46 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường cao có thể rút ngắn tuổi đời của cá. Nước bị ô nhiễm nhiệt sẽ làm cho các loài tảo phát triển nhanh, ví dụ như tảo cát sẽ phát triển tốt nhất ở nhiệt độ 18-20 0C, tảo xanh ở nhiệt độ 30-350C, tảo xanh da trời ở nhiệt độ 35-400C, tảo phát triển sẽ gây tác hại đối với sinh vật dưới nước. + Ô nhiễm nhiệt trong không khí cũng như trong môi trường nước đều tạo điều kiện cho vi trùng, vi khuẩn gây bệnh phát triển nhanh. c. Phòng ngừa ô nhiễm nhiệt Có thể làm giảm ô nhiễm nhiệt bằng việc sử dụng các hồ làm mát nhân tạo, tháp làm mát, nhưng quan trọng hơn là tìm cách cải thiện hệ số hiệu quả của các nhà máy nhiệt điện, các thiết bị điện, thiết bị nhiệt để giảm bớt nhiệt lượng thải ra môi trường. + Hồ làm mát: Những diện tích mặt nước do con người tạo ra được sử dụng là một khả năng làm dịu ô nhiễm nhiệt. Các dòng nhiệt được đưa vào đáy hồ, tạo ra các dòng nước đối lưu và bốc hơi tự làm mát. Một nhà máy nhiệt điện công suất 1000MW sẽ cần diện tích bề mặt nước khoảng 400-800 ha, mặc dù vậy diện tích yêu cầu có thể giảm đi lớn (có thể giảm tới 40 ha) nếu luồng nhiệt được phun trên bề mặt hồ ở độ cao khoảng trên 2 m, nhiệt có thể thoát bằng bốc hơi. + Tháp làm mát: Tháp làm mát có thể vận chuyển nhiệt từ nước vào không khí, bằng phương thức nước bốc hơi. Tháp làm mát bằng bốc hơi có hai kiểu chính sau: Tháp làm mát tự nhiên Tháp làm mát nhân tạo + Cải thiện nhà máy nhiệt điện Ô nhiễm nhiệt có thể làm giảm bằng cách chuyển nhiệt thành điện. Hệ số hiệu quả sử dụng nhiệt trong lò phản ứng có thể đạt tới 96% nếu như hoàn thiện thiết bị của nhà máy nhiệt điện. Muốn có hiệu suất cao thì trước tiên phải lựa chọn lò phản ứng, trong đó phần lớn năng lượng đều được chuyển qua trường điện từ để phát điện. Phương pháp khác để giảm ô nhiễm nhiệt là sử dụng các lượng nhiệt thải công nghiệp và mục đích có ích, như tạo ra nước nóng cấp cho nhân dân dùng, cung cấp nhiệt sưởi ấm mùa đông, cung cấp nhiệt cho các bể bơi, cho ao hồ nuôi cá trong mùa đông…Biện pháp này vừa có tác dụng làm giảm nhiệt dư thừa thải ra môi trường, vừa có tác dụng giảm bớt lượng điện, than, hay dầu khí sử dụng phục vụ sinh hoạt. + Phát triển trồng cây xanh Cây xanh vừa có tác dụng hút bụi, giảm bớt tiếng ồn mà còn chống lại ô nhiễm nhiệt. Ban ngày, trong quá trình quang hợp, cây xanh sẽ hấp thụ CO 2, hấp thụ nhiệt và thải O 2 và góp phần cải thiện điều kiện vi khí hậu. 2.2. Lan truyền ô nhiễm trong môi trường không khí Lan truyền ô nhiễm là quá trình các chất ô nhiễm di chuyển từ vị trí nguồn gây ô nhiễm ra xung quanh. Nó có thể là sự di chuyển theo 1 phương, cũng có thể là quá trình lan tỏa xung quanh nguồn. Quá trình lan truyền có thể là lan truyền chủ động hoặc lan truyền bị động. Lan truyền chủ động: chủ yếu dựa trên sự chênh lệch về nồng độ chất ô nhiễm Lan truyền bị động: xảy ra do các yếu tố bên ngoài tác động, động lực chủ yếu là gió. 47 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường 2.2.1. Các yếu tố ảnh hưởng đến lan truyền chất ô nhiễm a. Đặc điểm nguồn thải + Dạng nguồn: chủ yếu xem xét đến ảnh hưởng của hình thái nguồn, nguồn điểm, nguồn đường, nguồn mặt sẽ có sự phát tán chất ô nhiễm khác nhau. Với các nguồn ô nhiễm dạng ống khói, người ta còn quan tâm đến chiều cao nguồn, đường kính đỉnh của nguồn vì nó liên quan đến vận tốc phụt của ống khói (hay vận tốc khí thải trước khi ra khỏi nguồn. - Chiều cao nguồn: là chiều cao tính từ mặt đất đến đỉnh của ống khói. Chiều cao của nguồn ảnh hưởng rất lớn đến quá trình phát tán của chất ô nhiễm. Chiều cao của nguồn càng lớn thì chất ô nhiễm phát tán càng xa và ngược lại. Tuy nhiên, việc nâng chiều cao của nguồn để pha loãng khí thải cũng có giới hạn do chúng còn phụ thuộc vào các yếu tố kinh tế, kỹ thuật khi xây dựng - Đường kính đỉnh của nguồn: là đường kính trong của ống khói. Nếu ống khói có dạng hình côn thì đó là đường kính trong tại đỉnh của ống khói. Thông số này có liên quan đến vận tốc chuyển động của khí thải trước khi ra khỏi ống khói. Đường kính của nguồn càng nhỏ thì vận tốc khí thải càng lớn và quá trình phát tán càng xa. - Vận tốc của khí thải: là vận tốc của khí thải trước khi thoát ra khỏi nguồn. Thông thường đó là vận tốc của khí thải tính theo đường kính đỉnh của nguồn. Vận tốc khí thải càng lớn thì phát tán chất ô nhiễm càng xa và ngược lại. + Đặc tính của chất thải: yếu tố này đề cập đến tính chất vật lý, hóa học của chất ô nhiễm. Các tính chất này cũng ảnh hưởng rất lớn đến quá trình phát tán của chất ô nhiễm trong khí quyển.Ví dụ với chất khí thì thường phát tán xa hơn các hợp chất lỏng, các chất có trọng lượng lớn thì dễ xảy ra quá trình sa lắng hơn các chất có trọng lượng bé. Hỗn hợp khí thải có nồng độ bụi cao và kích thước hạt lớn thì hạt bụi sau khi ra khỏi ống khói sẽ bị sa lắng rất nhanh, kết quả là chúng rơi gần ống khói hơn là các chất khí. + Nồng độ chất thải: Nồng độ chất ô nhiễm càng cao, quá trình phát tán càng nhanh, lượng chất ô nhiễm phát tán ra môi trường xung quanh càng nhiều. + Nhiệt độ của khí thải là nhiệt độ của khí thải trong ống khói trước khi thải ra khí quyển. Nhiệt độ của khí thải càng cao dẫn đến độ chênh lệch nhiệt độ giữa khí thải và không khí bên ngoài càng lớn thúc đẩy quá trình phát tán càng xa hơn. b. Các yếu tố môi trường (1) Các yếu tố khí tượng Các yếu tố khí tượng ảnh hưởng đến quá trình lan truyền chất ô nhiễm là gió, nhiệt độ, độ ẩm, mưa, bão, ....Trong đó, hai yếu tố khí tượng quan trọng nhất ảnh hưởng đến sự phân bố các chất ô nhiễm là gió và nhiệt độ không khí vì nó ảnh hưởng trực tiếp đến mức độ ổn định của khí quyển, độ cao xáo trộn cực đại và hình dạng vệt khói lan truyền. *) Ảnh hưởng của gió Gió được hình thành do chuyển động ngang của các khối không khí - đây là yếu tố khí tượng cơ bản nhất có ảnh hưởng tới sự lan truyền chất ô nhiễm. Gió không phải là dòng chảy ổn định, hướng và vận tốc của nó luôn thay đổi. - Ảnh hưởng của hướng gió: Các chất ô nhiễm phát sinh từ nguồn ra ngoài môi trường sẽ lan truyền xuôi theo hướng gió. Tuy nhiên, hướng gió không phải cố định, nó thay đổi theo từng vùng với những dạng địa hình khác nhau (hướng gió thường mang tính địa phương). Ở nước ta vào mùa hè thường có hướng gió chủ đạo là Đông Nam ở Bắc Bộ và Tây Nam ở Nam Bộ, và mùa đông 48 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường thường có gió mùa Đông Bắc ở cả 2 miền. Các khu vực ven biển thường có gió biển, vùng đồi núi thường có gió núi, gió thung lũng, hay như khu vực Trung bộ của nước ta mùa hè thường có gió Tây Nam khô và nóng .... Nắm bắt được hướng gió chủ đạo có ý nghĩa rất quan trọng trong quy hoạch và xây dựng các khu công nghiệp hay khu dân cư của mỗi vùng. - Ảnh hưởng của vận tốc gió: Vận tốc gió là tốc độ chuyển động của không khí trong khí quyển do sự chênh lệch áp suất của không khí giữa các vùng với nhau. Tốc độ gió được đo bằng đơn vị m/s, km/h, hải lý/h. (1m/s = 1,9424 hải lý/h = 3,6 km/h) Ngoài ra, người ta còn dùng cấp gió để chỉ tốc độ gió. Theo thang Bofort do Tổ chức khí tượng thế giới (WMO) thông qua, vận tốc gió được chia thành 12 cấp. (bảng 1.7) Đối với quá trình khuếch tán chất ô nhiễm trong khí quyển thì lặng gió và gió cấp 1 có khả năng gây nguy hiểm về môi trường cho bản thân các nhà máy, khu công nghiệp ngay tại nơi phát thải chất ô nhiễm. Gió cấp 2, 3 có thể gây ô nhiễm cho khu vực dân cư nằm tiếp giáp với nhà máy hoặc khu công nghiệp nếu không có dải cách ly. Các cấp gió cao hơn có tác dụng khuếch tán nhanh chóng chất ô nhiễm ra phạm vi rộng và xa làm cho nồng độ chất ô nhiễm trên mặt đất giảm đi nhanh. Bảng 1.7 : Các cấp gió theo thang Bofort Tốc độ Đặc trưng gió Cấp m/s Km/h Lặng gió 0 0 – 0,5 0-1 Gió rất nhẹ 1 0,6 – 1,7 2-6 Gió nhẹ 2 1,8 – 3,3 7-12 Gió yếu 3 3,4 – 5,2 13-18 Gió vừa 4 5,3 – 7,4 19-26 Gió mạnh vừa 5 7,5 – 9,8 27-35 Gió mạnh 6 9,9 – 12,4 36-44 Gió to 7 12,5 -15,2 45-54 Gió rất to 8 15,3 – 18,2 55-65 Bão 9 18,3 – 21,5 66-77 Bão mạnh 10 21,6 – 25,1 78-90 Bão to 11 25,2 – 29,0 91-104 49 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Bão rất to (Tố) 12 >29,0 >104 (Nguồn: Cơ sở khoa học môi trường không khí,) Tốc độ gió trên thông thường sẽ khác so với tốc độ gió ở khu vực dân cư, và sát mặt đất do có nhà cửa công trình nên hướng gió cũng như tốc độ gió bị biến dạng so với hướng và vận tốc ban đầu. Khi nghiên cứu sâu vào việc tính toán vận tốc gió tại các khu vực sát mặt đất người ta sẽ sử dụng các công thức để tính toán với yếu tố vật cản. Sự thay đổi vận tốc gió theo chiều cao Bất kỳ một chất lỏng nào chuyển động trong đường ống mương dẫn cũng đều chịu tác động của lự ma sát do thành ống, thành mương dẫn gây ra đối với dòng chảy. Chuyển động của không khí trên mặt đất cũng chịu tác động tương tự như vậy của mặt dất: độ nhám, độ gồ ghề của mặt đất làm cho vận tốc gió ở sát mặt đát có thể xem như bằng không và càng lên cao vận tốc gió càng lớn dần, lúc đầu tăng nhanh về sau tăng chậm. Quy luật thay đổi chiều cao của vận tốc gió được thể hiện bằng biểu thức: (1.6) Với: Trong đó: uz vận tốc gió tìm được ở độ cao z , m/s uz1 vận tốc gió đã biết ở độ cao z1 z0 độ cao tính bẳng m mà ở đó vận tốc gió được tính bằng 0 z và z1 lần lượt là độ cáo cần tính vận tốc và độ cao có vận tốc đã biết, m Ngoài quy luật biến đổi của vận tốc gió theo chiều cao theo hàm số logarit nêu trên, bằng nghiệm Sutton cũng đưa ra quy luật biến đổi của gió theo hàm số mũ như sau: (1.7) Trong đó: Khi nhiệt độ giảm mạnh theo chiều cao, tức khí quyển không n=0,11 ổn định a= 0,2 Độ giảm nhiệt độ nhỏ hoặc bằng không (điều kiện khí quyển trung tính) a= 0,25 n = 0,14 Khi có nghịch nhiệt vừa (khí quyển ổn định) a= 0,33 n = 0,2 Khi có nghịch nhiệt mạnh (khí quyển rất ổn định) a = 0,5 n = 0,33 Ngoài ra theo kết quả nghiên cứu của Irwin J.S (1979), vận tốc gió thay đổi theo chiều cao theo quy luật hàm số mũ phụ thuộc vào độ gồ ghề của mặt đất z 0 và các cấp ổn định của khí quyển theo thang Pasquill – Gifford. Công thức có dạng: (1.8) Trong đó: u1, u2 – tốc độ gió ở hai điểm có độ cao khác nhau (điểm 1 cao hơn điểm 2, u2 vận tốc gió ở độ cao 10m – độ cao trụ gió của các trạm quan trắc khí tượng) z1, z2 – độ cao ở hai điểm 1 và 2; (z2 = 10 m) n- hệ số không thứ nguyên phụ thuộc vào tính ổn định của khí quyển và địa hình nơi xét. 50 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Khí quyển càng ổn định thì tốc độ gió càng tăng nhanh theo chiều cao, tức là hệ số n càng lớn. Địa hình địa phương cũng có ảnh hưởng đến hệ số n. Cục bảo vệ môi trường Mỹ EPA đưa ra các giá trị n đối với mặt đất gồ ghề ở bảng 1.8 Đối với mặt đất bằng phẳng hay trên mặt nước thì các giá trị của n cho ở bảng 1.8 cần nhân với hệ số hiệu chỉnh là 0,6. Phân loại tính ổn định của khí quyển theo các cấp trạng thái A,B,C,D,E,F Bảng 1.8: Hệ số mũ n của biến thiên tốc độ gió theo chiều cao đối với mặt đất gồ ghề Cấp ổn định của khí quyển Diễn giải Hệ số n A Rất không ổn định 0,15 B Không ổn định điển 0,15 hình C Không ổn định nhẹ 0,2 D Trung tính 0,25 E Ổn định nhẹ 0,4 F Ổn định 0,5 + Tốc độ gió sẽ tăng lên theo sự chênh lệch áp lực khí quyển. Đã có nhiều công trình nghiên cứu mối quan hệ giữa phân bố nồng độ chất ô nhiễm không khí trong thành phố với tốc độ gió, kết quả cho thấy nồng độ chất ô nhiễm đạt cực đại khi gió có tốc độ nhỏ 0 – 1 m/s. Mối quan hệ mật thiết giữa cấp độ ổn định của khí quyển và tốc độ gió còn thể hiện trong bảng 1.9 Bảng 1.9: Phân cấp ổn định của khí quyển (theo Turner, 1970) Tốc độ gió trên mặt đất (m/s) (1) Ban ngày theo nắng chiếu Mạnh (2) Ban đêm theo độ mây (5) Trung bình (3) Yếu (4) Nhiều mây, độ mây ≥4/8 Ít mây, độ mây ≤3/8 6 D D D D D Ghi chú: 1- tốc độ gió ở độ cao 10 m so với mặt đất 2- nắng mùa hè, khi mặt trời có góc cao lớn hơn 60o; 51 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường 3- nắng mùa hè, khi bầu trời có một số mảng mây và trời trong sáng, mặt trời có góc cao 30 - 60 o; 4- đặc trưng là buổi chiều mùa thu hay ngày màu hè có mây, hoặc mùa hè trong sáng, mặt trời có góc cao 15-35o; 5- độ mây được xác định bằng mức mây che phủ bầu trời A,B,C,D,E,F- các cấp ổn định của khí quyển; cấp A-B hay C-D là trung bình của hai cấp trên. *) Ảnh hưởng của nhiệt độ: Trong khí quyển, người ta xem rằng mọi quá trình dãn nở hoặc nén ép đều xảy ra theo tính chất đoạn nhiệt (adiabatic) bởi vì sự trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh diễn ra với cường độ không đủ lớn để dẫn tới sự cân bằng nhiệt độ, nói cách khác là sự trao đổi nhiệt với môi trường xung quanh có thể bỏ qua. Khi một khối không khí bổ sung bốc lên cao trong khí quyển theo phương thẳng đứng nó sẽ chịu tác động của một lực áp suất mỗi lúc một giảm nhỏ, nó sẽ giảm nở và nhiệt độ của nó hạ thấp. Ngược lại mỗi khi khối không khí đó hạ dần độ cao thì nó bị nén ép, áp suất tăng và kéo theo nhiệt độ cũng tăng cao. Có hai hiện tượng thay đổi nhiệt độ không khí theo chiều cao: Một là, sự thay đổi nhiệt độ theo chiều cao của không khí trong điều kiện dãn nở hoặc nén ép đoạn nhiệt, áp dụng cho trường hợp một khối không khí dưới tác dụng của một ngoại lực như gió, chim bay hoặc một xáo trộn nào đó làm cho nó đột nhiên bốc lên cao hoặc hạ xuống thấp theo phương thẳng đứng. Tùy thuộc theo trạng thái không khí là khô hay ẩm, hay bão hòa hơi nước mà ta có gradien nhiệt độ đoạn nhiệt khô Γ hoặc đoạn nhiệt bão hòa Γ ’. Giá trị Γ = 1oK/ 100m, nghĩa là cứ lên cao 100m thì nhiệt độ giảm đi 1 oK trong điều kiện không khí khô, và Γ ’ thường dao động từ 0,3 – 0,9 K/100m trong điều kiện không khí bão hòa. Hai là, sự phân bố nhiệt độ theo chiều cao của không khí trong lớp khí quyển sát mặt đất. Sự phân bố nhiệt độ này thường diễn ra theo quy luật hàm số bậc nhất. T2 = T1 – β (z2 – z1); Hay: dT = - β.dz β = - dT/dz Trong đó: T1, T2 – nhiệt độ ở độ cao z1 ; z2 ; β – gradien nhiệt độ, K/m Tùy theo sự phân bố nhiệt độ thực tế theo chiều cao mà β có thể có những giá trị khác nhau và mỗi quan hệ giữa hai giá trị đoạn nhiệt β và Γ sẽ quyết định độ ổn định của khí quyển. Khi β > Γ : khí quyển không ổn định Khi β = Γ : khí quyển trung tính Khi β < Γ : khí quyển ổn định (kể cả khi β > 0 hoặc β < 0) Trong điều kiện không khí bão hòa hơi nước trạng thái ổn định của khí quyển xác định thông qua mối quan hệ giữa β với Γ’ Trong các ảnh hưởng của yếu tố nhiệt độ đến quá trình khuếch tán chất ô nhiễm, hiện tượng nghịch nhiệt có ảnh hưởng rất lớn đến ô nhiễm môi trường không khí. Nghịch nhiệt đóng vai trò rất quan trọng trong khí hậu học ô nhiễm không khí. Khi có nghịch nhiệt, không khí trở nên rất ổn định và cản trở mọi chuyển động thẳng đứng của từng bộ phận khí. Độ ổn định do nghịch nhiệt gây ra còn làm hạn chế sự trao đổi năng lượng gió của lớp không khí sát mặt đất với gió ở các lớp khí quyển trên cao và do đó, cản trở quá trình khuếch tán các chất ô nhiễm theo cả phương đứng lẫn phương ngang. 52 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Nghịch nhiệt được hình thành do nhiều nguyên nhân khác nhau: - làm lạnh lớp không khí từ bên dưới - làm nóng lớp không khí từ bên trên - chuyển động dòng không khí lạnh bên dưới lớp không khí ấm - chuyển động của dòng không khí ấm bên trên lớp không khí lạnh Trong bốn nguyên nhân trên, nghịch nhiệt theo nguyên nhân thứ nhất là nghịch nhiệt bức xạ, dạng nghịch nhiệt này xuất hiện quanh năm vào nửa đêm và sáng sớm, nhưng về mùa đông có thể kéo dài cả ban ngày khi năng lượng mặt trời không đủ sức phá vỡ lớp nghịch nhiệt. Đặc biệt ở những vùng khí hậu lạnh khi mặt đất có lớp tuyết bao phủ, nghịch nhiệt có thể kéo dài từ 5 – 7 ngày bởi vì tuyết phản xạ rất tốt tia nắng mặt trời đồng thời là vật phát xạ mạnh tia hồng ngoại. Nguyên nhân thứ hai thường xuất hiện ở những vùng áp suất cao khi có lớp mây che phủ bầu trời và hấp thụ năng lượng bức xạ từ mặt trời chiếu xuống. Trong cùng này có dòng chảy chậm của không khí hướng xuống dưới và gió nhẹ. Khối không khí nặng chìm xuống dưới sẽ tăng nhiệt độ theo quá trình đoạn nhiệt và thường trở thành lớp không khí ấm hơn so với lớp không khí ở phía dưới. Kết quả ta có lớp nghịch nhiệt trên cao, lớp nghịch nhiệt này thường có độ cao từ 400 ÷ 500 m đến 4000 ÷ 5000 m trên mặt đất. Nguyên nhân thứ ba là trường hợp dòng không khí lạnh từ các vùng núi cao vào ban đêm tràn xuống các thung lũng tạo thành lớp không khí ấm và dẫn tới hiện tượng nghịch nhiệt ở đáy thung lũng. Trường hợp này nếu có ngưng tụ xảy ra thì lớp sương giá sẽ hình thành và làm cho ánh sáng mặt trời vào ban ngày không thể xuyên qua được, lúc đó nghịch nhiệt có thể kéo dài nhiều ngày và chỉ khi có gió mạnh hoặc bão nó mới bị quét sạch ra khỏi thung lũng. Cuối cùng, nguyên nhân thứ tư thường xảy ra khi có dòng không khí từ phía khuất gió của sườn núi thổi xuống chân núi. Dòng không khí này sẽ được ấm lên theo quá trình nén ép đoạn nhiệt và nó len vào bên trên lớp không khí lạnh ở sát mặt đất dưới chân núi gây ra hiện tượng nghịch nhiệt với cường độ mạnh và có thể kéo dài. Trên cùng một địa điểm vào cùng một thời gian có thể có hai lớp nghịch nhiệt cùng song song tồn tại: một lớp sát mặt đất đến độ cao 100÷200 m và một lớp ở độ cao từ 900 đến 1000m. Tất cả các dạng nghịch nhiệt dù ở sát mặt đất hoặc ở trên cao đều cản trở sự xáo trộn của khí quyển và do đó dẫn đến tích tụ các chất ô nhiễm, làm cho nồng độ chất ô nhiễm có thể tăng rất cao, gây tác hại nghiêm trọng đến môi trường sinh thái của khu vực. Hình dạng khác nhau của luồng khói trong điều kiện biến thiên về nhiệt độ và cấp độ ổn định của khí quyển (hình 1.2) *) Ảnh hưởng của độ ẩm và mưa + Trong điều kiện độ ẩm lớn, các bụi lơ lửng trong không khí có thể liên kết với nhau lại thành các hạt bụi to hơn và rơi nhanh xuống đất. Độ ẩm lớn còn tạo điều kiện cho các vi sinh vật phát triển nhanh chóng và phát tán dễ dàng vào trong không khí, bám vào các hạt bụi lơ lửng, bay đi xa và gây bệnh truyền nhiễm. Độ ẩm còn có tác dụng đối với các chất khí thải công nghiệp, ví dụ SO2, SO3 hoá hợp với hơi nước trong không khí tạo ra các axit. + Mưa có tác dụng làm sạch môi trường không khí, nhưng các hạt mưa còn kéo theo các hạt bụi và hoà tan một số chất độc hại trong không khí rồi rơi xuống đất, gây ô nhiễm đất và ô nhiễm nước. Mưa làm sạch bụi ở các lá cây, do đó làm tăng khả năng hút bụi ở các dải cây xanh cách ly bảo vệ khu dân cư. 53 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Hình 1.2: Các dạng khác nhau của luồng khói - - - - - - đường đoạn nhiệt ——— đường phân bố nhiệt độ theo chiều cao a) luồng khói uốn lượn (looping) – khí quyển không ổn định mạnh;b) luồng khói hình côn (coning) – gần với điều trung tính;c) luồng khói hình quạt (fanning) – lớp nghịch nhiệt bề mặt từ mặt đất đến độ cao trên ống khói;d) luồng khói khuếch tán mạnh ở biên trên (lofting) – lớp nghịch nhiệt từ mặt đất mặt đến độ cao ống khói;e) luồng khói khuếch tán mạnh ở biên dưới – “xông khói” 54 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường (fumigating) – lớp nghịch nhiệt bên trên ống khói; f) luồng khói bị hạn chế cả ở biên trên lẫn biên dưới như “mắc bẫy” (trapping) – nghịch nhiệt bên dưới và bên trên ống khói (2) Các yếu tố địa hình và công trình nhà cửa *) Ảnh hưởng của địa hình đối với sự phân bố các chất ô nhiễm. + Địa hình có ảnh hưởng đến khí hậu do đó ảnh hưởng đến sự phân bố các chất ô nhiễm. Các nghiên cứu thực nghiệm chứng tỏ không khí ở phía sau các đồi, gò, phía sau hướng gió có nồng độ chất ô nhiễm lớn hơn. Điều này có thể giải thích là phía sau đồi áp lực gió giảm và xuất hiện vùng gió quẩn. + Hướng chuyển động và tốc độ gió của dòng không khí sát mặt đất trong khu vực có đồi núi khác xa với hướng và tốc độ gió ở không khí tự do cao hơn đồi núi hay ở các vùng trống trải. + Ngoài ra còn phải chú ý đến các hoàn lưu khí quyển địa phương như hoàn lưu đất – biển, gió thổi từ biển vào đất liền và ngược lại, hoàn lưu núi – thung lũng, tức là luồng gió lạnh thổi theo sườn núi từ đỉnh xuống thung lũng. Khi xây dựng công nghiệp ở vùng có nhiều đồi núi, tốt nhất là đặt nhà máy ở trên đỉnh đồi hay trên sườn đồi về phía cuối của hướng gió chủ đạo, còn khu dân cư đặt ở thung lũng hoặc sườn đồi đón gió. Khu gang thép Thái Nguyên đã quy hoạch vị trí dân cư và nhà máy ngược với quy tắc này nên gánh chịu hậu quả ô nhiễm nghiêm trọng. Các địa điểm ở ven biển trong phạm vi khoảng 100km cách bờ cần lưu ý đến hoàn lưu đất – biển , vì lý do thay đổi ngược lại vào ban ngày và ban đêm của hoàn lưu này. *) Ảnh hưởng của nhà cửa và công trình tới sự phân bố chất ô nhiễm trong không khí. Trong khu công nghiệp, sự chuyển động của không khí cùng với các phần tử bụi, hơi và khí khác với ở trong vùng trống trải (không có vật cản). Nhà cửa công trình sẽ làm thay đổi trường vận tốc của không khí. Ở phía trên công trình vận tốc chuyển động của không khí tăng lên, phía sau công trình vận tốc không khí giảm xuống và đến khoảng cách xa nào đó vận tốc gió mới đạt tới trị số ban đầu của nó. Ở phía trước công trình một phần động năng của gió biến thành tĩnh năng và tạo thành áp lực dư, ở phía sau công trình có hiện tượng gió xoáy và làm loãng không khí, tạo ra áp lực âm. Ngoài ra trong khu công nghiệp còn có các dòng khí chuyển động do các nguồn nhiệt công nghiệp thải ra, cũng như lượng nhiệt bức xạ Mặt trời đốt nóng các mái nhà, đường sá và sân bãi gây nên sự chênh lệch nhiệt độ và tạo thành sự chuyển động của không khí. 2.2.2. Giới thiệu một số mô hình tính toán lan truyền chất ô nhiễm a. Lý thuyết khuếch tán chất ô nhiễm trong khí quyển (1) Phương trình vi phân cơ bản Khi mô tả bằng toán học, quá trình khuếch tán các chất ô nhiễm trong không khí thường được đặc trưng bằng trị số nồng độ chất ô nhiễm phân bố trong không gian và biến đổi theo thời gian, phụ thuộc vào trị số tốc độ gió trung bình trong khoảng thời gian tính. 55 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Hình 1.3: Sơ đồ khuếch tán luồng khí thải (vệt khói) Dưới tác dụng của gió tự nhiên thổi các luồng khí phụt lên từ miệng ống khói sẽ bị uốn cong theo chiều gió thổi. Chất ô nhiễm dần dần được khuếch tán rộng ra như hình loa (hình 1.3), người ta thường gọi là vệt khói. Kết quả khảo sát thực tế cho thấy các chất khí độc hại và bụi lơ lửng lan truyền chủ yếu theo vệt khói và trong phạm vi góc cung hẹp, chỉ rộng khoảng 10-20 độ. Một số hạt bụi nặng sẽ tách khỏi vệt khói và rơi xuống mặt đất ở gần ống khói hơn. Nếu như thừa nhận góc mở của vệt khói gây ô nhiễm sẽ tăng theo tỷ lệ bình phương của khoảng cách, tức là nồng độ chất ô nhiễm sẽ giảm đi theo tỷ lệ bình phương của khoảng cách. Nhưng thực tế nồng độ ô nhiễm không khí sát mặt đất thường giảm đi rất chậm, vì vệt khói thường nằm là là trên mặt đất. Vùng không khí sát mặt đất bị ô nhiễm thường bắt đầu từ khoảng cách tới chân ống khói 4-10 lần chiều cao ống khói và vị trí bị ô nhiễm cực đại cách chân ống khói khoảng 10-40 lần chiều cao ống khói. Ban đầu nồng độ chất ô nhiễm tập trung rất lớn ở trục vệt khói, dần dần nó khuếch tán rộng hơn trong cả góc cung vệt khói (hình 1.3). Khi trời lặng gió, luồng khí thải sẽ phụt thẳng đứng lên trời và gây ô nhiễm không khí chủ yếu ở không gian xung quanh ống khói. Trong trường hợp tổng quát, trị số trung bình của nồng độ chất ô nhiễm trong không khí phân bố theo thời gian và trong không gian được xác định từ phương trình vi phân cơ bản sau: (1.9) Trong đó: C - nồng độ chất ô nhiễm trong không khí x,y - tọa độ điểm tính trên mặt phẳng theo trục x, và trục y z - tọa độ đứng của điểm tính (theo trục z) t - thời gian σx, σy, σz - là thành phần của hệ số khuếch tán chất ô nhiễm theo trục Ox, Oy, Oz α1 - hệ số kể đến sự thâm nhập của chất ô nhiễm trên đường khuếch tán α2 - hệ số kể đến sự biến hóa từ chất ô nhiễm này sang chất ô nhiễm khác do các phản ứng hóa học xảy ra trên đường khuếch tán (chuyển pha của các chất ô nhiễm) Khi giải bài toán khuếch tán chất ô nhiễm trong không khí ta thừa nhận một số điều kiện gần đúng để đơn giản hóa phương trình trên. Ví dụ, coi nguồn thải ô nhiễm là nguồn ổn định theo thời gian thì ∂C/∂t = 0; tính trên mặt phẳng đất với z=cont thì có ∂C/∂z = ∂ 2C/∂2z = 0. Nếu phân bố chất ô 56 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường nhiễm theo trục “x” trùng với hướng gió chiếu trên trục y không có, tức là v = 0. Chuyển động đứng thường nhỏ hơn so với tốc độ gió nên có thể bỏ qua, trục z thường lấy chiều dương hướng lên trên, do đó đối với bụi nặng thì thành phần w ở phương trình trên sẽ bằng tốc độ rơi của hạt (dấu âm), còn đối với ô nhiễm khí và bụi nhẹ thì w = 0. Nếu bỏ qua hiện tượng chuyển “pha” của chất ô nhiễm cũng như không xét đến chất ô nhiễm bổ sung vào luồng khói trong quá trình khuếch tán thì α1 = α2 = 0. Từ những giả thiết gần đúng như trên các nhà khoa học đã đặt thêm các giả thiết và giải phương trình vi phân cơ bản (1.9) để cho các mô hình lan truyền chất ô nhiễm trong môi trường không khí như của Berliand, Sutton, và Gauss. (2) Giới thiệu một số công thức được áp dụng để tính toán khuếch tán chất ô nhiễm *) Công thức tính toán của Bosanquet C.H và Pearson J.L (1936) Công thức xác định nồng độ chất ô nhiễm trên mặt đất: Trị số nồng độ cực đại Cmax trên mặt đất: Khoảng cách từ nguồn (chân ống khói) đến vị trí cực đại nồng độ Cmax trên mặt đất Trong các công thức trên: M – là lượng phát thải chất ô nhiễm tại nguồn điểm liên tục; g/h H – chiều cao hiệu dụng của nguồn thải dạng ống khói, m p, q – lần lượt là hệ số khuếch tán theo chiều đứng và chiều ngang được xác định bằng thực nghiệm và là hệ số không thứ nguyên. Trị số p thay đổi trong phạm vi từ 0,02 ÷ 0,1 và trị số q = 0,04 ÷ 0,16 tùy theo mức độ rối của khí quyển từ yếu đến mạnh. Giá trị trung bình của các hệ số p và q ứng với mức độ rối trung bình của khí quyển có thể nhận p = 0,05 và q = 0,08 *) Công thức của Sutton (1947b) Sử dụng lý thuyết khuếch tán của Taylor G.I và cho rằng sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm do luồng khói lan tỏa ra môi trường xung quanh là tuân theo luật phân phối chuẩn Gauss, Sutton O.G đã tìm ra công thức xác định nồng độ tại điểm có tọa độ x, y, z xuôi chiều gió. Ở độ cao mặt đất (z = 0): Trị số nồng độ cực đại Cmax: 57 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Và khoảng cách từ nguồn đến vị trí có Cmax Trong các công thức tính toán của Sutton các hệ số S z; Sy có ý nghĩa tương tự các hệ số p và q trong công thức tính của Bosaquet và Pearson nhưng khác nhau về thứ nguyên. Trị số Sy; Sz và n trong công thức của Sutton được cho ở bảng 1.10 Bảng 1.10: Các hệ số khuếch tán rối tổng quát của Sutton O.G *) Công thức xác định sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm theo luật phân phối chuẩn Gauss Mô hình Gauss áp dụng cho tính toán thực tế Giả thiết: • Chân ống khói trùng với gốc O của hệ trục tọa độ Oxyz • Trục x trùng với hướng gió • Lượng thải chất ô nhiễm do nguồn thải ra là hằng số theo thời gian; • Tốc độ gió không đổi theo thời gian và theo độ cao vệt khói; • Trong vệt khói không có bổ sung thêm ô nhiễm cũng như không xét đến trường hợp chất ô nhiễm giảm đi do phản ứng hóa học chuyển thành chất khác • Địa hình bằng phẳng không có vật 58 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Hình 1.4: Lan tỏa của vệt khói và hệ tọa độ của vệt khói x,y,z theo mô hình Gauss (Turner, 1970) Công thức tính toán khuếch tán chất ô nhiễm từ nguồn điểm cao liên tục được áp dụng khá phổ biến hiện nay: (1.10) Khi tính toán nồng độ chất ô nhiễm trên mặt đất thì z=0 công thức... sẽ trở thành: (1.11) Trường hợp tính sự phân bố nồng độ chất ô nhiễm trên mặt đất dọc theo trục gió (trục x), y = 0 và thu được: (1.12) Trong các phương trình (1.0), (1.11), (1.12) C(x,y,z): nồng độ chất ô nhiễm tại điểm có tọa độ bất kỳ x,y,z (mg/m3) C(x,y,z=0): nồng độ chất ô nhiễm tại điểm có tọa độ x,y với z=0 ở gần mặt đất (mg/m3) C(x): nồng độ chất ô nhiễm tại các điểm trên trục x với y=z=0 (mg/m3) x: khoảng cách tới nguồn thải theo phương x, phương gió thổi (m) y: khoảng cách từ điểm tính trên mặt ngang theo chiều vuông góc với trục vệt khói cách tâm vệt khói (m) z: chiều cao điểm tính toán (m) M: lượng thải chất ô nhiễm từ nguồn thải (miệng ống khói…) (m/s) u: tốc độ gió trung bình ở chiều cao hiệu dụng H của ống khói (m/s) 59 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường σy: hệ số khuếch tán của khí quyển theo phương ngang, phương y (m) σz: hệ số khuếch tán của khí quyển theo phương đứng, phương z (m) Xét các phương trình ta thấy nồng độ chất ô nhiễm trong không khí tỷ lệ thuận với lượng thải, tỷ lệ nghịch với tốc độ gió, và tỷ lệ nghịch với độ cao hiệu dụng của ống khói. Điều quan trọng là các phương trình này dùng để tính khuếch tán ô nhiễm theo mô hình Gauss đã được thiết lập trên cơ sở lý thuyết và các số liệu thực nghiệm. Mặc dù vậy kết quả tính toán có thể sai số tới ± (20-50%). Nhưng mô hình tính toán này có ưu điểm là rất tiện lợi và dễ dàng cho tính toán theo các mô hình khác, và hiện nay được rất nhiều nước trên thế giới sử dụng trong tài liệu quy phạm tính toán ô nhiễm môi trường quốc gia. *) Hệ số khuếch tán σy, σz Khi tính toán chất ô nhiễm theo các công thức của Gauss cần phải xác định hai hệ số khuếch tán σy, σz. Hệ số khuếch tán σy, σz chính là sai lệch chuẩn của hàm khuếch tán Gauss theo phương ngang và phương đứng (khoảng 68% diện tích xung quanh trị số trung bình nằm trong đường Gauss là trong khoảng ±1σ). Hệ số khuếch tán Gauss nhỏ, có ý nghĩa là đường cong Gauss hẹp, có đỉnh cao, còn khi hệ số khuếch tán Gauss lớn thì có ý nghĩa ngược lại. Vì vậy đường cong phân bố Gauss càng xa càng trải rộng. Các hệ số đó không chỉ phụ thuộc vào khoảng cách tới nguồn mà còn phụ thuộc vào tính ổn định của khí quyển. Người ta thường sử dụng công thức xác định hệ số khuếch tán sau: (1.13) σy = a. x0,894 Và của Martin, 1976 như (1.14) σz = c.xd + f Ở đây các hệ số a,c,d,f cho ở bảng tương ứng với mỗi cấp ổn định của khí quyển, chú ý rằng khoảng cách x tới nguồn ở đây xác định bằng km còn các hệ số σy, σz tính bằng mét. Bảng 1.11: Các hệ số a,c,d,f theo Martin, 1976 Cấp ổn định khí quyển x≤ 1km x≥ 1km A c D f c d F A 213 440,8 1,941 9,27 459,7 2,094 -9,6 B 156 106,6 1,941 3,3 108,2 1,098 2,0 C 104 61,0 0,911 0,0 61,0 0,911 0,0 D 68 33,2 0,725 -1,7 44,5 0,516 -13,0 E 50,5 22,8 0,678 -1,3 55,4 0,305 -34,0 F 34 14,35 0,740 -0,35 62,6 0,180 -48,6 Để thuận tiện tính toán, một số trị số σy và σz trong các công thức 1.13, 1.14 cho ở bảng 1.12 Bảng 1.12: Một số trị số của hệ khuếch tán σy, σz (m) dùng trong các công thức 1.13, 1.14 Hệ số σy theo cấp ổn định khí quyển 60 Hệ số σz theo cấp ổn định khí quyển Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Khoảng A cách x(km) B C D E F A B C D E F 0,2 51 37 25 16 12 8 29 20 14 9 6 4 0,4 94 69 46 30 22 15 84 40 26 15 11 7 0,6 135 99 66 43 32 22 173 63 38 21 15 9 0,8 174 128 85 56 41 28 295 86 50 27 18 12 1 213 156 104 68 50 34 450 110 61 31 22 14 2 396 290 193 126 94 63 1953 234 115 51 34 22 4 736 539 359 235 174 117 498 216 78 51 32 8 1367 1001 667 436 324 218 1063 406 117 70 42 16 2540 1860 1240 811 602 405 2274 763 173 95 55 20 3101 2271 1514 990 735 495 2904 934 196 104 59 *) Chiều cao hiệu dụng của ống khói Như đã nói ở trên H là chiều cao hiệu dụng của ống khói được tính bằng H = h +∆h, trong đó h là chiều cao thực của ống khói, ∆h là độ nâng của vệt khói. Độ nâng của vệt khói được hình thành bởi tác dụng tổng hợp của nhiều yếu tố, quan trọng nhất là độ phụt của khí thải từ ống khói ra và cấp độ ổn định của khí quyển (trong đó tốc độ gió của khí quyển có vai trò chủ yếu). Độ nâng cao của vệt khói cũng là kết quả của tác dụng nhiệt độ khí phụt cao hơn nhiệt độ môi trường xung quanh, hay là trọng lượng phân tử gam của khí thải nhỏ hơn không khí xung quanh (hoặc là cả hai yếu tố cùng tác dụng). Động lực thúc đẩy của khí phụt là khối lượng và tốc độ của nó. Có rất nhiều các công thức khác nhau được đưa ra để tính độ nâng của vệt khói, trong phạm vi bài học này sẽ giới thiệu cách xác định độ nâng cao của vệt khói theo Cục bảo vệ môi trường của Mỹ (EPA) Do độ nâng cao của vệt khói phụ thuộc đồng thời vào lực đẩy và độ nổi của khí phụt nên chúng ta giả thiết rằng khí phụt có trọng lượng phân tử nhỏ xấp xỉ so với không khí (trọng lượng phân tử của không khí là 28,9 g/ml) và như vậy có thể bỏ qua độ nâng cao của khí phụt do tỷ trọng khác nhau. Đó là điều gần đúng thực tế để mà có thể dễ dàng xác định quan hệ giữa lực nâng cao các phân tử khí thải với nhiệt độ, tốc độ phụt của nó và đường kính của miệng ống khói. Từ giả thiết trên ta có biểu thức để xác định tham số của độ nâng cao vệt khói như sau: F = g.r2.vs.(1-Ta/Ts) (1.15) Trong đó: F – thông số nâng cao của vệt khói (m4/s3) g- gia tốc trong trường (9,8 m/s2) r- bán kính trong của miệng ống khói (m) vs- tốc độ phụt của khí thải (m/s) 61 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Ts- nhiệt độ của khí phụt (oK) Ta- nhiệt độ của môi trường không khí xung quanh (oK) Đối với trường hợp khí quyển trung tính và không ổn định (cấp độ ổn định A-D) thì công thức xác định độ nâng cao của vệt khói có dạng như sau: (1.16) Trong đó: ∆h- độ nâng cao của vệt khói (m) u- tốc độ gió ở độ cao ống khói (m/s) xf- khoảng cách từ điểm kết thúc độ nâng trung bình của vệt khói đến ống khói theo chiều gió thổi (m). nếu F ≥ 55m4/s3 thì xf = 120. F2/5; nếu F < 55m4/s3 thì xf = 50.F5/8 Đối với khí quyển ổn định (cấp độ khí quyển từ E – F) dùng công thức sau để xác định độ nâng cao của vệt khói: (1.17) Trong đó S- thông số ổn định, có thứ nguyên là 1/s2, xác định theo biểu thức: (1.18) Với Г là độ giảm nhiệt độ đoạn nhiệt, 0,01 oC/m, đạo hàm riêng dTa/dz là độ thay đổi nhiệt độ theo chiều cao thực tế của môi trường không khí xung quanh (chú ý rằng nó có dấu dương khi nhiệt độ tăng theo chiều cao). Ngoài ra ở một số nước Đông Âu và Liên Xô còn dùng công thức sau để xác định độ nâng cao của vệt khói: Trong đó, u10- tốc độ gió của khí quyển ở độ cao 10m (m/s) r- bán kính của miệng ống khói (m) b. Bài tập ứng dụng III. MỘT SỐ VẤN ĐỀ LIÊN QUAN TỚI MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ 3.1. Vấn đề môi trường toàn cầu 3.1.1. Hiệu ứng nhà kính và sự biến đổi khí hậu toàn cầu a. Khái niệm Hiệu ứng nhà kính, xuất phát từ effet de serre trong tiếng Pháp, do Jean Baptiste Joeseph Fourier lần đầu tiên đặt tên, dùng để chỉ hiệu ứng xảy ra khi năng lượng bức xạ của tia sáng mặt trời xuyên qua các cửa sổ hoặc mái nhà bằng kính, được hấp thụ và phân tán trở lại thành nhiệt lượng cho bầu không gian bên trong, dẫn đến việc sưởi ấm toàn bộ không gian bên trong chứ không phải chỉ những chỗ được chiếu sáng. Hiệu ứng này đã được sử dụng từ lâu trong các nhà kính trồng cây cũng như trong kiến trúc dùng năng lượng mặt trời một cách thụ động để tiết kiệm chất đốt sưởi ấm trong nhà. Khi bức xạ mặt trời chiếu xuống trái đất, một phần bức xạ này sẽ phản xạ lại vào vũ trụ, phần còn lại xuyên qua bầu khí quyển truyền đến mặt đất dưới dạng bước sóng ngắn. Tại đây một phần 62 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường bức xạ sóng ngắn phản xạ lại, xuyên qua lớp khí nhà kính vào không gian vũ trụ và một phần đốt nóng trái đất. Trái đất hấp thụ phần năng lượng bức xạ sóng ngắn và trở thành vật bức xạ nhiệt vào khí quyển (bước sóng dài). Một phần bức xạ hồng ngoại sóng dài do trái đất phát ra được hấp thụ bởi các khí trong khí quyển (hơi nước, CO2, CH4, NOx,…) tạo thành một lớp lưới nhiệt bao trùm bề mặt trái đất, giữ cho khí quyển và bề mặt trái đất ở một nhiệt độ nhất định. Hiện tượng này giống như hiện tượng nhà kính trồng rau khi bức xạ mặt trời xuyên qua kính bị giữ lại làm cho nhiệt độ nhà kính tăng lên. Vì thế các khí có tính chất trên gọi là khí nhà kính. Lớp khí bao gồm các khí nhà kính gọi là lớp khí nhà kính. Không có lớp khí nhà kính thì bề mặt trái đất sẽ không giữ được bức xạ nhiệt, nhanh chóng lạnh đi dưới 0 oC, không duy trì được nhiệt độ thích hợp đảm bảo cho sự sống của con người và sinh vật trên Trái đất. Từ những khái niệm nêu trên có thể khái quát như sau: “Hiệu ứng nhà kính là hiện tượng trong khí quyển tầng thấp (tầng đối lưu) tồn tại một lớp khí chỉ cho bức xạ sóng ngắn xuyên qua và giữ lại bức xạ nhiệt của mặt đất dưới dạng sóng dài, nhờ đó bề mặt Trái đất luôn có một nhiệt độ thích hợp đảm bảo duy trì sự sống trên Trái đất” b. Bản chất của hiệu ứng nhà kính Theo định luật Viên về quan hệ giữa phổ sóng bức xạ và nhiệt độ của vật bức xạ, bước sóng trung bình của năng lượng bức xạ từ vật thể có nhiệt độ T > 0 oK được xác định bằng công thức : λ tb (µm) = 2898/T (oK) Mặt trời có nhiệt độ bề mặt khoảng 6000 oK, nên theo công thức trên Mặt trời sẽ phát ra bức xạ có bước sóng trung bình bằng 0,5µm là bước sóng ngắn. Trong khi đó bề mặt trái đất có nhiệt độ trung bình bằng 298oK sẽ bức xạ năng lượng có độ dài bước sóng trong khoảng 5-30 µm (thuộc bước sóng dài). Các sóng dài bức xạ từ bề mặt Trái đất sẽ bị các khí nhà kính hấp thụ, Ví dụ: khí CO2 hấp thu các bức xạ trong các dải từ 13-15 µm; 2,7 – 4,3µm, khí CH 4 hấp thụ các bức xạ trong dải phổ từ 8-10 µm, O 3 hấp thu mạnh năng lượng trong giải phổ từ 9,5-10,6 µm, khí NO x hấp thu năng lượng trong giải phổ 9 µm, hơi nước hấp thụ mạnh năng lượng trong dải phổ 8 µm. Kết quả của các quá trình hấp thụ trên của các khí nhà kính tạo nên sự cân bằng nhiệt giữa bề mặt trái đất và lớp khí nhà kính, do đó giữ cho trái đất luôn có nhiệt độ nhất định. Quá trình này có bản chất tự nhiên nên còn được gọi là hiệu ứng nhà kính tự nhiên. Nếu không có hiệu ứng nhà kính tự nhiên thì nhiệt độ Trái đất chỉ vào khoảng -18oC. Cùng với hiện tượng hiệu ứng nhà kính tự nhiên thì đã xuất hiện hiệu ứng nhà kính nhân tạo do các hoạt động tiêu cực của con người tạo ra trong 100 năm nay. Trong đó, con người đã và đang tác động mạnh mẽ vào sự cân bằng nhạy cảm giữa hiệu ứng nhà kính tự nhiên và bức xạ mặt trời. Sự thay đổi nồng độ các khí nhà kính trong khí quyển trong vòng 100 năm lại đây (CO 2 tăng 20 %, CH4 tăng 90%...) đã làm nhiệt độ Trái đất tăng lên 2 oC, hoạt động kinh tế, sản xuất của con người 63 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường đã làm tăng các khí gây hiệu ứng nhà kính dẫn đến sự gia tăng nhiệt độ của Trái đất. Theo tính toán của các nhà khoa học, nếu nồng độ CO2 tăng gấp đôi thì nhiệt độ của bề mặt Trái đất sẽ tăng khoảng 3oC. Các số liệu quan trắc cho thấy, nhiệt độ của Trái đất đã tăng 0,5% trong khoảng thời gian từ năm 1885 – 1940 do sự thay đổi nồng độ CO 2 trong khí quyển từ 0,027 -0,035%. Dự báo nếu con người không sớm có biện pháp khắc phục thì nhiệt độ Trái đất sẽ tăng từ 1,5 đến 4,5 oC vào năm 2100. c. Các tác động của Hiệu ứng nhà kính (1) Tác động tích cực Hiệu ứng nhà kính đóng vai trò cốt yếu trong việc duy trì môi trường sự sống trên trái đất. Nếu không có hiệu ứng nhà kính (giả sử không có khí nhà kính trong khí quyển) thì nhiệt độ trái đất chỉ được xác định bởi lượng bức xạ mặt trời trực tiếp truyền đến bề mặt trái đất. Lượng bức xạ được tính theo công thức: Em = 4 πR2S(1 - A) Trong đó: Em: lượng bức xạ mặt trời trực tiếp chiếu xuống trái đất R: bán kính trái đất S: hằng số mặt trời (1372 W/m2) A: hệ số Albedo của Trái đất (xấp xỉ 33%) Nếu cho rằn trái đất phát ra các bức xạ giống như một vật đen, khi đó mỗi m 2 bề mặt trái đất sẽ phát ra một bức xạ hồng ngoại theo định luật Stefan-Boltzman là: σ x Te 4 (σ là hằng số StefanBoltzman). Như vậy, tổng lượng bức xạ hồng ngoại mà toàn bộ bề mặt trái đất phát ra sẽ là: Ec = 4 πR2 σTe4 Giả sử có sự cân bằng bức xạ mặt trời tới bề mặt trái đất và bức xạ hồng ngoại phát ra từ bề mặt trái đất, nghĩa là đặt Em = Ec ta có thể thiết lập được phương trình tính nhiệt độ trung bình của bề mặt trái đất Tc như sau: Thay các giá trị S, A, σ vào công thức trên ta được nhiệt độ trung bình của bề mặt trái đất là 255 K (tương đương với -18oC). Ở nhiệt độ 255 oK, Trái đất ở trạng thái đóng băng. Tuy nhiên, các phép đo thực tế chỉ ra rằng nhiệt độ trung bình của khí quyển và bề mặt Trái đất trong cả năm ở tất cả các khu vực là 299oK ( tương đương với 16oC), lớn hơn 255oK. Sự khác biệt này là do sự tồn tại của hiệu ứng nhà kính Trái đất mà ta chưa tính đến. o Như vậy, hiệu ứng nhà kính của Trái đất đã làm gia tăng nhiệt độ trung bình của khí quyển Trái đất từ -18oC lên 16oC, hạn chế sự thay đổi nhiệt độ bề mặt giữa ban ngày và ban đêm, giữa các mùa trong năm, cũng như các vùng khí hậu khác nhau trên trái đất. những tác động đó của hiệu ứng nhà kính đã làm cho môi trường bề mặt Trái đất là nơi lý tưởng cho sự tồn tại và phát triển của sinh vật và con người qua hàng triệu năm qua. (2) Tác động tiêu cực Hiện nay, sự gia tăng nồng độ khí nhà kính của khí quyển Trái đất và hậu quả của nó là sự gia tăng hiệu ứng nhà kính lại đang trở thành mối lo ngại của nhân loại. Nồng độ của các khí nhà kính hiện đang tăng nhanh chóng, do đó làm giảm khả năng tỏa nhiệt của Trái đất (khoảng 2%), có nghĩa là toàn trái đất giữ lại một lượng nhiệt tương đương 3 triệu tấn dầu đốt trong mỗi phút. Sự gia tăng 64 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường hiệu ứng nhà kính và nồng độ khí nhà kính của khí quyển có tác động tiêu cực mạnh mẽ tới khí hậu và các điều kiện môi trường. Tác động đến khí quyển Sự gia tăng nồng độ khí nhà kính gây nên sự thay dổi thành phần và chất lượng khí quyển, có hại cho môi trường sống của con người và các sinh vật trên trái đất. Nồng độ khí nhà kính và nhiệt độ không khí gia tăng có thể ảnh hưởng không bình thường tới tình trạng sức khỏe của nhiều vùng dân cư. Tác động tới băng trên trái đất Sự gia tăng hiệu ứng nhà kính và gia tăng nhiệt độ làm tan băng, mực nước biển dâng cao, ngập úng các vùng đất thấp, các đảo nhỏ trên biển, nơi sinh sống của phần đông cư dân trên thế giới. Theo tính toán của tiểu bang Liên chính phủ về biến đổi khí hậu, trong trường hợp kiểm soát tốt lượng phát thải khí nhà kính thì mực nước biển vẫn dâng cao 14 - 32 cm trong thế kỷ 21 và đạt mức cao nhất vào năm 2050. Nếu không có biện pháp kiểm soát hữu hiệu sự phát thải khí nhà kính thì mực nước biển có thể dâng cao từ 1-3m vào cuối thế kỷ 21. Sự tan băng ở các cực trái đất và trên các đỉnh núi cao sẽ làm giảm diện tích các bề mặt phản xạ bức xạ Mặt trời, kéo theo đó là sự suy giảm hệ số Albedo, tương ứng với việc gia tăng dòng năng lượng đến bề mặt, làm gia tăng nhiệt độ trái đất. Tác động đến biến đổi khí hậu của trái đất Sự gia tăng nhiệt độ Trái đất bởi hiệu ứng nhà kính là nguyên nhân quan trọng nhất gây nên biến đổi khí hậu. Cường độ hoạt động của quá trình hoàn lưu khí quyển, chu trình tuần hoàn nước trong tự nhiên và các chu trình sinh địa hóa khác sẽ gia tăng, dẫn tới việc gia tăng mức độ tàn phá của các thiên tai đối với loài người như: bão, lụt, cuồng phòng, khô hạn, El Nino, La Nina,… Theo đó, tốc độ gió xoáy nhiệt đới có thể tăng lên 10-20%, độ cao của các con sóng thần tăng lên có thể quét sạch các đảo có người ở trên Thái Bình Dương. Sự gia tăng hiệu nhà kính và biến đổi khí hậu sẽ làm di chuyển các đới khí hậu tồn tại hàng nghìn năm trên các vùng khác nhau của Trái đất, dẫn tới nguy cơ đe dọa sự sống của các loài sinh vật, các hệ sinh thái và hoạt động bình thường khác của con người. Các đới khí hậu nhiệt đới và xích đạo có xu hướng di chuyển lên các cực Trái đất. Nhiều hệ sinh thái không có đủ thời gian thích nghi với sự thay đổi của khí hậu sẽ suy thoái và bị tiêu diệt. Sự gia tăng hiệu ứng nhà kính và biến đổi khí hậu trái đất cũng sẽ làm thay đổi năng suất sinh học của các hệ sinh thái, chất lượng và thành phần của khí quyển, sinh quyển, thạch quyển. Các thay đổi này ảnh hưởng rất lớn tới việc sản xuất và cung cấp lương thực, thực phẩm của thế giới. d. Sự gia tăng hiệu ứng nhà kính hiện nay Nguyên nhân chủ yếu của việc gia tăng hiệu ứng nhà kính là sự gia tăng nồng độ các khí nhà kính từ các hoạt động của con người. Các khí nhà kính chủ yếu đó là CO 2, NOx, CH4, CFCs, hơi nước và O3.. Theo số liệu năm 1900, nồng độ và các đặc trưng chủ yếu của các loại khí nhà kính được trình bày ở bảng 1.11 Bảng 1.13: Nồng độ đặc trưng chủ yếu của các loại khí nhà kính Loại khí nhà kính CO2 CFC CH4 NOx Nồng độ hiện tại trong khí quyển (ppm) 351 0,00225 1,675 0,31 Mức gia tăng trung bình năm (%) 0,4 5,0 1,0 0,2 65 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Hệ số nhà kính tương đương (so với CO2 = 1) 1 15000 25 230 Tỷ lệ gây ra hiệu ứng nhà kính (%) 57 25 12 6 Các hoạt động và tỷ lệ phần trăm phát thải khí nhà kính vào khí quyển Trái đất từ các hoạt động của con người thể hiện ở biểu đồ 1.6, 1.7: Hình 1.6 : Tỷ lệ phát thải khí nhà kính từ các hoạt động của con người Hình 1.7: Tỷ lệ phát thải khí nhà kính của các quốc gia trên thế giới (1990) Các hoạt động phát thải khí nhà kính có thể kể đến như hoạt động công nghiệp, giao thông vận tải, hoạt động nông nghiệp, các hoạt động khác… + Hoạt động công nghiệp: Trong số các hoạt động của con người thì công nghiệp là tác nhân quan trọng phát thải khí nhà kính do sử dụng một lượng lớn nguyên liệu hóa thạch (than đá, dầu, khí đốt..). Ngoài CO2 các ngành công nghiệp cũng tạo nên các loại khí nhà kính khác như NO x, CH4…trong quá trình sản xuất phân bón, hóa chất, khai thác khoáng sản, chế biến thực phẩm… + Giao thông vận tải: sự phát triển nhanh của các phương tiện giao thông vận tải (đường bộ đường biển, đường hàng không) của thế giới là các nguyên nhân tiềm tàng làm gia tăng khí nhà kính trong khí quyển trái đất. 66 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường + Hoạt động nông nghiệp: sản xuất nông nghiệp là ngành đóng góp đáng kể lượng phát thải khí nhà kính. Sự gia tăng dân số và kéo theo đó là gia tăng sản xuất nông nghiệp tạo nên nhu cầu mở rộng diện tích đất canh tác, tăng tiêu thụ phân bón và hoạt động chế biến sản phẩm nông nghiệp. Hoạt động canh tác lúa nước, bón phân hữu cơ phát thải một lượng lớn khí CH 4. Hoạt động chăn nuôi gia súc cũng là một nguồn phát sinh khí CO 2 và CH4. Những tác nhân trên góp tới 13% tổng lượng phát thải khí nhà kính vào khí quyển Trái đất. + Các hoạt động khác e. Các biện pháp giảm thiểu - Các quốc gia trên thế giới cần chú trọng cải tiến công nghệ, áp dụng sản xuất sạch hơn, tiết kiệm năng lượng đặc biệt là ở các nước đang phát triển - Các quốc gia trên thế giới, đặc biệt là các nước có nền khoa học kỹ thuật phát triển cũng cần nghiên cứu các nguồn năng lượng thay thế, đặc biệt là năng lượng thay thế cho nhiên liệu hóa thạch, nhằm hạn chế sự phát thải CO2, NOx. Sử dụng nhiều hơn các nguồn năng lượng không chất thải như năng lượng mặt trời, sức gió, thủy điện, thủy triều… - Xây dựng và áp dụng các công ước quốc tế về bảo vệ môi trường như Công ước khung về biến đổi khí hậu, Nghị định thư Kyoto, Lộ trình Bali về biến đổi khí hậu + Công ước khung của Liên hợp quốc về biến đổi khí hậu và Nghị định thư Kyoto Công ước được thông qua ngày 9/5/1992 và được mở để ký kết tại Hội nghị Liên hợp quốc về Môi trường và phát triển tháng 6/1992 tại Rio De Janero. Công ước có hiệu lực từ ngày 21/3/1994, 90 ngày sau khi nhận được sự phê chuẩn của 50 nước. Hiện tại có 180 nước đã tham gia vào công ước này và Việt Nam cũng là một nước thành viên. Công ước khung của Liên hợp Quốc về biến đổi khí hậu nhằm ổn định nồng độ khí nhà kính trong khí quyển để bảo vệ hệ thống khí hậu trên Trái đất, đảm bảo an ninh lượng thực và tạo điều kiện cho sự phát triển kinh tế - xã hội của loài người một cách bền vững. Công ước khung về biến đổi khí hậu quy định các quốc gia tham gia phải đảm bảo 5 nguyên tắc: • Các nước phải bảo vệ hệ thống khí hậu • Cần phải xem xét đầy đủ những nhu cầu riêng và hoàn cảnh đặc thù của các nước đang phát triển. • Các nước phải thực hiện những biện pháp phòng ngừa, ngăn ngừa và giảm nhẹ nguyên nhân gây ra biến đổi khí hậu. • Các quốc gia có quyền đẩy mạnh sự phát triển bền vững. • Các quốc gia phải hợp tác để đẩy mạnh một hệ thống kinh tế quốc tế mở cửa và tương trợ. Bên cạnh 5 nguyên tắc mà các nước tham gia Công ước về biến đổi khí hậu của Liên hợp Quốc phải thực hiện thì các nước tham gia vào Công ước này, đặc biệt là các nước phát thải một lượng lớn khí nhà kính thì phải thực hiện giảm phát thải 5% của năm 1990 và đạt mức tối thiểu nhất vào năm 2008 theo Nghị định thư Kyoto về kiểm soát phát thải khí nhà kính. Nghị định thư Kyoto của công ước là văn bản pháp lý để thực hiện Công ước, đã hiệu lực thi hành từ ngày 16 tháng 2 năm 2005. Nội dung quan trọng của Nghị định thư Kyoto là đưa ra chỉ tiêu giảm phát thải khí nhà kính có tính ràng buộc pháp lý đối với các nước phát triển và cơ chế giúp các nước đang phát triển đạt được sự phát triển kinh tế-xã hội một cách bền vững thông qua thực hiện “ Cơ chế phát triển sạch” (CDM). Dự án CDM được đầu tư vào các lĩnh vực như: năng lượng, công nghiệp, giao thông vận tải, nông nghiệp, lâm nghiệp, quản lý chất thải. 67 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Việt Nam đã phê chuẩn công ước khung về biến đổi khí hậu và Nghị định thư Kyoto về giảm lượng phát thải khí nhà kính nên được hưởng những quyền lợi dành cho các nước đang phát triển trong việc tiếp nhận hỗ trợ tài chính và chuyển giao công nghệ mới từ các nước phát triển thông qua dự án CDM. + Lộ trình Bali về biến đổi khí hậu Lộ trình Bali đặt mục tiêu đến năm 2020 tất cả các nước đang phát triển phải cắt giảm 2540% tổng lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính so với mức của năm 1990. Theo dự thảo, các cuộc thương lượng chính thức đầu tiên trong khuôn khổ Lộ trình Bali sẽ bắt đầu trước tháng 6/2008. Dự thảo Lộ trình Bali nếu đi đến thành công sẽ tiếp nối Nghị định thư Kyoto hết hiệu lực vào năm 2012. Dự thảo gồm 4 trang do các phái đoàn Indonexia, Australia, Nam Phi cùng tham gia soạn thảo. Trong đó khẳng định đã có những bằng chứng khoa học không thể chối cãi về những hậu quả khôn lường do lượng khí thải gây hiệu ứng nhà kính gây ra đối với hành tinh chúng ta. Tất cả các quốc gia cần lỗ nực nhiều hơn nữa trong cuộc chiến chống biến đổi khí hậu. Đặc biệt, bản dự thảo ghi rõ rằng các nước giàu phải cắt giảm mạnh lượng khí gây hiệu ứng nhà kính nhằm hạn chế những tác động tồi tệ nhất của biến đổi khí hậu, đồng thời các nước đang phát triển cũng cố gắng kìm hãm tối đa sự gia tăng của loại khí này. Ủng hộ các kết luận của Ủy ban liên chính phủ về biến đổi khí hậu công bố mới đây, dự thảo Lộ trình Bali nhấn mạnh rằng trong vòng 10-15 năm tới, thế giới cần phải cắt giảm mạnh lượng khí nhà kính, thậm chí đến năm 2050 chỉ còn một nửa so với năm 2000. 3.1.2. Mưa axít a. Một số khái niệm Lắng đọng axít (deposition) Lắng đọng axit hiện đang là một trong những vấn đề nhiễm bẩn môi trường quan trọng không chỉ vì mức độ ảnh hưởng mạnh mẽ tới cuộc sống của con người và các HST mà còn vì quy mô tác động của chúng đã vượt ra khỏi phạm vi kiểm soát của mỗi quốc gia. Thuật ngữ “lắng đọng axit” bao hàm cả hai hình thức: + Lắng đọng khô: bao gồm các khí (gases), hạt bụi (particulate) và sol khí (aerosol) có tính axit. Trong khí quyển các tạp nhiễm này còn tồn tại dưới dạng các sol khí, đây là những hạt bụi rắn, lỏng hoặc khí có kích thước hạt đủ nhỏ để có thể lan truyền với khoảng cách rất xa. + Lắng đọng ướt (wet deposition) thể hiện ở nhiều dạng như mưa tuyết, sương mù, hơi nước có tính axit Mưa axit là một dạng của lắng đọng axit. Mưa axít (acid rain) Nước mưa có tính axit gọi là mưa axit. Theo định nghĩa của Ủy ban Kinh tế Châu Âu (ECE) thì mưa (thể lỏng và thể rắn) có chứa các axit H 2SO4 và HNO3 với pH ≤ 5.5 là mưa axit. Tuy vậy, quy định về giá trị giới hạn của pH ứng với mưa axit có sự khác nhau ở mỗi quốc gia. Ví dụ: ở Mỹ là khi pH ≤ 5.0; ở các nước Ấn Độ, Indonexia, Hàn Quốc, Thái Lan khi pH ≤5.6. Những quy định đối với tính chất nước mưa được đưa ra ở bảng 1.13 Bảng 1.13: Những quy định đối với tính chất nước mưa pH 68 Tính chất Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường 7,0 Mang tính kiềm cao b. Nguyên nhân gây ra mưa axít Nguyên nhân của mưa axit là do trong nước mưa có hòa tan một lượng lớn những khí SO 2, NOx (NO, NO2, N2O). Các khí này khi hòa tan trong nước mưa sẽ tạo ra các axit tương ứng của chúng làm cho pH của nước mưa thấp. Các khí này được phát thải vào trong bầu khí quyển phần lớn do các hoạt động của con người và thường xuất hiện từ hai nguồn chính: - Nguồn điểm: đốt than đá ở các nhà máy nhiệt điện, các nhà máy đúc quặng và công nghiệp chưng cất, các nồi hơi công nghiệp. Nguồn điểm phát thải hầu hết lượng SO 2 và chiếm khoảng 35% lượng NOx do con người tạo ra. Các nhà máy có ống khói cao trên 300m có thể đưa vào khí quyển những lượng khí thải lớn và trong những điều kiện thuận lợi về gió, lượng khí thải này được đưa đi xa hàng nghìn cây số trước khi gieo tai họa về mưa axit cho các quốc gia lân cận. - Nguồn diện chủ yếu là nguồn giao thông đường bộ, do các xe có động cơ gây ra. Chúng phát thải khoảng 30-50% lượng NOx ở các nước phát triển và nhiều chất hữu cơ bay hơi (VOCs) Ngoài ra một lượng lớn sol khí sulfat có nguồn gốc từ biển, đó là các quá trình oxy hóa các hợp chất dimetylsulphit (CH3SCH3). Theo Paudis S.N (1995) những quá trình phát sinh sol khí trong khí quyển gồm: + Sunfua dioxyt (SO2): sinh ra chủ yếu từ quá trình đốt nhiên liệu hóa thạch và phun trào núi lửa. + Sunfua hydro (H2S): sinh ra từ phân hủy sinh học và từ núi lửa + Các bon disunfit (CS2): sinh ra từ phân hủy sinh học + Đimetylsunfit (CH3SCH3) và đimêtylđisunfit (CH3S2CH3) sinh ra từ hoạt động của vi khuẩn và tảo lam, tảo lục nước ngọt. Tổng lượng khí sunfua sinh ra từ các nguồn tự nhiên này ước tính khoảng 50 – 100 Tấn S/năm (Moller, 1984). c. Các ảnh hưởng của mưa axít *) Ảnh hưởng tới các công trình xây dựng Mưa axit làm phá hủy các công trình xây dựng như: ăn mòn đá vôi, đá hoa, vữa xây, làm han gỉ các kim loại sắt thép trong công trình xây dựng, phân hủy sơn, phá hủy các tác phẩm điêu khắc, tượng đài… *) Ảnh hưởng tới đất và cây trồng + Mưa axit thấm xuống đất làm giảm pH đất, tạo điều kiện hòa tan một số kim loại trong đất, đưa chúng từ dạng kém linh động trở lên linh động, ít độc hại trở thành độc hại..thay đổi tính chất đất, ức chế khu hệ vi sinh vật sống trong đất, ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp đến sinh trưởng và phát triển của cây trồng.. 69 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Ví dụ: Đất bị axit hóa làm cho hàm lượng Al linh động (Al 3+) và Mn2+ tăng nhanh gây độc hại cho cây trồng. Các loại cây họ đậu, cây ngũ cốc rất mẫn cảm với hàm lượng nhôm linh động trong đất. Nhiều thí nghiệm cho rằng nếu hàm lượng Al 3+ > 6mg/100g đất sẽ làm giảm đáng kể năng suất. + Mưa axit tác động trực tiếp lên lá thực vật, gây cháy lá, giảm khả năng quang hợp, giảm năng suất cây trồng, thậm chí gây chết. *) Ảnh hưởng tới môi trường nước và động thực vật sống trong nước d. Thực trạng mưa axit Trên thế giới Theo các nhà khoa học thì trận mưa axit đầu tiên đã xuất hiện rất lâu trên Trái Đất, khoảng 65 triệu năm trước nhưng công luận bắt đầu chú ý đến hiện tượng này là từ những năm 60 của thế kỷ XX bởi những hậu quả hết sức nghiêm trọng của nó để lại. Trước tiên hiện tượng mưa axit thường xảy ra ở khu vực có mức độ công nghiệp hoá cao như Châu Âu, Bắc Mỹ. Mức độ axit hóa đất rừng ở nhiều nước Châu Âu trong 50 năm qua đã tăng từ 5 đến 10 lần. Mưa axit trực tiếp gây ra sự thay đổi về lá cây trồng, đặc biệt khi xảy ra hiện tượng mù hoặc mây có lượng axit cao gấp 10 lần nước mưa bình thường. Ở nước Anh, các cơn mưa axit hầu hết diễn ra tại vùng Scotland, độ axit cao gấp 500 lần so với axit trong tự nhiên. Ngay tại thủ đô London, mưa axit đã tàn phá nghiêm trọng các công trình nghệ thuật bằng đá từ thế kỷ thứ 18, 19 như Nghị viện Anh, tu viện Westminter và nhà thờ Saint Paul. Tại Thụy Điển 4.000 hồ không hề có cá; 9.000 hồ bị mất một phần lớn các loài cá đang sinh sống và có tới 20.000 hồ khác cũng bị ảnh hưởng bởi mưa axit. Tại Đức hơn một nửa các cánh rừng của miền Tây nước này bị thiệt hại về lá do tác hại của mưa axit. Năm 1984 khu rừng Đen nổi tiếng của Đức bị mưa axit tàn phá nghiêm trọng. Ở Mỹ, đất nước cho đến nay vẫn là nước phát thải nhiều nhất các khí gây ô nhiễm vào bầu khí quyển thì vào năm 1979, một trận mưa như trút nước xuống khu vực Wheeling (West Virginia, Hoa Kỳ). Trận mưa đó được ghi vào kỷ lục thế giới vì một lý do là trận mưa có nồng độ axit cao nhất trong lịch sử được ghi nhận, nước mưa đó tương đương với dung dịch axit dùng để đổ bình acquy cho xe hơi. Một trận mưa khác ở New England đã có độ pH thấp không kém đã làm lớp vỏ sơn của các xe ô tô đỗ ngoài trời mưa bị ăn mòn trực tiếp và tróc ngay tại chỗ. Đối với khu vực Châu Á, tần số mưa axit cũng tăng lên nhanh chóng. Sự lắng đọng axit đặc biệt cao đã xuất hiện ở Trung Quốc, Đông Bắc Ấn Độ, Thái Lan, Hàn Quốc. Ở Việt Nam Ở Việt Nam, 10 năm trước mưa axit chỉ được phát hiện ở Lào Cai thì đến cuối năm 2002, toàn bộ 9 trạm quan trắc mưa axit trên toàn quốc đều thấy mưa axit. Các điểm quan trắc mưa axit ở phía Nam đều phát hiện mẫu nước mưa có tính axit, đặc biệt tại Biên Hòa, Bình Dương có mưa axit với pH < 4,5. Tại vùng có nhiều rừng và chưa phát triển công nghiệp nhiều như Cúc Phương-Ninh BÌnh, Cà Mau, Nha Trang tần suất xảy ra các trận mưa axit và nồng độ axit trong nước mưa chỉ bằng một nửa. Nhóm nghiên cứu đề tài “Đánh giá hiện trạng mưa axit ở Việt Nam”, do ThS. Trần Thị Diệu Hằng (Viện Khoa học khí tượng thủy văn và môi trường) làm chủ đề tài, đã thu thập số liệu ở 24 trạm quan trắc có quan trắc hóa học nước mưa trên cả nước, cũng thấy mưa axit đang có xu hướng tăng lên, đặc biệt là ở các thành phố lớn như Hà Nội, Việt Trì, Hòa Bình… Việc giám sát lắng đọng axit được thực hiện bởi Trung tâm giám sát lắng đọng axit quốc gia do Viện Khí tượng thủy văn trung ương – trực thuộc Tổng cục Khí tượng thủy văn cũ, nay là Bộ 70 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Tài nguyên và môi trường chủ trì. Từ năm 2000 đến nay, Viện KTTV đã tiến hành giám sát lắng đọng axit tại 2 vị trí theo chương trình thống nhất với mạng lưới lắng đọng axit Đông Á: Trạm khí tượng Hà Nội (loại trạm đô thị): giám sát các thành phần lắng đọng khô và lắng đọng ướt. Trạm môi trường Hòa Bình (loại trạm nông thôn miền núi): giám sát các thành phần lắng động khô và ướt Để hạn chế những thiệt hại do mưa axit gây ra cần sử dụng rộng rãi các công nghệ kiểm soát khống chế ô nhiễm như máy lọc ống hơi (flu – gas serublers) và sử dụng những chất đốt có hàm lượng lưu huỳnh thấp. Người ta đã ước tính được rằng, nếu dùng các công nghệ chống ô nhiễm có thể giảm lắng đọng axit tới ½ lần trong giai đoạn 1990-2020 ở Châu Á, mặc dù mức sử dụng năng lượng có thể tăng lên gấp 3 lần. Phương án lựa chọn chi phí hiệu quả nhất là chấp nhận các biện pháp năng lượng và giảm lượng phát thải. Đây là vấn đề hiện đang được nhiều khu vực trên thế giới quan tâm. Năm 1979, công ước về nhiễm bẩn không khí xuyên biên giới phạm vi rộng (LRTAP) đã được ký kết ở Châu Âu, tiếp theo là Nghị định thư Kyoto về việc giảm phát thải khí nhà kính, nhằm giảm lượng khí SO2 và NOx phát thải vào khí quyển. Ở Việt Nam đã hình thành được mạng lưới gồm 22 trạm quan trắc chất lượng không khí phân bố đều ở các vùng chính của cả nước từ Lào Cai đến đồng bằng sông Cửu Long và với 3 phòng thí nghiệm khu vực được đặt tại Hà Nội, Đà Nẵng và Tp. Hồ Chí Minh. Cùng với 51 trạm quan trắc chất lượng nước sông, mạng lưới đã cung cấp những số liệu cập nhật, tin cậy cho các báo cáo hàng năm về hiện trạng môi trường. 3.1.3. Suy giảm tầng Ozon a. Quá trình quang hoá tạo thành và phân huỷ ôzôn trong khí quyển Ôzôn là một phân tử khí gồm có 3 nguyên tử ôxi, tập trung chủ yếu trong tầng bình lưu ở độ cao 25 km. Nó là một chất khí có vai trò vô cùng quan trọng với khí hậu và HST trên Trái đất, nó như một tấm lá chắn hấp thu các bức xạ cực tím của Mặt trời chiếu xuống Trái đất. Ôzôn được hình thành một cách tự nhiên trong khí quyển trên cao do tác động bức xạ cực tím UVR (Ultra Violet Radiation) của Mặt trời đối với phân tử oxi. Tác động của bức xạ cực tím ở dải sóng 180-240 nm đã làm phá vỡ phân tử oxi tạo thành các nguyên tử oxi theo phương trình: O2 + hv = Oo + Oo Trong đó hv là năng lượng proton của bức xạ Mặt trời. Sau đó oxi nguyên tử lại kết hợp với oxi phân tử để tạo thành phân tử ôzôn theo phản ứng: Oo + O2 + M = O 3 + M Trong đó M là một nguyên tử bất kỳ nào đó có khả năng mang theo nguồn năng lượng thoát ra khi tạo thành ôzôn. Đồng thời với quá trình tạo thành ôzôn là quá trình phân hủy ôzôn do hấp thu bức xạ mặt trời ở dải sóng 280 – 320 nm và do sự va chạm với oxi nguyên tử theo các phản ứng sau: O3 +hv = O2 + Oo O3 + Oo = O2 + O2 Trong tự nhiên quá trình hình thành và phân hủy ôzôn luôn diễn ra song song và cân bằng nhau, hai quá trình này đã ngăn cản được khoảng 99% các tia cực tím chiếu xuống Trái đất. 71 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường b. Nguyên nhân gây suy giảm tầng ôzôn Trong những năm gần đây, các nhà khoa học đã phát hiện nồng độ ôzôn trong khí quyển của Trái đất ở một số nơi đã suy giảm (ví dụ ở Nam cực). Một trong những nguyên nhân suy giảm tầng ôzôn là do sử dụng chất freon, dẫn xuất của halogen với mêtan, êtan; ví dụ, ClFCH2, Cl2F2C…chúng là những khí trơ đối với các phản ứng lý hóa học thông thường nhưng khi được thải vào tầng đối lưu chúng khuếch tán chậm chạp vào tầng bình lưu và ở đây dưới tác dụng của các tia tử ngoại chúng phân ly thành các gốc Cl tự do, mỗi nguyên tử Clo lại phản ứng dây chuyền với hàng trăm ngàn phân tử ôzôn và biến ôzôn thành ôxi, ngăn cản quá trình tái tạo thành ôzôn. Clo + O2 = ClOo + O2 ClOo + O = Clo +O2 Nguyên nhân thứ hai có thể là do Cl 2 hoặc HCl sinh ra từ các quá trình tự nhiên (như hoạt động của núi lửa) hoặc nhân tạo (như hoạt động sản xuất công nghiêp…) trực tiếp đi vào tầng bình lưu và cũng bị phân ly thành các gốc Cl tự do dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời rồi tham gia vào phản ứng phân hủy tầng ôzôn. Ngoài gốc Cl tự do, sự tồn tại của các khí CH 4 hay NOx và các hợp chất hữu cơ hình thành trong phản ứng khói quang hóa trong bầu khí quyển do nguồn gốc tự nhiên hay nhân tạo cũng đều là nguyên nhân gây ra sự phá hủy tầng ôzôn. NO2 + O → 2NO NO + O3 → NO2 + O2 Các máy bay siêu âm bay ở độ cao lớn thải ra nhiều NO x cũng góp phần thúc đẩy quá trình phân hủy tầng ôzôn. c. Hiện trạng suy giảm tầng Ôzôn Tình trạng suy giảm tầng ôzôn xảy ra mạnh mẽ ở nhiều nơi trên thế giới, đặc biệt là vùng hai cực. Tại Nam cực, kể từ khi phát hiện lỗ thủng tầng ôzôn ở đây vào năm 1985, theo số liệu của các cơ quan nghiên cứu quốc tế, kích thước lỗ thủng tầng ôzôn không ngừng tăng lên, đạt 27,2 triệu km 2 vào ngày 3/9/2000. Hiện nay theo NASA kích thước lỗ thủng tầng ôzôn đã ổn định, nhưng nồng độ ôzôn trong lỗ thủng tiếp tục giảm. Tại Bắc cực, từ tháng 12/1999 đến 3/2000 nhiệt độ phần thấp khí quyển (10-20km) ở Bắc cực đã giảm đi 4-5 độ nên quá trình phân hủy tầng ôzôn gia tăng. Trong tháng 1 và 2, tổng lượng ôzôn suy giảm 10-15% tại các vĩ độ cực, từ tháng 2 đến tháng 3 giảm 2025% tại vùng cực thuộc Canada, 30% tại vùng Nam Xibêri. Trên vùng Châu Âu từ Tây Ban Nha tới Ukraina, sự suy giảm tầng ôzôn là 10-12%, trên vùng bắc Mỹ sự suy giảm là 6-10%. d. Ảnh hưởng của suy giảm tầng Ôzôn Ở cường độ thấp vừa đủ, bức xạ tử ngoại của mặt trời có tác dụng có lợi cho sự sống trên Trái đất. Nó có tác dụng diệt khuẩn rất cao và là tác nhân kích thích việc tổng hợp Vitamin D của cơ thể sống. Nhưng ở cường độ lớn thì bức xạ tử ngoại gây hại nghiêm trọng cho sự sống và các hệ sinh thái trên Trái đất. Đối với thực vật, khi tầng ôzôn bị suy giảm, lượng bức xạ cực tím tới Trái đất sẽ ngăn cản quá trình quang hợp, quá trình trao đổi chất, làm chậm tốc độ tăng trưởng của cây trồng như cà chua, rau diếp, đậu Hà lan. Kết quả thực nghiệm theo báo cáo của UNDP cho thấy bức xạ cực tím gia tăng sẽ gây ra rất nhiều các đột biến cho cây trồng, khi nồng độ ôzôn giảm 25% sẽ làm cho sản lượng đậu tương giảm 25%. 72 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Đối với con người, các tác động kể đến đó là làm da bị cháy nắng, gây lão hóa da, làm dày biểu bì, ung thư da, đục thủy tinh thể. Trong thập kỷ vừa qua số người mắc bệnh ung thư ác tính ở các nước nhiệt đới đã tăng lên gấp đôi. Tính toán cho thấy khi nồng độ ôzôn giảm đi 1% sẽ làm cho lượng UV tăng lên 1-2% và làm cho số người mắc bệnh ung thư da tăng lên 2-4% (khoảng 10.000 người/năm). Cục bảo vệ môi trường Mỹ dự đoán rằng trong thế kỷ tới sẽ có thêm 39 triệu người mắc bệnh ung thư da và làm tăng số ca tử vong do bệnh này lên đến con số 800.000 người. e. Bảo vệ tầng Ôzôn Công ước Viên về bảo vệ tầng ôzôn được ký kết năm 1985 gồm 21 điều khoản có mục đích cơ bản là xây dựng sự hợp tác và hành động quốc tế nhằm nghiên cứu tầng ôzôn, bảo vệ tầng ôzôn trước các hoạt động của con người và bảo vệ con người trước sự thay đổi của tầng ôzôn. Ngày 26/1/1994 nước ta đã chính thức phê duyệt và tham gia ký kết Công ước Viên về Bảo vệ tầng ôzôn. Hiện nay một số nước công nghiệp phát triển đã có luật cấm sử dụng khí freon-12 trong công nghiệp làm lạnh. Người Nhật đã chế tạo được khí mới thay thế cho freon12 đó là HFC-134a (tetra fluoroethane – CH2FCF3) không chứa phân tử Clo nên không gây nguy hại cho tầng ôzôn. Nghị định thư Montreal về các chất làm suy giảm tầng ôzôn, được biên soạn năm 1987, đưa ra các biện pháp cụ thể để giải quyết các vấn đề suy giảm tầng ôzôn, đặc biệt là các biện pháp ngừng sản xuất và sử dụng các chất chứa Clo. Hiện nay đã có 191 nước và vùng lãnh thổ phê chuẩn và thực hiện Nghị định thư Montreal. Việt Nam hiện đang nhận một dự án hỗ trợ từ Ngân hàng Thế giới mang tên “Việt Nam loại trừ hoàn toàn các chất tiêu thụ CFC và Halon” và được triển khai từ năm 2006. Và Việt Nam cũng là một trong những nước của khu vực thự hiện tốt và hiệu quả Công ước Viên và Nghị định thư Montreal về bảo vệ tầng ôzôn. 3.2. Ô nhiễm không khí do một số hoạt động phát thải điển hình IV. GIỚI THIỆU MỘT SỐ TIÊU CHUẨN, QUY CHUẨN ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ Một số các tiêu chuẩn: TCVN 5937:2005 Chất lượng không khí – Tiêu chuẩn chất lượng không khí xung quanh TCVN 5938:2005 Chất lượng không khí – Nồng độ tối đa cho phép của một số chất độc hại trong không khí xung quanh TCVN 5939:2005 Chất lượng không khí – Tiêu chuẩn khí thải công nghiệp đối với bụi và các chất vô cơ TCVN 5940:2005 Chất lượng không khí – chuẩn khí thải công nghiệp đối với các chất hữu cơ Một số các quy chuẩn: 1) QCVN 02:2008/BTNMT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải lò đốt chất thải rắn y tế 2) QCVN 05:2008/BTNMT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng không khí xung quanh 3) QCVN 06:2008/BTNMT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về một số chất độc hại trong không khí xung quanh 4) QCVN 19:2009/BTNMT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải công nghiệp đối với bụi và các chất vô cơ 5) QCVN 20:2009/BTNMT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải công nghiệp đối với một số chất hữu cơ 73 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường 6) QCVN 21:2009/BTNMT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải công nghiệp sản xuất phân bón hóa học 7) QCVN 22:2009/BTNMT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về khí thải công nghiệp dệt 8) QCVN 26:2010/BTNMT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về tiếng ồn 9) QCVN 27:2010/BTNMT, Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về độ rung 74 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường CHƯƠNG II – Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC 1. ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN CỦA MÔI TRƯỜNG NƯỚC Nước ở 4oC có tỷ trọng lớn nhất, khi nhiệt độ thay đổi, tỷ trọng của nước giảm làm cho khối nước nhẹ hơn và di chuyển lên trên bề mặt nước. Đây là nguyên nhân dẫn tới các dòng thăng (dòng trồi) và dòng giáng (dòng lặn). Tỷ trọng của nước ở các nhiệt độ khác nhau được cho bởi bảng sau: Bảng 2.1. Biến động tỷ trọng của nước phụ thuộc nhiệt độ Nhiệt độ oC Tỷ trọng g/cm3 Nhiệt độ oC Tỷ trọng g/cm3 Nhiệt độ oC Tỷ trọng g/cm3 0 0,9998679 1 0,9999267 11 0,9996328 21 0,9980210 2 0,9999679 12 0,9995247 22 0,9977993 3 0,9999922 13 0,9994040 23 0,9975674 4 1,0000000 14 0,9992712 24 0,9973256 5 0,9999919 15 0,9991265 25 0,9970739 6 0,9999681 16 0,9989701 26 0,9968128 7 0,9999295 17 0,9988022 27 0,9965421 8 0,9998762 18 0,9986232 28 0,9962623 9 0,9998088 19 0,9984331 29 0,9959735 10 0,9997277 20 0,9982323 30 0,9956756 1.1. Đặc điểm của nước ngầm Việt Nam là quốc gia có nguồn nước ngầm khá phong phú về trữ lượng và khá tốt về chất lượng. Nước ngầm tồn tại trong các lỗ hỏng và các khe nứt của đất đá, được tạo thành trong giai đoạn trầm tích hoặc do thẩm thấu, thấm của nguồn nước mặt, nước mưa… nước ngầm có thể tồn tại cách mặt đất vài trăm mét. Nước ngầm là nước có trong các lớp thấm dưới mặt đất. Hình dưới đây mô phỏng quá trình lưu trữ nước dưới các lớp đất sau mưa. Nước dưới đất tồn tại ở hai tầng: tầng không bão hoà và tầng bão hoà (phần lấp đầy các khe rỗng), nước ngầm tồn tại ở trạng thái tự do. Tốc độ thấm khác nhau tuỳ theo loại vật chất của lớp đất dưới tầng đất mặt: tốc độ dòng chảy qua các hạt cát là thường từ 1 đến 5 m/ngày, qua sỏi 6 – 10 m/ngày và qua đất thịt và sét tốc độ thấm chỉ khoảng vài mm hoặc cm/ngày. Chất lượng nước ngầm ví dụ như loại và hàm lượng chất hoà tan được xác định bằng một số tính chất của đất, tốc độ thấm cũng như thời gian và độ sâu. 1.1.1. Thành phần của nước ngầm Đo đạc chất lượng nước ngầm đóng vai trò quan trọng trong việc xác định chất lượng nước. Yêu cầu chất lượng phụ thuộc vào dự định và các mục đích sử dụng như nước uống, nước công nghiệp, nước tưới. Mở rộng ra có thể sử dụng nguồn nước ngầm cho các mục đích khác hoặc các hoạt động phụ thuộc vào thành phần tự nhiên của nước ngầm và từ các ảnh hưởng do hoạt động sản xuất của con người. Trạng thái vốn có của nước ngầm trong tự nhiên chứa các dạng khí bị hoà tan như O2, CO2, CH4, các ion vô cơ như Ca, Mg, Na, K, Cl, NO 3, SO4, HCO3, các thành phần hữu cơ như humic, fulvic và amino axít, và khoảng rộng các dạng chất vô cơ khác tồn tại dưới dạng vết. Nói chung, các tính chất hoá học của nước ngầm sẽ phản ánh tính chất khoáng vật học của lớp đá 75 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường trong địa tầng. Khí CO2 bị hoà tan trong nước mưa và thâm nhập qua đất, hình thành một axít yếu phản ứng với các khoáng trong các lớp địa tầng dưới sâu. Trong các địa tầng có chứa các khoáng cacbonát (đá vôi hoặc đá cát cácbonát) những khoáng này sẽ bị hoà tan để giải phóng ra Ca, Mg và HCO3- trong nước ngầm. Nước ngầm trong các địa tầng ở hơi chua không chứa các khoáng cacbonát, lượng oxy hoà tan ban đầu tồn tại trong lớp nước ngầm phía trên có thể bị loại bỏ bằng sự xuất hiện các phản ứng sinh hoá dưới các tầng sâu, điều này dẫn đến các địa tầng thiếu khí một cách tự nhiên. Các quá trình này có thể ảnh hưởng đến nồng độ của Ca, Mg, K, Na và SO 42- thông qua các phản ứng như: trao đổi ion b, sự khử SO 42- của vi khuẩn, sự ôxi hoá FeS, và sự hoà tan của CaSO4 trong địa tầng. Nước ngầm cũng bao gồm nhiều thành phần muối, nồng độ tăng theo chiều sâu và nồng độ của các thành phần bị hoà tan tăng không đổi bởi sự hoà tan khoáng liên tục. Kết tủa Khu vực không bão hoà Mao quản Mặt nước ngầm Nước không bị giữ Lớp không thấm Nước bị giữ Lớp không thấm Nền đá cứng Hình 2.1. Cấu trúc và đặc tính của tầng nước ngầm Chất lượng nước ngầm được đánh giá thông qua đo đạc các thành phần của nước, kết quả sẽ thể hiện tính bền vững đối với các hoạt động của con người và các mục đích sử dụng khác. Các chỉ tiêu phân tích bao gồm xác định các chỉ tiêu pH, tổng chất rắn hoà tan, độ dẫn điện, các muối vô cơ như đã được đề cập trước đó. Phân tích các thành phần hoá học có thể kiểm tra tính chính xác thông qua cân bằng ion, bằng cách so sánh nồng độ của các cation và anion biểu diễn bằng li đương lượng trên lít (meq l-1). Thành phần của mẫu nước được đo đạc trên cơ sở cân bằng hoá học, tính bằng số lượng và dấu điện tích của các cation và anion. Mẫu nước nên được trung hoà và nồng độ đương lượng meq l-1 của các cation và anion cũng nên cân bằng. Sự sai lệch trong khi cân bằng ion có thể cho thấy sai số trong quá trình lấy mẫu hoặc trong quá trình phân tích. 76 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Đồ thị để diễn tả các thành phần của nước ngầm nên sử dụng các dạng đồ thị dạng thanh đứng, dạng mảng, và dạng tam giác. Đồ thị dạng tam giác đặc biệt hữu ích đối với sự phân loại chất lượng nước ngầm. Đối với các nghiên cứu đầy đủ về chất lượng nước ngầm liên qua đến sự quan trắc chất lượng và biện pháp khắc phục các địa tầng bị nhiễm bẩn, cần yêu cầu bổ xung thêm một số phân tích đặc biệt, chú trọng vào việc xác định các dạng bị hoà tan bao gồm một khoảng rộng các chất hữu cơ tự nhiên hay tổng hợp, vi khuẩn, xạ khuẩn, các sản phẩm hữu cơ và vô cơ từ qúa trình phân huỷ của vi sinh vật có thể tồn tại trong các địa tầng bị nhiễm bẩn. Bảng 2.2. Nồng độ một số nguyên tố chính trong nước ngầm (mg/l) Loại nước ngầm tồn tại trong một số loại đá Thông số Đá biến chất Đá cát kết Đá cacbonát Đá thạch cao Đá cát mặn Na+ 5-15 3-30 2-100 10-40 - 1000 K+ 0,2-1,5 0,2-5 -1 5-10 - 100 Ca2+ 4-30 5-40 40-90 - 100 - 1000 Mg2+ 2-6 0-30 10-50 - 70 - 1000 Fe2+ -3 0,1-5 - 0,1 - 0,1 -2 Cl- 3-30 5-20 5-15 10-50 - 1000 NO3- 0,5-5 0,5-10 1-20 10-40 - 1000 HCO3- 10-60 2-25 150-300 50-200 - 1000 SO42- 1-20 10-30 5-50 - 100 - 1000 SiO3 - 40 10-20 3-8 10-30 - 30 Ghi chú: a-b: giá trị dao động trong khoảng từ a đến b -a: giá trị dao động từ 0 đến a Nước ngầm dưới các tầng đất chứa ít cation kiềm thường tồn tại dưới các dạng sau: a. Chủ yếu ở dạng CO32- b. HCO3- và SO42- c. Chủ yếu ở dạng SO42- Nước ngầm dưới các tầng đất chứa nhiều cation kiềm d. Chủ yếu ở dạng HCO3- e. Chủ yếu ở dạng SO42- Nước có tính kiềm 77 f. Chủ yếu ở dạng HCO3- g. Chủ yếu ở dạng SO42- và Cl- Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Hình 2.2. Giản đồ Piper để phân loại nước dựa trên cơ sở thành phần hóa học 1.1.2. Sự nhiễm bẩn nước ngầm Sự nhiểm bẩn các địa tầng bởi các chất vô cơ và hữu cơ gây ảnh hưởng tới chất lượng nguồn nước ngầm trong một thời gian dài. Các chất bẩn đi vào nước ngầm từ các hoạt động của con người và có thể thay đổi nồng độ từ nguồn nước ngầm này sang nguồn nước ngầm khác phụ thuộc vào mật độ của các nguồn gây ô nhiễm. Các chất nhiễm bẩn được phân nhóm như sau: nhóm nuclit phóng xạ, các nguyên tố vết, các chất dinh dưỡng, các dạng chất vô cơ khác, các chất nhiễm bẩn hữu cơ, các chất nhiễm bẩn vi sinh vật. Một khoảng rộng các chất nhiễm bẩn đi vào nước ngầm từ các nguồn thải đô thị từ các cống thải và chảy tràn. Từ các hoạt động sản xuất nông nghiệp như sử dụng phân bón, hoá chất bảo vệ thực vật, phế thải là những nguồn chính khuếch tán NO 3- và các thành phần hữu cơ vào nước ngầm. Các chất nhiễm bẩn ở dạng hoá chất hữu cơ tổng hợp, phụ thuộc vào các nguồn thải khác nhau mà thành phần các chất có thể khác nhau đến hàng nghìn lần. Sự thay đổi chất lượng nước có thể xem xét là do sự phụ thuộc vào các tính chất thổ nhưỡng và địa chất vốn có trong đất. Thay đổi các điều kiện tự nhiên của lớp đá dưới tầng sâu dẫn đến hình thành các vùng có chất lượng nước đặc biệt. Những nhóm này có thể dễ dàng nhận ra trong biểu đồ dạng tam giác dưới đây. Có rất nhiều nguyên nhân gây nên nhiễm bẩn nước ngầm, đặc biệt là các lớp nước phía trên. Một trong nhưng nguyên chính gây nhiễm bẩn nước ngầm là thói quen sử dụng. Đối với hệ thống nước cấp cộng đồng thì nguồn nước ngầm luôn luôn là nguồn nước được ưa thích. Bởi vì, các nguồn nước mặt thường bị ô nhiễm và lưu lượng khai thác phải phụ thuộc vào sự biến động theo mùa. Nguồn nước ngầm ít bị chịu ảnh hưởng bởi các tác động của môi trường và con người. Chất lượng nước ngầm tốt hơn nhiều so với nước mặt. Trong nước ngầm hầu như không có các hạt keo hay hạt lơ lửng , và vi sinh, vi trùng gây bệnh thấp. Các nguồn nước ngầm hầu như không chứa rong tảo, một trong những nguyên nhân gây ô nhiễm nguồn nước. Thành phần đáng quan tâm trong nước ngầm là các tạp chất hòa tan do ảnh hưởng của điều kiện địa tầng, thời tiết, nắng mưa, các quá trình phong hóa và sinh hóa trong khu vực. Ở những vùng có điều kiện phong hóa tốt, có nhiều chất bẩn và lượng mưa lớn thì chất lượng nước ngầm dễ bị ô nhiễm bởi các tạp chất hữu cơ Chất lượng nước ngầm phụ thuộc vào cấu trúc địa tầng mà nước thấm qua. Do vậy nước chảy qua các tầng địa tầng chứa cát hoặc granit thường có tính axit và chứa ít chất khoáng. Khi 78 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường chảy qua địa tầng chứa đá vôi thì nước thường có độ cứng và độ kiềm hydrocacbonat khá cao. Ngoài ra, các đặc trưng chung của nước ngầm là: • Nước tầng nông có trữ lượng thấp, không áp, dễ bị nhiễm bẩn. Và ngược lại đối với tầng sâu trữ lượng cao, có áp và khả năng bị nhiễm bẩn thấp hơn • Độ đục thấp; • Nhiệt độ và thành phần hoá học tương đối ổn định; • Nước ngầm thường không có ôxy hòa tan, nhưng có nhiều CO 2 H2S, và các chất hòa tan (sắt, mangan, acsen, magie, flo...) • pH nước ngầm khá thấp, thường dao động từ 3 – 6 • Không có sự hiện diện của vi sinh vật. • Sự có mặt của một số thành phần ô nhiễm của nguồn nước ngầm nơi đó (hàm lượng phốtpho, nitơ, E.coli….) 1.2. Đặc điểm của nước mặt Nước mặt dùng để chỉ các loại nước lưu thông hoặc chứa trên bề mặt lục địa, mặt nước tiếp xúc với không khí: nước sông, suối, ao, hồ… Thành phần hóa học của nước mặt phụ thuộc vào tính chất đất đai nơi mà dòng nước chảy qua đến các thủy vực, chất lượng nước mặt còn chịu ảnh hưởng bởi các quá trình tự nhiên (mưa lũ, hoạt động sống và chết đi của hệ sinh vật nước,…) cũng như hoạt động của con người. Trên cùng một con sông, chất lượng nước thường xuyên thay đổi đáng kể theo thời gian và không gian. Nước chảy vào các sông luôn ở trạng thái động, phụ thuộc vào lưu lượng và mùa trong năm. Chất lượng nước phụ thuộc nhiều vào các lưu vực. Nước qua vùng đá vôi, đá phấn thì nước trong và cứng. Nước chảy qua vùng đá đất có tính chất thấm kém thì đục và mềm. Các hạt mịn hữu cơ bị cuốn theo khó sa lắng. Nước chảy qua rừng rậm nước trong và chứa nhiều chất hữu cơ hoà tan. Nước cứng thường giàu các ion canxi và magiê, pH cao (thường lớn hơn 7). Nước có pH thấp hơn 7 thường là nước mềm. Khi chảy qua các lưu vực sông ở đồng bằng, nước có nhiều phù sa và tạp chất hữu cơ (humic), một số tạp chất chứa kim loại đặc biệt là nhôm và sắt. Nước ở vùng này có độ mặn cao. điển hình nhất là nước ở lưu vực sông Hồng vào mùa mưa. Nước ở ao hồ, đầm phá về mùa mưa được bổ sung và chảy tràn, về nguyên tắc có thể coi là dòng chảy chậm, thời gian lưu lớn. Nước này có độ đục thấp, hàm lượng chất hữu cơ thấp, thường được sử dụng làm nước sinh hoạt. Trường hợp nước ở các thuỷ vực này lưu quá lâu có thể xảy ra hiện tượng phát triển của rong tảo làm giảm chất lượng nguồn nước. Các loài thuỷ thực vật phát triển khi chết, bị phân rã làm ô nhiễm nước. Ở đây chưa kể tới các loài rong tảo có độc tính gây bệnh cho người và động vật. 1.2.1. Độ truyền quang của ánh sáng vào môi trường nước Ở một ngày trong lành, cường độ bức xạ mặt trời gia tăng từ 0 trước lúc bình minh và đạt cực đại vào lúc giữa trưa (14:00-16:00). Quá trình quang hợp của thực vật thủy sinh gia tăng khi cường độ bức xạ mặt trời gia tăng và sẽ giảm khi cường độ bức xạ mặt trời giảm. Khi chiếu tới mặt nước ánh sáng không hoàn toàn xâm nhập vào cột nước mà một phần bị phản xạ lại không khí. Khả năng xâm nhập của ánh sáng vào môi trường nước phụ thuộc vào tính phẳng lặng của mặt nước và góc tới của tia sáng so với mặt nước. Những tia sáng chiếu gần thẳng góc với mặt nước sẽ xâm nhập vào nước nhiều nhất. Cường độ ánh sáng sẽ giảm khi xuyên qua cột nước vì bị phân tán và hấp thu bởi cột nước. Đối với nước tinh khiết, chỉ 53% cường độ ánh sáng biến đổi thành nhiệt và triệt tiêu khi xuyên qua một mét nước đầu tiên của cột nước. Các tia sáng có bước sóng dài (đỏ, cam) và ngắn (hồng ngoại, tím) thì bị triệt tiêu nhanh hơn các tia sáng có bước sóng trung bình (lục, lam và 79 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường vàng). Nước thiên nhiên có nhiều tạp chất ngăn cản quá trình xâm nhập của ánh sáng vào môi trường nước. Quá trình quang hợp của thực vật thủy sinh không thể thực hiện được khi cường độ ánh sáng thấp hơn 1%. Độ sâu tối đa mà tảo và thực vật thủy sinh khác có thể phát triển được xác định thông qua cường độ áng sáng. Tầng nước nhận được hơn 1% cường độ ánh sáng được gọi là tầng ánh sáng hay tầng quang hợp (photic layer). Nước trong ao nuôi tôm, cá thường đục do thực vật phù du phát triển mạnh nên tầng ánh sáng của nó thường thấp. Giá trị này thông thường vào khoảng hai đến ba lần so với độ sâu xác định được bằng đĩa Secchi. Theo Boyd (1990) thì tầng ánh sáng thường gấp đôi độ trong của nước đo bằng đĩa Secchi. Cường độ ánh sáng trên mặt nước thay đổi theo mùa và tỉ lệ mây che phủ, độ ẩm không khí và độ sâu của nước. Ở độ sâu mà ánh sáng có thể xâm nhập được thì quang hợp vẫn có thể xảy ra. Sinh vật quang hợp bao gồm tảo lơ lửng trong nước hay thực vật nổi, tảo bám hay tảo có rễ, các thực vật thủy sinh bậc cao hay thực vật lớn. Tỉ lệ ánh sáng giảm đi theo độ sâu phụ thuộc vào thành phần lơ lửng có khả năng hấp thụ ánh sáng (là hợp chất hữu cơ trong nước thải, tảo và cặn). Phần trăm ánh sáng bị hấp thụ hay tán xạ trong cột nước có chiều vào 1 m được gọi là hệ số tiêu thụ ánh sáng kí hiệu là k. Hồ thường có giá trị k thấp, sự xâm nhập ánh sáng tốt khi k cao. Hình sau mô tả sự suy giảm ánh sáng theo độ sâu của hai hồ với hệ số tiêu thụ ánh sáng là 0.2 và 0.9/m. Khi quang hợp phụ thuộc vào ánh sáng thì sự thay đổi khả năng xâm nhập của ánh sáng vào trong hồ sẽ ảnh hưởng trực tiếp và gián tiếp đến các hoạt động sinh học và hóa học. Chắc chắn là độ trong của hồ phụ thuộc rất lớn vào các hoạt động của con người, thường xuyên nhất là hoạt động sử dụng đất trong lưu vực của hồ. Hình 2.3. Sự suy giảm ánh sáng theo chiều sâu (k = 0,2 m-1) và đục (k = 0,9 m-1) Mức độ hấp thụ ánh sáng của nước ở độ sâu x được tính theo công thức sau: % hấp thụ = 100 (Io – Ix)/Io Trong đó: Io = Cường độ bức xạ trước khi xâm nhập vào mặt nước Ix = Cường độ bức xạ tại độ sâu x Độ hấp thụ khởi đầu được sử dụng để nghiên cứu sự xâm nhập của ánh sáng đơn sắc, nhưng khái niệm này được mở rộng cho tổng bức xạ. Lượng ánh sáng xâm nhập vào độ sâu x nào đó được tính bằng phương trình Lambert: Ix = Ioe-kx LnIo = LnIx - Kx 80 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Trong đó: Kx = Hệ số mất đi khi đi xuống độ sâu x 1.2.2. Sự phân tầng của thủy vực Hình 2.4. Sự phân tầng theo nhiệt độ của một hồ sâu Đối với các thủy vực tự nhiên, đặc biệt là các thủy vực nước tĩnh, sự phân tầng thường xảy ra khi có sự chênh lệch về nhiệt độ giữa các độ sâu đáng kể. Do tác động của gió, sóng… nhiệt độ từ mặt nước được truyền xuống sâu (1m đến vài trăm m) hình thành một tầng khá đồng nhất về nhiệt độ gọi là tầng mặt (surface mixed layer - Epilimnion). Từ độ sâu 200 – 300 m, nhiệt độ bắt đầu giảm mạnh cho đến không quá 1000m, tầng nước này gọi là tầng giữa (Thermocline), nhiệt độ có thể giảm đi 20oC khi đi qua tầng này. Sau khi đi qua tầng trung gian, nhiệt độ có thể giảm chậm hoặc ổn định, gọi là tầng đáy (Hypolimnion). Sự phân tầng ngăn cản quá trình xáo trộn và trao đổi nhiệt trong tầng nước về mặt vật lý do đó làm giảm hàm lượng dinh dưỡng trên tầng mặt, ngăn cản sự trao đổi vật chất trong môi trường nước theo độ sâu. Về mặt sinh học, sự phân tầng giới hạn không gian sống, làm giảm năng suất sinh học đối với các thủy vực sản xuất. Tuy nhiên trong tự nhiên có nhiều nguyên nhân có thể phá vỡ sự phân tầng (xáo trộn – overturn): • Thay đổi nhiệt độ • Gió/bão/mưa to • Dòng chảy của nước/di chuyển của sinh vật Khi nhiệt độ nước ở tầng mặt thay đổi (giảm dần đến 4 oC hoặc tăng lên đến 4oC), lúc này tỉ trọng nước tầng mặt cao chúng sẽ chìm xuống và nước ở tầng dước nhẹ hơn sẽ nổi lên gây nên hiện tượng phá vỡ phân tầng. Tùy theo từng vùng trên trái đất mà sự phân tầng và phá vỡ phân tầng diễn 1 lần hay nhiều lần trong năm. Có thể chia sự phân tầng thành các kiểu sau: • Amictic - bị phủ bởi lớp băng vĩnh cửu trên bề mặt, không có hiện tượng phá vỡ phân tầng. • Oligomictic – các hồ cạn ở vùng xích đạo hầu như ít xảy ra hiện tượng phân tầng hoặc thủy vực lạnh nước • Monomictic – phân tầng và phá vỡ phân tầng một lần trong năm vào mùa lạnh ở vùng nhiệt đới và cận nhiệt đới vào mùa ấm ở vùng cực • Dimictic – phân tầng và phá vỡ phân tầng đều đặn hai lần trong năm ở các hồ vùng ôn đối vào mùa xuân và mùa thu • Polymictic – các thủy vực cạn thường xuyên xảy ra sự phân tầng và phá vỡ phân tầng (thường xảy ra theo chu kỳ ngày đêm). Sau đây giới thiệu quy luật phân tầng và xáo trộn của hai dạng hồ thường gặp: 81 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường + Hồ phân tầng kiểu polymictic Kiểu phân tầng và phá vỡ phân tầng polymictic xảy ra đối với các ao, hồ nông. Đối với các đối tượng ao, hồ kiểu này, sự phân tầng không tồn tại trong suốt giai đoạn mùa hè mà thường chỉ tồn tại trong một khoảng thời gian rất ngắn trong mùa hè. Hồ xuất hiện nhiều lần phân tầng và phá vỡ phân tầng ngay trong một khoảng thời gian ngắn. Kiểu phân tầng này xuất hiện ở các hồ nông cũng như các hồ có độ đục hoặc mật dộ thực vật cao, là những nhân tố dẫn tới tăng nhiệt độ cục bộ trên tầng mặt vào ban ngày. Hình 2.5. Đặc điểm phân tầng kiểu polymitic trong các ao cạn + Hồ phân tầng kiểu dimictic Mùa xuân: Tronng các hồ nhiệt đới (vùng trung đông, vùng á nhiệt đới có một mùa lạnh, vùng thời tiết có 4 mùa rõ rệt), nước ở gần đáy thường xuyên vào khoảng 4°C trước khi băng bao phủ mặt hồ vào mùa xuân. Nước ở tầng trên lạnh hơn 0°C ngay dưới lớp băng. Khi thời tiết ấm lên, băng tan. Nước mặt nóng lên và khi đó nó giảm tỉ trọng. khi nhiệt độ của nước mặt cân bằng với nước tầng đáy, một ít gió là cần thiết để xảy ra quá trình xáo trộn nước hồ hoàn toàn, đó được gọi là Sự quay vòng. Sau đợt quay vòng mùa xuân, nước tầng mặt tiếp tục hấp thụ nhiệt và nóng lên. Khi nhiệt độ tăng cao, nước trở nên nhẹ hơn so với nước bên dưới. Khi có gió, nước hồ được đảo trộn từ dưới lên trên, nhưng cuối cùng là nước ở tầng trên trở lên quá ấm và quá nhẹ để hòa trộn hoàn toàn với nước nặng hơn ở bên dưới. Trong một số trường hợp, quá trình này có thể xảy ra với các hồ băng vào tháng 4, nước mặt ấm lên nhanh chóng do băng tan, nhưng do nhiều nguyên nhân nên nước trong hồ không được đảo trộn. Điều này làm cho oxy khí quyển không được cung cấp cho tầng đáy, quá trình yếm khí xảy ra nghiêm trọng vào tháng 5. Hình 2.6. Chu kỳ phân tầng theo nhiệt độ của một hồ kiểu dimictic Mùa hè: Trong mùa hè, sự chênh lệch về nhiệt độ và tỉ trọng giữa nước tầng mặt và tầng đáy càng rõ ràng. Đối với những hồ sâu thì sự phân tầng phổ biến thường tạo ra ba tầng: trên, giữa 82 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường và đáy (hình 4). Tầng trên là tầng nông nhất, ấm, có sự hòa trộn tốt. Bên dưới là tầng giữa hay tầng biến nhiệt, là một tầng nước có sự giảm nhiệt độ nhanh theo chiều sâu. Tầng đáy nằm dưới đáy hồ, là tầng nước lạnh hơn, được ngăn cách với tầng trên bằng tầng biến nhiệt. Sự thay đổi tỉ trọng của tâng trên là hoạt động vật lý tự nhiên xảy ra vài lần trong suốt mùa hè. Độ sâu xảy ra hòa trộn phụ thuộc vào phần mặt hồ có khả năng nhận gió, nhưng nó gần bằng kích thước của hồ. Hồ nhỏ và vừa (50 – 1000 a) có thể có độ sâu hòa trộn là 3 – 7 m với khí hậu nhiệt độ phía bắc. Những hồ rộng hơn thì có độ sâu hòa trộn là 10 – 15 m vào mùa hè. Mùa thu: Khi thời tiết lạnh hơn trong mùa thu, nhiệt độ của tầng trên thấp đi làm chênh lệch nhiệt độ giữa hai tầng giảm (hình). Sau thời gian này, gió lớn làm hộ sâu xáo trộn của hồ tăng lên và tầng đẳng nhiệt bị đẩy lùi xuống dưới. Khi nước tầng mặt và tầng đáy có nhiệt độ và tỉ trọng của nước gần như nhau, gió mùa thu có thể gây ra sự xáo trộn trên toàn bộ hồ; hồ khi đó có thể được gọi là "turn over". Khi không khí lạnh đi, tầng nước mặt có nhiệt độ thấp hơn không khí. Mùa đông: Phía trên cùng của một hồ á nhiệt đới luôn có một lớp băng, lớp băng tồn tại suốt mùa đông giữ cho tình trạng phân tầng ổn định trong thời gian này. 1.2.3. Phân vùng tự nhiên trong thủy vực Trong các thủy vực lớn tùy theo độ sâu và tùy theo khoảng cách với vùng bờ mà môi trường có đặc tính khác nhau. Dựa vào đặc tính vật lý của môi trường nước, có thể chia thủy vực: Theo chiều thẳng đứng • Tầng mặt là tầng đối lưu, đây là vùng có sự chuyển động của nước theo chiều thẳng đứng. • Tầng giữa hay là tầng biến nhiệt (thermocline), đây là ranh giới giữa tầng nước mặt có nhiệt độ cao và tầng đáy có nhiệt độ thấp. Vì vậy, nhiệt độ trong tầng biến nhiệt giảm rất nhanh theo độ sâu • Tầng dưới là tầng nước có nhiệt độ thấp và ổn định • Vùng sáng được giới hạn từ mặt nước đến độ sâu có cường độ ánh sáng 1%, vùng này còn được gọi là vùng quang hợp (photic zone) vì thực phù du phát triển và hiện tương quang hợp xảy ra. • Vùng tối được giới hạn từ độ sâu có cường độ ánh sáng 1% đến đáy thủy vực. Độ sâu cân bằng giữa quang hợp và hô hấp (compensation depth) chính là ranh giới giữa vùng sáng và vùng tối. Theo chiều ngang • Vùng trên triều (Supralittoral): là phần đất phía trên cao hơn mức triều cực đại, bao gồm đất canh tác, đất tự nhiên phủ bởi hệ thực vật hoang dại, các đầm nuôi trồng thủy sản. Hoạt động của con người lên tiểu vùng này rất mãnh liệt nhằm cải tạo đất, phát triển nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản. • Vùng triều là là vùng ngập nước theo chu kỳ, nơi tập trung của các cây rừng ngập mặn hoặc các bãi bùn, bãi cát bằng phẳng. Đây là nơi sinh sống của các sinh vật thích nghi với lối sống nửa nước nửa cạn. Điều kiện sống vùng này tương đối khắc nghiệt nhưng do đa dạng về môi trường sống nên sinh vật vùng triều rất đa dạng, đặc biệt đa dạng về kiểu gen. • Vùng khơi là vùng ngập nước thường xuyên, vùng này chiếm diện tích lớn nhất. Khối nước và nền đáy là nơi sinh sống và phát triển của các loài sinh vật biển. Tuy nhiên, trong thực tế phân vùng theo không gian của thủy vực chỉ mang tính chất tương đối hoặc tạm thời, do nhiều nguyên nhân khác nhau: chênh lệch nhiệt độ, độ mặn, sóng, gió, thủy triều, di chuyển của sinh vật… khối nước luôn chuyển động ngay cả khi không có sự trao đổi nước từ các hệ thống khác. Nước chuyển động thúc đẩy quá trình trao đổi oxy, điều hòa nhiệt độ, ổn định 83 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường nồng độ các chất hòa tan và phân tán sản phẩm bài tiết của sinh vật tránh nhiễm bẩn cục bộ hoặc thiếu oxy cục bộ. Các dạng chuyển động của nước là: • Dòng đối lưu (do nhiệt độ) • Dòng chảy (do địa hình) • Sóng (do gió, thủy triều) • Nhiễu loạn (turbulence) • Nước trồi (upwelling) • Nước lặn (Downwelling) Dòng nước ngọt trải lên trên lớp nước biển có tỉ trọng cao hơn tạo thành nêm nước mặn. Nơi này cũng là nơi “nước mặn ra” hoặc là nơi kết tụ của các hạt phù sa từ sông đem tới. Hình 2.7. Quá trình nêm nước mặn, một dạng nước trồi vùng cửa sông Tóm lại, nước mặt có một số điểm đặc trưng sau đây: • Trong nước thường xuyên có các chất khí hòa tan, chủ yếu là ôxy. Ôxy hòa tan trong nước có ý nghĩa quan trọng đối với đời sống của các thủy sinh vật. • Nước mặt thường có hàm lượng chất rắn lơ lửng đáng kể với các kích thước khác nhau, một số trong chúng có khả năng lắng tự nhiên, chất lơ lửng có kích thước hạt keo thường gây ra độ đục của nước sông, hồ. • Chứa nhiều vi sinh vật. • Chất lượng nước thay đổi theo mùa • Bị ảnh hưởng mạnh mẽ bởi hoạt động hai bên bờ của con người (các hoạt động công nghiệp, nông nghiệp, sinh hoạt...) Bảng 2.3. Một số đặc điểm khác nhau giữa nước ngầm và nước mặt Thông số Nước ngầm Nước mặt Nhiệt độ Tương đối ổn định Thay đổi theo mùa Chất rắn lơ lửng Rất thấp, hầu như không có Thường cao, thay đổi theo mùa Chất khoáng hòa tan Ít thay đổi, thường cao hơn Thay đổi tùy thuộc chất lượng đất, nước mặt lượng mưa Hám lượng Fe2+, Mn2+ Thường xuyên có trong nước 84 Rất thấp Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Khí CO2 hòa tan Có nồng độ cao Thấp hoặc không có Khí O2 hòa tan Không có Gần như bão hòa Khí NH3 Thường có Có khi bị ô nhiễm Khí H2S Thường có Không có SiO2 Thường có ở nồng độ cao Trung bình NO3- Thường có ở nồng độ cao Rất thấp Vi sinh vật Thường có VSV sử dụng sắt Thường có VSV, virút, sinh vật nổi Độ đục Ít hoặc không thay đổi Thay đổi theo mùa Clo Có vùng có, vùng không Khu vực bị nhiễm mặn Nước biển là dạng nước mặt đặc biệt có độ mặn rất cao. Hàm lượng muối trong nước biển thay đổi tuỳ theo vị trí địa lý: khu cửa sông, gần hay xa bờ. Ngoài ra nước biển thường có nhiều chất lơ lửng, chủ yếu là các phiêu sinh động - thực vật. Trong nước biển ngoài nước tinh khiết còn có các muối hòa tan, các chất khí khí quyển hòa tan, các hợp chất hữu cơ và các hạt lơ lửng không hòa tan. Nhờ bốc hơi và giáng thủy, nước trên mặt đất, nước tự nhiên ở trong trạng thái tuần hoàn liên tục. Trên đường hành trình từ lục địa vào đại dương, nước được bổ sung mỗi năm 5,4 tỷ tấn chất tan, các muối từ đất đá lục địa. Đại dương trong quá trình lịch sử địa chất lâu ngày càng phong phú thêm về muối. Bảng 2.4. Thành phần nguyên tố cơ bản của nước biển Anion g/kg Cation g/kg Cl- 19.345 0 Na+ 10.752 K+ 0.390 Br- 0.0660 F- 0.0013 2- SO4 - HCO3 2.7010 0.1450 Mg2+ Ca Sr 2+ + 1.295 0.416 0.013 Trung bình trong 1kg nước biển có 35g muối (trong nước sông khoảng 0,17g) tức khoảng 35‰ và chỉ một số biển với những điều kiện đặc biệt khối lượng muối trong 1kg nước biển mới đạt đến 40g (40‰). Bảng dưới cho thấy thành phần muối cơ bản của nước biển với độ muối 35‰. Như vậy là kể cả oxy và hydro, trong nước biển có 13 nguyên tố có mặt với khối lượng đáng kể nhất, chúng được gọi là những nguyên tố cơ bản trong thành phần hóa học của nước biển. Những nguyên tố khác – người ta cho rằng đó là hầu hết các nguyên tố còn lại của bảng tuần hoàn có mặt trong nước biển với khối lượng nhỏ hơn 3mg trong 1kg nước biển, tức là nhỏ hơn 1‰ độ muối 85 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Bảng 2.5. Thành phần hoá học của nước trong nước mặt tự nhiên Thành phần Ký hiệu Nước biển Nước sông, hồ đầm Cl- 19340 8 Các ion chính (mg/l) Clo Natri + Na 10770 6 Sunphat SO4 2- 2712 11 Magie Mg2+ 1290 4 Canxi Ca2+ 412 15 + 399 2 Kali K Bicacbonat HCO3- 140 58 Bromua Br- 65 - 9 - Stronti Sr 2+ Các nguyên tố vi lượng (µg/l) Silic Si 5000 13100 Bo B 4500 10 Flo F 1400 100 Nitơ N 250 230 Photpho P 35 20 Molipden Mo 11 1 Kẽm Zn 5 20 Sắt Fe 3 670 Đồng Cu 3 7 Mangan Mn 2 7 Niken Ni 2 0,3 Nhôm Al 1 400 1.3. Đặc điểm của nước thải Nước thải là nước đã qua sử dụng từ các hoạt động sống của con người có thành phần và tính chất thay đổi. Nước thải có thể gây ô nhiễm nước ngầm và nước mặt. Sự nhiễm bẩn chủ yếu gây ra bởi các hệ thống cống thải của các thành phố, thị trấn, các khu công nghiệp, và khu vực sản xuất nông nghiệp. Các nguy cơ gây nên bởi nước thải làm giảm thành phần oxy trong nước thông qua sự hoà tan các chất dinh dưỡng (ví dụ: các thành phần hữu cơ, NH 4, sunfít). Ngoài ra ảnh hưởng của việc sử dụng phân bón (phú dưỡng) có thể dẫn tới sự tồn tại các chất dinh dưỡng như Nitơ và Photpho. Đặc tính đặc biệt của nước thải công nghiệp là các thành phần của nó có thể gây cản trở các quá trình tự làm sạch. Các thành phần có thể được phân nhóm theo những ảnh hưởng bất lợi như dưới đây: • Các vật chất gây độc có thể gây ra độc tính mãn tính hoặc tức thì đối với các sinh vật nước. 86 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường • Các vật chất gây cản trở có thể gây ra các mùi khó chịu, vị, mầu, vẩn đục cũng như gây ra các vấn đề về kỹ thuật trong khi vận hành, phân bổ và sử dụng. • Các vật chất có thể phân huỷ có thể gây ra giảm thành phần oxy • Các chất dinh dưỡng gây ra phú dưỡng, cản trở dòng nước... Các rủ ro do nước thải công nghiệp có thể gây ra các ảnh hưởng bất lợi đối với các nguồn nước đặc biệt là các nguồn nước cấp cho sinh hoạt, cho ngành thuỷ sản, nông nghiệp và chăn nuôi. Trước khi đi vào các nguồn tiếp nhận, nước thải phải được xử lý để giảm thiểu các rủi ro có thể xảy ra. Đối với vấn đề này, nghiên cứu kiểm soát nước thải đóng vai trò hết sức quan trọng. Không phải tất cả các nguồn nước đều có chung một mục đích sử dụng, do đó đối với mỗi nguồn tiếp nhận sẽ có các yêu cầu về tính chất và tiêu chuẩn riêng biệt. Như vậy tiêu chuẩn chất lượng nước có thể được xác đinh tuỳ thuộc vào nhóm mục đích sử dụng. 1.3.1. Nước thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt sản sinh từ các hoạt động sinh hoạt của con người. Con người sử dụng nước với nhiều mục đích khác nhau do đó tạo nên các loại nước thải khác nhau hoặc hỗn hợp nước thải với các nồng độ khác nhau. Ví dụ các hoạt động sau đây: + Hoạt động của hộ gia đình, cá nhân: nấu ăn, rửa bát, lau nhà, tắm rửa, giặt quần áo, sử dụng cho nhà vệ sinh, rửa các bề mặt khác… + Hoạt động của các công trình công cộng: lau rửa các bề mặt, vệ sinh công cộng, nước phục vụ cảnh quan… Nước thải sinh hoạt thường là các chất lỏng đục, màu xám, đen hoặc hơi vàng, thường có mùi hôi thối. Trong nước thải sinh hoạt thường có chứa các hạt bùn, phân động vật, xác thực vật, giấy vụn, chất tổng hợp có kích thước khá lớn. Nếu nước thải lưu trữ lâu ngày hoặc dòng chảy hỗn loạn hoặc có vận tốc dòng chảy lớn thì kích thước các hạt có thể mịn hơn. Lượng nước thải sinh hoạt là lượng nước tiêu dùng từ hệ thống cấp nước trừ đi lượng nước đã sử dụng vào việc nấu ăn, uống, tưới cây… Phân thải và các vật chất tạo ra từ hoạt động sinh hoạt gia nhập thêm vào nước thải cũng chỉ chiếm 1,4 kg/người/ngày. Ước tính, lượng nước thải sinh hoạt xấp xỉ 80% lượng nước tiêu thụ. Do lượng tiêu thụ nước phụ thuộc nhiều vào các đặc điểm xã hội (mức sống, tập quán, đặc điểm cá nhân người sử dụng…) do đó lượng nước thải thay đổi theo đặc điểm xã hội. Lượng nước thải biến động theo các chu kỳ nhất định (trong ngày, trong tuần, trong tháng, trong năm…) và thông thường gia tăng theo mức sống. Nước thải sinh hoạt phát sinh trong điều kiện bình thường khác nhau tại các vùng riêng biệt và phụ thuộc vào hoạt động của mỗi gia đình. Ở Việt Nam, những năm đầu thế kỷ XXI, lượng nước và nguồn gốc nước thải sinh hoạt từ các hộ gia đình trung bình như sau: Bảng 2.6. Nhu cầu nước và lượng nước thải phát sinh từ một hộ gia đình (4 – 6 người) Loại hoạt động Nước sử dụng (l) Nước thải (l) Bằng tay 10 - 25 8 – 19 Bằng máy 20 - 45 15 – 34 Bằng tay 250 - 300 229 – 275 Bằng máy 100 - 180 92 – 165 Rửa bát Giặt quần áo (4kg) 87 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Lau nhà bằng thùng nước 8 - 10 8 – 10 2–5 2–5 Tắm thường 40 - 80 40 – 80 Tắm bằng vòi sen 80 - 140 80 – 140 Tắm bằng bồn tắm 200 - 250 200 – 250 Tắm thuốc 30 - 50 30 – 50 Tắm cho trẻ em 30 - 40 30 – 40 Thùng nước nổi 8 - 12 9 – 13 Thùng mạch tổ hợp 12 - 15 13 – 16 Nối trực tiếp 6 - 14 6 – 15 4–5 2–3 20 - 40 16 – 32 100 - 200 80 – 160 5 - 10 0 Rửa tay Vệ sinh cá nhân Nhà vệ sinh Máy nghiền rác Bằng thùng Rửa ô tô Bằng vòi Tưới cây (l/m2 vườn) Nguồn: Trung tâm tư vấn Chuyển giao công nghệ Nước sạch và Môi trường, 2003 Khi mức sống tăng, lượng nước cấp cho các hoạt động trong bảng 2.6 tăng, lượng nước thải sẽ gia tăng đáng kể: tắm sử dụng bể bơi, vòi hoa sen, lau chùi những căn hộ lớn, rửa xe ô tô, sử dụng máy giặt, máy rửa bát… Theo kế hoạch lập hệ thống cung cấp nước sạch vùng nông thôn, lượng nước cấp cho một khu dân cư theo định mức: + Giai đoạn 1: 75 l/người/ngày + Giai đoạn 2: 120 l/người/ngày + Giai đoạn 3: 150 l/người/ngày Bảng 2.7. Lượng nước thải trung bình giờ liên quan đến quy mô của khu dân cư Lượng nước thải trung bình (m3) Quy mô dân cư (nghìn Tối đa người) 3 (m /giờ) 88 ngày Ban ngày Ban đêm Hệ số phát sinh nước thải (l/người/ngày) Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường 85 150 5 – 10 12 – 13 14 – 16 84 – 48 180 10 – 50 13 – 15 16 – 18 48 – 36 220 50 – 100 15 – 18 18 – 20 36 – 30 250 > 250 > 18 20 – 22 30 – 27 300 Nguồn: Trung tâm tư vấn Chuyển giao công nghệ Nước sạch và Môi trường, 2003 Nước thải sinh hoạt là nước thải từ hộ gia đình, bệnh viện, khách sạn, trường học, cơ quan chứa đựng các chất thải trong quá trình sống của con người. Lượng nước thải sinh hoạt dao động trong phạm vi rất lớn, tùy thuộc vào mức sống và thói quen của người dân, có thể ước tính bằng 80% lượng nước cấp. Ở Mỹ và Canada là nơi có nhu cầu nước cấp lớn nên lượng nước thải thường tới 200 – 400 lít/người.ngày (1979). Căn cứ vào màu sắc, mức độ ô nhiễm, NTSH gồm 2 loại: + Nước đen: là nước thải nhiễm phân và nước tiểu từ nhà vệ sinh, chứa nhiều chất hữu cơ, nitơ , phôt pho và số lượng lớn vi sinh vật có khả năng gây bệnh và rủi ro lớn cho sức khoẻ cộng đồng. + Nước xám: Là các loại nước thải từ giặt rửa, tắm gội, nước từ nhà bếp, nước lau rửa nhà...Trung bình, nước thải từ nhà tắm chiếm 55%, nước giặt chiếm 35%, nước nhà bếp: 10% và nước rửa máy móc khoảng 20% tổng lượng nước xám. Đặc trưng của nước thải sinh hoạt là thường chứa nhiều tạp chất khác nhau trong khoảng 58% là các chất hữu cơ, 42% là các chất vô cơ và một lượng lớn vi sinh vật thông thường. Các chất vô cơ phân bố ở dạng tan nhiều hơn so với các chất hữu cơ. Các chất hữu cơ phân bố nhiều ở dạng keo và không tan. Phần lớn các vi sinh vật trong nước thải thường ở dạng các vi khuẩn gây bệnh như tả, lỵ, thương hàn... Đồng thời nước thải cũng chứa các vi khuẩn không có hại có tác dụng phân hủy các chất thải. Nước thải sinh hoạt sau khi thải ra thường dần trở nên tính axit vì thối rữa. Đặc điểm cơ bản của nước thải là hàm lượng các chất hữu cơ không bền vững cao. Các chất hữu cơ ở đây có thể xuất sứ từ thực vât, hoặc động vật. Có thể chia các chất hữu cơ trong nước thải thành các chất chứa N và các chất không chứa N (chứa C), các hợp chất chứa N chủ yếu như protein, amin và axit amin, các hợp chất không chứa N như hydrocacbon, xenlulozơ, các hợp chất cac bon trong mỡ, xà phòng... Bảng 2.8. Khối lượng chất rắn có trong 1 m3 nước thải sinh hoạt và lượng phát thải trên người Hàm lượng theo từng thành phần (g/m3) Chất rắn Khoáng Hữu cơ Tổng cộng BOD5 Lắng được 50 150 200 100 Lơ lửng 25 50 75 50 Hòa tan 375 250 625 150 Tổng 450 450 900 300 Chất rắn Lượng theo từng thành phần trên đầu người (g/người/ngày đêm) 89 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Lắng được 10 30 40 20 Lơ lửng 5 10 15 10 Hòa tan 75 50 125 30 Tổng 90 90 180 60 Nguồn: Imhoffk, 1972 Như vậy nước thải sinh hoạt chứa hàm lượng chất dinh dưỡng khá cao, đôi khi vượt cả nhu cầu cho quá trình xử lý sinh học. Thông thường các quá trình xử lý sinh học có các chất dinh dưỡng theo tỉ lệ sau: BOD5 : N : P = 100 : 5 : 1 (nghĩa là 100 mg/l BOD5, 5mg/l N, 1mg/l P). Một tính chất đặc trưng nữa của nước thải sinh hoạt là không phải tất cả các chất hữu cơ đều có thể bị phân hủy bởi các vi sinh vật và khoảng 20-40% BOD thoát ra khỏi các quá trình xử lý cùng với bùn. 1.3.2. Nước thải công nghiệp Trong hoạt động sản xuất công nghiệp, nước được sử dụng như nguyên liệu ban đâu, như phương tiện sản xuất, làm lạnh, xử lý chất thải… Nước tích lại sau sử dụng hoặc được thải bỏ trực tiếp đều là ngước thải, sau quá trình này, nước không chỉ biến đổi về lượng mà còn biến đổi về chất. Nước thải bỏ từ hoạt động công nghiệp và dịch vụ khác nhau từ các ngành nghề khác nhau do các nguyên nhân sau: + Khác nhau về loại hình sản xuất: lượng nước khác nhau từ khâu đầu tiên: chế biết vật liệu, nguyên liệu thô cho tới sản xuất các sản phẩm hoàn chỉnh. Thông qua quá trình này, chất lượng nước thải cũng khác nhau. + Khác nhau về nguyên liệu sử dụng: vật liệu thô hay vật liệu đã tinh chế, các thành phẩm hay bán thành phẩm được sử dụng trong quá trình sản xuất đòi hỏi lượng nước và gây ảnh hưởng khác nhau tới chất lượng nước thải + Khác nhau về quy trình sản xuất: giả sử nguyên liệu sử dụng như nhau nhưng quá trình sản xuất khô và quá trình sản xuất ướt sẽ cho ra lượng nước thải khác nhau + Đặc điểm của thiết bị: kích thước, quy trình vận hành của thiết bị sẽ ảnh hưởng tới lượng nước sử dụng, ngoài ra tuổi thọ và các đặc trưng khác cũng gây ảnh hưởng trực tiếp hoặc gián tiếp tới lượng nước thải. + Thời gian hoạt động: các nhà máy sản xuất thực phẩm có thể hoạt động theo chu kỳ mùa phụ thuộc vào nhu cầu sản phẩm, nguồn cấp nguyên liệu + Cung cấp năng lượng: sử dụng năng lượng khác nhau: điện, nhiên liệu hóa thạch, tuabin nước, hơi nước… sẽ dẫn tới gia nhập thêm một lượng nước phục vụ cho thiết bị cung cấp năng lượng + Tuần hoàn nước thải: quyết định lượng nước thải ra môi trường hoặc phải xử lý thực tế + Chất lượng sản xuất và sản phẩm: nhiều loại sản phẩm và quy trình sản xuất tuân theo các quy định chất lượng khác nhau, từ đó có những yêu cầu riêng biệt về chất lượng, lượng nước cấp, chất lượng sản phẩm, nước thải và hệ thống quản lý. + Các điều kiện địa phương: nhà máy đặt tại các khu vực khác nhau Căn cứ vào loại sản phẩm cơ bản của các ngành công nghiệp và dịch vụ có thể chia ra hai loại hình công nghiệp cơ bản sau: a. Công nghiệp hóa học vô cơ tạo ra các loại sản phẩm từ khoáng phi kim (vật liệu xây dựng, gốm sứ, vôi, đất sét, cao lanh); các loại sản phẩm kim loại (kim loại đen, kim loại màu, cơ khí và chế tạo 90 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường máy, eloxal, mạ điện); nhiên liệu hóa thạch (than cứng, than cốc…); thuốc nhuộm vô cơ (xanh sắt feroxyanua, trắng chì, vàng cacdimi, đỏ cacdimi, vàng crom, lục viridian, colcota, litopon, muội đèn, lục pari, trắng titan, thần sa…); hóa chất vô cơ (các axit, bazơ, xút, soda…); phân bón. b. Công nghiệp hóa học hữu cơ tạo ra các loại sản phẩm từ dược phẩm, hóa mỹ phẩm, nông dược phẩm, thuốc nhuộm hữu cơ, xà phòng và chất tẩy rửa tổng hợp; nhựa, nhựa đường, sợi, các loại vải, giấy, bột giấy, dầu mỏ, khí thiên nhiên, thực phẩm (sữa và các sản phẩm từ sữa, thịt, rau quả, bia, rượu, nước giải khát, bánh kẹo, tinh bột, đường, dầu mỡ động thực vật…). Nước thải công nghiệp là nước thải từ các cơ sở sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp, giao thông vận tải... Trong công nghiệp, nước được sử dụng như là một loại nguyên liệu thô hoặc phương tiện sản xuất và phục vụ cho các mục đích truyền nhiệt. Nước cấp cho sản xuất có thể lấy từ mạng nước cấp sinh hoạt chung hoặc lấy trực tiếp từ nguồn nước ngầm hay nước mặt nếu xí nghiệp có hệ thống xử lý nước riêng. Nhu cầu về nước cấp và lượng nước thải trong sản xuất phụ thuộc vào nhiều yếu tố. Lưu lượng nước thải của các xí nghiệp công nghiệp được xác định chủ yếu bởi đặc tính sản phẩm được sản xuất. Các chất thải công nghiệp có thể chia thành 5 nhóm: Các chất ảnh hưởng đến nồng độ oxy hoặc nhu cầu về oxy của chất thải: Nhóm này thường chứa các hợp chất hữu cơ có nhu cầu oxy sinh học hoặc các hợp chất có phản ứng với oxy. • Các chất thể hiện đặc tính độc hại: Chất thải này có thể chứa các hợp chất hữu cơ hoặc vô cơ hoặc cả hai. Thành phần chứa trong chất thải này có thể gây tử vong ngay lập tức hoặc độc tố của chúng có thể tích tụ lại. Chúng có thể tác động lên các thuỷ sinh vật một cách trực tiếp hoặc gián tiếp thông qua việc thay đổi môi trường. Trong các thành phần thể hiện độc tính có các kim loại nặng, axit, kiềm, các hợp chất hữu cơ tổng hợp khó phân huỷ trong các thuốc bảo vệ thực vật như thuốc trừ sâu bọ, thuốc trừ nấm và thuốc diệt cỏ... • Bảng 2.9. Lượng nước thải phát sinh của các hoạt động khác nhau Loại hình Đơn vị Tương đương dân số/đơn vị Khách sạn Bệnh viện Doanh trại Nhà tù Trường học nội trú Công sở Trường học bán trú Người Người Người Người Người Người Người 1,0 1,0 1,0 1,0 1,0 0,4 0,2 91 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Hiệu bánh mì Sản xuất tinh bột từ khoai tây Sản xuất tinh bột từ ngũ cốc Chế biến khoai tây Rau đóng hộp Sản xuất mứt kẹo, cacao Nước ép trái cây Bia, nước uống có ga Mạch nha Rượu từ khoai tây Rượu từ lúa Rượu từ mật đường Sản xuất men bia Sản xuất men rượu Rượu vang Dầu, bơ thực vật Sữa tươi Bơ động vật Phomat, bơ sữa Sữa đặc Sữa bột Cá hộp, cá hun khói Bột cá Sản phẩm từ lạc Lò mổ Cửa hàng thịt Người lao động Tấn khoai tây Tấn hạt Tấn khoai tây Tấn sản phẩm Tấn sản phẩm Tấn trái cây tươi Lít bia Tấn hạt Tấn khoai tây Tấn lúa Tấn nước thải Tấn men bia Tấn men rượu m3 sản phẩm Tấn sản phẩm 1000 lít sữa Tấn bơ Tấn phomat Tấn sữa Tấn sữa Tấn cá Tấn cá Tấn lạc Tấn trọng lượng hơi Nhân công (1 bò = 2,5 lợn) 1,5 500 250-1000 500 200-500 60 250 100-250 10-110 1500 2000-3000 600 6000 5000-7000 100-140 500 25-40 1000 209 100 0,7 500 200-470 1,7 180-400 15 Sơ chế da thuộc Thuộc da Đồ da gia công Đồ da lông thú Keo hồ Chế biến lông Tấn vật liệu thô Tấn da Nhân công Nhân công Tấn vật liệu thô Tấn vật liệu thô 55-100 1006-4000 1 50 15000 500 Gia cầm Lợn, bê, cừu Ngựa Thức ăn gia súc (ủ) 1000 con chim Động vật Động vật Tấn sản phẩm 120-300 3 8 200-650 92 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Giặt len Tẩy trắng Nhuộm Sợi lanh, sợi gai Tơ nhân tạo Giặt là Làm khô Tấn len Tấn nước sử dụng Tấn nước sử dụng Tấn nước sử dụng Tấn nước sử dụng Tấn sản phẩm Nhân công 2000-4500 1000-3500 1000-3000 700 700 250-900 4 Bột giấy Bột giấy sunphit Bột giấy soda Giấy từ bột giấy Giấy từ phế liệu Giấy từ bột giấy rơm Vỏ bào ép nhựa Tấn bột giấy Tấn gỗ Tấn bột giấy Tấn bột giấy Tấn giấy Tấn giấy Tấn giấy Tấn bìa cứng 45-70 10-30 3500-5600 500 200 900 1000-2500 1200 Sơn, vecni Mỹ phẩm, nước hoa Xà phòng Nhân công Nhân công Tấn xà phòng 20-31 10 1000 Khai thác than đá Nước hầm mỏ Đãi than Khai thác quặng Khí tự nhiên Luyện than cốc Chế tạo than chì Cacbon hóa Sản xuất khí từ than non Sản xuất khí từ than thô Sản xuất khí từ than antraxit Than bánh Tấn than đá m3 nước thải Nhân công Tấn quặng 1000 m3 khí Tấn than Tấn than Tấn than Tấn than Tấn than Tấn than Tấn than 5-50 100 40-200 3 3 300 2000 500 500 300 50 50 Pha đất sét Rửa đá, sỏi, cát Sản xuất vôi, xi măng Ống nước xi măng Xử lý quang học Khắc, cắt, mạ Nhân công Nhân công Nhân công Tấn xi măng Nhân công Nhân công Tấn sản phẩm Nhân công 25 40 3 20 3 100 240 8 Len thủy tinh 93 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Luyện kim loại Cán kim loại Gang và sắt Tấn nguyên liệu Tấn sản phẩm Tấn sản phẩm 7,5 8-50 12-30 Khai thác kim loại Khử nhũ Chưa khử nhũ Lá thép Tẩy gỉ bằng axit Mạ kẽm Sản xuất đồng Sản xuất kẽm Sửa chữa ô tô Nhân công m3 nhũ tương m3 nhũ tương Nhân công Nhân công Nhân công kg sản phẩm kg sản phẩm Nhân công 1 10 250 1-10 10-15 100 340 100 10 Tinh chế dầu thô m3 dầu thô 700 Nhóm các hợp chất có tác dụng vật lý: Các tác động vật lý như hình thành lớp lắng cặn ở đáy bao phủ những nơi đẻ trứng của cá. Chúng có thể hình thành các hỗn hợp đục có màu ảnh hưởng đến việc sử dụng nguồn nước, làm giảm ánh sáng cần cho sự phát triển của thuỷ sinh vật và giảm giá trị sử dụng vào các mục đích khác nhau của con người. • Nhóm các hợp chất tạo điều kiện cho sự phát triển quá mức và không mong muốn của các thuỷ sinh vật. Nhóm này bao gồm các chất thải chứa các hợp chất tạo điều kiện cho sự phát triển của tảo, vi khuẩn. Các hợp chất thường gặp chứa N, P ở dạng vô cơ hoặc hữu cơ chứa C • Nhóm các hợp chất phóng xạ (chứa trong các chất thải của các nhà máy phóng xạ, điện nguyên tử, trung tâm thử nghiệm phóng xạ....) • Bảng 2.10. Tính chất đặc trưng của nước thải một số ngành công nghiệp Các chỉ tiêu Chế biến sữa SX thịt hộp Dệt sợi tổng hợp SX clorophenol BOD5, mg/l 1000 1400 1500 4300 COD, mg/l 1900 2100 3300 5400 Tổng chất rắn 1600 3300 8000 5300 SS (mg/l) 300 1000 2000 1200 Nitơ, mg/l 50 150 30 0 Phốtpho, mg/l 12 16 0 0 pH 7 7 5 7 Nhiệt độ (oC) 29 28 - 17 Dầu mỡ, mg/l - 500 - - Clorua, mg/l - - - 27000 Phenol, mg/l - - - 140 Nguồn: Hammer. M.J, 1977 94 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Nước thải công nghiệp không có đặc điểm chung mà phụ thuộc vào đặc điểm của từng ngành sản xuất. Nước thải của các xí nghiệp chế biến thực phẩm (đường, sữa, thịt, tôm, cá, nước ngọt, bia...) chứa nhiều chất hữu cơ dễ bị phân huỷ. Nước thải của các xí nghiệp thuộc da ngoài chất hữu cơ còn có các kim loại nặng, sunfua. Nước thải của xí nghiệp acqui có nồng độ axit, Pb cao. Nước thải từ ngành công nghiệp khai thác dầu mỏ như nước thải từ công nghiệp chế biến hoá dầu, khí thường có chứa các muối amoni, sunphat, clorua, ion kim loại Na, Ca và các kim loại khác. Nếu khụng được xử lý thích hợp trước khi xả ra môi trường ngoài thì đây cũng là nguồn gây ô nhiễm nước ngầm. Tuy nhiên có thể nêu ra một số đặc điểm chung như sau: Chứa các chất độc hại (KLN, Pb, Hg, Cd, Cr...), chứa các chất hữu cơ khó phân huỷ sinh học (phenol, chất hoạt động bề mặt...), chứa các chất hữu cơ dễ phân huỷ sinh học (như N, P thải ra trong CNTP) Bảng 2.11. Các tính chất đặc trưng của nước thải và nguồn gốc của chúng Thành phần ô nhiễm Nguồn phát sinh Tính chất vật lý Màu Chất thải sinh hoạt, công nghiệp, phân hủy hữu cơ Mùi Phân hủy hữu cơ trong nước thải Chất rắn Xói mòn, chảy tràn, chất rắn trong nước thải Nhiệt độ Nhiệt lượng tự nhiên, nguồn thải nóng/lạnh Tính chất hóa học Hydro cacbon Chất thải sinh hoạt, thương mại và sản xuất Dầu, mỡ Chất thải sinh hoạt, thương mại và sản xuất Thuốc BVTV Chất thải công nghiệp, nông nghiệp Phenol Chất thải công nghiệp Protein Chất thải sinh hoạt và thương mại Chất hoạt động bề mặt Chất thải sinh hoạt và sản xuất Hữu cơ khác Phần hủy tự nhiên từ hữu cơ khác Độ kiềm Nước thải sinh hoạt, nước cấp, quá trình rửa trôi Clorua Nước thải sinh hoạt, nước cấp, rửa trôi, chất làm mềm nước Kim loại nặng Chất thải công nhiệp, khai khoáng Nitơ Chất thải sinh hoạt, công nghiệp pH Chất thải công nghiệp Photpho Chất thải sinh hoạt và công nghiệp Lưu huỳnh Chất thải sinh hoạt, công nghiệp, nước cấp Chất độc Chất thải sinh hoạt và công nghiệp Oxy Nước cấp, quá trình khuếch tán Metan Phân hủy chất thải sinh hoạt Hydro sunphua Phân hủy chất thải sinh hoạt 95 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Thành phần sinh học Động vật Dòng nước hở và nhà máy xử lý Thực vật Dòng nước hở và nhà máy xử lý Vi sinh vật Các chất thải sinh hoạt và nhà máy xử lý chất thải sinh hoạt Nguồn: Medcalf và Eddy, 1991 1.3.3. Nước thải đô thị Nước thải đô thị là thuật ngữ chung chỉ chất lỏng trong hệ thống cống thoát nước của một thành phố. Đó là hỗn hợp của các loại nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, nước thấm qua, nước thải tự nhiên. Nhu cầu nước cấp và nước thải đô thị ở các nước công nghiệp cao hơn rất nhiều so với các nước đang phát triển. Lưu lượng nước thải đô thị phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện khí hậu và các tính chất đặc trưng của thành phố. Khoảng 65-85% lượng nước cấp cho một người trở thành nước thải. Lưu lượng và tính chất nước thải đô thị còn thay đổi theo mùa, giữa ngày làm việc và ngày nghỉ trong tuần cũng cần được tính đến khi đánh giá sự biến động lưu lượng và nồng độ chất gây ô nhiễm. Tính gần đúng, nước thải đô thị thường gồm khoảng 50% nước thải sinh hoạt, 14% là các loại nước thấm và 36% là nước thải sản xuất. Vì vậy thành phần của nước thải đô thị rất phức tạp chứa nhiều các tạp chất khác nhau từ các nguồn thải khác nhau mà chủ yếu là các chất hữu cơ, các hoá chất vô cơ và hữu cơ độc hại chưa được xử lý từ các cơ sở sản xuất và các cặn lắng, chất rắn hoà tan và lơ lửng từ nước thải tự nhiên. Ngoài ra nó còn chứa các vi khuẩn gây bệnh (tả lị, thương hàn, xoắn khuẩn), vi huẩn hoại sinh đóng vai trò chủ yếu trong quá trình làm sạch của nước thải, theo nước tiểu và phân người vào nước thải , vi rút, nấm, giun sán, 1.3.4. Nước thải nông nghiệp Hoạt động nông nghiệp phát sinh ra hai loại nước thải chính: nước thải từ hoạt động trồng trọt và nước thải từ hoạt động chăn nuôi. Trong hoạt động chăn nuôi, lượng phân thải và thức ăn thừa là nguyên nhân dẫn tới nhiễm bẩn nước sau khi sử dụng. Lượng nước sử dụng cho hoạt động chăn nuôi phụ thuộc vào đối tượng vật nuôi, hình thức chăn nuôi và mùa vụ qua đó quyết định tính chất và lượng nước thải. Ở các vùng chăn nuôi, lượng nước cấp cho việc chăn nuôi thường được ước tính như sau: lượng nước sử dụng (không kể cọ rửa chuồng) cho ăn, uống và tắm cho gia súc, gia cầm: + Ngựa: 50 – 200 l/động vật/ngày + Bê: 10 – 40 l/động vật/ngày + Cừu, lợn: 50 l/động vật/ngày + Động vật nhỏ (thỏ, nhím…): 8 – 10 l/động vật/ngày + Gia cầm: 0,3 l/động vật/ngày Lượng phát sinh nước thải từ hoạt động chăn nuôi bằng 80 – 90% nhu cầu sử dụng nước. Nước thải chăn nuôi chứa chủ yếu là các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học nhưng với lượng lớn. Ở các nước phát triển, chất thải từ các nông trại lớn (ví dụ ở Mỹ, quy mô trang trại trên 750 con bò hoặc 10000 con cừu hoặc 55000 con gà tây, 50000 con vịt, 100000 gà mái) phân thải phải được xử lý toàn bộ, do đó chất lượng nước thải cũng tốt hơn. Tương tự như vậy đối với nuôi trồng thủy hải sản. 96 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Trong hoạt động trồng trọt: Nước chảy tràn trên mặt đất do mưa hoặc do thoát ra từ đồng ruộng là nguồn ô nhiễm nước sông, hồ do nó cuốn theo hóa chất BVTV, phân bón vô cơ, hữu cơ, xác chết động, thực vật. Phân và nước tiểu của động vật là nguồn ô nhiễm khá lớn đối với các nguồn nước, nó làm gia tăng chất hữu cơ dễ phân huỷ sinh học và nhiều loại VSV gây bệnh trong nước. Các loại phân bón vô cơ gây phú dưỡng nguồn nước, thuốc BVTV làm tăng chất hữu cơ khó phân hủy trong nước, gây độc cho hệ vi sinh vật và động vật 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. Ngoài ra, còn có thể do năng lượng sinh ra trong quá 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 quá trình oxy này không 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 nông 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 nông 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 Qbay hơi Qbức xạ mặt trời Qbức xạ Qphản ứng hóa học Qnước ra Qtruyền nhiệt Nhiệt độ ít được coi là một thông 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 ô nhiễm thông qua các quá 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 quá trình làm mát, xử lý khí thải, nước thải sau làm lạnh…). Thông 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 97 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 không hòa tan như phù sa (kích thước khoảng 2 – 50µm), các hạt keo (< 2µm) có nguồn gốc vô 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 hô 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 nuôi giảm. Độ trong thích hợp cho các ao nuôi 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 ngoài: chất rắn trong nước, hạt vật chất rửa trôi, các vật chất gây ô nhiễm trong nước thải, bụi trầm tích từ không 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 tôm, cá, giảm tỷ lệ nở của chúng. • Gây ra sự lắng tụ trên nền đáy, lâu dần làm nông thủy vực • Xảy ra quá trình hấp phụ và giải phóng các chất dinh dưỡng hòa tan 2.1.3. Độ màu của nước Nước tự nhiên không 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 hòa tan, không 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 không hòa 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 môi 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). Môi trường nước nuôi 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), loài tảo này thường phát triển mạnh trong môi 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), loài tảo này phát triển mạnh cả trong môi 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 môi trường nước lợ, mặn vào đầu vụ nuôi. • 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 mòn từ vùng thượng nguồn được dòng nước mang đến vùng hạ lưu. 98 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi 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 hòa 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 vô cơ, hữu cơ hòa tan hay không hòa 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 hôi: có vi khuẩn phát triển • Mùi tanh: nước có nhiều sắt. • Mùi chlorine: do quá 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 loài sinh vật không 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 hòa 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 nhôm và sắt • Vị đắng, chát: do nhiều Mg2+ (lớn hơn 1g/l), Na2CO3 , MgSO4 , MgCl2 • Vị mặn: do muối NaCl hòa tan > 500mg/l • Vị ngọt: do nhiều khì CO2 hòa tan, 2.1.6. Chất rắn trong nước Có nhiều vật chất dạng rắn tồn tại trong môi trường nước, để phân loại chúng có nhiều cách khác nhau: • Theo bản chất: chất rắn vô cơ và chất rắn hữu cơ • Theo khả năng hòa tan: chất rắn hòa tan và chất rắn không 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 môi 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 hòa tan) có kích thước nhỏ hơn 10-9 m. Vi khuẩn thuộc loại chất rắn dạng keo. 99 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Chất rắn không 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 môi 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 môi 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 không nhìn được bằng kính hiển vi quang học thông 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. Ngoài ra còn 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 không 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 trò 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 không 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 môi trường phân tán và không 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 100 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường để vượt qua được lực đẩy tĩnh điện giữa các lớp tích điện của môi 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 đông 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 quá trình tự nhiên thông 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 yên một huyền phù thì ngược lại với dung dịch, chất rắn có kích thước không 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 quá 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 không qua lọc đa phần là những hạt có thể tạo ra dạng huyền phù trong môi 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 thông thường không hòa 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 hay nhũ tương dầu trong nước. Các thí dụ cho một nhũ tương là các mỹ phẩm hay sữa. Để tạo độ bền cho nhũ tương có thể cho thêm các chất hoạt tính bề mặt (chất nhũ hóa, xà phòng, ...), các chất này ngăn trở hỗn hợp lại tự tách ra thành các thành phần riêng lẻ. Nhìn về mặt nhiệt động lực học thì nhũ tương lại là một hệ thống không bền. Các chất lỏng hoặc là có thể hòa tan tốt vào nước (chất lỏng ưa nước) hoặc là có thể hòa tan tốt vào dầu (chầt lỏng kỵ nước). Nguyên nhân là do các phân tử nước chỉ tạo thành các lực liên kết hiđrô trong khi các phân tử mỡ chỉ tạo thành các lực Van der Waals. Chất nhũ hóa như xà phòng có thể liên kết các chất lỏng này. Chúng có tính chất này vì các phân tử của chất nhũ hóa có một phần phân cực và một phần không phân cực. Phần phân cực có thể tạo liên kết hiđrô và liên kết với các chất lỏng ưa nước trong khi phần không phân cực của phân tử tạo nên lực van der Waals và liên kết với các chất kỵ nước. Điều này giải thích tác dụng tẩy rửa của xà phòng: xà phòng làm giảm sức căng bề mặt của nước và tạo điều kiện rửa các chất chỉ tan trong dầu mỡ bằng cách cho thêm nước vào. Tổng hàm lượng các chất rắn (TS - Total Solids) Các chất rắn trong nước có thể là những chất tan hoặc không tan. Các chất này bao gồm cả những chất vô cơ lẫn các chất hữu cơ. Tổng hàm lượng các chất rắn (TS) là lượng khô tính bằng mg 101 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường của phần còn lại sau khi làm bay hơi 1 lít mẫu nước trên nồi cách thủy rồi sấy khô ở 105 oC cho tới khi khối lượng không đổi (đơn vị tính bằng mg/l). Tổng hàm lượng các chất lơ lửng (TSS - Total Suspended Solids) Các chất rắn lơ lửng (dạng huyền phù) là những chất rắn không tan trong nước. Hàm lượng các chất lơ lửng là lượng khô của phần chất rắn còn lại trên giấy lọc sợi thủy tinh khi lọc 1 lít nước mẫu qua phễu lọc rồi sấy khô ở 105 oC cho tới khi khối lượng không đổi, đơn vị tính là mg/l. Rắn lơ lửng bao gồm những hạt rất nhỏ không lắng được hoặc dạng keo, huyền phù trong nước. Chất rắn lơ lửng dạng keo là một phần của chất rắn lơ lửng tổng số, chúng không lắng xuống đáy ống nghiệm trong thời gian rất dài hàng 3-4h, cặn keo thường chứa 65% cặn hữu cơ, 35% cặn vô cơ. Tổng chất rắn lắng được (SS - Settable Solids): Chất rắn có khả năng lắng, được tính bằng ml/l, cho 1 lượng nước vào ống đong, để 45 phút cho lắng tự nhiên, sau đó khuấy nhẹ sát thành bình rồi để lắng tiếp 15 phút, đo thể tích Tổng tạp chất nổi (FS - Floating Solid): Bao gồm các hạt có trọng lượng riêng nhỏ hơn nước, khi để ổn định, hoặc trong quá trình lắng, các vật chất này nổi lên trên bề mặt. Tổng hàm lượng các chất hòa tan (TDS – Total Dissolved Solids) Các chất rắn hòa tan là những chất tan được trong nước, bao gồm cả chất vô cơ lẫn chất hữu cơ.Chất rắn dạng hoà tan có 90% là chất rắn hoà tan thực và 10% là keo. Chất rắn dạng hoà tan có 40% là cặn hữu cơ, 60% là cặn vô cơ. Cặn hoà tan có kích thước rất nhỏ, nó chui lọt qua giấy lọc tiêu chuẩn của phòng thí nghiệm. Hàm lượng các chất hòa tan TDS (Dissolved Solids) là lượng khô của phần dung dịch qua lọc khi lọc 1 lít nước mẫu qua phễu lọc có giấy lọc sợi thủy tinh rồi sấy khô ở 105oC cho tới khi khối lượng không đổi, đơn vị tính là mg/l. TDS = TS – TSS Tổng hàm lượng chất rắn lơ lửng dễ bay hơi (VSS- Volatile Suspended Solids) Tổng hàm lượng chất rắn hòa tan dễ bay hơi (VDS - Volatile Dissolved Solids) Tổng hàm lượng chất rắn dễ bay hơi thường để đánh giá hàm lượng hữu cơ của chất rắn lơ lửng và chất rắn hòa tan. Hàm lượng các chất rắn lơ lửng dễ bay hơi VSS là lượng mất đi khi nung lượng chất rắn lơ lửng (TSS) ở 550oC cho đến khi khối lượng không đổi (thường được qui định trong một khoảng thời gian nhất định – 1h), phần bay hơi là các chất hữu cơ, phần còn lại sau khi hoá tro là các chất vô cơ. Hàm lượng các chất rắn hòa tan dễ bay hơi VDS là lượng mất đi khi nung lượng chất rắn hòa tan (DS) ở 550oC cho đến khi khối lượng không đổi (thường được qui định trong một khoảng thời gian nhất định). Chất rắn hữu cơ: có nguồn gốc từ các thức ăn của người, động vật, xác động vật chết, cây lá thối rữa tạo nên. Thành phần hoá học của chất hữu cơ là cacbon (C), hydro (H 2), oxy (O2), nitơ (N2), phốtpho (P), lưu huỳnh (S). Dạng tồn tại của chất rắn hữu cơ trong nước thải chủ yếu là protein, cacbonhydrat, chất béo và các sản phẩm phân huỷ của chúng. Cặn hữu cơ cháy và bay hơi hoàn toàn ở nhiệt độ cao 550-600oC nên đôi khi còn gọi là chất rắn bay hơi. Tổng hàm lượng chất rắn lơ lửng vô cơ (FSS - Fixed Supended Solids) Sau khi nung chất rắn lơ lửng ở 550oC cho đến khi khối lượng không đổi thì phần chất hữu cơ bay hơi hết, phần vô cơ còn lại bị tro hóa, đó là chất rắn lơ lửng vô cơ. Hầu hết cảc muối vô cơ đều bị phân huỷ ở nhiệt độ dưới 825oC. Chất rắn vô cơ: là các chất trơ, không bị phân huỷ, đôi khi có những hợp chất vô cơ phức tạp (như sunfua) ở điều kiện nhất định có thể bị phân rã. Cặn vô cơ có 102 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường nguồn gốc khoáng chất như các muối khoáng, cát, sạn, bùn, độ kiềm, độ cứng. Cặn vô cơ không bị cháy ở nhiệt độ cao. TSS = VSS + FSS 2.2. Các thông số hóa học môi trường nước 2.2.1. Thế pH Nồng độ ion H+ trong dung dịch được biểu thị bằng trị số pH được phát triển từ quá trình ion hóa của nước: H2O + H2O = H3O+ + OHH3O+ = H2O + H+ Hoặc có thể viết là: H2O = H+ + OHHằng số cân bằng (Kw) của quá trình phân ly trên phụ thuộc vào nhiệt độ của nước: [H+][OH-] = Kw cho bởi bảng sau: Bảng 2.12. Hệ số cân bằng phân ly của nước phụ thuộc nhiệt độ Nhiệt độ (oC) Kw 0 0,1139 10-14 5 0,1846 10-14 10 0,2920 10-14 15 0,4505 10-14 20 0,6809 10-14 25 1,0080 10-14 30 1,4960 10-14 35 2,0890 10-14 40 2,9190 10-14 Nguồn: Garrels và Christ, 1965 Ví dụ trường hợp nhiệt độ nước là 25 oC, khi đó mỗi phân tử nước phân ly thành 1 ion H + và 1 ion OH- do đó: [H+][OH-] = [H+][H+] = 2[H+] = Kw = 1,0080 10-14. Do đó, nồng độ [H+] = 10-7 = 0,0000001 mol/l. Để tránh sử dụng trị số quá nhỏ, từ đầu thế kỷ XX người ta sử dụng pH thay thế cho nồng độ ion H+. pH = -lg[H+] Mặc dù hiện nay, nhiều người cho rằng giá trị pH trung tính là 7 nhưng trên thực tế, giá trị pH trung tính của một mẫu nước phải gắn với nhiệt độ của mẫu nước đó, ví dụ, pH trung tính ở 35oC là 6,84. Thang đo pH thường là 0 – 14 nhưng trên thực tế có thể có các giá trị pH cao hơn 14 hoặc nhỏ hơn 0 ví dụ một dung dịch có nồng độ H+ lớn hơn 1 (mol/l) hoặc nhỏ hơn 10-14 (mol/l). 103 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường pH của nước tự nhiên có thể bị ảnh hưởng bởi các quá trình sau đây: + Quá trình phân hủy chất hữu cơ Phân hủy hiếu khí các vật chất hữu cơ hay oxy hóa chất hữu cơ cũng như quá trình hô hấp của sinh vật trong môi trường nước ảnh hưởng tới pH của nước do giải phóng CO2: C6H12O6 + O2 = CO2 + H2O + Q CO2 + H2O = H2CO3 H2CO3 = H+ + HCO3+ Quá trình quang hợp Quá trình quang hợp sử dụng khí CO 2 và thải ra khí O2 do hoạt động của các sinh vật tự dưỡng quang năng. Khi quá trình quang hợp xảy ra, thực vật hấp thu CO 2 làm tăng pH. Ví dụ trong nước tự nhiên khi CO2 bị hấp thụ hoàn toàn thì pH tăng lên 8,34. Trên thực tế, tốc độ sử dụng CO 2 do quang hợp nhanh hơn tốc độ sản sinh CO 2 do hô hấp của sinh vật vào ban ngày, nên giá trị pH của các mẫu nước tự nhiên thường xuyên cao hơn so với pH trung tính. 2HCO3- = CO2 + CO32- + H2O Quá trình quang hợp diễn ra theo chu kỳ ngày đêm nên sự biến động pH diễn ra tương đối mạnh theo ngày. Ban ngày có ánh sáng, thực vật quang hợp làm pH nước tăng dần đạt cao nhất vào lúc 14 – 16h. Ban đêm chỉ có quá trình hô hấp làm tăng nồng độ CO 2 dẫn tới giảm pH đến mức thấp nhất trước bình minh 4 – 6h. Mức độ biến động pH phụ thuộc vào mức độ dinh dưỡng của môi trường do ảnh hưởng của nó tới mật độ của thực vật. Do đó, khi một thủy vực giàu dinh dưỡng, biên độ biến động pH theo ngày đêm cũng mạnh hơn. + Các phản ứng hóa học khác Ion H+ trong nước có thể là do quá trình thủy phân các ion Fe 3+ và Al3+ trao đổi trong keo đất, quá trình oxy hòa các hợp chất của Fe và S (ví dụ quá trình oxy hòa đất phèn tiềm tàng chứa FeS2) là những quá trình có thể dẫn tới giảm mạnh pH của nước: 2FeS2 + 7O2 + 2H2O = 2FeSO4 + 4H+ + 2SO422FeSO4 + 1/2H2O + H2SO4 = Fe2(SO4)3 + H2O FeS2 + 7Fe2(SO4)3 + 8H2O = 15FeSO4 + 18H+ + 8SO42Fe2(SO4)3 + 6H2O = 2Fe(OH)2 + 6H+ + 3SO42+ Các nguồn thải gây thay đổi pH nước Giá trị pH của các nguồn nước thải có thể gây ra sự thay đổi pH của môi trường nước trong tự nhiên khi tiếp nhận các nguồn thải này. Giá trị pH của nguồn thải bị thay đổi trực tiếp do việc sử dụng và sử dụng dư thừa các hợp chất mang tính axit hoặc bazơ trong các quá trình sản xuất. pH là một nhân tố môi trường ảnh hưởng cả trực tiếp và gián tiếp tới đời sống thủy sinh vật như: sinh trưởng, phát triển, tỷ lệ sống, sinh sản, dinh dưỡng… Có nhiều loài sinh vật thủy sinh thích nghi được ở pH từ 6,5 đến 8,5 hoặc 9, sinh vật thủy sinh chống chịu pH kiềm yếu tốt hơn axit yếu. Khi pH môi trường quá cao hoặc quá thấp đều gây ra những bất lợi tới đời sống của thủy sinh vật. Tác động trực tiếp của pH đến sinh vật là làm thay đổi thế thẩm thấu của tế bào, nếu quá trình này bị rối loạn, quá trình trao đổi nước và muối sẽ bị rỗi loạn. pH còn ảnh hưởng tới sự phát triển của phôi, quá trình sinh dưỡng, sinh sản ví dụ khi pH quá thấp cá chậm phát dục, tỷ lệ đẻ ít, tỷ lệ trứng nở thấp… 104 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Chết Không sinh sản Sinh sản bình thường Chết Sinh trưởng chậm 4 5 Không sinh sản Sinh trưởng tốt 6 7 8 Sinh trưởng chậm 9 10 11 Hình 2.8. Ảnh hưởng của pH tới sinh trưởng và phát triển của các loài cá 2.2.2. Độ kiềm của nước Độ kiềm toàn phần (Alkalinity) là tổng hàm lượng các ion HCO 3-, CO32-, OH- có trong nước. Độ kiềm trong nước tự nhiên thường gây nên bởi các muối của acid yếu, đặc biệt là các muối carbonat và bicarbonat. Độ kiềm cũng có thể gây nên bởi sự hiện diện của các ion silicat, borat, phosphat… và một số acid hoặc baz hữu cơ trong nước, nhưng hàm lượng của những ion này thường rất ít so với các ion HCO3-, CO32-, OH- nên thường được bỏ qua. Khái niệm về độ kiềm (alkalinity – khả năng trung hòa acid) và độ acid (acidity – khả năng trung hòa baz) là những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá động thái hóa học của một nguồn nước vốn luôn luôn chứa carbon dioxyd và các muối carbonat. Xét một dung dịch chỉ chứa các ion carbonat HCO3- và CO32-. Ở các giá trị pH khác nhau, hàm lượng carbonat sẽ nằm cân bằng với hàm lượng CO2 (cân bằng carbonat) vì trong nước luôn diễn ra quá trình : 2HCO3- CO32- + H2O + CO2 CO32- + H2O 2OH- + CO2 Giả sử ngoài H+ ion dương có hàm lượng nhiều nhất là Na+ thì ta luôn luôn có cân bằng sau: [H+ ] + [Na+ ] = [HCO3- ] + 2[CO32- ] + [OH- ] Độ kiềm được định nghĩa là lượng acid mạnh cần để trung hòa để đưa tất cả các dạng carbonat trong mẫu nước về dạng H2CO3.Như vậy ta có các biểu thức : [Alk] = [Na+ ] Hoặc [Alk] = [HCO3- ] + 2[CO32- ] + [OH- ] + [H+ ] Người ta còn phân biệt độ kiềm carbonat (còn gọi là độ kiềm m hay độ kiềm tổng cộng T vì phải dùng metyl cam làm chất chỉ thị chuẩn độ đến pH = 4,5; liên quan đến hàm lượng các ion OH -, HCO3- và CO32-) với độ kiềm phi carbonat (còn gọi là độ kiềm p vì phải dùng phenolphtalein làm chất chỉ thị chuẩn độ đến pH = 8,3; liên quan đến ion OH-). Hiệu số giữa độ kiềm tổng m và độ kiềm p được gọi là độ kiềm bicarbonat. Trên sơ đồ cân bằng carbonat trong nước cho thấy, ở pH = 6,3, nồng độ CO2 hòa tan trong nước và nồng độ ion HCO 3- bằng nhau, còn ở pH = 10,3 thì nồng độ các ion HCO3- và CO32- sẽ bằng nhau. Ở pH < 6,3 các ion carbonat chuyển sang dạng CO2 hòa tan, ở pH > 10,3 dạng tồn tại chủ yếu là dạng CO 32-, còn trong khoảng 6,3 < pH < 10,3 dạng tồn tại chủ yếu là HCO3-. 2.2.3. Độ cứng của nước Độ cứng của nước gây nên bởi các ion đa hóa trị có mặt trong nước. Chúng phản ứng với một số anion tạo thành kết tủa. Các ion hóa trị 1 không gây nên độ cứng của nước. Trên thực tế vì các ion Ca2+ và Mg2+ chiếm hàm lượng chủ yếu trong các ion đa hóa trị nên độ cứng của nước xem như là tổng hàm lượng của các ion Ca2+ và Mg2+. Đơn vị đo độ cứng được dùng khác nhau. 105 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường 1o cứng Đức 1 dH = 10 mg CaO/l 1o cứng Anh 1eH = 10 mg CaCO3/0,7L 1o cứng Pháp 1 fH = 10 mg CaCO3/l 1o cứng Mỹ 1 aH = 1 mg CaCO3/l 1 mEq/l = 5 fH 1 fH = 0,56 dH = 0,7 eH = 10 mg CaCO3/l 1 dH =1,786 fH =1,25 eH = 17,86 mgCaCO3/l = 10 mg CaO/l 1 eH = 1,438 fH = 0,8 dH = 14,38 mg CaCO3/l 1 mg CaCO3/l = 0,1 fH = 0,056 dH = 0,7 eH Một đơn vị khác cũng hay được dùng để đánh giá độ cứng là ppm 1 dH = 17 ppm. Các ion Ca2+ và Mg2+ có thể tạo kết tủa với một số chất khoáng có trong nước, tạo lắng cặn trong nồi hơi, bình đun nước hoặc hệ thống dẫn nước. Người ta còn phân biệt các loại độ cứng: • Độ cứng carbonat (thường được ký hiệu CH : Carbonate Hardness): là độ cứng gây ra bởi hàm lượng Ca2+ và Mg2+ tồn tại dưới dạng HCO3-. Độ cứng carbonat còn được gọi là độ cứng tạm thời vì sẽ mất đi khi bị đun sôi. • Độ cứng phi carbonat (thường được ký hiệu là NCH : Non-Carbonate Hardness) là độ cứng gây ra bởi hàm lượng Ca2+ và Mg2+ liên kết với các anion khác HCO3- như SO42-, Cl-…Độ cứng phi carbonat còn được gọi là độ cứng thường trực hay độ cứng vĩnh cữu. 2.2.4. Nhóm các chất khí trong nước Có nhiều thành phần khí hòa tan ở trong môi trường nước, trong đó, các chất khí quan trọng liên quan đến hoạt động sống trong môi trường nước là oxy và cacbonic, các chất khí độc hại quan trọng là: amoniac, hydro sunphit và metan. Hầu hết các chất khí đều có thể hòa tan hoặc phản ứng với nước trừ khí mêtan (CH4). Các khí hòa tan trong nước có thể từ nhiều nguồn: sự hấp thụ của không khí vào nước (O2 và CO2) hoặc do các quá trình sinh hóa của nước. Sự hòa tan của các chất khí vào nước chỉ đến một giới hạn nhất định, giới hạn này được gọi là độ bão hòa. Giá trị độ bão hòa trong một đối tượng nước nhất định sẽ quyết định khoảng nồng độ của chất khí đó trong môi trường. a. Oxy hòa tan (DO - Disolved Oxygen) Một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của nước là hàm lượng oxy hoà tan, vì oxy không thể thiếu được đối với tất cả các sinh vật sống trên cạn cũng như dưới nước. Oxy duy trì quá trình trao đổi chất, sinh ra năng lượng cho sự sinh trưởng, sinh sản và tái sản xuất. Oxy là chất khí khó hoà tan trong nước, không tác dụng với nước về mặt hoá học, nồng độ ôxi hoà tan trong nước phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ muối có trong nước. Lượng DO trong nước thường nhỏ khoảng 8-10 mg/l và dao động mạnh phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ, các đặc tính của nước, sự phân hủy hóa chất, sự quang hợp của tảo. Độ bão hòa của oxy hòa tan trong nước ngọt sạch ở 0oC là 14-15 mg/l. Oxy hòa tan trong nước chủ yếu là do khuếch tán từ không khí vào, đặc biệt là các thủy vực nước chảy. Sự hòa tan của oxy cũng tuân theo quy luật Henry và có thể được tính theo công thức sau đây: Cs = Ks x P Trong đó: 106 Cs – nồng độ hòa tan của khí Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Ks – hiệu suất hòa tan của khí P – Áp suất riêng phần của chất khí Thí dụ, ở 30oC và 1 atm (760 mm Hg) hàm lượng oxy hòa tan = 26,1 mL/l x 0,209 = 5,5 mL/l hoặc = 5,5 mL/l x 1,4 = 7,7 mg/l (32.000mg/22.400 mL = 1,4). Phần trăm bão hòa của oxy trong nước phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và nồng độ muối nhất định (Bảng 3-4). Nước hòa tan nhiều hơn hay ít hơn nồng độ bão hòa được gọi là quá bão hòa hay dưới bão hòa. Hiện tượng oxy hòa tan quá bão hòa thường xảy ra do sự thay đổi nhiệt độ và áp suất. Oxy hòa tan trong nước còn do sự quang hợp của thực vật trong nước, quá trình này thường diễn ra mạnh trong các thủy vực nước tĩnh. Trong nước hàm lượng oxy hòa tan có thể mất đi do quá trình hô hấp của thủy sinh vật hay quá trình oxy hóa vật chất hữu cơ trong nước và trong nền đáy ao. Trong thủy vực nước chảy hàm lượng oxy hòa tan thường ít khi vượt quá bão hòa. Trong khi đó, ở các thủy vực nước tĩnh thực vật quang hợp tạo ra oxy lớn hơn gấp nhiều lần so với quá trình hô hấp của thủy sinh vật, do đó hàm lượng oxy hòa tan có thể vượt quá mức bão hòa trên 200%. Trong các ao nuôi thủy sản hàm lượng oxy có sự biến động lớn theo ngày đêm, mức độ biến động phụ thuộc vào mức độ dinh dưỡng và sự phát triển của thực vật. Trong ao nuôi nghèo dinh dưỡng, thực vật kém phát triển nên biên độ dao động của oxy nhỏ. Trong ao giàu dinh dưỡng thực vật phát triển mạnh, vào ban ngày chúng quang hợp làm hàm lượng oxy hòa tan tăng cao vượt quá mức bão hòa và đạt mức cao nhất vào khoảng 14:00-16:00 giờ. Ngược lại, ban đêm quá trình hô hấp của thủy sinh vật tiêu thụ nhiều oxy làm hàm lượng oxy hòa tan giảm dần và đạt mức thấp nhất vào sáng sớm. Những ao quá giàu dinh dưỡng, hàm lượng oxy hòa tan vào sáng sớm có thể giảm đếm mức 0 mg/l và đạt đến mức quá bão hòa 200% vào giữa trưa (Hình) Trong một ao nuôi thủy sản hàm lượng dinh dưỡng và mật độ thực vật phù du có khuynh hướng tăng dần vào cuối vụ nuôi, do đó sự biến động hàm lượng oxy hòa tan theo ngày đêm cũng tăng dần. Đầu vụ nuôi, hàm lượng dinh dưỡng và mật độ thực vật phù du thấp nên hàm lượng oxy hòa tan thường thấp hơn mức bão hòa và ít biến động. Càng về cuối vụ nuôi, thực vật phù du phát triển làm hàm lượng oxy hòa tan biến động mạnh, khi thực vật phù du phát triển quá mức thì hàm lượng oxy hòa tan lúc thấp nhất (sáng sớm) sẽ thấp hơn nhu cầu của cá, cần phải có biện pháp khắc phục. Oxy là chất khí quan trọng nhất trong số các chất khí hòa tan trong môi trường nước. Nó rất cần đối với đời sống sinh vật đặc biệt đối với thủy sinh vật, vì hệ số khuếch tán của oxy trong nước nhỏ hơn rất nhiều so với trong không khí. Theo Krogh (1919) (trích dẫn bởi Boyd, 1990) thì hệ số khuếch tán của oxy trong không khí là 11 còn trong nước chỉ là 34.10 -6. Do đó, dễ đưa đến hiện tượng thiếu oxy cục bộ trong thủy vực. Hơn nữa, trong thủy quyển oxy hòa tan chỉ chiếm 3,4% thể tích, còn trong khí quyển nó chiếm tới 20,98% thể tích. Theo Swingle (1969) thì nồng độ oxy hòa tan trong nước lý tưởng cho tôm, cá là trên 5 ppm. Tuy nhiên, nếu hàm lượng oxy hòa tan vượt quá mức độ bão hòa cá sẽ bị bệnh bọt khí trong máu, làm tắt nghẽn các mạch máu dẫn đến não và tim đưa đến sự xuất huyết ở các vây, hậu môn. Bảng 2.13. Ảnh hưởng của nồng độ oxy hòa tan tới sinh vật DO (mg/l) Ảnh hưởng đến sức khỏe cá nuôi 0 – 0,3 Cá sống được trong thời gian rất ngắn 0,3 – 1 Sống được nhưng sẽ chết nếu thời gian kéo dài 107 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường 1–3 Sống được nhưng sinh trưởng phát triển rất chậm 3–5 Sống được nhưng sinh trưởng phát triển chậm 5 – 100% bão hòa Sống được, sinh trưởng và phát triển bình thường > 100% bão hòa Có thể gây tổn thương cơ quan hô hấp Theo Swingle (1969) và Boyd (1990) Hình 2.9. Thay đổi sự phân tầng DO theo thời gian đối với hồ giàu và hồ nghèo dinh dưỡng Khi hàm lượng DO thấp, các loài sinh vật nước thiếu oxy sẽ giảm hoạt động hoặc chết. Nồng độ oxy hoà tan tối thiểu đối với các loài hoạt động mạnh như cá hồi là 5-8 mg/l, còn đối với cá có nhu cầu oxy thấp như cá chép là 3 mg/l. Vậy DO là một chỉ số quan trọng để đánh giá sự ô nhiễm nước của thủy vực và là yếu tố quyết định các quá trình phân hủy sinh học các chất gây ô nhiễm trong nước trong điều kiện yếm khí hay háo khí. Trong quá trình xử lý hiếu khí luôn phải giữ nồng độ oxy hoà tan trong nước thải từ 1,5-2mg/l để qúa trình oxy hoá diễn ra theo ý muốn và để hỗn hợp không rơi vào tình trạng yếm khí. Trong quá trình xử lý nước thải, vi sinh vật tiêu thụ oxy hoà tan để đồng hoá các chất dinh dưỡng và chất nền BOD, N, P cần thiết cho việc duy trì sự sống, sự tăng trưởng của chúng. Oxy hòa tan trong nước không tác dụng với nước về mặt hóa học. Hàm lượng DO trong nước phụ thuộc nhiều yếu tố như áp suất, nhiệt độ, thành phần hóa học của nguồn nước, số lượng vi sinh, thủy sinh vật… DO là một chỉ thị đánh giá “tình trạng sức khỏe” của nguồn nước. Mọi nguồn nước đều có khả năng tự làm sạch nếu như nguồn nước đó còn đủ một lượng DO nhất định. Khi DO xuống đến khoảng 4 – 5 mg/l, số sinh vật có thể sống được trong nước giảm mạnh. Nếu hàm lượng DO quá thấp, thậm chí không còn, nước sẽ có mùi và trở nên đen do trong nước lúc này diễn ra chủ yếu là các quá trình phân hủy yếm khí, các sinh vật không thể sống được trong nước này nữa. 108 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Hàm lượng DO trong nước tuân theo định luật Henry, có nghĩa là nói chung độ tan giảm theo nhiệt độ. Ở nhiệt độ bình thường, độ hòa tan tới hạn của oxy trong nước vào khoảng 8 mg O 2/l. Với oxy, độ bão hòa chủ yếu phụ thuộc vào nhiệt độ nước, áp suất khí quyển trên bề mặt nước và một phần vào độ mặn. Trong điều kiện nguồn nước không bị ô nhiễm các chất hữu cơ không bền (từ nước thải sinh hoạt, công nghiệp thực phẩm, phân hủy sinh khối…), giá trị DO đo được thường gần bằng giá trị oxy hòa tan ở mức bão hòa. Do vậy thông số DO thường được sử dụng để đánh giá mức độ ô nhiễm nguồn nước do chất hữu cơ. Nếu áp suất khí quyển khác 760 mmHg thì DO bão hòa được tính theo công thức: Cs’ = Cs(P – p)/(760 – p) Cs’: DO bão hòa ở nhiệt độ đo tại áp suất P (mmHg) Trong đó: Cs: DO bão hòa ở nhiệt độ đo tại áp suất 760 (mmHg) P: Áp suất khí quyển (mmHg) p: Áp suất hơi nước bão hòa (mmHg) ở nhiệt độ do cho bởi bảng trên. Bảng 2.14. Độ bão hòa của oxy trong nước ở khí quyển có 20,9% O2 và áp suất 760 mmHg Nồng độ Cl- (mg/l) o Nhiệt độ ( C) 0 Chênh lệch theo Áp suất hơi bão hòa 5000 10000 100 mg/l Cl- p (mmHg) 0 14,6 13,8 13,0 0,017 5 5 12,8 12,1 11,4 0,010 7 10 11,3 10,7 10,1 0,012 9 15 10,2 9,7 9,1 0,010 13 20 9,2 8,7 8,3 0,009 18 22 8,8 8,4 8,0 0,008 22 24 8,5 8,1 7,7 0,008 22 26 8,2 7,8 7,4 0,008 25 27 8,1 7,7 7,3 0,008 27 28 7,9 7,5 7,1 0,008 28 29 7,8 7,4 7,0 0,008 30 30 7,6 7,3 6,9 0,008 32 Hàm lượng DO có quan hệ mật thiết đến các thông số hữu cơ, đặc biệt là hữu cơ dễ phân hủy của nguồn nước. Nếu trong nước hàm lượng DO cao, các quá trình phân hủy các chất hữu cơ sẽ xảy ra theo hướng hảo khí (aerobic), còn nếu hàm lượng DO thấp, thậm chí không còn thì quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong nước sẽ xảy ra theo hướng yếm khí (anaerobic). Oxy hòa tan có ý 109 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường nghĩa lới đối với quá trình tự làm sạch của dòng sông (phân hủy ô nhiễm hữu cơ trong điều kiện tự nhiên) và trong việc bảo vệ nguồn lợi thủy sản (nếu oxy hòa tan giảm dưới 50% mức bão hòa sẽ làm hại tới một vài loài tôm cá. Do ở các đối tượng môi trường nước khác nhau thì khả năng hòa tan của oxy vào trong nước sẽ bị chi phối bởi một loạt các yếu tố khác nhau. Vì vậy, khi so sánh nồng độ oxy hòa tan của các đối tượng nước khác nhau với nhau, người ta thường không sử dụng trực tiếp giá trị DO mà sử dụng độ thiếu hụt oxy hòa tan: LO = DObh – DO Trong đó: LO: Độ thiếu hụt oxy hòa tan DO: Nồng độ oxy hòa tan đo đạc được DObh: Nồng độ oxy bão hòa ở cùng điều kiện b. Khí cacbonic (cacbon dioxyt – CO2) CO2 là nguồn cung cấp cacbon đầu tiên trong các hệ thống thủy vực. CO 2 hòa tan trong nước được cung cấp từ một số quá trình: + Khuếch tán từ không khí: Quá trình khuếch tán của một chất khí vào nước trong đó có CO 2 theo đó, độ hòa tan của không khí vào nước tuân theo định luật Henry phụ thuộc vào nhiệt độ, các chất hòa tan (ví dụ độ mặn). Ví dụ ở áp suất không khí là 1 atm, nhiệt độ 30 oC thì độ tan của CO2 trong nước tinh khiết là Cs = 665 (ml/l) x 0,03% = 0,2 ml/l CO2 (tương ứng 0,4 mg/l). Độ hòa tan của CO2 được cho bởi bảng sau: Bảng 2.15. Ảnh hưởng của nhiệt độ và nồng độ muối tới độ hòa tan của CO 2 (mg/l) trong nước ở áp suất 1 atm Nồng độ muối (‰) Nhiệt độ (oC) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 1,09 1,06 1,03 1,00 0,98 0,95 0,93 0,90 0,88 5 0,89 0,87 0,85 0,83 0,81 0,79 0,77 0,75 0,73 10 0,75 0,73 0,71 0,69 0,68 0,66 0,64 0,63 0,61 15 0,63 0,62 0,60 0,59 0,57 0,56 0,54 0,53 0,52 20 0,54 0,53 0,51 0,50 0,49 0,48 0,47 0,46 0,45 25 0,46 0,45 0,44 0,43 0,42 0,41 0,41 0,40 0,39 30 0,40 0,39 0,39 0,38 0,37 0,35 0,35 0,35 0,34 35 0,35 0,35 0,34 0,33 0,33 0,31 0,31 0,31 0,30 40 0,31 0,30 0,30 0,29 0,29 0,28 0,28 0,27 0,27 + Quá trình hô hấp của sinh vật tự dưỡng và dị dưỡng: Quá trình hô hấp của sinh vật dị dưỡng 110 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường trong môi trường nước thông thường không lớn hơn quá trình quang hợp của sinh vật tự dưỡng vào ban ngày. Ban đêm, nồng độ CO 2 có thể tăng lên nhanh chóng do quá trình phân hủy chuyển hóa hữu cơ của sinh vật dị dưỡng đồng thời với quá trình hô hấp của sinh vật tự dưỡng. C6H12O6 + O2 = CO2 + H2O + Q + Sự hòa tan của khoáng (đá vôi, đá vôi đen): Các hệ thống thủy vực tự nhiên phát triển trên nền đất hình thành từ đá vôi hoặc các hệ thống sản xuất có bón đá vôi, dolomit… để điều hòa pH có thể xảy ra các quá trình sau: H2CO3 + CaCO3 → Ca(HCO3)2 → Ca2++ 2HCO3CaMg(CO3)2 + 2CO2 + 2H2O → Ca2+ + Mg2+ + 4HCO3+ Chuyển hóa từ HCO3-: Quá trình này xảy ra khi có sự quang hợp của thực vật, thực vật hấp thu mạnh CO2 dẫn tới đẩy cân bằng của quá trình về phía sản sinh CO2 trong môi trường nước: 2HCO3- → CO2 + CO32- + H2O Khi hòa tan trong nước, một phần nhỏ CO 2 sẽ liên kết với nước hình thành H 2CO3, phần lớn bị phân ly thành ion HCO3- và CO32- hình thành một hệ thống cân bằng động: CO 2 trong không khí, CO2 trong nước, H2CO3, Ca(HCO3)2, CaCO3 hòa tan trong nước và CaCO 3 kết tủa. Tỷ lệ của các thành phần trên trong muối phụ thuộc vào nhiệt độ và pH của nước. Sự phân ly của H 2CO3 và hằng số cân bằng (K1) được trình bày như sau: CO2 + H2O ⇔ H2CO3 H2CO3 ⇔ H+ + HCO3K1 = 10-6,35 H2CO3 là một chất phân ly mạnh nên chúng luôn tồn tại trong nước với tỉ lệ dưới 1%, đo đó hàm lượng của H2CO3 và CO2 được gộp chung gọi là tổng CO2 (Total CO2): CO2 + H2O ⇔ H+ + HCO3-. Như vậy, có thể trình bày phương trình cân bằng động của phản ứng như sau: - [H+][HCO3] = K1 = 10-6,35 [Tổng CO2] Nước sạch bão hòa CO2 ở 25oC và áp suất khí quyển (760 mm Hg) có hàm lượng tổng CO 2 là 0,46 mg/l (Bảng 3-3) và theo lý thuyết nếu tính toán dựa trên phương trình cân bằng (3.2) thì độ pH của nước là 5,68. Ở hàm lượng tổng CO 2 cao hơn thì pH sẽ thấp hơn. Thí dụ, hàm lượng tổng CO2 là 30 mg/l thì độ pH khoảng 4,8. CO 2 hòa tan trong nước không thể làm giảm pH xuống dưới 4,5. Độ hòa tan của CO2 trình bày ở Bảng 3-3 chỉ áp dụng cho điều kiện nước sạch. Trong nước có chứa hàm lượng bicarbonate (HCO3-) cao hơn thì hàm lượng CO2 ở trạng thái cân bằng sẽ cao hơn nhiều. Thí dụ, ở pH bằng 7 và hàm lượng bicarbonate là 61 mg/l thì hàm lượng tổng CO 2 ở trạng thái cân bằng được tính như sau: -[H+][HCO3] (10-7) (10-3) = 10-6,35 = [Tổng CO2] [Tổng CO2] Tổng CO2 = 10-10/10-6,35 = 10-3,65 = 9,8 mg/l 111 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Bicarbonate được hình thành từ sự phân ly của acid carbonic có thể tiếp tục bị phân ly với hàng số cân bằng (K2) theo phương trình: HCO3- ⇔ H+ + CO32- K2 = 10-10,33 Phương trình cân bằng động của phản ứng (3.3) như sau: -[H+][CO32-] = K2 = 10-10,33 [HCO3] Bởi vì K2 rất nhỏ nên hàm lượng CO 32- không đáng kể ngay cả trong nước sạch với hàm lượng CO2 cao. Tuy nhiên, nếu pH tăng thì hàm lượng CO 32- và tổng CO2 giảm để duy trì hằng số cân bằng K1 và K2. Khi pH cao hơn 8,34 thì trong nước không tồn tại CO 2 tự do và khi pH thấp hơn 8,34 thì không tồn tại CO32- trong nước. Như vậy, sự tồn tại của các dạng CO2, HCO 3-, CO32- có liên quan đến độ kiềm và pH của nước. Trong nước các ion HCO 3-, CO32-, NH4+, OH-, PO43-, SIO32- đều có tính bazơ gây nên độ kiềm của nước. Tuy nhiên, nước dùng trong nuôi trồng thủy sản thì HCO 3-, CO32- tạo nên độ kiềm của nước là chính. Có thể phân biệt làm 2 loại độ kiềm: • Độ kiềm tổng cộng: tổng hàm lượng bazơ chuẩn độ trong nước thể hiện bằng đơn vị mg CaCO3/l pH>4,5 • Độ kiềm phenoltalein hay độ kiềm carbonate, pH > 8,34 Hình 2.10. Thành phần các dạng tồn tại của cacbonat theo pH môi trường Nước thiên nhiên thường có độ kiềm biến động trong khoảng 5-500 mg/l. Theo Boyd & Walley (1975) (trích dẫn bởi Boyd, 1990), ao có độ kiềm thấp thường ở vùng đất cát, trong khi ao có độ kiềm cao thường ở vùng đất thịt và sét, nơi có chứa nhiều CaCO 3. Hàm lượng kiềm lớn hơn 20 mg CaCO3/l là thích hợp cho ao nuôi giúp ổn định pH và tăng lượng khoáng. CO 2 và HCO3- tồn tại trong nước sẽ giúp ổn định pH, hệ thống CO 2 – HCO3- được gọi là hệ đệm của nước. Khả năng đệm của nước dùng để chỉ khả năng chống lại sự thay đổi pH khi môi trường tăng tính acid hay bazơ nhờ khả năng trung hòa acid của HCO3- và khả năng trung hòa bazơ của CO2. H+ + HCO3- → H2O + CO2 OH- + CO2 → HCO3CO32- + CO2 + H2O → 2HCO3- 112 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Nếu ion H+ tăng (pH giảm) thì HCO 3- sẽ phản ứng với H+ tạo ra CO 2, hằng số cân bằng K1 được duy trì và pH ít thay đổi. Ngược lại, khi ion bazơ tăng, CO 2 sẽ phản ứng nước sinh ra H+ để trung hòa bazơ ngăn cản quá trình tăng pH. CO2 đóng vai trò rất quan trọng trong đời sống của vùng nước, CO2 là một bộ phận cơ bản tham gia vào việc tạo thành chất hữu cơ trong quá trình quang hợp. CO2 gắn liền với vòng tuần hoàn của các chất trong thủy vực, trong đó có việc tạo thành và phân hủy các hợp chất hữu cơ trao đổi Ca, Mg và các muối bicacbonate, cacbonate trong nước. Vì vậy, nếu hàm lượng CO2 hòa tan trong nước thấp sẽ hạn chế năng suất sinh học sơ cấp. Tuy nhiên, CO2 tồn tại dưới dạng tự do ở nồng độ cao cũng không có lợi cho đời sống của thủy sinh vật. Nếu áp suất của CO2 trong nước lớn hơn áp suất của CO 2 trong máu cá sẽ làm cản trở quá trình bài tiết CO2 từ máu cá ra môi trường ngoài, đưa đến sự tích tụ CO 2 trong máu cá dẫn đến những sự thay đổi mạnh mẽ các phản ứng sinh lý của cơ thể cá: • Làm giảm khả năng vận chuyển oxy của máu. • Làm tăng ngưỡng oxy của cá. • Làm tăng độ acid của máu (pH giảm sẽ ảnh hưởng đến các trạng thái tồn tại protid máu). Theo Hart (1944), Haskel & Davies (1958) thì hầu hết loài cá có thể tồn tại trong nước có hàm lượng CO2 tự do khoảng 60 mg/l. Theo Ellis (1937) thì quần thể cá phát triển tốt khi môi trường nước chứa đựng hàm lượng CO 2 tự do nhỏ hơn hoặc bằng 5ppm. Trong ao nuôi thủy sản hàm lượng CO2 biến động từ 0 (giữa trưa) đến 5 hay 10 mg/l (ban đêm) là không ảnh hưởng xấu đến sức khỏe của cá (trích dẫn bởi Boyd, 1990). c. Hydro sunphit (H2S) Khí H2S tích tụ dưới nền đáy các thủy vực chủ yếu là do quá trình (i) phân hủy các hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh hay (ii) quá trình phản sulfate hóa với sự tham gia của các vi khuẩn yếm khí. Trường hợp thứ nhất thường hay gặp ở hầu hết các thủy vực, trường hợp thứ hai thường gặp ở thủy vực nước lợ, mặn như biển và đại dương, nơi có nhiều ion SO 42- trong nước. H2S được hình thành trong điều kiện nhiệt độ cao và trong thủy vực có nhiều hợp chất hữu cơ chứa lưu huỳnh. H 2S có mùi đặc trưng đó là mùi trứng thối. Quá trình phản sulfate hóa xảy ra theo phản ứng sau: 2- SO4 + H+ → S2- + 4H2O Sản phảm của quá trình phản sulfate hóa sẽ chuyển hóa tạo thành HS- và H2S theo các phản ứng sau: H2S ⇔ H+ + HSHS- ⇔ H+ + S2Hằng số cân bằng của các phản ứng trên là: -[H+][HS-] = K1 = 10-7,01 [H2S] -[H+][S2-] = K2 = 10-13,89 [HS-] pH có liên quan đến sự tồn tại của các dạng sulfide (H 2S, HS-, S2-), dạng tự do (H2S) thì rất 113 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường độc đối với cá nhưng phân ly thành các ion (HS -, S2-) thì chúng không độc, do đó tỉ lệ giữa dạng ion và dạng tự do được chú ý trong nuôi trồng thủy sản. Chúng ta có thể tính được tỉ lệ của dạng tự do ở giá trị pH bất kỳ. Thí dụ, tỉ lệ HS -:H2S ở pH = 5 ([H+]=10-5) được tính như sau: cứ 1 mole H 2S thì tồn tại 0,0098 mole HS- và tỉ lệ của H2S trên tổng sunphit là 99,03%. Khi pH tăng, tỉ lệ H 2S/Tổng sunphit giảm, thí dụ khi pH bằng 6 thì tỉ lệ này bằng 91,1 và ở pH bằng 7 thì tỉ lệ này là 50,6%. Tỉ lệ của H2S/Tổng sunphit còn bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ, khi nhiệt độ tăng thì tỉ lệ này giảm. Chúng ta có thể tính được hàm lượng H2S ở điều kiện nhiệt độ và pH xác định dựa vào bảng số sau: Bảng 2.16. Tỷ lệ phần trăm (%) của H2S/tổng sunphit theo pH và nhiệt độ Nhiệt độ 16 18 20 22 24 26 28 30 32 5,0 99,3 99,2 99,2 99,1 99,1 99,0 98,9 98,9 98,9 5,5 97,7 97,6 97,4 97,3 97,1 96,9 96,7 96,5 96,3 6,0 93,2 92,8 92,3 92,0 91,4 90,8 90,3 89,7 89,1 6,5 81,2 80,2 79,2 78,1 77,0 75,7 74,6 73,4 72,1 7,0 57,7 56,2 54,6 53,0 51,4 49,7 48,2 46,6 45,0 7,5 30,1 28,9 27,5 26,3 25,0 23,8 22,7 21,6 20,6 8,0 12,0 11,4 10,7 10,1 9,6 9,0 8,5 8,0 7,5 8,5 4,1 3,9 3,7 3,4 3,2 3,0 2,9 2,7 2,5 9,0 1,3 1,3 1,2 1,1 1,0 1,0 0,9 0,9 0,8 pH H2S là một chất khí cực độc đối với thủy sinh vật, tác dụng độc của nó là liên kết với sắt trong thành phần của hemoglobine, không có sắt thì hemoglobine không có khả năng vận chuyển oxy cung cấp cho các tế bào, thủy sinh vật sẽ chết vì thiếu oxy. Độ độc của H2S đối với cá phụ thuộc vào nhiều yếu tố như pH, nhiệt độ của nước. Theo Bonn và Follis (1957) (trích dẫn bởi Boyd, 1990) thì ở nhiệt độ 25-30oC, pH nước bằng 6,8 thì nồng độ H2S gây chết 50% cá sau 3 giờ thí nghiệm (LC50-3 giờ) là 0,8 mg/l. Còn pH bằng 7 thì LC50-3 giờ của khí H 2S đối với cá Nheo bột Mỹ là 1mg/l, 1,3 mg/l đối với cá tiền trưởng thành và 1,4 mg/l đối với cá trưởng thành. Ở những nồng độ thấp hơn, khí H 2S không gây độc hại trực tiếp nhiều đối với cá mà làm tiêu hao nhiều oxy của môi trường (để oxy hóa hoàn toàn 1mg khí H 2S thành SO42- phải tiêu tốn đến 1,3 mg oxy của môi trường. Trong mùa hè, khí H2S thường được hình thành nhiều ở nến đáy thủy vực, hạn chế sự phát triển của nhiều loại động vật đáy, hạn chế thức ăn tự nhiên của một số loài cá, năng suất cá nuôi bị giảm. Vào mùa đông, sự tích lũy khí H 2S ở đáy ao nhiều bùn gây nên hiện tượng thiếu oxy có thể dẫn đến cá chết, nhất là các ao nước tù. 114 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường d. Metan (CH4) Khí methane tích tụ ở nền đáy thủy vực chủ yếu là do quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ bởi vi sinh vật trong điều kiện yếm khí. (C6H10O5) + nH2O → (nC6H12O6) → CH4 + H2O + Q Vi khuẩn tham gia vào các quá trình này có các loài vi khuẩn yếm khí: Bacillus cellulosa metanicus và Bacillus celulosa hydronicus. Hàm lượng khí CH4 ở nền đáy thủy vực nhiều hay ít phụ thuộc vào số lượng mùn bã hữu cơ có trong thủy vực: ở các ao hồ sâu, nước tĩnh, bón phân hữu cơ như phân xanh, phân chuồng hay lá cây rụng nhiều, tích tụ dưới đáy ao sẽ hình thành nhiều khí CH 4 ở nền đáy. Có nhiều ý kiến khác nhau nói về sự ảnh hưởng của khí CH 4 đối với đời sống của thủy sinh vật, một số cho rằng khí CH 4 không độc hoặc ít độc đối với thủy sinh vật. Nhưng có điều chắc chắn là khi khí CH 4 có nhiều trong nước chứng tỏ quá trình phân hủy hửu cơ yếm khí đã xảy ra, H 2S cũng được sinh ra đồng thời với CH4 và đây chính là môi trường nước đó không thuận lợi cho đời sống cuả thủy sinh vật. Ngoài ra, khi hàm lượng khí CH4 trong nước quá nhiều khi nó khuếch tán ra ngoài khí quyển sẽ kéo theo một lượng oxy của môi trường nước làm thất thoát oxy của thủy vực. 2.2.5. Nhóm thông số nhu cầu oxy của nước a. Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD - Biochemical Oxy Demand) Nhu cầu oxy sinh hoá là chỉ tiêu thông dụng nhất để xác định mức độ ô nhiễm của nước thải đô thị và chất thải trong nước thải đô thị. BOD Là lượng oxy hòa tan cần thiết cung cấp cho vi khuẩn để oxy hóa các chất hữu cơ bằng con đường sinh học trong điều kiện hiếu khí. Phương trình tổng quát của phản ứng này như sau: Chất hữu cơ + O2 → CO2 + H2O + Tế bào VSV mới Trong môi trường nước, khi quá trình oxy hóa sinh học xảy ra thì các vi khuẩn sử dụng oxy hòa tan để oxy hóa các chất hữu cơ và chuyển hóa chúng thành các sản phẩm vô cơ bền như CO 2, CO32-, SO42-, PO43- và cả NO3-. Vì vậy xác định tổng lượng oxy hoà tan cần thiết cho quá trình phân huỷ sinh học là công việc quan trọng để đánh giá ảnh hưởng của một dòng thải đối với nguồn nước. Trong thực tế người ta không thể xác định lượng oxy cần thiết để phân huỷ hoàn toàn chất hữu cơ vì như thế tốn quá nhiều thời gian mà chỉ xác định lượng oxy cần thiết trong 5 ngày đầu ở nhiệt độ ủ 20oC, ký hiệu BOD5. Chỉ tiêu này đã được chuẩn hoá và sử dụng ở hầu khắp các nước trên thế giới. Nghiên cứu động học phản ứng BOD đã chứng minh được rằng, hầu hết chúng là các phản ứng bậc một. Điều đó có nghĩa là tốc độ phản ứng tỉ lệ với lượng chất hữu cơ trong nước. Nếu giả thiết Lt là hàm lượng BOD ứng với thời gian t và k là tốc độ phản ứng, khi đó có thể viết: Tích phân hàm trên ta được: Trong đó : Lo là hàm lượng BOD ứng với thời điểm t = 0 (nghĩa là tổng BOD hay BOD cuối cùng của pha cacbon) Mối quan hệ giữa k (cơ số e) và K (cơ số 10) như sau: 115 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Lượng BOD còn lại tại thời điểm t sẽ bằng: còn lượng BOD đã bị vi khuẩn sử dụng đến thời điểm t bất kỳ sẽ bằng: Hình 2.11. Mối quan hệ giữa thành phần và tỷ lệ các dạng BOD theo thời gian Hằng số tốc độ k của phản ứng BOD là thông số biểu thị tốc độ phân huỷ sinh học các chất hữu cơ trong nước thải, vì khi k tăng, tốc độ sử dụng oxy tăng, mặc dù tổng BOD cuối cùng không thay đổi. Tốc độ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như bản chất của chất thải, khả năn phân huỷ chất thải của vi sinh vật và nhiệt độ. Tốc độ phân huỷ sinh học chất thải tăng khi nhiệt độ tăng. Để biểu thị mối quan hệ giữa nhiệt độ và hằng số tốc độ phản ứng k người ta sử dụng công thức sau: Trong đó: k20: hằng số tốc độ phản ứng ở nhiệt độ chuẩn 20oC k : hằng số tốc độ ở nhiệt độ ToC θ: hệ số nhiệt độ (thường lấy bằng 1,047) Ở trên ta đã giả thiết chỉ có quá trình ôxi hoá sinh học phần cacbon của chất thải, nhưng cũng có khả năng tăng thêm nhu cầu oxy sinh hoá do quá trình oxy hoá các hợp chất nitơ. Như vậy thực tế đường cong BOD sẽ có 2 pha: pha cacbon và pha nitơ. Điều chú ý là nhu cầu oxy sinh hoá pha nitơ (NBOD) bắt đầu trong khoảng ngày thứ 5 đên 8 vì vậy quá trình nitrat hoá không ảnh hưởng tới kết quả thí nghiệm phân tích BOD 5. Khi phân tích phương trình phản ứng oxy hoá các hợp chất chứa nitơ cho phép ta xác định lượng oxy tiêu tốn cho quá trình nitrat hoá. Bảng 2.17. Một số giá trị điển hình của k20 Mẫu k20 Nước cống 0,35 – 0,70 Nước cống đã xử lý tốt 0,10 – 0,25 Nước sông bị ô nhiễm 0, 10 – 0,25 Nguồn: Lương Đức Phẩm, 2010 Ý nghĩa của việc xác định BOD: 116 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường • BOD được dùng để xác định mức độ ô nhiễm của các loại chất thải sinh hoạt và công nghiệp. • Là một trong những thông số dùng để kiểm soát ô nhiễm, khả năng tự làm sạch của thuỷ vực. • Để ổn định sinh học các chất hữu cơ có trong nước thải. • Xác định kích thước thiết bị xử lý. • Xác định hiệu suất xử lý của một số quá trình. • Là cơ sở để đánh thuế việc xả nước thải của các nguồn gây ô nhiễm. Hiện nay người ta đã sản xuất được máy đo BOD để phân tích nhanh, do quá trình oxy hoá sinh học xảy ra rất chậm và kéo dài, trong khoảng thời gian 20 ngày, khoảng 95-99% các chất hữu cơ cacbon bị oxy hoá và trong 5 ngày đầu tiên xác định BOD có khoảng 60-70% các chất hữu cơ này bị oxy hoá. Nhiệt độ 20oC là nhiệt độ trung bình trong năm ở những nước có khí hậu ôn hoà và nó cũng dễ được tái diễn lại trong tủ ủ. Nếu tiến hành ủ mẫu ở những nhiệt độ khác nhau sẽ cho kết quả BOD5 khác nhau vì tốc độ phản ứng sinh học phụ thuộc vào nhiệt độ. Do vậy một số nước ở khu vực nhiệt đới đã dùng thông số BOD3 b. Nhu cầu oxy hóa học (COD – Chemical Oxygen Demand) Chỉ số này được dùng rộng rãi để biểu thị hoá hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải và mức độ ô nhiễm nước tự nhiên. Chỉ tiêu nhu cầu oxy sinh hoá BOD không đủ để phản ánh khả năng oxy hoá các chất hữu cơ khó oxy hoá và các chất hữu cơ có thể bị oxy hoá trong nước thải nhất là nước thải công nghiệp. Vì vậy cần phải xác định nhu cầu oxy hoá học (COD, mg/l) để oxy hoá hoàn toàn các chất bẩn có trong nước thải. COD được định nghĩa là nhu cầu oxy cần thiết để oxy hoá chất hữu cơ trong mẫu nước thành CO2 và nước bằng các chất oxy hoá mạnh. Lượng oxy này tương đương với hàm lượng chất hữu có thể bị oxy hoá được xác định khi sử dụng một tác nhân oxy hoá hoá học mạnh trong môi trường axít. Ví dụ một phản ứng phân hủy chất hữu cơ bằng K 2Cr2O7 như sau: Chất hữu cơ + K2Cr2O7 + H+ → CO2 + H2O + 2Cr3+ + 2K+. Mức độ oxy hoá phụ thuộc vào loại vật chất, pH, nhiệt độ, thời gian phản ứng và nồng dộ chất oxy hoá cũng như các chất thêm vào nếu có. KMnO 4 là chất oxy hoá dùng để xác định các thành phần hữu cơ trong nước và nước thải. Phương pháp này dễ thực hiện, tuy nhiên có những mặt hạn chế liên quan đến các vật chất hữu cơ như axít amino, ketones, hoặc axít cacboxylic bão hoà. Các vật chất này không thể oxy hoá bằng KMnO 4. Do đó, phương pháp này chủ yếu được áp dụng đối với những khu vực ít ô nhiễm hoặc đánh giá chất lượng nước uống, các kết quả chỉ mang tính chất khuynh hướng. Việc đo đạc chủ yếu thực hiện trong dung dịch axít các ion Mn 4+ bị khử thành Mn2+. MnO4- + 8H+ + 5e- ↔ Mn2+ + 4H2O Để thu được các kết quả đo COD chính xác hơn, KMnO 4 được thay bằng K2Cr2O7 (một chất oxy hoá mạnh hơn). Cr2O72- + 14H+ + 6e- ↔ 2Cr3+ + 7H2O Phương pháp này được sử dụng để xác định COD trong tất cả các loại nước và nước thải. Tất cả các vật chất hữu cơ hầu như bị oxy hoá hoàn toàn. Nồng độ (mg/l O 2) từ 10 -15 mg/l có thể an toàn trong đo đạc. Để diễn dải các kết quả, vấn đề quan trọng cần chú ý đối với các giá trị COD là không thể chuyển đổi trực tiếp lượng đo đạc các vật chất hữu cơ tồn tại khi không định lượng được các thành phần. Các vật chất khác nhau yêu cầu lượng hoá chất dùng trong oxy hoá khác nhau để xảy ra phản ứng oxy hoá hoàn toàn. 117 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Ví dụ: oxalic axít (C2H2O4) 0,18 mg/mg chất axetic axít (C2H4O2) 1,07 mg/mg chất phenol (C6H6O) 2,38 mg/mg chất Đối với nước thải sinh hoạt thường là 1,2 mg COD/mg chất hữu cơ. Các chất hữu cơ trong nước có hoạt tính hóa học khác nhau. Khi bị oxy hóa không phải tất cả các chất hữu cơ đều chuyển hóa thành nước và CO2 nên giá trị COD thu được khi xác định bằng phương pháp KMnO4 hoặc K2Cr2O7 thường nhỏ hơn giá trị COD lý thuyết nếu tính toán từ các phản ứng hóa học đầy đủ. Mặt khác, trong nước cũng có thể tồn tại một số chất vô cơ có tính khử (như S2-, NO2-, Fe2+…) cũng có thể phản ứng được với KMnO 4 hoặc K2Cr2O7 làm sai lạc kết quả xác định COD. Như vậy, COD giúp phần nào đánh giá được lượng chất hữu cơ trong nước có thể bị oxyd hóa bằng các chất hóa học (tức là đánh giá mức độ ô nhiễm của nước). Việc xác định COD có ưu điểm là cho kết quả nhanh (chỉ sau khoảng 2 giờ nếu dùng phương pháp bicromat hoặc 10 phút nếu dùng phương pháp permanganat). COD và BOD đều là các thông số định lượng chất hữu cơ trong nước có khả năng bị oxy hoá, nhưng hai chỉ số này khác nhau về ý nghĩa. COD cho thấy toàn bộ chất hữu cơ (và cả các nhóm vô cơ có tính khử) có trong nước bị oxy hoá bằng tác nhân hoá học. BOD chỉ thể hiện các chất hữu cơ dễ bị phân huỷ sinh học, nghĩa là các chất hữu cơ có thể bị oxy hoá bằng vi sinh vật có ở trong nước. Do vậy thông số COD luôn luôn lớn hơn BOD và tỉ số BOD/COD bao giờ cũng nhỏ hơn 1. Trong đó BOD/COD > 0,5: Hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủy cao, quá trình tự làm sạch xảy ra rất mạnh.(tphẩm, bia, sữa, bánh kẹo…) BOD/COD < 0,5: Hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủy thấp, quá trình tự làm sạch xảy ra yếu (hóa chất, giấy, dệt nhuộm…). Tỉ số càng thấp có thể là trong nước bị nhiễm các chất có độc tính kìm hãm vi sinh vật phát triển và hoạt động, cũng có khi vi sinh vật bị chết. Như vậy BOD sẽ rất thấp hoặc có khi gần tới không. Do đó nhiều trường hợp kôn thể suy từ COD sang BOD và ngược lại. Trong trường hợp các nguồn nước tự nhiên và nước thải không có chất độc và tương đối ổn định về thành phần, như nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp thực phẩm cùng một số ngành khác ta có thể xác định qua thực nghiệm được một hệ số chuyển đổi từ COD sang BOD và ngược lại. Vì vậy có thể sử dụng giá trị của phép đo COD là thông số chất hữu cơ bị phân huỷ trong quá trình xử lý nước thải. c. Các chỉ thị hữu cơ khác (Tổng cacbon hữu cơ – TOC – Total Organic Carbon; Nhu cầu oxy lý thuyết – ThOD – Theoretical Oxygen Demand) Trong quá trình oxy hóa hoàn toàn các vật chất hữu cơ, các hợp chất hữu cơ phân hủy hoàn toàn, cacbon hữu cơ chuyển thành cacbon vô cơ: CO và CO 2. Sau khi sử dụng phương pháp loại bỏ cacbon vô cơ: CO, CO2, HCO3-, CO32-, thành phần cacbon xác định được trong mẫu là cacbon vô cơ. Nhu cầu oxy lý thuyết (ThOD0 được xác định dựa trên lượng tiêu hao oxy để phân hủy và chuyển hóa các hợp chất hữu cơ, các hợp chất của nitơ (NH3, NO2, NO3…) Để đánh giá hoàn chỉnh về thành phần và tính chất của chất hữu cơ trong nước, thường xử dụng đồng thời và đầy đủ các giá trị BOD, COD, TOC, ThOD). Trong đó, đối với nước thải sinh hoạt chưa xử lý, mối quan hệ giữa các giá trị này được thể hiện như sau: BODu = 0,9ThOD BOD5 = 0,77BODu 118 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường ThOD = COD COD/TOC = 32/12 = 2,66 BODu/ThOD = 0,9 BOD5/COD = 0,7 BOD5/TOC = 1,85 Trong đó BODu là giá trị BOD tối đa khi thời gian phân hủy đủ dài. Bảng 2.18. Giá trị trung bình lượng oxy tiêu thụ theo thời gian trong phân tích BOD Thời gian (ngày) Giá trị BOD Phần trăm lượng oxy suy giảm 0 BOD0 0 5 BOD5 60 – 80 7 BOD7 70 – 95 20 BOD20 95 – 99 ∞ BODu 100 Tuy nhiên, các tỷ lệ trên đây phụ thuộc chặt chẽ vào tình trạng phân hủy sinh học của nước. Ví dụ, đối với môi trường có tỷ lệ BOD/COD nhỏ hơn 0,1 hoặc giá trị BOD rất gần với 0, có hai trường hợp xảy ra. Trường hợp thứ nhất: trong môi trường có thể không có chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học, chỉ chứa phần lớn là chất hữu cơ khó phân hủy sinh học. Trường hợp thứ hai: trong môi trường không thể xảy ra quá trình phân hủy sinh học các chất gây ô nhiễm do không có vi sinh vật, do các chất độc gây ảnh hưởng tới sự phát triển của sinh vật. 2.2.6. Nhóm các chất hữu cơ a. Các chất hữu cơ dễ bị phân huỷ sinh học (các chất tiêu thụ oxy) Cacbonhydrat, protein, chất béo… thường có mặt trong nước thải sinh hoạt, nước thải đô thị , nước thải công nghiệp chế biến thực phẩm là các chất hữu cơ dễ bị phân huỷ sinh học. Trong nước thaỉ sinh hoạt, có khoảng 60-80% lượng chất hữu cơ thuộc loại dễ bị phân huỷ sinh học. Chất hữu cơ dễ bị phân huỷ sinh học thường ảnh hưởng có hại đến nguồn lợi thuỷ sản, vì khi bị phân huỷ các chất này sẽ làm giảm oxy hoà tan trong nước, dẫn đến chết tôm cá. Ðây là những chất tiêu thụ ôxy trong môi trường nước. Do đặc tính không bền, chúng có xu hướng bị ôxy hoá thành các dạng đơn giản hơn. Quá trình này ảnh hưởng trực tiếp đến độ hoà tan ôxy trong nước (DO). Ngoài ra các chỉ tiêu khác như BOD (nhu cầu ôxy sinh hoá) và COD (nhu cầu ôxy hoá học) được sử dụng để đánh giá mức độ ô nhiễm hữu cơ trong nước. Nguồn gốc các chất gây ô nhiễm dạng hữu cơ dễ phân hủy có thể từ các dạng sau: • Nước thải sinh hoạt: hầu hết các chất hữu cơ dạng này đều có khả năng phân huỷ sinh học, là nguyên nhân chính gây ra hiện tượng thiếu hụt ôxy trong nước. • Nước rửa trôi trên bề mặt: Thành phần hợp chất hữu cơ rất đa dạng, tuỳ thuộc vào đặc tính bề mặt. • Quá trình tự nhiên: chất hữu cơ sinh ra do quá trình sinh trưởng, phát triển – tử vong của động thực vật phù du, động thực vật đáy. Ðây là nguồn phát sinh đáng kể trong các lưu vực giàu chất dinh dưỡng. 119 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường • Hoạt động công nghiệp: Thông thường các chất hữu cơ phát sinh từ công nghiệp ở dạng bền vững, tuy nhiên, nhiều ngành công nghiệp cũng sản sinh ra các chất hữu cơ dễ phân hủy: công nghiệp thực phẩm, công nghiệp chế biến... • Hoạt động nông nghiệp: do tưới tiêu, do nông dược, do phân bón... Các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học quan trọng là: Cacbonhydrat: là sản phẩm và là dạng phân nhỏ của axít hữu cơ, nó là thành phần đầu tiên bị phân huỷ trong quá trình hoạt động sống của vi sinh. Cacbonhydrat thường tồn tại ở những loại đường, hồ bột khác nhau và cả ở dạng các hợp chất xenlulo của bột giấy. Cacbonhydrat là nguồn đầu tiên cung cấp năng lượng và các hợp chất chứa cacbon cho vi khuẩn sống trong nước thải. Protein: Là những hợp chất hữu cơ có phân tử lượng lớn, tồn tại trong cơ thể động vật và thực vật, Protein nhanh chóng bị phân huỷ dưới tác dụng của các VSV. Sự phân huỷ này trải qua nhiều giai đoạn, nhiều hợp chất trung gian được tạo ra: axít amin, axít béo, axít thơm, bazơ hữu cơ, các hợp chất chứa S và P, có nhiều chất độc hại, có mùi hôi. (Nhà máy chế biến thực phẩm, sx đồ hộp, thuộc da, giết mổ gia súc...) Chất béo: Bao gồm mỡ, dầu động vật và thực vật. Dưới tác dụng của vi khuẩn, chất béo chất béo bị phân huỷ thành glixerin và các axít béo, các axít béo được phân huỷ bằng cách này lại tiếp tục bị phân huỷ thành những axít mạch ngắn hơn (axít axetic, butyric....) có mùi hôi, làm cho pH của nước giảm, bất lợi cho hoạt động của vi khuẩn phân huỷ. (xí nghiệp sx dầu mỡ, mỡ thực phẩm, nm sản xuất xà phòng, tẩy len, tẩy giặt...) b. Các chất hữu cơ bền vững Các chất hữu cơ có độc tính cao thường là các chất bền vững, khó bị vi sinh vật phân huỷ trong môi trường. Một số chất hữu cơ có khả năng tồn lưu lâu dài trong môi trường và tích luỹ sinh học trong cơ thể sinh vật. Do có khả năng tích luỹ sinh học, nên chúng có thể thâm nhập vào chuỗi thức ăn và từ đó đi vào cơ thể con người. Chất hữu cơ khó phân hủy (hữu cơ bền vững) có thể sinh ra từ một số nguồn: sinh hoạt (lượng ít), nông nghiệp (nông dược, chất bảo quản…) và chủ yếu là từ công nghiệp (các chất nhiên liệu, chất dẻo, chất màu, thuốc trừ sâu, phụ gia dược phẩm thực phẩm... mà nguồn gốc từ các nhà máy thực phẩm, giấy, thuộc da, đồ hộp, hoá chất...). Chúng là những chất có khả năng phân huỷ sinh học thấp, gây ô nhiễm nặng nề cho các nguồn nước. Chúng bao gồm: Hydrocacbon: Các hợp chất hữu cơ hyđrocacbon mạch thẳng hay mạch vòng thông thường là sản phẩm của dầu mỏ, thâm nhập và làm ô nhiễm nguồn nước thông qua các quá trình khai thác, vận chuyển, gia công, sử dụng. Ảnh hưởng của các hợp chất thơm này gây ra mùi rất khó chịu. Ðối với người và thực vật, chúng gây nên các bệnh mãn tính và cấp tính như ung thư, ảnh hưởng đến hệ thần kinh trung ương, mắt, bệnh ngoài da. Các hợp chất hyđrôcacbon đa vòng được các hạt keo hấp thụ hoặc bám dính trên các chất hoạt tính bề mặt, do vậy chúng có khả năng tích tụ lớn và cũng có khả năng gây ung thư. Hydrocarbons là các hợp chất của các nguyên tố của cacbon và hydrogen. Vài CxHy có trọng lượng phân tử nhỏ (methan, ethan và ethylen) ở dạng khí trong nhiệt độ và áp suất bình thường. Tuy nhiên , đại đa số CxHy là lỏng và rắn. Chúng ít tan trong nước nhưng tan nhiều trong dầu và các dung môi hữu cơ (Walker et al.,1996). Chúng là một trong những nguồn ô nhiễm của nền văn minh hiện đại. Vấn đề hết sức nghiêm trọng ở những vùng nước lợ và thềm lục địa có nhiều cá. Ðôi khi cá bắt được không thể ăn được vì có mùi dầu lửa. Sự ô nhiễm bởi các hydrocarbon là do các hiện tượng khai thác mỏ dầu, vận chuyển ở biển và các chất thải bị nhiễm xăng dầu. Ước tính khoảng 1 tỷ tấn dầu được chở bằng đường biển mỗi 120 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường năm. Một phần của khối lượng này, khoảng 0,1 - 0,3% được ném ra biển một cách tương đối hợp pháp: đó là sự rửa các tàu dầu bằng nước biển. Các tai nạn đắm tàu chở dầu là tương đối thường xuyên. Ðã có 129 tai nạn tàu dầu từ 1973 - 1975, làm ô nhiễm biển bởi 340.000 tấn dầu (Ramade, 1989). Ước tính có khoảng 3.6 triệu tấn dầu thô thải ra biển hàng năm (Baker,1983). Một tấn dầu loang rộng 12 km2 trên mặt biển, do đó biển luôn luôn có một lớp mỏng dầu trên mặt (Furon,1962). Các vực nước ở đất liền cũng bị nhiễm bẩn bởi hydrocarbon. Sự thải của các nhà máy lọc dầu, hay sự thải dầu nhớt xe tàu, hoặc là do vô ý làm rơi vãi xăng dầu. Tốc độ thấm của xăng dầu lớn gấp 7 lần của nước, sẽ làm các lớp nước ngầm bị nhiễm. Khoảng 1,6 triệu tấn hydrocarbon do các con sông của các quốc gia kỹ nghệ hóa thải ra bờ biển. Phenol: phenol và các dẫn xuất phenol có trong nước thải của một số nghành công nghiệp (lọc hoá dầu, sản xuất bột giấy, nhuộm…). Các hợp chất này làm cho nước có mùi, gây tác hại cho hệ sinh thái nước, sức khoẻ con người, một số dẫn xuất phenol có khả năng gây ung thư (carcinogens). TCVN 5942-1995 quy định nồng độ tối đa của các hợp chất phenol trong nước bề mặt dùng cho sinh hoạt là 0,001 mg/l. Hữu cơ halogen: Các hợp chất hữu cơ halogen là những chất vô cùng độc hại. Các hợp chất này bao gồm: Cacbuahydro clorua, polyclorua byphenyl, thuốc trừ sâu chứa clo, các phênol clo, PCDD, PCDF: Polyclobiphenyl (PCBs): Ðây là những chất gây ô nhiễm được tìm thấy trong các nguồn trên toàn thế giới, thậm chí trong cả các mô tế bào chim và cá. Các PCB có độ bền hoá học, nhiệt và sinh học rất cao. Nguồn gốc của PCB chủ yếu từ dung dịch lạnh cách điện, làm thẩm thấu bông và sợi amiăng, làm hoá chất dẻo và làm các chất phụ gia cho một số loại sơn. PCB là nhóm hợp chất có từ 1 đến 10 nguyên tử clo gắn vào các vị trí khác nhau của phân tử phenyl. Có thể có đến 209 hợp chất thuộc loại này. Công nghiệp thường sản xuất được các hỗn hợp chứa nhiều loại PCB khác nhau, tuỳ thuộc vào điều kiện, trong đó thông thường có một ít tạp chất dioxyn. PCBs bền hoá học và cách điện tốt, nên được dùng làm dầu biến thế và tụ điện, ngoài ra chúng còn được dùng làm dầu bôi trơn, dầu thuỷ lực, tác nhân truyền nhiệt… Đến khoảng thập niên 1960 người ta đã phát hiện ra nguy cơ gây ô nhiễm PCBs từ các nghành công nghiệp. PCBs lúc đó đã có mặt gần như khắp nơi, đặc biệt là nguy cơ tích luỹ PCBs trong mô mỡ động vật. Trong mô mỡ của nhiều loại động vật có vú ở biển có chứa nồng độ PCBs lớn gấp 10 triệu lần PCBs trong nước. Những năm cuối thập niên 1970, việc sản xuất PCBs bắt đầu bị đình chỉ ở hầu hết các nước. PCBs có thể làm giảm khă năng sinh sản, giảm khả năng học tập của trẻ em; chúng cũng có thể là tác nhân gây ung thư. Tuy vậy, cũng như các dioxyn, bằng chứng về tác hại của PCBs cũng chưa rõ lắm, do nồng độ của chúng trong môi trường thường rất nhỏ và tác hại lại có xu hướng diễn ra sau một thời gian đủ dài. Bảng 2.19. Một số chất gây ô nhiễm hữu cơ điển hình trong môi trường đất, nước Stt Loại hợp chất Các chất đại diện 1 Hydrocacbon Cyclohexen, Benzine, Benzen, Toluen, Styren, Naphtalen 2 Halogen hydrocacbon Chloroform, Vinyclorua, Tetrachloethen, Hexachorychohexan, Hexachlobenxen, Polyclorua, Byphenyl 3 Polyclodibenzodioxyn 2,3,7,8 tetraclo-dibenzodioxyn 121 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường 4 Photpho hữu cơ Tributyphotphat 5 Nitơ hữu cơ Acrylamid, Acrylnitrit, O-nitrotoluen 6 Cơ kim loại Methyl thuỷ ngân 7 Lưu huỳnh hữu cơ Methyl-mercaptan 8 Chất hoạt động bề mặt Alkybenzensunfonat 9 Rượu và ete Methyl-hexanol, Dipphenylether 10 Andehit, keton Formaldehyd, Axeton, Axit benzoic 11 Phenol Phenol, Cresol 12 Hợp chất thiên nhiên Lipit, Axit amin, Protein, đường... Hydrocacbon đa vòng ngưng tụ (polynuclear aromatic hidrocacbon PAHs): Các hợp chất PAH thường chứa hai hay nhiều vòng thơm. PAH là sản phẩm phụ của các quá trình cháy khômg hoàn toàn như: cháy rừng, cháy thảo nguyên, núi lửa phun trào (quá trình tự nhiên); động cơ xe máy, lò nung than cốc, sản xuất nhựa asphalt, sản xuất thuốc lá, nướng thịt…(quá trình nhân tạo). Các PAH thường gây hại khi tiếp xúc với liều lượng nhỏ trong một thời gian dài, nhưng không gây hại đáng kể nếu dùng một lượng lớn trong một lần. Trong số các hợp chất PAH có 8 hợp chất được xem là tác nhân gây ung thư. Thông thường thực phẩm hằng ngày là nguồn đưa PAHs chính vào cơ thể người (95%), thuốc lá, rau không rửa sạch, ngũ cốc chưa được tinh chế, thịt cá xông khói là các nguồn đưa một lượng đáng kể PAHs vào cơ thể. Hoá chất bảo vệ thực vật: bao gồm thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, thuốc diệt nấm mốc, thuốc chữa bệnh thực vật, thuốc diệt loài gặm nhấm... đa phần là các hoạt chất hữu cơ. Theo quan điểm hoá học các chất bảo vệ thực vật được phân thành các dạng sau: Photpho hữu cơ; Clo hữu cơ; Cacbamat; Phenoxyaxetic; Pyrethroid Hầu hết các chất này có độ tính cao đối với con người và động vật. Nhiều nhất trong số đó, đặc biệt là các clo hữu cơ, bị phân huỷ rất chậm trong môi trường, có khả năng tích luỹ trong cơ thể sinh vật và con người. Nhiều trong số các HCBVTV là tác nhân gây ung thư. TCVN 59421995 quy định nồmg độ tối đa cho phép của tổng các HCBVTV trong nước bề mặt là 0,15 mg/l, riêng với DDT là 0,01 mg/l. Các chất bảo vệ thực vật thâm nhập vào cơ thể con người thông qua quá trình phát tán trong nước hoặc do tồn lưu sinh vật, sau khi sinh vật chết bị cuốn trôi theo nước. Chúng được tích tụ trong chuỗi thức ăn mà mắt xích cuối cùng là con người. Chất bảo vệ thực vật có trong nước sẽ tác động trực tiếp đến quá trình phát triển của sinh vật, thay đổi cấu trúc sinh học, gây ra các các bệnh lý như ung thư, quái thai... Dioxyn: Nhóm dioxyn là hai nhóm hợp chất tạp chất sinh ra trong quá trình sản xuất các hợp chất clo hoá. Dioxyn cũng được tạo thành khi đốt cháy các hợp chất clo hoá ở nhiệt độ thấp (dưới 1000oC). Hai nhóm hóa chất này là polychlorinated dibenzo-p-dioxyns (PCDDs) và polychlorinated dibenzofurans (PCDFs). 122 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Xà phòng và các chất tẩy rửa và phụ gia: Là những nguồn tiềm tàng các chất gây ô nhiễm dạng hữu cơ do có khả năng tạo nhũ tương, tạo các chất hữu cơ lơ lửng trong nước. Trong quá trình này các anion tạo ra các mixel xà phòng dạng keo. Bột giặt tổng hợp phổ biến từ năm 1950. Chúng là các chất hữu cơ có cực (polar) và không có cực (non-polar). Có 3 loại bột giặt: anionic, cationic và non- ionic. Bột giặt anionic được sử dụng nhiều nhất, nó có chứa TBS (tetrazopylène benzen sulfonate), không bị phân hủy sinh học. Xà bông là tên gọi chung của muối kim loại với acid béo. Ngoài các xà bông natri và kali tan được trong nước, thường dùng trong sinh hoạt, còn các xà bông không tan thì chứa calci, sắt, nhôm...sử dụng trong kỹ thuật (các chất bôi trơn, sơn, verni). Các chất hữu cơ tổng hợp khác: Tất cả các chất hữu cư có trong nước đều là những chất tiêu thụ ôxy do đặc tính không bền và có xu hướng ôxy hoá thành chất đơn giải. Trong nước khi chỉ số DO thấp, BOD và COD cao chứng tỏ nước bị ô nhiễm nặng bởi các chất hữu cơ tiêu thụ ôxy. Dầu mỏ và phụ gia dầu mỏ: bao gồm các sản phẩm của dầu mỏ và phụ gia như xăng, dầu nhẹ, diesel, dầu mazut, dầu bôi trơn... Dầu mỏ đi vào trong nước từ nước thải khai thác dầu mỏ, công nghiệp hóa dầu, sử dụng các thiết bị công nghiệp có sử dụng dầu, giao thông thủy... Dầu mỡ là chất khó tan trong nước, nhưng tan được trong các dung môi hữu cơ. Dầu mỡ có thành phần hóa học rất phức tạp. Dầu thô có chứa hàng ngàn các phân tử khác nhau, nhưng phần lớn là các Hydrocacbon có số cacbon từ 2 đến 26. Trong dầu thô còn có các hợp chất lưu huỳnh, nitơ, kim loại. Các loại dầu nhiên liệu sau tinh chế (dầu DO2, FO) và một số sản phẩm dầu mỡ khác còn chứa các chất độc như PAHs, PCBs,…Do đó, dầu mỡ thường có độc tính cao và tương đối bền trong môi trường nước. Độc tính và tác động của dầu mỡ đến hệ sinh thái nước không giống nhau mà phụ thuộc vào loại dầu mỡ. Ô nhiễm dầu mỏ làm giảm tính chất lý hoá của nước (như thay đổi màu, mùi, vị): Nước sẽ có mùi đặc trưng khi nồng độ của nó đạt tới 0.5 mg/l, các chỉ tiêu hoá học sẽ thay đổi mạnh khi nồng độ lớn hơn 100 mg/l. Tác động đến quần thể sinh vật: Nước bị ô nhiễm gây thiệt hại vô cùng đối với sinh vật có độ nhạy cảm cao, quần thể sinh vật giảm xuống rất nhanh do sự phân huỷ của dầu trong cơ thể sống và do lớp váng dầu ngăn cản quá trình trao đổi ôxy giữa pha nước và khí. Hàm lượng dầu trong nước đạt 20-30mg/l sẽ gây rối loạn các hoạt động phản xạ của cá, hàm lượng lớn hơn có thể gây chết cá. Khi hàm lượng các hợp chất thơm của dầu đạt tới 0.3 mg/l thì quần thể sinh vật trong nước có thể bị chết. Hầu hết các loại động thực vật đều bị tác hại của dầu mỡ. Các loại động thực vật thủy sinh dễ bị chết do dầu mỡ ngăn cản quá trình hô hấp, quang hợp và cung cấp năng lượng. Tuy nhiên, một số loại tảo lại kém nhạy cảm với dầu mỡ, do đó trong điều kiện ô nhiễm dầu mỡ, nhiều loại tảo lại phát triển mạnh. 2.2.7. Nhóm các chất vô cơ trong nước Mọi chất hóa học được hình thành bằng con đường tự nhiên hoặc nhân tạo từ các nguyên tố có mặt trong bảng hệ thống tuần hoàn các nguyên tố, có mặt trong môi trường nước ở bất kỳ nồng độ nào đều có thể là những thông số đánh giá chất lượng môi trường nước. Do đó, có vô cùng nhiều các thông số hóa học đánh giá chất lượng nước, ví dụ cùng liên quan đến nguyên tố N, trong môi trường có thể đánh giá Nitơ tổng số, Nitơ protein, Nitơ axit amin, tổng N vô vơ, nitrat, amoni… Như đã đề cập đến ở trên, nghiên cứu về chất lượng nước có thể lựa chọn rất nhiều các thông số đại diện cho các chất độc hại trong môi trường: chất hữu cơ vi lượng, chất vô cơ vi lượng… Tuy nhiên, tùy vào điều kiện của các nghiên cứu (phương tiện, vật chất, kỹ thuật, nhân lực…) có thể xem xét chất lượng môi trường nước dựa trên một số lượng hữu hạn các thông số hóa học trong môi trường. 123 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Bảng 2.20. Khoảng nồng độ của các vật chất gây độc gây cản trở các quá trình sinh học trong các nhà máy xử lý bùn cặn Chất gây độc Khoảng (mg/l) Cu 1–3 Cr-III 10 – 20 Cr-VI 1 – 10 Cd 3 – 10 Zn 3 – 20 Ni 2 – 10 Co 2 – 15 CN 0,3 – 2 H2S 5 – 30 nồng độ a. Các chất dinh dưỡng vô cơ hòa tan Dinh dưỡng vô cơ hòa tan quan trọng trong môi trường nước bao gồm các ion của N và P: NITƠ (N) Nitrogen là thành phần cấu thành protein, N là một trong những nguyên tố quan trọng đối với đời sống sinh vật. Nó được thực vật xanh hấp thụ trước hế là dạng ammonium (NH 4+) và dạng nitrate (NO3-), nhưng các hợp chất này thường có rất ít trong các thủy vực. Do đó, trong các thủy vực N thường là nhân tố giới hạn cho đời sống của thực vật. Sự tạo thành các hợp chất hữu cơ trong thủy vực phụ thuộc đáng kể vào hàm lượng NH 4+ và NO3- trong thủy vực. Trong các thủy vực hầu như toàn bộ N được liên kết trong các protein của cơ thể sống. Tuy nhiên, các hoạt động của động vật thủy sinh ammonia (NH 3) luôn được bài tiết ra hoặc sau khi chúng chết đi bị các vi sinh vật phân hủy giải phóng NH3, trả lại N cho thủy vực. Đây chính là nguồn cung cấp dinh dưỡng trực tiếp cho thực vật hay gián tiếp sau khi NH3 bị oxy hóa thành nitrate (tham khảo thêm chu trình N). AMONI VÀ AMONIAC NH3 trong các thủy vực được cung cấp từ quá trình phân hủy bình thường các protein, xác bã động thực vật phù du, sản phẩm bài tiết của động vật hay từ phân bón vô cơ, hữu cơ. (NH2)2CO + 2H2O + (NH4)2CO3 (NH4)2CO3 → 2 NH3 + CO2 + H2O NH3 là loại khí độc đối với cá, khi được tạo thành sẽ phản ứng với nước sinh ra ion NH 4+ cho đến khi cân bằng được thiết lập. Tổng hàm lượng của NH3 và NH4+ được gọi là Tổng đạm amon (Total Ammonia Nitrogen - TAN). NH3 + H2O+ ⇔ NH4+ + OH- 124 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Tỉ lệ giữa NH4+:NH3 sẽ tăng khi pH giảm và giảm khi pH tăng, tỉ lệ này tại một giá trị pH xác định (thí dụ pH = 8) có thể được tính từ sự cân bằng: Vì vậy, ở pH=8 mỗi mole NH 3 thì có 18,2 mole NH4+ và tỉ lệ phần trăm của NH4 trên TAN là 5,2%. Ngoài pH, tỉ lệ của NH 3/TAN trong nước còn phụ thuộc vào nhiệt độ. Khi nhiệt độ và pH của nước gia tăng thì hàm lượng NH 3 trong nước sẽ gia tăng và ngược lại. Bảng 2.21. Tỷ lệ amoniac và amoni phụ thuộc vào nhiệt độ và pH môi trường Nhiệt độ (oC) 16 18 20 22 24 26 28 30 32 7,0 0,30 0,30 0,40 0,46 0,52 60,00 0,70 0,81 0,95 7,2 0,47 0,47 0,63 0,72 0,82 0,95 1,10 1,27 1,50 7,4 0,74 0,74 0,99 1,14 1,30 1,50 1,73 2,00 2,36 7,6 1,17 1,17 1,56 1,79 2,05 2,35 2,72 3,13 3,69 7,8 1,84 1,84 2,45 2,80 3,21 3,68 4,24 4,88 5,72 8,0 2,88 2,88 3,83 4,37 4,99 5,71 6,55 7,52 8,77 8,2 4,49 4,49 5,94 6,76 7,68 8,75 10,00 11,41 13,22 8,4 6,93 6,93 9,09 10,30 11,65 13,20 14,98 16,96 19,46 8,6 10,56 10,56 13,68 14,40 17,28 19,42 21,83 24,45 27,68 8,8 15,76 15,76 20,08 22,38 24,88 27,64 30,68 33,90 37,76 9,0 22,87 22,87 28,47 31,37 34,42 37,71 41,23 44,84 49,02 9,2 31,97 31,97 38,69 42,01 45,41 48,96 52,65 56,30 60,38 9,4 42,68 42,68 50,00 53,45 56,86 60,33 63,79 67,12 70,72 9,6 54,14 54,14 61,31 64,54 67,63 70,67 73,63 76,29 79,29 9,8 65,17 65,17 71,53 74,25 76,81 79,25 81,57 83,68 85,85 10,0 74,78 74,78 79,92 82,05 84,00 85,82 87,52 89,05 90,58 10,2 82,45 82,45 86,32 87,87 89,27 90,56 91,75 92,80 93,84 pH NH3 là yếu tố quan trọng có ảnh hưởng lớn đến tỷ lệ sống, sinh trưởng đối với thủy sinh vật. NH3 là khí độc đối với thủy sinh vật còn ion NH 4+ không độc và nồng độ N- NH3 gây độc đối với cá là 0,6-2,0 ppm (Downing và Markins, 1975; trích dẫn bởi Boyd, 1990). Theo Colt và Armstrong (1979) (trích dẫn bởi Boyd, 1990) tác dụng độc hại của NH 3 đối với cá là khi hàm lượng NH 3 trong nước cao, cá khó được bài tiết NH 3 từ máu ra môi trường ngoài. NH 3 trong máu và các mô tăng làm 125 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường pH máu tăng dẫn đến rối loạn những phản ứng xúc tác của enzyme và độ bền vững của màng tế bào, làm thay đổi độ thẩm thấu của màng tế bào đưa đến cá chết vì không điều khiển được quá trình trao đổi muối giữa cơ thể và môi trường ngoài. NH 3 cao cũng làm tăng tiêu hao oxy của mô, làm tổn thương mang và làm giảm khả năng vận chuyển oxy của máu. Độ độc của NH3 đối với một số loài giáp xác cũng đã được ngiên cứu, ở nồng độ 0,09 mg/l NH3 làm giảm sự sinh trưởng của tôm càng xanh (Macrobrachium rosenbergii), ở nồng độ 0,45 mg/l làm giảm 50% sự sinh trưởng của các loài tôm he. Ngoài ra, LC50-24 giờ và LC50-96 giờ của NH3 đối với tôm sú hậu ấu trùng (Penaeus monodon) là 5,71 mg/l và 1,26 mg/l(Chin và Chen, 1987). Nồng độ NH3 được coi là an toàn cho ao nuôi là 0,13 mg/l. Do đó, việc theo dõi hàm lượng NH3 trong ao nuôi thủy sản là rất cần thiết để nâng cao năng suất nuôi. Ở hàm lượng dưới mức gây chết NH3 cũng có ảnh hưởng xấu đến thủy sinh vật: • Giảm khả năng sinh sản, giảm khả năng chống bệnh • Nó gia tăng tính mẫn cảm của động vật đối với những điều kiện không thuận lợi của môi trường như sự dao động của nhiệt độ, thiếu oxy. • Ức chế sự sinh trưởng bình thường. NH4+ trong nước rất cần thiết cho sự phát triển của các sinh vật làm thức ăn tự nhiên, nhưng nếu hàm lượng NH4+ quá cao sẽ làm cho thực vật phù du phát triển quá mức không có lợi cho cá (thiếu oxy vào sáng sớm, pH dao động...). Theo Boyd (1990) hàm lượng NH 4+ thích hợp cho ao nuôi thủy sản là 0,2-2 mg/l. NITRIT Trong các thủy vực nitrite được tạo thành từ quá trình oxy hóa ammonia và ammonium nhờ hoạt động của nhóm vi khuẩn hóa tổng hợp Nitrosomonas theo phản ứng sau: NH4+ + 3/2 O2 → NO2- + 2H+ + H2O + 76kcal 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 nitrite, hyponitric, hydroxylamine, ammonia hay khí N2. 2HNO3 + H+ → HNO2 + H2O 2HNO2 + 4H+ → N2O2H2 + 2H2O N2O2H2 + NH+ → 2NH2OH 2NH2OH + 4H+ → 2NH3 + 2H2O N2O2H2 +2H+ → N2 + H2O N2O2H2 → N2O + H2 O N2O + 2H+ → N2 + H2O 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. Khi hàm lượng nitrite trong nước cao, nitrite sẽ kết hợp với hemoglobin tạo thành methemoglobin: Hb + NO2- = Met-Hb Trong phản ứng này, Fe của hemoglobin bị oxy hóa từ Fe 2+ thành Fe3+, kết quả hemoglobin không thể kết hợp với oxy. Với lý do này, tính độc của nitrite là làm giảm hoạt tính của hemoglobin hay có thể gọi là thiếu máu. Máu có chứa methemoglobin thường có màu nâu nên có được gọi là “bệnh máu màu nâu”. Đối với giáp xác, máu có chứa hemocyanin có Cu trong thành phần cấu tạo 126 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường thay vì Fe như ở hemoglobin. Phản ứng giữa nitrite với hemocyanin chưa được nghiên cứu nhiều nhưng người ta cũng xác nhận rằng nitrite cũng gây độc cho giáp xác. Schwedler & Tucker (1983) (trích dẫn bởi Boyd, 1990) tìm thấy hàm lượng methemoglobin trong máu của loài cá nheo (chennel catfish) nuôi trong ao biến động từ 5-90%. Máu có màu nâu nhạt khi hàm lượng methemoglobin trong máu đạt 25-30% và máu có màu chocolate khi hàm lượng methemoglobin trong máu cao hơn 50%. Một số loài cá có thể khử methemoglobin thành hemoglobin khi hàm lượng nitrite trong nước giảm hoặc cá di chuyển đến nơi có hàm lượng nitrite thấp (Huey & Beitinger, 1982; Freeman et al., 1983. Trích dẫn bởi Boyd, 1990). Nitrite đi vào máu qua mang, mức độ hấp thụ nitrite phụ thuộc vào tỉ lệ nitrite:chloride trong môi trường nước (Schwedler et al., 1980. Trích dẫn bởi Boyd, 1990) và khả năng chịu đựng nitrite có liên quan đến hàm lượng chloride (Cl -) trong môi trường nước. Cá nheo sống trong môi trường có tỉ lệ nitrite:chloride 1:1 thì methemoglobin chiếm 80% trong máu, trong khi môi trường có tỉ lệ nitrite:chloride 1:3 thì hàm lượng methemoglobin chỉ chiếm 25%. Đối với cá măng (Chanos chanos), trong môi trường nước ngọt nitrite độc gấp 55 lần so với môi trường có độ mặn 16‰. Giá trị LC50-96 giờ của nitrite đối với các loài cá nước ngọt từ 0,66-200 mg/l, đối với giáp xác nước ngọt từ 8,5-14,5 mg/l. Sinh trưởng của tôm càng xanh giảm đáng kể khi nồng độ nitrite là 1,8 và 6,2 mg/l (Colt & Armstrong, 1979. Trích dẫn bởi Boyd, 1990). Ở các thủy vực nước lợ có hàm lượng Ca2+ và Cl- có khuynh hướng làm giảm tính độc của nitrite (Crawford & Allen, 1977; Perron & Meade, 1977; Russo et al., 1981. Trích dẫn bởi Boyd, 1990). Giá trị LC50-24 giờ và 96 giờ của nitrite đối với tôm sú và hậu ấu trùng là 204 và 45 mg/l (Chen &Chin, 1988). Nồng độ an toàn của nitrie đối với hậu ấu trùng tôm sú là 4,5 mg/l. Tuy nhiên, nồng độ ammonia cao sẽ làm tăng tính độc của nitrite đối với tôm sú. Theo Schwedler et al. (1985) những nhân tố sau đây có ảnh hưởng đến độ độc của nitrite: hàm lượng chloride, pH, kích cỡ cá, tình trạng dinh dưỡng, sự nhiễm bệnh, hàm lượng oxy hòa tan... do đó, không thể xác định được nồng độ gây chết, nồng độ an toàn của nitrite trong nuôi trồng thủy sản. NITRAT Nitrate trong thủy vực là sản phẩm của quá trình nitrate hóa nhờ hoạt động của một số vi khuẩn hóa tự dưỡng như Nitrobacter (nước ngọt) hay Nitrospina nitrosococcus (nước lợ, mặn). NO2- + 1/2 O2 → NO3- + 24kcal Nitrate còn được cung cấp từ nước mưa khi có sấm chớp: N2 +2O2 → 2NO2 2NO2 + H2O→ HNO2 + HNO3 Theo Eriksson (1952) thì nước mưa cung cấp đạm cho bề mặt trái đốt từ 1-60 kg/ha/năm, phần lớn dưới 10 kg/ha/năm. Nitrate là một trong những dạng đạm được thực vật hấp thụ dễ nhất, không độc với thủy sinh vật. Hàm lượng nitrate trong nước biển thường dao động từ 0,2-0,4 mg/l, trong khi ở các thủy vực nước ngọt hàm lượng nitrate có thể lên đến hàng chục mg/l. Hàm lượng thích hợp cho các ao nuôi cá là từ 0,1-10 mg/l. Hàm nitrate cao không gây độc cho cá nhưng có thể làm thực vật phù du nở hoa gây những biến đổi chất lượng nước không có lợi cho tôm cá nuôi. LÂN (PHOSPHORUS) Trong nước thiên nhiên lân tồn tại dưới các dạng muối orthophosphate hòa tan như H 2PO4-, HPO42- và PO43- hay dưới dạng phosphate ngưng tụ (Pyrophosphate, P 2O74-, Metaphosphate PO3- và polyphosphate). Dạng phosphate ngưng tụ dễ bị thủy phân thành orthophosphate hòa tan. Dạng lân hữu cơ hòa tan dễ dàng chuyển hóa lẫn nhau và chuyển thành dạng muối orthophos phate hòa tan nhờ hoạt động của vi sinh vật. Orthophosphate hòa tan là những ion phân ly từ acid phosphoric 127 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường (H3PO4) theo phương trình sau: H3PO4 = H+ + H2PO4H2PO4- = H+ + HPO42HPO42- = H+ + PO43- Hình 2.12. Thành phần các yếu tố photphat phụ thuộc vào pH của môi trường Theo Mackereth (1952) (trích dẫn bởi Boyd, 1990) một số thực vật có thể hấp thụ một lượng muối orthophosphate hòa tan vượt nhu cầu cần thiết cho hoạt động sống hàng ngày của chúng, lượng thừa được chúng dự trữ trong cơ thể. Thực vật lớn (macrophyte) hấp thu lân chậm hơn thực vật phù du (phytoplankton). Lân được thực vật hấp thu cùng với đạm, tham gia vào thành phần đạm thực vật, đạm này được động vật sử dụng. Ngoài ra, muối hòa tan của phosphorus trong nước cũng bị lớp bùn đáy của thủy vực hấp thụ (Hepher, 1958; trích dẫn bởi Boyd, 1990). Những lớp bùn đáy chứa nhiều acid hữu cơ hay CaCO 3 dễ hấp thu mạnh các muối orthophosphate hòa tan trong nước (Boyd, 1990). Ở môi trường có pH cao có nhiều ion Ca 2+, các muối orthophosphate hòa tan có thể bị kết tủa dưới dạng Ca3(PO4)2. Trong các thủy vực, hàm lượng các muối hòa tan của phosphate (P-PO 43-) trong nước thường rất thấp khoảng 5-20 µg/l và ít khi vượt quá 200 µg/l ngay cả đối với thủy vực giàu dinh dưỡng. Hàm lượng lân tổng số (Total Phosphorus – TP) cũng ít khi vượt quá 1.000 µg/l. Hàm lượng P-PO43- thích hợp cho các ao nuôi cá là từ 5-200 µg/l, nếu hàm lượng P-PO 43- nhỏ hơn 5 µg/l thì thực vật không phát triển nhưng nếu hàm lượng P-PO 43- vượt quá 200 µg/l thì thực vật phù du sẽ nở hoa. Giống như đạm, lân là nhân tố giới hạn đối với đời sống thực vật thủy sinh. Năng suất sinh học của thủy vực và năng suất cá nuôi phụ thuộc rất lớn vào hàm lượng lân trong nước. Lân là một nguyên tố dinh dưỡng rất cần thiết, không có lân thì không những thực vật mà cả nguyên sinh động vật cũng không thể sống được. Ngoài ra, nhiều quá trình trao đổi chất , đặc biệt là quá trình tổng hợp protein chỉ tiến hành được khi có sự tham gia của H 3PO4 và sự thiếu hụt nó trong thủy vực còn hạn chế quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ bởi vi sinh vật. b. Các ion liên quan đến áp suất thẩm thấu NATRI (Na+) Ion Na+ chiếm tỉ lệ cao trong nước thiên nhiên và mức độ phổ biến trong các cation nó 128 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường chiếm vị trí hàng đầu. Trong nước biển ion Na + chiếm khoảng 30,59% trọng lượng các muối hòa tan, trong nước ngọt ion Na + chỉ chiếm hàm lượng thấp. Trong thành phần cơ thể của thủy sinh vật ion Na+ chiếm khoảng 0,5-1% trọng lượng cơ thể. Nguồn cung cấp Na + trong nước thiên nhiên ở các thủy vực chủ yếu là nước biển và đại dương, sự hòa tan của các vỉa muối hoặc các tinh thể muối phân tán trong đất đá và các phản ứng trao đổi ion... Đối với động vật, ion Na+ rất cần thiết cho các hoạt động của cơ, là cation chính trong dịch ngoại tế bào, kết hợp chủ yếu với ion Cl - và HCO3-, giữ vai trò rất lớn trong việc điều hòa áp suất thẩm thấu, duy trì cân bằng acid-bazơ của cơ thể. Trong dịch muối nếu không có ion Ca 2+ trung hòa, ion Na+ sẽ làm tan rã các tế bào phôi, làm ấu trùng cá phát triển không bình thường. KALI (K+) Ion K+ thường có nồng độ không cao trong nước thiên nhiên mặc dù các muối của nó đều có độ hòa tan lớn. Nguồn cung cấp K+ trong nước thiên nhiên là do quá trình phong hóa đất đá và các khoáng vật có chứa K, hoặc do sự hòa tan của các muối K. Hàm lượng của K + trong nước thiên nhiên phụ thuộc rất lớn vào tính chất của đất quanh thủy vực, các thủy vực có nền đáy đất sét thì ion K+ trong nước sẽ cao, ngược lại nền đáy cát thì ion K+ trong nước sẽ thấp. Trong thành phần cơ thể thực vật ion K + không chiếm ưu thế hơn ion Na +, nhưng cơ thể động vật thì ngược lại. Ý nghĩa của K + trong đời sống của thực vật rất lớn, kali xúc tiến quá trình quang hợp bằng cách thúc đẩy quá trình vận chuyển glucid từ phiến lá vào các cơ quan khác. Mặc dù kali không tham gia vào thành phần của các enzime nhưng nó có ảnh hưởng rất lớn đến sự hình thành và chuyển hóa các phân tử protein và tổng hợp các acid amine. Khi thiếu K giai đoạn kết thúc quá trình sống tổng hợp protein chậm lại và sự phân giải các protein lại xúc tiến mạnh mẽ hơn. Do đó, khi tăng dinh dưỡng K sẽ thúc sự thâm nhập mạnh mẽ N và tích lũy trong cơ thể thực vật các hợp chất hữu cơ chứa nitơ. Khi thiếu K sự hình thành các liên kết cao năng bị chậm lại và hàm lượng P trong các acid nucleotic bị giảm. Thực vật sử dụng K nhiều hơn P. Nhưng không cần bón phân này vào ao nuôi cá vì chúng luôn luôn được cung cấp từ đất đá hay quá trình phân hủy các xác bã sinh vật đủ cung cấp cho nhu cầu phát triển của thủy sinh vật. Đối với động vật, K+ là cation chính của dịch nội tế bào, nhưng cũng là thành phần quan trọng của dịch ngoại tế bào và nó có ảnh hưởng rất lớn đến các hoạt động của cơ, đặc biệt là cơ tim. Cũng như Na, K cũng tham gia duy trì cân bằng acid-bazơ và điều hoà áp suất thậm thấu của cơ thể. Thí dụ, Ca làm giảm độ thấm màng tế bào còn K làm tăng độ thấm màng tế bào (là hai ion có tác dụng khác nhau. Nhưng Ca và K là hai ion có tác dụng giống nhau nhưng khử nhau khi hòa lẫn. Theo Boyd (1998) hàm lượng K+ thích hợp cho ao nuôi thủy sản là 1-10 mg/l (nước ngọt) và nhỏ hơn 400 mg/l (nước mặn, lợ). MAGIE (Mg2+) Ion Mg2+ thường gặp trong nước thiên nhiên với hàm lượng không lớn lắm, trong nước ngọt và trong nước biển nó chỉ chiếm khoảng 3% trọng lượng các muối hòa tan. Trong thành phần cơ thể thực vật ion Mg2+ chiếm tới 7-10% trọng lượng cơ thể chúng. Ở động vật nó chiếm ít hơn. Ion Mg 2+ rất quan trọng đối với thực vật vì nó là cấu tử trung tâm của diệp lục tố (giống như sắt trong sắt tố của máu ở động vật). Thiếu Mg 2+ thực vật không tạo được diệp lục tố nên không quang hợp được vật chất hữu cơ. Mg rất cần thiết cho sự hấp thu và di chuyển chất lân. Đối với động nó cũng có vai trò quan trọng trong tiến trình sống. Ion Mg2+ và Ca2+ là những ion đối kháng của ion Na+ và K+. Hàm lượng Mg2+ thích hợp cho ao nuôi thủy sản nước ngọt là 5-100 mg/l và cho nuôi thủy sản nước lợ là nhỏ hơn 1.500 mg/l. CANXI (Ca2+) 129 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Ion Ca2+ có trong nước thiên nhiên là sản phẩm của quá trình phong hóa đất đá, đặc biệt là quá trình rửa lửa đá vôi, dolomit và thạch cao. Trong nước ngọt hàm lượng ion Ca 2+ chiếm từ 18,15% trọng lượng các muối hòa tan, trong nước biển nó chỉ chiếm khoảng 1,2% trọng lượng các muối hòa tan. Trong nước nhạt và nước có độ khoáng hóa cao ion Ca2+ thường kết hợp với ion CO32-, HCO3- hoặc SO42-. Dạng HCO3- dễ chuyển hóa thành dạng CaCO3 và phóng thích CO2, cung cấp CO2 cho quá trình quang hợp của thực vật phù du trong nước. Trong nước có nồng độ muối cao, ion Ca2+ kết hợp chủ yếu với ion Cl-. Ngoài các thành phần chủ yếu kể trên ion Ca2+ còn có trong các hợp chất của nitơ, silic, nhôm... Trong môi trường nước Ca có tác dụng cải tạo tính chất của đất ở nền đáy, làm cho nước bớt chua, làm tăng độ hòa tan, đồng hóa các chất dinh dưỡng khác như N, P, K tạo sự quân bình giữa các muối dinh dưỡng trong nước, giúp cho vi sinh vật hoạt động hữu hiệu hơn, cung cấp Ca cho thực vật. Trong cơ thể động vật, so với những cation khác Ca 2+ chiếm lượng nhiều nhất. Nó tập trung chủ yếu ở xương, răng, một phần nhỏ trong máu. Ion Ca 2+ có vai trò quan trọng trong cơ chế đông máu, trong hoạt động của tim, cơ thần kinh và sự thẩm thấu của màng tế bào. Cùng với ion Mg2+ ion Ca2+ là những ion đối kháng với ion Na+ và K+. Ca2+ có trong môi trường nước đủ cung cấp cho nhu cầu của thủy sinh vật là một trong những nguyên tố cần thiết để năng suất cá nuôi cao. Hàm lượng Ca2+ thích hợp cho ao nuôi thủy sản nước ngọt là 5-100 mg/l và nhỏ hơn 500 mg/l đối với ao nuôi thủy sản nước lợ (Boyd, 1990). Bảng 2.22. Đầu vào của các nguyên tố chính trong đại dương hàng năm từ sông ngòi tính theo đơn vị 1012 mol/năm trên tổng số lưu lượng 37,4 1015 l/năm Ion hoặc chất Tổng lượng Muối biển Chất gây ô nhiễm Lượng thực tế nhân sinh Na+ 11,70 2,39 3,39 5,91 + 1,36 0,05 0,13 1,17 Mg2+ 5,59 0,29 0,41 4,85 Ca2+ 13,70 0,05 1,18 12,36 8,69 2,82 2,63 3,27 SO4 4,49 0,16 1,29 3,07 HCO3- 33,40 - 1,64 32,09 H4SiO4 6,47 - - 6,47 K Cl 2- Nguồn: Nguyễn Văn Phổ, 2002 trích dẫn theo Meybeck, 1997 và Drever và cộng sự, 1988 CLORIT (Cl-) Ion Cl- chiếm hàm lượng cao trong nước thiên nhiên, trong nước ngọt hàm lượng Cl - có thể lên tới 10 mg/l, trong nước biển nó chiếm khoảng 19g/l nước biển. Nguồn cung cấp ion Cl - cho nước thiên nhiên có thể bao gồm: sự hòa tan của các muối mỏ, nguồn cung cấp từ khí quyển đặc biệt là trong các vùng gần bờ biển và hoạt động của sinh vật. Do đó, hàm lượng Cl - trong nước thiên nhiên sẽ tăng lên nếu như thủy vực nằm trong vùng đất mặn, hoặc chảy qua vùng đất mặn hay bị nhiễm bẩn bởi nước thải sinh hoạt. Trong cơ thể động vật, cũng như ion Na +, ion Cl- giúp điều hòa cân bằng acid-bazơ, cân bằng áp suất thẩm thấu giữa máu, các mô và dịch tế bào. Hàm lượng Cl- thích hợp cho nuôi thủy sản nước ngọt là 1-100 mg/l, đối với ao nuôi thủy 130 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường sản nước lợ, mặn hàm lượng Cl- phải nhỏ hơn 20.000 mg/l (20 g/l) (Boyd,1990). SUNPHAT (SO42-) Các nguồn nước tự nhiên, đặc biệt nước biển và nước phèn, thường có nồng độ SO 42- cao. Sunphat trong nước có thể bị vi sinh vật chuyển hóa tạo ra sunphit hoặc axit sunphuric gây ra nguy cơ ăn mòn đường ống bằng kim loại và đường ống bê tông. Ion sunphat trong nước tự nhiên thường có nồng độ lên đến 50 mg/l. Nồng độ lên đến 1000 mg/l có thể phát hiện được chứa các khoáng vật như thạch cao, quặng pyrít… Trong nước thải hoặc nước bị nhiễm bẩn từ nước thải thường có hàm lượng lớn sunphat. Trong môi trường nước tự nhiên tồn tại cân bằng cơ bản giữa các ion có liên quan đến áp suất thẩm thấu của tế bào, cân bằng giữa các ion này cũng là cơ sở quan trọng để cơ thể sinh vật điều hòa áp suất thẩm thấu của chính chúng. Không kể đến sự tồn tại trong cơ thể sinh vật sống, một thủy vực cũng như trong môi trường đất, không khí, trong lưu vực, trong tầng bùn… đều có sự khác biệt đáng kể về nồng độ các ion hòa tan liên quan đến áp suất thẩm thấm. Thành phần hóa học của một đối tượng môi trường nước phụ thuộc rất lớn vào đặc điểm thủy văn, đặc điểm địa chất trong lưu vực do đó chúng có sự khác biệt đáng kể về nồng độ của các ion hòa tan. Mỗi đối tượng môi trường nước đều có sự cân bằng giữa một nhóm 3 anion quan trọng và nhóm còn lại gồm 4 cation quan trọng. Cân bằng ion là tổng nồng độ của các anion bằng tổng các cation về mặt điện tích. Đối với 7 ion quan trọng, nồng độ của chúng thường ở dạng g/l đến mg/l ( tức phần nghìn – ppt hoặc phần triệu – ppm) trong khi các ion còn lại như photphat, nitrat, amoni… thường tồn tại ở nồng độ µg/l (phần tỷ - ppb) ở môi trường nước chưa bị ô nhiễm. Bảng 2.23. Cân bằng của các ion quan trọng trong nước ngọt Anion Cation Tên Phần (%) HCO3- trăm Tên Phần trăm (%) 73 Ca2+ 63 SO42- 16 Mg2+ 17 Cl- 10 Na+ 15 K+ 4 Anion khác Asen hữu cơ. Về độc tính, Asen làm đông tụ protein, phá hủy quá trình photpho hóa, có khả năng gây ung thư. + Nồng độ As cho phép trong nước tiểu 500 Nguồn: Topachevski, 1975 Trong số các chất dinh dưỡng, P thường được quan tâm nhiều hơn vì nó là thủ phạm gây ra vấn đề phú dưỡng ở các hồ, hồ chứa do ô nhiễm từ các dòng thải. Một đường đi quan trọng của P từ HST trên cạn vào nước là thông qua chảy tràn và xói mòn nhưng lượng này rất hạn chế do khả năng giữ chặt P của đất. Dạng tồn tại chủ yếu của P trong nước là ở trong dạng hạt và một lượng lớn bị kéo theo trầm tích, nó được sử dụng nhanh chóng bởi tảo cát sống đáy và thực vật lớn. Tóm lại, nhu cầu P trong HST cao mà khả năng cung cấp hay tái tuần hoàn nó lại thấp, chính vì vậy nó trở thành nhân tố giới hạn phát triển sinh trưởng của tảo. Do đó nồng độ P dễ tiêu trong tầng mặt thường được sử dụng như một chỉ thị cho tình trạng phú dưỡng. Tuy nhiên trong môi trường nước nhận nước thải, P được đưa vào HST thủy vực ngày càng lớn do chất thải hữu cơ có nguồn gốc nước thải, chất thải, nước chảy tràn khu vực đô thị; nguồn gốc vô cơ do phân bón tại các vùng canh tác nông nghiệp. Hoạt động của con người làm tăng tỉ lệ P giải phóng trong vòng tuần hoàn của nó lên gấp 4 lần, chủ yếu là do sản xuất và sử dụng phân bón. Từ năm 1950 đến 1955 đã có 600 tỉ tấn P được sử dụng trên mặt đất, trước hết là đối với các vùng đất canh tác. Cơ chế tác động đầu tiên của phú dưỡng tới chất lượng môi trường là tác động gia tăng biên độ biến động của oxy hòa tan trong ngày. Oxy được sử dụng bởi hô hấp của tất cả các loại thực vật và động vật thủy sinh, nó được bổ sung vào ban ngày bởi quá trình quang hợp của cây thủy sinh và tảo, nhưng giảm đi rất nhanh vào ban đêm khi tảo hô hấp đồng thời giảm đi khi vi sinh vật (VSV) phân hủy sinh khối tảo chết đi. Khi nồng độ oxy hòa tan giảm tới mức yếm khí thì cá và động vật khác bị ngạt thở, kết quả là thủy sinh vật như cá tôm và đặc biệt là các loài sống đáy không có khả năng di chuyển bị chết. Tình trạng thiếu oxy kéo dài sẽ dẫn đến sự phát triển của VSV yếm khí như Clostridium tạo ra các chất độc có khả năng gây chết cả chim, thú, khi đó thủy vực trở thành một vùng chết. Tác động của phú dưỡng đối với các thủy vực là rất lớn, tùy vào đặc điểm của thủy vực mà quá trình này có mức độ ảnh hưởng khác nhau. Các thủy vực nước đứng, nông và đục chịu ảnh hưởng của phú dưỡng mạnh mẽ hơn so với hệ thống nước chảy, sâu và trong hơn. Điều này một lần nữa cho thấy tác động của phú dưỡng tới chất lượng môi trường kênh mương thậm chí nghiêm trọng hơn cả các đối tượng truyền thống của quá trình này (như các ao, hồ và hồ chứa). Ảnh hưởng của quá trình phú dưỡng đối với các hệ thống thủy vực bao gồm: • Tăng sinh khối thực vật nổi đồng thời xuất hiện các loại tảo độc, thay đổi thành phần và sinh khối các loài thực vật lớn. 144 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường • Tăng quá trình sinh sản của động vật nổi (ĐVN) cỡ nhỏ (Rotifera) và hạn chế hay gây nguy hại đến sinh trưởng phát triển của các loài ĐVN cỡ lớn như Cladocera và Copepoda. • Suy giảm độ trong, oxy hòa tan, tạo mùi vị khó chịu và các chất độc. • Tăng các vấn đề về cá hoặc giết chết nhiều loài cá, làm mất một số loài cá có giá trị sinh thái và kinh tế. • Phú dưỡng đồng thời làm suy giảm sinh khối cá nhỏ, tôm cua, thân mềm, côn trùng và các dạng ấu trùng của chúng. • Làm giảm các giá trị sử dụng, thẩm mĩ, vui chơi… của các thủy vực khai thác nước sinh hoạt và giải trí. Hình 2.14. Diễn thế một hồ từ nghèo dinh dưỡng đến phú dưỡng Hiện tượng đầm lầy hóa: Trong diễn thế của một hồ giàu dinh dưỡng, sau quá trình bùng nổ của rêu tảo, quá trình lấp đầy các thủy vực cùng lúc diễn ra có thể dẫn tới việc thu hẹp diện tích và độ sâu mực nước của một hồ, đầm. Hiện tượng thủy triều đen: Tình trạng chất lượng nước hồ giảm đột ngột nghiêm trọng và tình trạng cá chết hàng loạt trong nhiều ngày kể từ thập niên 1970. Hiện tượng này được các nhà khoa học gọi tên là “thủy triều đen”. Phân tích các mẫu nước hồ lấy từ nhiều nước trên thế giới cho thấy hiện tượng “thủy triều đen” thường xảy trong hồ nước vào mùa thu. Khi đó, chất hữu cơ dưới đáy hồ bắt đầu phân hủy dưới tác dụng của các vi sinh vật, làm thiếu ôxy dưới đáy hồ, giảm hàm lượng pH và tăng nồng độ các gốc axít kali nitrat. Chu kỳ này làm tăng tình trạng thiếu ôxy trong nước và lây lan hợp chất sunfua, biến nước hồ có màu đen và mùi hôi. Trong quá trình thay đổi chất lượng nước, các hoạt động của con người như thải chất thải công nghiệp và sinh hoạt vào hồ cũng có thể tạo ra “thủy triều”. Hiện tượng thủy triều đỏ: Sự phát triển quá mức của nền công nghiệp hiện đại đã kéo theo những hậu quả nặng nề về môi trường, làm thay đổi hệ sinh thái biển. Mặt khác, sự ô nhiễm nước biển do các chế phẩm phục vụ nuôi tôm, dư lượng các loại thuốc kích thích, thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ thực vật... góp phần làm tăng vọt tần suất xuất hiện thuỷ triều đỏ ở nhiều nơi trên thế giới và ở Việt Nam. Không chỉ ảnh hưởng nghiêm trọng đến nền kinh tế biển, thuỷ triều đỏ còn làm mất cân bằng sinh thái biển. Khi gặp những môi trường thuận lợi như điều kiện nhiệt độ, sự ưu dưỡng của vực nước... các loài vi tảo phát triển theo kiểu bùng nổ số lượng tế bào, làm thay đổi hẳn màu nước. Các nhà khoa học gọi đó là sự nở hoa của tảo hay “thuỷ triều đỏ”. Thuỷ triều đỏ phá vỡ sự cân bằng sinh thái biển, gây hại trực tiếp đối với sinh vật và con người. Một số loài vi tảo sản sinh ra độc tố. Vì vậy, con người có thể bị ngộ độc do ăn phải những sinh vật bị nhiễm độc tố vi tảo. Thuỷ triều đỏ là tập hợp của một số lượng cực lớn loài tảo độc có tên gọi Alexandrium fundyense. Loài tảo này có chứa loại độc tố saxintoxin, đã giết chết 14 con cá voi trên vùng biển 145 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Atlantic, vào năm 1987. 4.2. Phát thải ô nhiễm tại một số hoạt động điển hình 5. GIỚI THIỆU HỆ THỐNG TIÊU CHUẨN, QUY CHUẨN HIỆN HÀNH 5.1. Đối với nước cấp sinh hoạt •Chất lượng ăn uống: QCVN 01: 2009/BYT •Chất lượng sinh hoạt: QCVN 02: 2009/BYT 5.2. Đối với nước tự nhiên •Chất lượng nước mặt cho các mục đích sử dụng khác nhau: QCVN 08: 2008/BTNMT •Chất lượng nước ngầm cho các mục đích khác nhau: QCVN 09: 2008/BTNMT •Chất lượng nước biển ven bờ cho các mục đích khác nhau: QCVN 10: 2008/BTNMT •Chất lượng nước mặt bảo vệ đời sống thủy sinh: QCVN 38: 2011/BTNMT •Chất lượng nước mặt phục vụ tưới tiêu: QCVN 39: 2011/BTNMT 5.3. Đối với nước thải •Chất lượng nước thải công nghiệp chế biến cao su: QCVN 01: 2008/BTNMT •Chất lượng nước thải công nghiệp giấy: QCVN 12: 2008/BTNMT •Chất lượng nước thải công nghiệp dệt may: QCVN 13: 2008/BTNMT •Chất lượng nước thải sinh hoạt: QCVN 14: 2008/BTNMT •Chất lượng nước thải bãi chôn lấp chất thải rắn: QCVN 25: 2009/BTNMT •Chất lượng nước thải y tế: QCVN 28: 2010/BTNMT •Chất lượng nước thải kho xăng dầu: QCVN 29: 2010/BTNMT •Chất lượng nước thải công nghiệp dầu khí trên biển: QCVN 35: 2010/BTNMT •Chất lượng nước thải công nghiệp: QCVN 40: 2011/BTNMT 146 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường CHƯƠNG III - Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG ĐẤT I. ĐẶC ĐIỂM TỰ NHIÊN MÔI TRƯỜNG ĐẤT Đất là một thành phần quan trọng của môi trường tự nhiên, là kết quả của quá trình tác động tương hỗ của các yếu tố đá, thực vật, động vật, khí hậu- địa hình và thời gian. Đất được hình thành do tác động 5 yếu tố chính: Đá mẹ (P), sinh vật (O), khí hậu (C), địa hình (R), thời gian (t) và thêm tác động của con người (H). S = f(P, O, C, R, H)t Các loại đất thường khác nhau về thành phần và tính chất do trong quá trình hình thành và phát triển chịu tác động của nhiều yếu tố nên bản thân nó là một dị thể, gồm: thể rắn; thể lỏng; thể khí và các sinh vật cùng các tàn dư của chúng (phần hữu cơ của đất). Như vậy, về bản chất đất là một hỗn hợp thể vật liệu tạo nên một môi trường tơi xốp. Độ xốp của đất chủ yếu được xác định bởi các hợp phần: Khoáng, hữu cơ và thể lỏng. Khả năng phản ứng giữa pha rắn và pha lỏng ảnh hưởng rất lớn đến tính bền vững và ổn định của môi trường xốp, đặc biệt là khi có sự tương tác của các chất ô nhiễm. Đất là một hỗn hợp gồm các pha: + Pha rắn Pha rắn đất là một hỗn thể, nó được đặc trưng bởi nhiều cấu tử như các axit hữu cơ humic, fulvic, các khoáng sét, các oxit kim loại và các khoáng khác, .... Pha rắn phụ thuộc rất nhiều vào thành phần cơ giới, trong đó các cấu tử đất và những tác nhân gắn kết chi phối đến trạng thái đoàn lạp đất và tạo nên tổ hợp lỗ hổng đất, các khoảng không khí với kích thước khác nhau còn gọi là các khoảng hổng của đất. Chức năng của các lỗ hổng và ảnh hưởng của kích thước lỗ hổng đến tình trạng nước và các chất hoà tan trong môi trường đất được thể hiện ở bảng 3.1 như sau: Bảng 3.1: Phân loại chức năng lỗ hổng đất (Greenland, 1997) [7] Đường Tên gọi Chức năng Lỗ hổng chuyển động Vận chuyển không khí và nước > 50 Lỗ hổng tích luỹ Lưu giữ nước chống lại trọng lực và tiết ra từ rễ cây 0.5 - 50 Lỗ hổng tàn dư Lưu giữ và khuếch tán các vật chất dạng ion trong dung dịch < 0.5 Khoảng hổng liên kết Tạo ra các lực liên kết các hạt đất lại với nhau kính (μm) < 0.05 Sự tác động tương hỗ giữa các cấu tử khác nhau của pha rắn ảnh hưởng mạnh đến hoạt tính bề mặt hạt đất. Sự tương tác này thường xảy ra mạnh giữa các khoáng sét và chất hữu cơ. + Pha lỏng Pha lỏng được biết là phần dung dịch đất gồm có nước trong đất và các hợp chất khác nhau, chủ yếu các phản ứng hoá học trong đất xảy ra ở pha này. Người ta chia làm 2 loại: phần dung dịch đất nằm gần hạt đất nhất và phần dung dịch nằm xa các hạt đất. Các quá trình hoá học xảy ra ở 2 phần dung dịch này khác nhau, thể hiện như: Tại phần nằm gần hạt đất xảy ra quá trình trao đổi, hấp phụ, các phản ứng liên kết, tạo phức, .... + Pha khí 147 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Pha khí là phần không khí đất chiếm phần lỗ hổng không có nước nên hàm lượng không khí phụ thuộc vào tổng độ hổng và độ ẩm đất. Pha khí chứa tất cả các khí có mặt trong khí quyển: CO 2, NOx, ... Sự khác nhau cơ bản giữa không khí trong đất và khí quyển là hàm lượng các khí. ở đất thoáng khí O2 khoảng 20% (khí quyển là 21%), CO2 khoảng 0.1 - 2% (khí quyển 0.035%) - đối với những đất có độ ẩm cao lên đến 10 - 15%. + Hệ sinh vật đất Các sinh vật đất là thành phần quan trọng của môi trường đất, chúng xúc tiến một cách liên tục sự tác động tương hỗ giữa những hợp phần sống và không sống trong đất. Các hoạt động sinh học trong đất cũng luôn tác động đến những tính chất lý - hoá, đến pha khí, pha lỏng của đất. Những sinh vật sống tự do của khu hệ sinh vật đất bao gồm: vi khuẩn, xạ khuẩn, nấm, tảo và hệ động vật đất, ngoài ra còn có các virút chỉ phát triển trong những tế bào của các cơ thể khác, còn các vi sinh vật chiếm phần chủ yếu ở trong đất. Các sinh vật đất đóng vai trò quan trọng trong các chu trình chuyển hoá vật chất xảy ra trong đất. Chúng phân huỷ các chất hữu cơ, chuyển hoá các chất độc hại làm sạch môi trường đất. Khả năng tự làm sạch môi trường đất phụ thuộc chủ yếu vào thành phần và số lượng các nhóm sinh vật trong đất, đặc biệt là khu hệ vi sinh vật đất. II. Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG ĐẤT 2.1. Nguồn gốc ô nhiễm đất Các chất ô nhiễm xâm nhập vào đất qua nhiều nguồn, đầu vào thì nhiều nhưng đầu ra thì ít. a. Nguồn gốc trong tự nhiên Những nguyên nhân nằm ngoài sự can thiệp của con người như: + Hiện tượng nhiễm phèn Hiện tượng nhiễm phèn do nước phèn từ các rốn phèn (trung tâm sinh phèn) theo dòng nước mặt hoặc nước ngầm lan truyền đến các vị trí khác nhau gây hiện tượng nhiễm phèn. Các đất nhiễm phèn chủ yếu là nhiễm các chất độc Fe 2+, Al3+, SO42+ và đồng thời làm cho nồng độ của chúng tăng cao trong dung dịch đất, mật độ keo đất tăng lên cao, pH của môi trường giảm xuống. Hậu quả là gây ngộ độc cho cây trồng và các sinh vật đất. + Hiện tượng nhiễm mặn Hiện tượng nhiễm mặn gây ra do muối trong nước biển, nước triều hay từ các mỏ muối, trong đó có các chất độc như: Na+, K+, Cl-, SO42-. Các chất này gây tác hại đến môi trường đất do tác động của các ion hoặc cũng có thể gây hại do áp suất thẩm thấu, nồng độ muối cao trong dung dịch đất đến cơ thể sinh vật, đặc biệt là gây độc sinh lý cho thực vật. + Quá trình glây hoá Quá trình glây hoá trong môi trường đất là quá trình phân giải các hợp chất hữu cơ trong các điều kiện ngập nước yếm khí, nơi tích luỹ nhiều xác chết của các sinh vật sinh ra nhiều chất độc như: CH4, H2S, FeS, NH3, đồng thời các sản phẩm hữu cơ được phân huỷ dở dang dưới dạng các hợp chất mùn đóng vai trò gián tiếp trong việc gây ô nhiễm đất do sự liên kết chặt chẽ giữa chúng với các hợp phần ô nhiễm đi vào đất. + Các quá trình khác: Các quá trình vận chuyển các chất ô nhiễm theo dòng nước mưa lũ, theo gió từ nơi này đến nơi khác khi xảy ra hoạt động núi lửa hay cát bay. Ngoài ra ô nhiễm đất từ qúa trình tự nhiên còn do đặc điểm, nguồn gốc của các quá trình địa hoá. Tác nhân gây ô nhiễm đất chính chủ yếu là các kim loại nặng. b. Nguồn nhân tạo: 148 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường - Quá trình sản xuất công nghiệp, làng nghề: đa dạng, phức tạp, phụ thuộc vào đặc trưng của các cơ sở khác nhau, thường là những chất độc hại như: KL, hợp chất hữu cơ, dầu mỡ , TBVTV… + Cơ khí, khai khoáng, khai mỏ, chế biến kim loại, tiện + Khai thác dầu mỏ, lọc dầu. + Khu chôn lấp chứa chất thải. + Rò rỉ các kho chứa nguyên liệu ngầm trong đất (bể chứa xăng, dầu ngầm) - Quá trình sản xuất nông nghiệp: + Bón vôi: cung cấp Ca, Mg có khả năng gắn kết các hạt đất với nhau, tăng độ bền, độ lien kết của đất nhưng nếu quá lượng nó lại trở thành xi măng gắn kết các hạt đất. + Bón phân làm chua hoá đất. VD: NH4NO3 (đạm 1 lá), (NH4)2SO4 (đạm 2 lá), (NH4)2CO (ure). (NH4)2SO4 2NH4+ + SO42- ( NH4+ cây sử dụng, H2SO4 gây chua) + Kho chứa TBVTV, sử dụng TBVTV, các sản phẩm dư thừa sau thu hoạch. - Hoạt động giao thông vận tải. - Sinh hoạt của con người: sự thấm lọc từ các bãi đổ rác, các ao chứa chất thải… 2.2. Tác nhân gây ô nhiễm đất và hậu quả của nó. Bản thân nó đã có sẵn hoặc không có sẵn mà xuất hiện trong đất đến một giai đoạn nhất định nào đó gây ảnh hưởng đến sức khoẻ con người, chất ô nhiễm có thể là chất hữu cơ, vô cơ, sinh vật… - Tác nhân vật lý: nhiệt, phóng xạ - Các tác nhân hoá học + Các chất vô cơ gây ô nhiễm đất Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, SO42-, HCO3-, CO32-. Các anion: Các dạng anion chứa S2-, SO42-, (FeS, ZnS, CrSO4) Các ion Cl- hoà tan mạnh, độc hại như NaCl, KCl Các kim loại nặng + Các tác nhân hữu cơ gây ô nhiễm đất:Thuốc bảo vệ thực vật - Tác nhân sinh học: VSV 2.2.1. Ô nhiễm do tác nhân vật lý a. Ô nhiễm nhiệt - Nguồn: +Nước làm mát máy móc của các nm điện, điện nguyên tử, cơ khí, khi thải vào đất làm cho nhiệt độ đất tăng lên từ 5-150C. + Cháy rừng, phát nương đốt rẫy trong du canh, quá trình này làm nhiệt độ đất tăng lên đột ngột từ 15-300C. - Các ảnh hưởng: + Ảnh hưởng lớn tới khu hệ vsv đất phân giải chất hữu cơ và nhiều trường hợp làm đất chai cứng, mất chất dinh dưỡng. 149 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường + Làm giảm hàm lượng oxi, làm mất cân bằng oxi và quá trình phân hủy chất hữu cơ sẽ tiến triển theo kiểu kị khí, tạo ra nhiều sản phẩm trung gian có mùi khó chịu và độc cho cây trồng:NH 3, H2S, CH4, Alđehyt… + Đốt theo đống, nhiệt độ tăng mạnh, âm ỉ, xuống rất sâu, giết chết nhiều loài sinh vật làm hủy hoại môi trường đất và làm cho đất mất tính năng sản xuất. b. Ô nhiễm đất do các chất phóng xạ: - Nguồn: Phế thải của các trung tâm khai thác chất phóng xạ, trung tâm nghiên cứu nguyên tử, các nhà máy điện nguyên tử, các bệnh viện dùng chất phóng xạ và các vụ thử vũ khí hạt nhân. Sau mỗi vụ thử vũ khí hạt nhân, thì chất pxạ trong đất tăng lên gấp 10 lần. (Sn90, I131, Cs137) - Các ảnh hưởng: Các chất phóng xạ xâm nhập vào đất, theo chu trình dinh dưỡng tới cây trồng, động vật và con người làm thay đổi cấu trúc tế bào, gây ra những bệnh về di truyền, bệnh về máu, bệnh ung thư… 2.2.2. Ô nhiễm do tác nhân hóa học. a. Các chất dinh dưỡng do phân bón * Phân bón và các ảnh hưởng tới môi trường Khi bón phân vào đất có 5 quá trình xảy ra: - Thực vật và động vật hấp thụ - Đất giữ - Rửa trôi và mất chất dinh dưỡng do tiêu nước - Mất dinh dưỡng do bốc hơi vào khí quyển - Mất ở dạng rắn theo bề mặt do xói mòn và rửa trôi * Các chất vô cơ không phải kim loại: Nitơ trong đất: - Nitơ xâm nhập vào đất từ khí quyển, phân bón, xác hữu cơ, chất thải động vật và nước thải. - Lượng N xâm nhập vào đất do mưa và lắng đọng khô thường HPO42- > PO43-. Quá trình cố định P trong đất là rất lớn do vậy phần lớn P bón vào đất sẽ bị cố định chặt. P được coi là nguyên tố ít linh động, ít bị rửa trôi so với N trong đất. Phốt pho tổng số trong đất dao động từ 0,1 đến 0,8 g/kg đất, khả năng hoà tan trong nước kém, thường chỉ từ 0,001 - 0,1 mgP/lit dung dịch đất. Phôt pho được xem là nguyên tố không gây độc trực tiếp đối với người và động vật. Nhưng trong hoạt động canh tác nông nghiệp đã gây ra một hậu quả gián tiếp, đó là làm gia tăng hàm lượng P trong nước, gây hiện tượng phú dưỡng nguồn nước, làm tăng sự phát triển của tảo, thực vật thuỷ sinh, thiếu hụt oxy trong nước. 151 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Hiệu quả sử dụng P trong phân bón của cây trồng cũng rất thấp (20-30%) phụ thuộc vào điều kiện môi trường. Bón vôi có tác dụng làm tăng lượng P dễ tiêu trong đất, đồng thời thúc đẩy quá trình khoáng hóa hữu cơ giải phóng P dễ tiêu. Các ảnh hưởng tới môi trường khi bón phân vô cơ không hợp lý: 1. Bón phân không đúng kỹ thuật, bón nhiều, bón lúc cây không cần vừa lãng phí phân 3bón vừa làm xuất hiện nhiều NO , PO trong đất, trong nước và trong sản phẩm 3 4 Giới hạn N -NO3- trong nước [USEPA, 1976] là 10 và 100mg/l, N-NH4 là 0,5 và 2,5 mg/l có thể gây hại cho con người và động vật. Đối với phốt pho, Vollenveider (1968) đề nghị với P hòa tan là 0,01 và P tổng số trong nước là 0,2 mg/l. Nếu vượt quá giới hạn này sẽ gây hiện tượng phú dưỡng nguồn nước. Đối với N và P thì mục đích cơ bản là nhằm giảm thiểu quá trình rửa trôi gây ô nhiễm nguồn nước. Việc quản lý chúng chủ yếu là sử dụng hợp lý phân bón, quản lý chất thải, quản lý cây trồng và hệ canh tác. VD: Xà lách trồng trên đất bình thường chứa 0,1% đạm NO 2- so với trọng lượng khô. trồng trên đất bón 600 kg N/ha chứa 0,6% đạm NO 2- so với trọng lượng khô. Mồng tơi có thể chứa 1 lượng NO2- rất cao. Mĩ: 1,37 g/kg, Đức 3,5g/kg (Schupan,1965) 2. Mất ổn định HST nông nghiệp: + Dùng nhiều phân vô cơ, ngưng quay vòng của các chất hữu cơ trong đất trồng tạo nên sự đe doạ nghiêm trọng trong việc giữ độ phì nhiêu của đất. Nghèo mùn dẫn đến phá huỷ cấu trúc đất gây rửa trôi, xói mòn đất, giảm VSV đất, động vật đất. + Sự tích luỹ liên tục các chất tạp có trong phân bón hoá học (KL, á kim), chúng có thể tích tụ ở các tầng đất mặt của đất nơi có rễ cây. Bảng 3.2: Các tạp chất có trong phân Supephotphat (Barrows, 1996), ppm. As 2.2 – 12 Cd 50 – 170 Cl 66 – 243 Co 0–9 Cu 4 – 79 Pb 7 – 92 Niken 7 – 32 Selen 0 – 4.5 Valadium 20 – 180 Zn 50 – 1490 Quản lý P và N trong đất: phải quản lý phân bón. 152 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường + Phân N thường sản xuất dưới dạng tan chậm để hạn chế quá trình bị rửa trôi, khi bón chia làm nhiều lần. + Phân P người ta thường quan tâm đến việc cố định P trong đất do vậy thường sản xuất dưới dạng giải phóng chậm. Mục tiêu chung: sử dụng có hiệu quả, bón phân hợp lý giữa các loại phân. b. Ô nhiễm đất do kim loại nặng - Ô nhiễm đất do kim loại nặng: Hg, Cd, Pb, Ni, As, Cr, Mn, Zn, Sn. Kim loại nặng gồm các kim loại có tỷ khối > 5g/cm 3, trong tự nhiên có hơn 70 nguyên tố KLN. Các kết quả nghiên cứu cho thấy, chỉ có một số nguyên tố KLN là cần thiết đối với sinh vật, đó là các nguyên tố vi lượng như: Cu, Zn, Mn, B, Mo, ... Các nguyên tố này thường là thành phần thiết yếu trong các enzim, protein hô hấp và trong các cấu trúc của cơ thể sinh vật. ở hàm lượng quá cao (thừa) hay quá thấp (thiếu), các nguyên tố cần thiết này đều trở nên bất lợi với cơ thể sinh vật. Đa số các KLN với đặc tính bền vững trong môi trường, khả năng gây độc ở liều lượng thấp và tích lũy lâu dài trong chuỗi thức ăn, được thế giới xem là một loại chất thải nguy hại. Các KLN vào đất không chỉ tích tụ ở một điểm mà có khả năng lan truyền phụ thuộc vào các tính chất lý - hoá học đất như: thành phần cơ giới, pH dung dịch đất, thế oxi hoá khử, khả năng hấp phụ và trao đổi cation, các phức hệ hữu cơ dạng chelat và các vi sinh vật đất, ... Điều này phản ánh khả năng suy thoái và gây ô nhiễm môi trường đất trên diện rộng. Nguồn gây ô nhiễm kim loại nặng chính là do các quá trình địa hoá tự nhiên và các hoạt động nhân tạo. Nguồn gốc tự nhiên Các KLN có thể xâm nhập vào đất theo con đường tự nhiên như hoạt động của núi lửa và quá trình phong hoá của các đá biến chất. Các kim loại nặng tích luỹ tại chỗ trong đất do tác động của điều kiện thời tiết lên các khoáng vật. Thông thường lượng kim loại trong đá mac ma cao hơn trong các đá trầm tích, Mn, Cr, Co, Ni, Cu và Zn có nhiều nhất trong mọi loại đá. Đá mac ma và đá biến chất là các nguồn tự nhiên phổ biến nhất đưa các kim loại nặng vào trong đất. Hai loại đá này chiếm tới 95% vỏ quả đất và đá trầm tích chỉ chiếm 5%. Sa thạch gồm các khoáng chất khó bị phong hoá, góp một lượng nhỏ nhất kim loại vào đất. Một số khoáng chất trong đá biến chất và đá mac ma bị phong hoá dễ dàng (kể cả khoáng chất olivin, hocblen và ogit), cung cấp một lượng lớn Mn, Co, Ni, Cu và Zn vào đất. Rất nhiều nguyên tố kim loại nặng được tìm thấy trong quặng sulfit. Đối với các loại đất có nguồn gốc từ những loại đá mẹ khác nhau, nồng độ KLN có thể khác nhau. Đất hình thành từ đá mac ma bazơ có lượng Cr, Mn, Co và Ni cao nhất, trong khi đó đất hình thành từ đá trầm tích, phiến sét có lượng Cr, Co, Ni, Zn và Pb cao nhất. Tỷ lệ phong hoá khoáng vật xác định sự xâm nhập các nguyên tố này vào đất, ban đầu theo hình dạng các phối tử vô cơ đơn giản hoặc phức tạp. Tuỳ vào độ hoà tan của khoáng vật dưới các điều kiện pH và Eh mà Mn, Ni và Cr có hàm lượng cao nhất trong đất, còn Cd và Hg là nhỏ nhất. Có thể các ngưỡng độc của đất và dung dịch đất theo cùng kiểu, với nồng độ giới hạn thấp nhất của Hg, Cd, Pb, Cr và Zn. Nồng độ dung dịch đất biểu thị mức độ có thể hoà tan cao nhất nồng độ phân tử gam trong dung dịch đất. Vì vậy nồng độ Pb và Zn trong đất cao hơn Hg, Cd hoặc Cr, có thể nồng độ độc của Pb và Zn cao hơn nồng độ Hg, Cd hoặc Cr. Các nghiên cứu về KLN ở tầng đất dưới của phẫu diện đất cho thấy rằng các nguyên tố Mn, Ni và Cr có thể tích luỹ ở mức độ cao hơn ở tầng đất trên. 153 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Ví dụ, nồng độ Ni trong đất phát triển trên khoáng chất Xecpectin có thể đạt tới 100-7000 μg Ni g-1 (Brooks 1987), nhưng chỉ có nồng độ thấp trên nền chất hữu cơ bề mặt đất. Rất nhiều khoáng có chứa KLN không tan và chống chịu với sự phong hoá, nồng độ cao hơn có thể tìm thấy ở đất nhiệt đới, nơi mà quá trình phong hoá mạnh và lâu hơn. Tuy nhiên, nguồn gây ô nhiễm này là không đáng kể so với các hoạt động nhân tạo. Các hoạt động nhân tạo đã đưa vào đất một hàm lượng KLN vượt quá hàm lượng nền, gây ô nhiễm môi trường đất. Sự lắng đọng từ khí quyển Kim loại nặng có thể đi vào không khí từ các nguồn chính là hoạt động giao thông và hoạt động công nghiệp. Sự lắng đọng của KLN vào trong đất phụ thuộc vào kích thước cỡ hạt, độ hoà tan của các hợp chất kim loại, độ axit của nước mưa, khoảng cách của nguồn phát thải. Đối với các phần tử có tỷ trọng lớn sẽ rơi xuống đất dưới dạng kết tủa khô, các phần tử có kích thước < 1 μm sẽ rơi xuống đất ở nơi cách xa nguồn phát thải dưới dạng kết tủa ướt. Trong hoạt động công nghiệp ở nhiệt độ cao, kể cả đốt than hay dầu để tạo năng lượng, đốt các phế thải sinh hoạt, hoặc các quá trình luyện kim hoặc quặng, nhiệt độ trong các quá trình đó là một trong những chỉ số chính để xác định lượng, hình thức, kích thước phát triển và sự huỷ diệt của các kim loại phát tán. Một chỉ số quan trọng thứ 2 là sự có mặt của các nguyên tố khác trong các quá trình trên, như clorua, là nguyên tố cũng bay hơi được và có thể phản ứng với kim loại. Trong một báo cáo trước đây, Berme và Goldberg (1971) đã chỉ ra mối liên quan giữa các dạng kim loại cơ bản: Hg > As > Cd > Zn > Sb ≥ Mn > Ag, Sn, Cu; thứ tự bay hơi của các oxit, sulfate, cacbonat, silicat và phot phat: As, Hg > Cd > Pb > Zn > Cu > Sn và bay hơi của các sulfit As, Hg > Xn > Cd > Sb, Pb > Zn > Cu > Fe, Co, Ni, Mn, Ag. Từ đó thấy rằng có thể dễ bay hơi hơn Cu, Fe hoặc Mn trong quá trình công nghiệp. Theo như ái lực của các kim loại đối với oxit, sulfit và halogen, và theo nồng độ của những phối tử trong không khí ở quá trình thiêu huỷ, các dạng kim loại khác nhau: hạt, hơi và lỏng được tạo ra. Một số hợp chất hoá học của kim loại phát tán do các quá trình tác động của con người trong quá trình thiêu huỷ chất thải sinh hoạt, đốt các loại nhựa khác nhau, kể cả nhựa tổng hợp PVC cung cấp halogen cho các phức hợp kim loại. Halogen kim loại, đặc biệt clorua, là một hợp chất hoá học rất quan trọng xâm nhập vào đất từ lắng đọng không khí, từ đó hoà tan ở pH thấp và tại nồng độ clorua cao ở trong dung dịch đất. Fernander et al (1992) đã sử dụng dữ liệu nhiệt động để phân loại các kim loại theo độ ổn định có thể của chúng trong tro của lò đốt rác. Sự phân loại phụ thuộc vào độ ổn định nhiệt động của ô xit kim loại lớn hơn hoặc nhỏ hơn clorua của nó. Nếu oxit ổn định hơn clorua thì kim loại được vận chuyển một cách cơ học như hạt oxit kim loại và được tìm thấy trong tro. Nếu oxit kim loại và clorua ổn định như nhau thì kim loại được vận chuyển theo cả quá trình cơ học và bay hơi. Nếu clorua ổn định hơn oxit thì kim loại được vận chuyển trong hợp chất clorua bằng cách bay hơi; nó ngưng tự trên bề mặt các phân tử tro và có tính hoà tan cao. Nồng độ hoà tan và ngưng tụ của clorua là cao nhất tại nơi mà kích thước phân tử tro nhỏ nhất. Các phần tử nhỏ nhất có thời gian cư trú không khí dài nhất thì di chuyển rất xa. Sự huỷ diệt của các kim loại lắng đọng và các phức hợp kim loại trong đất và nước phụ thuộc vào các điều kiện đất và pH nước; hiện trạng chất hữu cơ, quá trình oxi hoá khử và nhiệt độ. Trong đất, các ion kim loại tự do và các dạng kim loại phức tạp có thể trở nên hút bám mạnh mẽ vào đất sét, Fe và oxit Fe/Mn và chất hữu cơ đất; trong khi ở trong nước và dung dịch đất, các kim loại có khuynh hướng tạo nên dạng kìm với axit humic và fulvic. 154 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Martin và Coughtry (1982) đã tính toán lại các dữ liệu từ các vị trí luyện kim khác nhau để chỉ ra tỷ lệ kim loại ở tầng đất mặt so với các tầng đất khác. Họ đã thấy rằng bề mặt đất có chứa nhiều Cd, Ni, Pb, Zn và Cu không chỉ ở những nơi gần các lò luyện kim mà còn cả ở những nơi cách xa nguồn ô nhiễm 8km. Hoạt động giao thông vận tải đã làm gia tăng ô nhiễm chì trong đất (GEMS, 1985). Khoảng 80 - 90% lượng Pb đưa vào không khí là do đốt các ankyl chì trong xăng (WHO, 1987). Nồng độ Pb gần đường cao tốc là 70 ppm, còn ở khoảng cách xa đường cao tốc 50 100 m có hàm lượng Pb < 40 ppm. Hàm lượng Pb tập trung trong tầng đất mặt tại Malta, ở vùng cách xa đường giao thông 5m là 54 ppm, còn với khoảng cách < 1m hàm lượng lên tới 138 ppm. Các hoạt động nông nghiệp Hoạt động nông nghiệp sử dụng các loại phân bón hoá học không tinh khiết, các thuốc trừ sâu cơ - kim, sử dụng các trầm tích sông hồ và các nguồn nước tưới bị ô nhiễm KLN đã đưa một lượng đáng kể KLN vào trong đất. Khi đánh giá hàm lượng kim loại nặng trong các loại phân hoá học ở Valencia (Tây Ban Nha) cho thấy các loại sulphat Cu và Fe có hàm lượng Pb cao, ước tính là 225 ppm (Alloway và nnk,1988). Bên cạnh đó các loại phân có chứa hàm lượng Zn, Cd và Pb cao, ví dụ việc sử dụng supper photphat đã đưa 50 - 1450 mg Zn/kg P 2O5 vào đất, vôi bột có hàm lượng Zn từ 10 - 4500 mg/kg, phân nitơ có hàm lượng Zn từ 1 - 42 mg/kg. Như vậy, việc sử dụng phân bón gây tích luỹ Zn và những phân photphat đang trở thành nguồn của Cd có mặt hầu như ở khắp nơi gây ô nhiễm cho nông nghiệp. Vì vậy mà chúng ta cần quan tâm đến vấn đề sử dụng các loại phân bón này. Sử dụng các bùn thải có chứa kim loại có thể gây ra sự ô nhiễm đất nông nghiệp. Bùn thải là một sản phẩm phụ của xử lý nước thải đô thị, đây được xem là một trong những thứ đất được ưu chuộng đặc biệt là các nước cộng đồng Châu Âu trong vài thập kỷ trước vì trong bùn thải chứa nhiều chất hữu cơ và một lượng đáng kể các chất dinh dưỡng đa lượng như N và P. Ví dụ, 5,6.106 tấn bùn cống ở Mỹ và 5,6.10 6 tấn ở Tây Âu với khoảng 42% được dùng cho đất trang trại. Bùn thải đã được dùng ở hầu hết các nước công nghiệp, nơi việc xử lý chất thải diễn ra thường xuyên. Hàm lượng các nguyên tố kim loại nặng có trong bùn thải tương đối lớn. Nước cống và rác thải ủ compost cung cấp một lượng lớn KLN vào đất. Zn, Cd và Pb là 3 kim loại chính trong nước thải, mặc dù có thể có một lượng đáng kể Cr, Cu và Hg trong đó. Các hợp chất trong nước thải rất khác nhau, tuỳ vào tiềm năng ô nhiễm đất của chúng. Để giảm thiểu tích luỹ kim loại trong đất cải tạo bùn, mức độ khuyến cáo và bắt buộc đối với sử dụng nước cống và các kim loại bổ sung đã được giới thiệu ở rất nhiều nước. Do xử lý nước thải chỉ loại bỏ một phần nhỏ các KLN, khoảng 25% Cd, 23% Cu và 7% Pb, trong bùn vẫn chứa nồng độ KLN đáng kể, cao hơn trong đất hoặc thực vật. Hội đồng Châu Âu (EU) đã khuyến nghị sử dụng nước cống đối với đất nông nghiệp phải hạn chế nồng độ KLN tới 4000 μgZn g -1 (bắt buộc) và 2500 μgPb g-1 (khuyến cáo). Bảng 3.3: Phạm vi đặc biệt của KLN trong cải tạo nông nghiệp (tính bằng μgg-1) Nguyên Nước Phế thải ủ Phân Phân Phân tố thải compost chuồng photphat Nitrat Cr 8-40600 1,8-410 1,1-55 66-245 3,2-19 Mn 60-3900 - 30-969 40-2000 Co 1-260 - 0,3-24 1-12 155 Thuốc Nước BVTV tưới 10-15 - - - 40-1200 - - 5,4-12 0,4-3 - - Vôi Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Ni 6-5300 0,9-279 2,1-30 7-38 7-34 10-20 - - Cu 50-8000 13-3580 2-172 1- 300 - 2-125 - - Zn 91-49000 82-5894 15-566 50-1450 1-42 10-450 - - Cd < 1- 3410 0,01-100 0,1-0,8 0,1-190 0,05-8,5 0,04-0,1 - Cd > Zn > Ni > Co > Mn. Các phức chất giữa kim loại và chất hữu cơ bao gồm cả chất nội phức, hình thành bởi sự liên kết giữa cation với các nhóm chức năng của chất hữu cơ. Nhiều mối liên kết có thể được hình thành với chất hữu cơ đơn giản, tuy nhiên liên kết đơn cũng có thể được hình thành với các chất hữu cơ phân tử lớn. Các chất cho điện tử của chất hữu cơ trong đất là nguyên tố phi kim loại tích điện âm như O, N, S. Những liên kết quan trọng với nhóm boxyl - COOH, Phenolicenoli (-OH), thiol (-SH), amino (NH2), carbonyl (=O) và thioether (-S). Sự hình thành các liên kết giữa kim loại nặng với chất hữu cơ phụ thuộc vào ion kim loại, nồng độ của chúng và các chất hữu cơ. Nhìn chúng chúng xẩy ra rất nhanh chóng. Nhiều nghiên cứu cho rằng thời gian hấp phụ khoảng 1/2 lượng ion trong dung dịch với Zn2+, Cu2+ và Cd2+ là 30 giây (Bunzl et la, 1976). Mức độ bền vững của các liên kết phụ thuộc vào bản chất các kim loại, các chất hữu cơ và phụ thuộc khá mạnh vào pH dung dịch đất. Nhìn chung liên kết hữu cơ với Pb 2+, và Cu2+ có độ bền vững cao hơn với Cd2+ và Zn2+ ở cùng giá trị pH. Khi pH tăng lên độ bền vững của các phức chất hữu cơ - kim loại cũng tăng do sự phân ly mạnh của các nhóm chức năng. Độ chua của đất có ảnh hưởng mạnh đến khả năng hấp phụ kim loại nặng. Nhìn chung, dung dịch hấp phụ trao đổi cation tăng từ 20% lên đến 100% khi pH tăng từ 3 đến 5 cho tất cả các kim loại (Ivaidu et al, 1994); ngoại trừ khi chúng tồn tại ở dạng anion có chứa oxy (MnO 42-, CrO42-…) nguyên nhân làm tăng khả năng hấp phụ các ion kim loại khi pH tăng là do tăng lượng keo âm trong đất, đồng thời tăng sự hình thành MOH- trong dung dịch đất. Tác động của pH và Eh đến khả năng hòa tan của kim loại trong đất là rất phức tạp. Tính tan của các kim loại nặng phụ thuộc mạnh vào giá trị pH của dung dịch đất. Nhìn chung, chúng hòa tan tăng khi pH giảm và ngược lại. Tuy nhiên, cùng trong một giới hạn pH nào đó, khi pH tăng quá giới hạn này thì khả năng hòa tan của chúng tăng lên. Khả năng hoà tan của những kim loại nặng có khả năng hình thành các anion chứa oxy là ngược lại với cation trong sự phụ thuộc vào pH. Khả năng hòa tan của kim loại nặng chịu tác động đồng thời của pH và Eh làm cho quá trình biến đổi giữa các dạng tồn tại của chúng càng trở nên phức tạp hơn. Trong điều kiện pH thấp nhưng có điều kiện khử trung bình hoặc cao sẽ thuận lợi cho quá trình hòa tan của nhiều kim loại. Tuy nhiên, với các đất có hàm lượng S thấp (đất glây) điều kiện khử sẽ tạo điều kiện cho sự hòa tan tăng làm tăng tính độc hại của các cation kim loại nặng. Hoạt động của các vi sinh vật làm tăng quá trình chuyển hoá của các kim loại trong đất gấp rất nhiều lần. Ví dụ quá trình oxy hoá hoá học các chất sulfit thành sulfat sẽ được tăng lên 10.000 158 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường lần khi có mặt các vi khuẩn Thiobacillus sp. (Silver và Torm, 1974). Các KLN có thể chịu các quá trình khác nhau do tác động của vi sinh vật đất. Bảng 3.6: Tác động của KLN đến các bộ phận cơ thể. Nguyên tố Các tác động CH3Hg+, Hg, Pb2+ + Hư hại não: Giảm chức năng sinh lý của nơtron CH3Hg+, Hg + Đi lại và phản xạ không bình thường Pb 2+ - Tác động tới nơtron ngoại vi. As - Hg2+ + Bệnh thận, bệnh đường tiết niệu As Rối loạn đường tiết niệu As + Bệnh xơ gan Pb + Kìm hãm sinh tổng hợp của mạch máu Cd - Thiếu máu nhẹ As - Hg2+ + Viêm miệng As - Loét: lên nhọt, hói đầu Cd - Khí thũng As - Viêm xơ Hg - Gây tác động đến cuống phổi. Se - Cd, Se + Nhuyễn xương, mọc răng Cd, As + Mỡ tim CH3Hg+, As + Sảy thai CH3Hg+, Hg + Biến dạng cơ thể Cd, As + Phổi, da, tuyến tiền liệt Bệnh thần kinh ngoại vi. Thiếu máu Sưng hoặc viêm đường hô hấp Quá trình metyl hoá Pb, As, Hg là rất phổ biến, đặc biệt là Hg. Sự hình thành methyl-Hg vừa được giải phóng vào môi trường là cơ chế loại bỏ độc hại của Hg đối với các vi sinh vật. Tuy nhiên, methyl-Hg lại có tính độc cao gấp 100 lần so với Hg kim loại đối với cá. Bên cạnh đó methyl-Hg có sự phụ lớn vào pH, nó chỉ tồn tại bền vững trong giới hạn pH hẹp (5,5 - 6,5); ngược lại methyl-As lại bền vững trong khoảng dao động rộng của pH (3,5 - 7,5). Những nghiên cứu gần đây cho rằng quá trình methyl hoá xảy ra mạnh ở các trầm tích đáy với sự tham gia tích cực của các vi khuẩn khử sulfat. Do vậy sự tích tụ của SO 42- sẽ thúc đẩy quá trình hình thành các methyl-Hg. Sự khử 159 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường methyl hoá cũng có thể xuất hiện cả trong điều kiện thoáng khí cũng như hiếm khí. Độ mặn của đất không có ngăn cản quá trình methyl hoá. - Ảnh hưởng độc hại của KLN đối với sinh vật đất: giảm dần (theo Richardson và Nieboer, 1980). + Gây độc hại, ảnh hưởng đến số lượng cá thể do đó ảnh hưởng về thành phần loài của các sinh vật đất. Tuy nhiên, ảnh hưởng của mỗi nguyên tố đối với mỗi sinh vật là không giống nhau. Vd: Giun đốt: Hg>Cu>Zn>Pb>Cd. Sự tích luỹ cao của Cu chỉ giảm số lượng vi khuẩn mà Cd giảm số lượng vi khuẩn, nấm, xạ khuẩn, các loại giun tròn, giun đất. + Giảm đáng kể sinh khối VSV khi tăng hàm lượng các KL độc hại VD: Vi khuẩn khoáng hoá Nitơ: Ag>Hg>Cu>Cd, Pb>Cr>Mn>Zn Ô nhiễm nặng bởi Cu thì giảm sinh khối VSV đất đến 44% so với đất không bị ô nhiễm (Dumentet và mathar, 1989) + Các KL ở nồng độ thích hợp sẽ có tác động kích thích quá trình hô hấp của vsv và tăng cường lượng CO2 được giải phóng, nồng độ cao sẽ giảm lượng CO2. Thực vật bậc cao: Hg>Pb>Cu>Cd>Cr>Ni>Zn. c. Các chất hữu cơ gây ô nhiễm đất: Thuốc BVTV 1. Ô nhiễm do nông dược: được rải vào môi trường để triệt phá các loài phá hoại mùa màng. Ta phân biệt: - Thuốc trừ sâu (insectides) - Thuốc trừ nấm (fongicides) - Thuốc trừ cỏ (herbicides) - Thuốc trừ chuột (gặm nhấm = rodenticides) - Thuốc trừ tuyến trùng (nesmatocides) Số lượng nông dược gia tăng mạnh trong vài thập kỷ nay. Ở Pháp, có hơn 300 hợp chất, Mỹ hơn 900 và được thương mãi hóa dưới 60.000 tên gọi khác nhau. * Thuốc trừ sâu (insecticides) Thuốc trừ sâu được chia ra làm 3 nhóm chính: Chất vô cơ, chất có gốc thực vật và chất hữu cơ tổng hợp. Thuốc trừ sâu hữu cơ tổng hợp được sử dụng nhiều nhất hiện nay. Chúng được chia làm 4 nhóm lớn: Clo hữu cơ; Lân hữu cơ; Carbamates; Pyrethroides Thuốc trừ sâu clo hữu cơ Ðây là một nhóm tương đối lớn của thuốc trừ sâu với sự đa dạng về cấu trúc, tính chất và công dụng. Ba loại chánh được kể ở đây. Ðó là DDT và các hợp chất tương cận, thuốc trừ sâu clo vòng (aldrin và dieldrin) và hexachlorohexane (HCHs) như lindane. Thuốc trừ sâu clor hữu cơ là chất rắn bền, ít tan trong nước và có ái lực mạnh với lipid (liphophilicity). Vài chất rất bền bỉ trong thể ban đầu hay như là chất biến dưỡng bền. Tất cả đều là chất độc thần kinh. DDT: Tính chất sát trùng của DDT được khám phá bởi Paul Muller của công ty Ciba-Geigy năm 1939. DDT đã được dùng với qui mô nhỏ (trừ côn trùng mang mầm bệnh, vectors) trong thế chiến 2, nhưng sau đó được dùng rất rộng rải để trừ dịch hại nông nghiệp, sinh vật mang mầm bệnh (như muỗi gây sốt rét), ngoại ký sinh của gia súc, và côn trùng trong nhà và cơ sở kỹ nghệ. Do ít tan 160 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường trong nước (< 1 mg/l), DDT được pha chế dưới dạng nhũ tương, tức là dung dịch của thuốc trong dung môi hữu cơ, dùng để phun xịt. DDT có LD50 là 113 - 450 mg/kg ở chuột và được cho là độc vừa phải. Hình 3.2. Các nông dược chính (I): thuốc trừ sâu; (H) thuốc diệt cơ; (F) thuốc trừ nấm Aldrin, dieldrin và heptachlor là các thuốc trừ sâu có vòng. Chúng giống DDT ở chổ là chất rắn bền, ưa lipid, ít tan trong nước, nhưng khác ở cách tác động. Chúng rất độc với hữu nhũ (LD50 là 40 - 60 mg/kg). Chúng được dùng từ những năm 1965 để chống lại các côn trùng, như là chất bảo vệ hạt giống và thuốc trừ sâu của đất. HCH được tiếp thị như là hỗn hợp thô của đồng phân BHC , nhưng rộng rải hơn ở dạng tinh chế có chứa chủ yếu đồng phân gamma, như (HCH, (BHC hay lindane. (HCH có cùng các đặc tính với các thuốc trừ sâu clor hữu cơ khác, nhưng nó phân cực hơn và tan trong nước nhiều hơn (7mg/l). Nhũ tương của HCH được dùng để trừ các dịch hại nông nghiệp và các ký sinh trùng của gia súc. Chúng cũng được dùng bảo vệ hạt giống. HCH chỉ độc vừa phải đối với chuột (LD50 là 60 - 250mg/kg) (Walker và CSV, 1996). 161 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Thuốc trừ sâu lân hữu cơ Trong thế chiến lần thứ hai, hợp chất lân hữu cơ được dùng làm chất độc thần kinh (neurotoxin), vì chúng có khả năng ngăn trở enzim acetylcholinesteraz (AchE). Chúng được sản xuất vì hai công dụng chánh, là thuốc trừ sâu và vũ khí hóa học. Chúng là những ester hữu cơ của acid phosphoric. Ngày nay một số lượng lớn hợp chất lân hữu cơ được tiếp thị như là thuốc trừ sâu. Ða số thuốc trừ sâu lân hữu cơ là chất lỏng ưa lipid, vài loại bay hơi, một ít là chất rắn. Chúng ít bền vững hơn thuốc trừ sâu clor hữu cơ và bị phân hủy dễ hơn bởi các tác nhân hóa học hay sinh hóa học. Do đó, chúng phân hủy nhanh trong môi trường, nhưng độc tính cấp thời là đáng kể. Chúng phân cực và tan trong nước nhiều hơn thuốc trừ sâu clor hữu cơ. Các hoạt hóa của vài thứ thuốc trừ sâu lân hữu cơ hòa tan trong nước đủ để đạt đến nồng độ cao trong mô dẫn nhựa (phloem) của cây, gây độc cho côn trùng ăn phải (chất độc lưu dẫn). Dạng thức chế tạo của các hợp chất lân hữu cơ thì quan trọng trong ô nhiễm môi trường do chúng gây ra. Nhiều thứ được chế biến dưới dạng nhũ tương để phun xịt. Nhiều loại khác là chất bao bọc hạt giống hay dạng viên nhỏ. Dạng viên cần cho các thuốc trừ sâu lân hữu cơ độc tính cao, vì dạng này an toàn hơn dạng nhũ tương khi thao tác. Thuốc bị cầm giữ trong viên, và chỉ thoát từ từ ra môi trường. Trong nhiều quốc gia, thuốc trừ sâu lân hữu cơ hiện vẫn còn được sử dụng cho hoa màu dưới nhiều dạng thức khác nhau. Chúng được dùng để kiểm soát ngoại ký sinh của gia súc và cả nội ký sinh, cào cào, dịch hại các kho chứa, muỗi, ký sinh của cá... Thuốc trừ sâu carbamate Ðây là các dẫn xuất của acid carbamic và phát triển gần đây hơn 2 nhóm thuốc trừ sâu nói trên. Giống như thuốc trừ sâu lân hữu cơ, chúng có tác động ngăn trở enzym acetylcholinesterase (AchE). Carbamate thường là thể rắn, vài thứ ở thể lỏng. Sự hòa tan vào nước thay đổi đáng kể. Giống như thuốc trừ sâu lân hữu cơ, chúng dễ bị phân hủy bởi các tác nhân hóa học hay sinh hóa học và thường không có vấn đề lưu tồn lâu dài. Ðộc tính cấp thời của chúng là điều đáng nói. Vài loại (aldicarb và carbofuran) tác động như thuốc lưu dẫn. Một ít (methiocarb) dùng diệt ốc sên. Cần phân biệt carbamate trừ sâu và carbamate trừ cỏ (propham, chlopropham) ít độc với động vật. Thuốc trừ sâu carbamate được chế biến như cách của thuốc trừ sâu lân hữu cơ, như các thứ cực độc (aldcarb và carbofuran) chỉ chế tạo ở dạng viên. Chúng được dùng để kiểm soát côn trùng trong nông nghiệp và hoa màu, trừ tuyến trùng (nematocides) và thân mềm (molluscides). Thuốc trừ sâu pyrethroid Thuốc trừ sâu pyrethroid thiên nhiên được tìm thấy trong hoa đầu các cây cúc Chrysanthemum, từ đó gợi ý cho người ta làm các thuốc trừ sâu pyrethroid tổng hợp. Pyrethroid tổng hợp thì bền hơn pyrethroid thiên nhiên. Pyrethroid là chất rắn, ít tan trong nước, và là chất độc thần kinh như DDT. Chúng là các ester được tạo bởi một acid hữu cơ (thường là acid chrysanthemic) và một bazơ hữu cơ. Mặc dù pyrethroid bền hơn pyrethrin, nhưng chúng dễ bị phân hủy sinh học và không gây vấn đề thời gian bán hủy sinh học. Tuy nhiên, chúng có thể kết chặt với các hạt mịn của đất và chất trầm tích, và ở đó chúng sẽ lưu tồn lâu dài. Chúng chủ yếu gây độc tính cấp thời, có chọn lọc trong số các côn trùng, thú và chim. Vấn đề môi trường của chúng là độc tính đối với cá và các ÐVKXS không là đối tượng phòng trừ. Pyrethroids được chế tác chủ yếu thành nhũ tương để phun xịt. Chúng được dùng để kiểm soát một phổ rộng các côn trùng gây họa trong nông nghiệp và hoa màu, và được dùng phổ biến để trừ côn trùng mầm bệnh (muỗi tsetse ở Châu Phi). 162 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường * Thuốc trừ cỏ tổng hợp Các thuốc trừ cỏ phát triển mạnh vài chục năm nay. Các dẫn xuất của acid phenoxyacetic là những hợp chất đầu tiên được thương mại hóa. Chúng gây sự rối loạn tăng trưởng của cây 2 lá mầm. Ngoài ra còn có nhóm Triazine, Simazine (ngăn chặn quang hợp bằng cách chặn đứng chu trình Calvin, cây không thể cố định CO2). Pichloram là chất độc và rất ổn định trong môi trường. Các dẫn xuất của acid phenoxyacetic là nhóm thuốc trừ cỏ quan trọng nhất. Các thí dụ quen thuộc là 2,4-D, 2,4-DB, 2,4,5-T, MCPA và CMPP. Chúng tác động bằng cách rối loạn quá trình tăng trưởng theo cách của chất điều hòa tăng trưởng tự nhiên Indole acetic acid (IAA). Chúng là các dẫn xuất của các acid carboxylic phenoxyankal. Khi chế tạo dưới dạng muối kiềm, chúng rất hòa tan vào nước, nhưng khi chế tạo dưới dạng ester đơn thì chúng lại ưa lipid và ít hòa tan vào nước. Ða số thuốc trừ cỏ phenoxy dễ bị phân hủy sinh học và không lưu tồn trong cơ thể sinh vật hay trong đất. Chúng tác dụng có chọn lọc, như chọn lọc giữa đơn tử diệp và song tử diệp, chúng được sử dụng chủ yếu để trừ hạt đơn tử diệp trong đất trồng song tử diệp (ngũ cốc và đồng cỏ). Vấn đề môi trường có hai loại. Thứ nhất là vấn đề độc tính thực vật (phytotoxycity) do phun xịt hay phun sương. Thứ hai là vài loại có chứa hợp chất cực độc là dioxin (TCDD = tetrachlorodibenzodioxin), tác nhân màu da cam của 2,4-D và 2,4,5-T dùng như thuốc làm rụng lá cây ở Việt Nam. Ðây là chất cực độc cho hữu nhũ (LD50 là 10 - 200 (g/kg ở chuột). * Thuốc chống đông máu trừ gậm nhấm Hợp chất Warfarin đã được dùng từ nhiều năm qua như thuốc trừ gậm nhấm. Nó là phân tử ưa lipid, ít tan trong nước và tác động như chất đối kháng của vitamin K. Gần đây, khi các gậm nhấm hoang dã kháng được Warfarin, thì thế hệ thứ hai của thuốc này đã được tiếp thị, cũng có công thức tương cận qua Wafarin. Chúng bao gồm diphenacoum, bromadiolone, brodiphacoum và flocoumafen. Chúng giống với Wafarin ở tính chất tổng quát nhưng độc hơn cho thú và chim nhưng lại lưu tồn lâu trong gan của ÐVCXS. Do đó chúng có thể được chuyển từ gậm nhấm sang các động vật ăn thịt và các loài ăn xác chết của các gậm nhấm này. Như chim cú ở Anh quốc chẳng hạn, có chứa một lượng thuốc trừ gậm nhấm nói trên. Thuốc trừ gậm nhấm thường được trộn vào bã mồi, đặt trong nhà hay ngoài cửa, chúng sẽ được các gậm nhấm hoang dã ăn. Tính chất sinh thái học của nông dược Dù nông dược có nhiều lợi ích nhưng một số bất lợi xuất hiện dần và trở nên trầm trọng. Vì nông dược tác động lên cả hệ sinh thái chứ không chỉ loài gây hại. Thực vật, bất kỳ một nông dược nào cũng gây một biến đổi sâu xa đến hệ sinh thái có sử dụng nó, vì có tính chất sinh thái học sau đây: - Có phổ độc tính rộng cho động vật và thực vật. - Ðộc tính cho động vật máu nóng và máu lạnh. - Người sử dụng nông dược chỉ để diệt khoảng 0,5% số loài, trong khi nông dược sử dụng có thể tác động lên toàn thể sinh vật. - Người ta sử dụng nông dược để luôn luôn chống lại các quần thể. - Tác dụng của chúng độc lập với mật độ nhưng người ta dùng khi mật độ lên đến mức gây hại (nên dùng thuốc lại lệ thuộc mật độ). - Lượng dùng thường cao hơn lượng cần thiết vì để cho chắc ăn. - Diện tích phun xịt khá lớn. Ở Châu Âu là hàng chục triệu ha. - Nhiều nông dược tồn lưu lâu dài trong môi trường. Sự ô nhiễm do nông dược hiện là hiện tượng toàn cầu, nhất là thuốc lân hữu cơ. 163 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường * Quá trình chuyển hoá các HCBVTV trong đất - Đặc tính chuyển hoá của một số hoá chất bảo vệ thực vật Tính độc hại của các chất hữu cơ do cấu trúc điện tử, khả năng hoà tan trong nước và khả năng bay hơi là rất quan trọng. Khả năng ion hoá là lý do trước hết giải thích tại sao tương tác hoá học hữu cơ độc hại lại phụ thuộc nhiều vào pH. Với các chất hữu cơ không có khả năng hoà tan trong nước có liên quan mật thiết tới đặc tính hấp phụ. Ngoài ra, các tính chất như: hình dạng, kích thước, khả năng đông tụ, phân cực, tính axit và khả năng bay hơi cũng có ý nghĩa quan trọng. Các thuốc BVTV được coi là nguồn ô nhiễm diện trong đất do chúng được áp dụng khá rộng rãi bằng cách phun trên lá hoặc rơi trực tiếp xuống đất. Khi nghiên cứu với các thuốc trừ sâu diệt cỏ cho thấy: Các phân tử hữu cơ dạng cation Chất diệt cỏ Bipyridylium như diquat và paraquat là những hợp phần chính của nhóm này. Chúng được sử dụng như các chất diệt vi sinh vật thuỷ sinh. Diquat và paraquat là những chất không bay hơi, bị quang phân huỷ dưới ánh nắng mặt trời hoặc tia UV. Tuy nhiên, chúng không bị quang phân huỷ khi kết hợp với các chất dưới dạng phức hợp trao đổi điện tích với phenol và các phân tử cho điện tử khác. Các phân tử hữu cơ kiềm Các phân tử hữu cơ kiềm như nhóm Symmetrical triazine (S-triazine) là các dẫn xuất nitơ dị vòng, cấu trúc vòng bao gồm C và N. Sự thay thể ở vị trí R 1 sẽ xác định đuôi của tên chất. Với nguyên tử Cl, tên có đuôi là -azine, với nhóm metyl thio là -tryn, và nhóm metoxyl (-OHC 3) là -ton. Khả năng hoà tan cao nhất của chất này được xác định bởi sự thay thế R 1 với -OCH3. Với sự có mặt của nguyên tử N giàu điện tử S-triazin sẽ có khả năng cho điện tử và khả năng tương tác với các phân tử nhận điện tử để hình thành các phức chất có khả năng cho - nhận điện tử. Các chất diệt cỏ benzoic là dẫn xuất của axit benzoic có thể chứa nguyên tử Cl, metoxyl, hoặc amino. Khả năng hoà tan của các axit phenoxylankanoic không bị ion hoá là rất thấp. Tuy nhiên hầu hết các thuốc diệt cỏ đều chứa hợp phần của các muối hoà tan, vì vậy chúng có khả năng hoà tan trong nước trung tính còn trong môi trường axit chúng tồn tại ở dạng phân tử ít tan. Các thuốc trừ sâu: 2,4-D; 2,4,5-T, picloram và dinosen có khả năng hình thành ion trong nước. Đây là những chất phổ biến của thuốc trừ sâu axit phenoxy ankanoic. Các phân tử hữu cơ không ion hoá Nhóm này bao gồm hầu hết các hợp chất hữu cơ không bị phân ly trong dung dịch. Chúng bao gồm hàng trăm chất khác nhau là dẫn xuất của hydrocacbon có gắn clo (các hợp chất cơ clo), gắn photpho (các hợp chất cơ photpho), cacbarmat, ure, anilin, amid, nezonitrit. Sự khác biệt của các chất thuộc nhóm này là khả năng hấp phụ của nó bởi các keo hữu cơ. Chất cơ clo như DDT, to-xaphen, lindan, clorodan, aldrin, điedrin có khả năng tồn tại bền vững trong đất (hiện nay đã bị hạn chế sử dụng), có khả năng hoà tan chậm trong nước (trừ lindan). Đặc biệt là DDT, Endrin và đedrin có khả năng di động chậm trong đất. Khả năng bay hơi của nhóm cơ clo là rất thấp. Nhìn chung, nhóm cơ photpho có độc tính cao hơn nhóm cơ clo nhưng chúng lại có độ bền vững trong đất thấp hơn. Malathion và parathion có thể bị phân huỷ hoá học hoặc phân huỷ sinh học bởi vi sinh vật. Các chất phenyl cacbarmat khi được ure thay thế đều là các thuốc diệt cỏ không bị phân ly thành dạng ion. Sự thay thế 3 nguyên tử hydro của ure bằng các nhóm chức năng khác như: phenyl, 164 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường metyl, metoxy làm cho thuốc diệt cỏ trở nên có hoạt tính. Hầu hết chất diệt cỏ ure là không có tính chọn lọc và khi phun vào đất chúng được rễ cây hút thu và vận chuyển lên thân cây. Cacbamat và thiocacbamat là sự biến đổi cấu trúc bazơ từ axit cacbamic. Cacbamat có thể được phun xuống đất (như propham và cloropham) hoặc phun trên lá (như asulam và phenmedipham). Các chất này có đặc tính chọn lọc cao hơn với từng loại cây trồng, cloropham có tính bền vững hơn propham. Các chất cacbamat khác như barban và phenmedipham thường được phun trên lá và ít có sự tương tác với đất. Thiocacbamat như butylat thường có khả năng bay hơi cao hơn nên được phun trực tiếp vào đất, tạo nên các liên kết với đất. Chúng bị hấp phụ bởi các hạt giống, rễ, sự nảy mầm. - Quá trình chuyển hoá Các HCBVTV khi đi vào đất, chúng có thể bị bay hơi, bốc hơi hoặc lấy đi bởi thực vật và động vật, tiếp đến là quá trình hấp phụ, thấm lọc hoặc bị phân huỷ sinh học. Sự biến đổi và sự phân bố thuốc trừ sâu trong đất phụ thuộc nhiều vào đặc tính của hoá chất cũng như đặc điểm của môi trường đất. Dưới điều kiện thuận lợi các chất có thể biến đổi sang dạng ít độc hơn hoặc không độc, ở trạng thái khác có thể dẫn tới sự tích lũy và tiếp tục tồn lưu lâu hơi hoặc rửa trôi xuống nước ngầm. Kết quả, đã có những báo cáo về ô nhiễm nước ngầm nghiêm trọng. Khối lượng phân tử, đặc tính hoà tan, áp suất bay hơi và các đặc tính của môi trường đất có liên quan chặt chẽ với sự hấp phụ hay giải hấp của các hợp chất này. Khả năng đệm của đất đóng vai trò quan trọng trong hoạt động của thuốc trừ sâu. Những phần tử đất với đặc trưng bề mặt và bẫy mang cao như là chất hữu cơ, khoáng sét, các oxit hay hydroxit kim loại phần lớn quyết định đến khả năng hấp phụ và hấp thụ các thuốc này. Các điều kiện biên có liên quan là nồng độ và sự phân ly của các chất, độ ẩm, nhiệt độ, cân bằng pH đất, khả năng oxi hoá hay khả năng khử có ảnh hưởng mạnh mẽ đến sự biến đổi và tồn lưu lâu hơn của các thuốc trừ sâu trong đất. Các thuốc BVTV có nhóm cơ photpho được xem là kém bền vững hơn so với cơ clo nhưng lại phân huỷ rất chậm trong đất, ví dụ như parathion còn được phát hiện ra sau rất nhiều năm sử dụng, đặc biệt là các đất khô và trong một số điều kiện bất lợi khác. Một số nghiên cứu cho rằng, thuốc BVTV dạng tổng hợp có sự tồn lưu trong đất rất lâu dài. Theo Lichtenstei (1961), 1 năm sau khi phun DDT còn 80%, lindan còn 60%, aldrin còn 20%; sau 3 năm DDT còn 50%, andrin còn 5%. Trong đất, các HCBVTV bị phân huỷ chậm do các quá trình hoá học và sinh học. Khi bị phân huỷ hoàn toàn chúng sẽ giải phóng CO 2 và H2O hoặc các hợp phần không độc hại khác. Tuy nhiên, nếu quá trình phân giải không hoàn toàn có thể hình thành các chất thậm chí có độ bền và tính độc hại cao hơn ban đầu. Quá trình phân huỷ sinh học Vai trò phân huỷ sinh học các HCBVTV trong đất có sự tham gia quan trọng của các vi sinh vật. Các vi sinh vật này đã sử dụng các chất hữu cơ độc hại như chất nền cho sự phát triển của mình. Các chất hữu cơ độc hại này được sử dụng bởi một hoặc nhiều loài vi sinh vật khác nhau cho sản phẩm cuối cùng thành CO2 và H2O cùng các chất vô cơ khác. Quá trình trao đổi hấp phụ bao gồm: sự phân huỷ các phân tử hữu cơ độc hại thành các chất không độc hại, các vi sinh vật này sẽ phát triển trên những cơ chất không độc hại. Quá trình này có thể do vi sinh vật tiết ra các enzim có khả năng tích luỹ các chất độc nguy hại so với các chất độc ban đầu. Các chất hữu cơ độc hại bị phân huỷ chuyển hoá bởi các phản ứng oxy hoá, trùng ngưng, tích tụ các chất hữu cơ trong thành phần các chất hữu cơ của đất. 165 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Quá trình tích luỹ sinh học, tích luỹ các chất hữu cơ trong đất phụ thuộc vào đặc tính của từng vi sinh vật và các chất hữu cơ độc hại. Theo các nghiên cứu phần lớn thuốc trừ sâu bị phân huỷ bởi các sinh vật yếm khí. Các điều kiện tốt nhất cho sự phân huỷ chất hữu cơ của vi sinh vật kỵ khí. Vi sinh vật Đa dạng quần thể cao, nhiều loài thích ứng Độ ẩm đất 50 - 80% Nhiệt độ đất 25 - 350C Độ thoáng khí ổn định Chất hữu cơ 2 -3% Tỷ lệ C/N < 10-15 pH Trung tính Thành phần khoáng trong đất Cân bằng phân bố kích thước hạt Kết cấu đất Mịn nhỏ đến mịn thô Quá trình chuyển hoá lý - hoá học Quá trình chuyển hoá lý - hoá học các chất hữu cơ trong đất bao gồm các phản ứng thuỷ phân, oxy hoá - khử, hiệu ứng bề mặt quang phân huỷ, hình thành phức hợp liên kết và chuyển hoá hoá học. • Quá trình thuỷ phân Quá trình thuỷ phân phụ thuộc nhiều vào pH, nhiệt độ. Trong môi trường axit, quá trình này sẽ tăng lên tương ứng với sự tăng tốc độ phản ứng thuỷ phân. Ví dụ, sự thuỷ phân chất cơ photpho (parathion), ở nhiệt độ 200C quá trình thuỷ phân parathion tăng chậm trong môi trường axit và trung tính, tăng mạnh trong môi trường kiềm (pH = 9 - 10). Đồng thời quá trình thuỷ phân được tăng cường nhờ hiệu ứng bề mặt. Theo Satlzman và cộng sự (1974), chứng minh sự tăng cường quá trình thuỷ phân parthion khi có mặt của khoáng Kaonilit do bản chất các cation trao đổi (Ca-Kaonilit) ảnh hưởng đến tốc độ của quá trình. Kết quả cho thấy tốc độ thuỷ phân khi có mặt khoáng này tăng lên gấp 2 lần so với môi trường nước tại pH = 8.5. Kaollinit đã được xem như là chất xúc tác quá trình phân huỷ parathion thông qua việc làm tăng cường sự thuỷ phân các este photphat thành Pnitrophenol và dietylthiophotphat. Bên cạnh đó, sự thuỷ phân parathion còn do tác động của các enzim . Theo Nelson (1981), đã phân lập được vi khuẩn phân giải parathion. Kết quả thí nghiệm trong phòng cho thấy các men photphataza có ảnh hưởng rõ rệt đến các parathion có trong dung dịch mà không có tác động tới các parathion được hấp phụ trên bề mặt chất rắn. • Quá trình khử Quá trình khử là kết quả trao đổi điện tử làm cho trạng thái oxy hoá của các chất tham gia phản ứng thay đổi. Sự oxy hoá các chất hữu cơ bằng con đường hoá học xảy ra trong điều kiện thoáng khí, trong khi sự khử có thể xảy ra trong điều kiện đất ngập nước. Phản ứng oxy hoá các chất hữu cơ độc hại do vi sinh vật có ý nghĩa lớn trong việc phân huỷ các HCBVTV trong đất. Ví 166 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường dụ, thuốc trừ sâu 2,4 D bị phân huỷ thành 2,4-dichlorophenol; chúng lại tiếp tục bị polyme hoá bởi men phenoloxydaza. • Quá trình quang phân huỷ Lớp đất 0,5 cm trên mặt được xem là tác động trực tiếp của ánh sáng mặt trời, do vậy các chất ô nhiễm có thể bị chuyển hoá dưới tác động của ánh sáng mặt trời. Quá trình quang phân huỷ trực tiếp xảy ra khi các chất hấp phụ ánh sáng: P + ánh sáng → P* + sản phẩm Trong đó P là chất hấp thụ ánh sáng, P * là chất được hoạt hoá để tham gia phản ứng tạo thành sản phẩm. Các chất hoạt hoá có tác dụng lớn trong việc thúc đẩy các quá trình chuyển hoá các chất hữu cơ độc hại. Phụ thuộc vào cấu trúc phân tử, các HCBVTV có khả năng hấp thụ các tia chiếu xạ khác nhau. Trifluralin và metylparathion là những ví dụ cho các chất trừ sâu có khả năng hấp thụ mạnh ánh sáng mặt trời, còn thuốc trừ sâu 3,4 dicloramin hấp thụ bước sóng ngắn và metocyclo chỉ hấp thụ ánh sáng rất yếu. Nhìn chung, tốc độ quang phân huỷ các HCBVTV trong đất xảy ra chậm hơn nhiều so với trong nước và trên lá cây. • Sự tạo thành các phức hệ liên kết Các phức chất có thể được hình thành do các liên kết điện, đồng hoá trị hoặc kết hợp cả hai. Các cation kim loại được gọi là nguyên tử trung tâm, các anion hoặc phân tử tạo liên kết được gọi là các chất liên kết. Khi các chất này có kích thước lớn nhỏ khác nhau và hình thành nên các keo có kích thước < 100A0 (ở các kích thước lớn hơn các keo này có thể bị đông tụ). Quá trình này giúp các chất hữu cơ độc hại có thể hình thành các liên kết với các chất hữu cơ khác có trong đất. Ảnh hưởng của việc dùng nông dược a. Ảnh hưởng lên các quần thể Dùng thuốc diệt cỏ sẽ làm thay đổi thảm thực vật của hệ sinh thái nông nghiệp. Vì ảnh hưởng của chúng ở đồng ruộng và ở các vùng phụ cận, vì cây 2 lá mầm rất nhạy cảm với thuốc trừ cỏ trong gieo trồng ngũ cốc. Ở Việt Nam, trong chiến tranh chống Mỹ, một lượng lớn thuốc trừ cỏ đã được sử dụng gây nhiều thảm họa cho môi trường. Dù chỉ một lần phun nhưng các thuốc khai quang này đã làm chết các cây đại mộc nhiệt đới, đặc biệt ở rừng Sát: Mấm, Ðước, Vẹt ... Hay Dầu, Thao lao và các cây mộc họ Caesalpiniaceae ở các rừng vùng núi (Westing, 1984). Các dẫn xuất của acid phenoxyacetic cũng độc đối với các động vật thủy sinh. Ngoài ra chúng cũng có thể gây đột biến ở người. Như ở Việt Nam, sự biến dạng thai nhi đã được thấy cao hơn mức bình thường nơi các bà mẹ bị nhiễm nặng bởi việc phun xịt thuốc khai quang trong thời gian chiến tranh chống Mỹ. Dùng thuốc trừ sâu gây chết các quần xã động vật ở trong hay quanh vùng xử lý. Phun xịt thuốc trừ sâu trên rừng gây chết nhiều chim và thú. Cuối những năm 50, ở Hoa kỳ chiến dịch diệt Kiến lửa (Solenosis soevissina), trên 110.000 km2 bằng máy bay, sử dụng các hạt Heptachlore và dieldrine với liều 2,5 kg/ha ở năm đầu; 1,4 kg/ha vào 2 năm tiếp theo. Chiến dịch này có lợi cho các nhà kinh doanh nông nghiệp, nhưng gây nhiều thảm họa cho động vật ở đây. Sáo, Sơn ca và các chim bộ Sẻ khác bị ảnh hưởng mạnh. Bò sát, côn trùng sống trong đất bị giảm số lượng mạnh. Thuốc trừ nấm mặc dù không quá độc đối với cây xanh và động vật, nhưng hậu quả sinh thái học của chúng vẫn có. Như chúng tỏ ra độc đối với trùn đất là sinh vật đóng vai trò quan trọng trong sinh thái học đất, nhất là việc giữ độ phi nhiêu cho đất. Hạt giống trộn với thuốc diệt nấm gây hại cho chim. Một số chất có thể được tích lũy trong mô của động vật. 167 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường b. Ảnh hưởng lên các quần xã Ða số các hậu quả của sinh thái học của việc dùng nông dược là ảnh hưởng gián tiếp thể hiện sớm hay muộn. Aính hưởng của sự nhiễm độc mãn tính là do hấp thụ liên tục các nông dược cùng với thức ăn. Nó gây chết cho các độ tuổi và làm giảm tiềm năng sinh học, nên làm giảm sự gia tăng của các quần thể bị nhiễm, dẫn đến sự diệt chủng của loài. Ảnh hưởng của nông dược do sự chuyển vận qua sinh khối, với sự tích tụ nông dược trong mỗi nấc dinh dưỡng, làm cho nồng độ nông dược trong các vật ăn thịt luôn rất cao. Trường hợp nặng gặp ở các nông dược ít hay không bị phân hủy sinh học. Cho nên thực vật có thể tích tụ nông dược trong mô. Ðến phiên chúng làm thức ăn cho những bậc dinh dưỡng cao hơn, sẽ làm nông dược chuyển đến cuối chuỗi thức ăn: Ví dụ: Đất giun đất chim sáo Bảng 3.7. Quá trình khuếch đại sinh học xảy ra đối với DDT trong chuỗi thức ăn Thành phần chuỗi thức ăn Nồng độ DDT (mg/kg) Nước hồ 0.02 Động vật nổi 5.0 Cá ăn động vật nổi 40.0-100 (trong mô mỡ) Cá dữ bậc 1 80-2 500 (trong mô mỡ) Cá dữ bậc 2 hoặc chim 1 600 (trong mô mỡ) Ðiều này làm nhiễm độc mãn tính các động vật, dễ thấy là rối loạn chức năng sinh sản (chậm trưởng thành sinh dục, số trứng ít, trứng có vỏ mỏng). Các chlor hữu cơ như DDT, dieldrine, heptachlor và PCB, cũng như các thuốc diệt cỏ đều ảnh hưởng đến sinh sản của chim. Các ảnh hưởng trên còn có thể dẫn đến các hậu quả sau đây: - Giảm lượng thức ăn. Một trong những xáo trộn do nông dược gây cho quần xã là làm giảm lượng thức ăn động vật và thực vật cần thiết cho các loài ở các bậc dinh dưỡng khác nhau trong hệ sinh thái nông nghiệp (Pimentel và Edwards, 1982). Sự biến mất dần các thực vật hoang dại do sử dụng thuốc trừ cỏ trong các vùng đất canh tác làm thay đổi sâu xa nguồn thức ăn và nơi ở của nhiều loài chim định cư sống trong vùng hay xung quanh đó. Tương tợ, việc sử dụng các thuốc trừ sâu phân hủy nhanh (lân hữu cơ, carbamate và pyrethroid) tuy không gây độc lâu dài như nhóm chlor hữu cơ, nhưng cũng gây hại cho các loài chim ăn côn trùng vì chúng và con chúng sẽ không có thức ăn. - Làm thay đổi cân bằng trong tự nhiên. Nông dược có thể gây ra sự phát triển quá đáng của một loài thực vật hay động vật nào đó. Khi sử dụng thuốc diệt cỏ ở các nơi trồng ngũ cốc thì hạt song tử diệp bị loại trừ, khi đó các cỏ họ hòa bản khó ưa sẽ phát triển mạnh vì vắng các loài cạnh tranh. Sử dụng nông dược có thể loại trừ các kẻ thù tự nhiên của những loài gây hại. Như ở Hoa kỳ chẳng hạn, việc sử dụng quá đáng azodrin, thuốc trừ sâu lân hữu cơ, để trừ côn trùng gây hại cây bông vải cho thấy một tình huống tiếu lâm. Thay vì làm giảm quần thể sâu Heliothis zea, thuốc azodrin lại diệt các thiên địch và ký sinh của sâu này, làm cho vùng trồng bông có dùng thuốc bị thiệt hại nhiều hơn vùng không dùng thuốc (Ramade, 1987). 168 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường - Ảnh hưởng lên diễn thế. Diễn thế của các quần thể động vật lệ thuộc chặt chẻ vào diễn thế của các quần thể thực vật, nên thuốc diệt cỏ ảnh hưởng mạnh hơn thuốc trừ sâu trong diễn thế của quần xã. Thuốc diệt cỏ ít chọn lọc tác động giống như lửa. Nó làm hệ sinh thái trở lại giai đoạn đầu của giai đoạn chiếm cứ bởi các thực vật tiên phong. Trong vài trường hợp, sự sử dụng có hệ thống của thuốc trừ cỏ có thể tạo ra giai đoạn cao đỉnh nghẹn (dysclimax). Các khu rừng Việt Nam, nơi đã bị tàn phá hoàn toàn bởi thuốc khai quang, thì đất trống được tre và đồng cỏ bao phủ, rừng không thể phục hồi trở lại được. Rừng tre và đồng cỏ phát triển thành quần xã cao đỉnh. 169 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường 2.2.3. Ô nhiễm đất do tác nhân sinh học - Nguồn gốc: Do đổ bỏ chất thải mất vệ sinh hoặc sử dụng phân bắc tươi, bùn ao tươi, bùn kênh dẫn chất thải sinh hoạt bón trực tiếp vào đất, gây các tác nhân ô nhiễm đất: trực khuẩn lỵ, thương hàn, ký sinh trùng (giun, sán…). Mai Dịch, Từ Liêm (vùng trồng rau): mật độ trứng giun đũa: 27,4 trứng/100g đất, trứng giun tóc 3,2 trứng/100g đất (Trần Khắc Thi,1996). Theo điều tra của Viện thổ nhưỡng nông hoá (1993-1994) tại một số vùng trồng rau, nông dân chủ yếu dùng phân bắc tươi với liều lượng khoảng từ 7-12 tấn/ha, do vậy trong 1 lít nước mương máng, khu trồng rau có tới 360 E.Coli, ở giếng nước công cộng là 20 còn trong đất là 2×105/100g đất. Bảng 3.8. Số lượng các loại vi trùng và trứng giun trong đất và một số môi trường khác Đối tượng Tổng coli trong 100g Số trứng giun trong 50g phân đất Giun đũa Giun tóc Phân bắc tươi trộn tro bếp 107 31 16 Phân bắc ủ 2 tháng 105 12 7 Đất vừa tưới phân bắc 105 22 10 Đất sau tưới phân bắc 20 ngày 105 13 5 Đất vừa tưới phân lợn tươi 105 5 - Đất chỉ dùng phân hóa học 20 3 1 Nước mương trồng trau dùng phân bắc 360 3 - Nước ao khu trồng rau dùng phân bắc 450 - - Nước giếng khu trồng rau dùng phân bắc 20 7 - - Ảnh hưởng: Điều tra sức khoẻ người trồng rau có tới 60% người tiếp xuác với phân bắc từ 5-20 năm, 26,7% tiếp xuác trên 20 năm, làm cho 53,3% số người được điều tra có triệu chứng thiếu máu, 60% số người bị mắc bệnh ngoài da. Bảng 3.9. Thời gian tồn tại của các tác nhân gây bệnh (ngày) ở điều kiện xử lý khác nhau Điều kiện Vi khuẩn Vi rus VSV khác Đất 400 175 10 Nhiều tháng Hoa màu 50 60 Không rõ Không rõ Phân bắc, phân chuồng, bùn cống rãnh tươi 90 100 30 Nhiều tháng 170 đơn bào Giun sán Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Ủ tùy tiện nhiệt độ thường 60 60 30 Nhiều tháng Ủ kỵ khí ở nhiệt độ cao 7 7 7 7 Ao ổn định nước thải 20 20 20 20 171 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường 172 [...]... khí quyển này và nó cũng là môi trường sống của tất cả các sinh vật trên trái đất Do đó, nghiên cứu các vấn đề cơ bản của ô nhiễm môi trường không khí cũng chủ yếu tập trung nghiên cứu các quá trình lan truyền, chuyển hóa chất ô nhiễm diễn ra trong tầng này II Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ 2.1 Các tác nhân gây ô nhiễm môi trường không khí Các tác nhân gây ô nhiễm môi trường không khí là chất hoặc yếu tố.. .Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường 2 Các quá trình cơ bản trong môi trường Một chất ô nhiễm đi vào môi trường không đứng yên ở một vị trí mà theo thời gian sẽ có sự biến đổi từ vị trí này đến vị trí khác, từ trạng thái tồn tại này sang trạng thái tồn tại khác Điều này có ý nghĩa là một chất đi vào môi trường sẽ chịu ảnh hưởng bởi các quá... khi một chất đi vào môi trường với một nồng độ thấp và trạng thái hòa tan tốt, khả năng chuyển hóa sinh học sẽ làm giảm phạm vi ảnh hưởng của chất đó tới môi trường Bên cạnh đó, 18 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường trạng thái tồn tại của chất cũng quyết định khả năng tích lũy sinh học chất ô nhiễm vào cơ thể sinh vật Trong thực tế, chất tan tốt trong môi trường là chất dễ... vận chuyển các chất nhiễm bẩn trong môi trường Sự hấp thu là quá trình liên kết các phân tử nhiễm bẩn vào các khe hổng trên bề mặt của pha rắn hoặc đi vào trong lòng khối rắn Sự hấp thu bao gồm hấp phụ và hấp thụ (bao gồm cả quá trình hấp thụ sinh học) 17 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường 2.2 Các quá trình hóa học xảy ra với chất ô nhiễm trong môi trường Các vật chất tồn... 2006 Chất nhiễm bẩn đi vào trong môi trường có thể bị thay đối kích thước và di chuyển từ pha này sang pha khác Quá trình này quyết định tới động thái của nó trong môi trường Quá trình chuyển pha là một trong những quá trình biến đổi chất ô nhiễm trong môi trường cơ bản nhất và đơn giản nhất Hình 5: Ảnh hưởng của các quá trình vận chuyển theo thời gian và không gian 16 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, ... trong môi trường thông qua việc chuyển khối từ từ sang trạng thái tồn tại khác Một vấn đề khác, các dung môi hữu cơ thường bao gồm nhiều thành 19 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường phần với đặc tính hóa học khác nhau, ví dụ nhiên liệu hữu cơ trong dầu mỏ gồm có xăng, dầu diesel, các thành phần dầu khác có thể lên đến hàng trăm thành phần khác nhau Một hỗn hợp dung môi hữu... Elsevier Academic Press, 2004 20 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường CHƯƠNG I Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG KHÔNG KHÍ I Bản chất tự nhiên của khí quyển 1.1 Thành phần tự nhiên của khí quyển Thành phần tự nhiên của khí quyển bao gồm: hỗn hợp các chất khí; hơi nước và các phần tử rắn hay lỏng có kích thước rất nhỏ còn gọi là sol khí Trong thành phần không khí khô bao gồm rất nhiều các chất... trình vật lý xảy ra với chất ô nhiễm trong môi trường Các quá trình vật lý cơ bản liên quan đến nồng độ/mức độ của các yếu tố môi trường (quan trọng nhất là các chất nhiễm bẩn trong môi trường) bao gồm: 2.1.1 Quá trình đối lưu Đối lưu (advection): là sự di chuyển thụ động một chất nhiễm bẩn trong môi trường cùng với quá trình vận động tự nhiên của môi trường Sự đối lưu không bị ảnh hưởng bởi tính tan,... của 24 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường các nhà máy hóa chất chứa nhiều hợp chất hữu cơ Bụi từ công nghiệp thường chứa nhiều các kim loại nặng, bụi từ các khu bãi rác chứa nhiều các vi sinh vật gây bệnh Một số bụi kim loại quan trọng gây ô nhiễm môi trường không khí gồm có chì, kẽm, cadimi, niken, thủy ngân b Tính chất Các hạt bụi có thể là các hạt trơ hoặc vô cùng... truyền âm Khi môi trường khác nhau thì tốc độ truyền âm cũng khác nhau 34 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Ví dụ: ở t = 0oC => Vận tốc truyền âm trong không khí là 330 m/s, trong nước là 1440 m/s Khi t =20oC, vận tốc truyền âm trong không khí là 343 m/s *) Công suất của nguồn âm P (W) Công suất của nguồn âm là tổng số năng lượng âm do nguồn bức xạ vào không gian trong ... tải môi trường Trong đó, Sức chịu tải môi trường giới hạn cho phép mà môi trường tiếp nhận hấp thụ chất gây ô nhiễm Khái niệm ô nhiễm môi trường a Ô nhiễm môi trường Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, ... 158 Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường BÀI MỞ ĐẦU I MỤC TIÊU, Ý NGHĨA MÔN HỌC Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG Mục tiêu môn học Hiện môi trường vấn đề nóng bỏng cấp bách, không... Moriarty, 1983) b Suy thoái môi trường Bài giảng: Ô nhiễm môi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường Suy thoái môi trường suy giảm chất lượng số lượng thành phần môi trường, gây ảnh hưởng xấu