Hóa kĩ thuật môi trường Chỉ số chất lượng nước

CHƯƠNG I ĐỊNH NGHĨA CHỈ SỐ CHẤT LƯỢNG NƯỚC WQI I.1 Định nghĩa: WQI Water Quality Index là công thức toán học mô phỏng mức độ ô nhiễm nguồn nước sông, hồ dựa trên giá trị phân tích các th

CHƯƠNG I ĐỊNH NGHĨA CHỈ SỐ CHẤT LƯỢNG NƯỚC WQI

I.1 Định nghĩa:

WQI (Water Quality Index) là công thức toán học mô phỏng mức độ ô nhiễm nguồn nước sông, hồ dựa trên giá trị phân tích các thông số đặc trưng về chất lượng nước Dựa vào đó các nhà lãnh đạo và cả người dân bình thường cũng có thể biết chất lượng và mức độ ô nhiễm nước ở từng đoạn sông vào từng thời điểm, từ đó có thể biết nguồn nước ấy có thể sử dụng được cho sinh hoạt, nuôi tôm cá, thủy lợi… được hay không Chỉ số chất lượng nước WQI không chỉ dùng để xếp hạng nguồn nước mà giúp cho chúng ta thấy nơi nào có vấn đề đáng lo ngại về chất lượng nguồn nước

WQI là một phương tiện có khả năng tập hợp một lượng lớn các số liệu, thông tin

về chất lượng nước, đơn giản hóa các số liệu chất lượng nước, để cung cấp thông tin dưới dạng dễ hiểu, dễ sử dụng cho các cơ quan quản lý tài nguyên nước, môi trường

và công chúng

Chỉ số chất lượng nước thông thường là một con số nằm trong khoảng từ 1 – 100, nếu con số lớn hơn chứng tỏ chất lượng nước tốt hơn mong đợi

Đối với các chỉ tiêu như nhiệt độ, pH, Coliform phân và oxy hòa tan, chỉ số biểu thị mức độ yêu cầu đối với nhu cầu sử dụng

Đối với các chất dinh dưỡng hay bùn là các chỉ số mà thường không có trong tiêu chuẩn thì chỉ số chất lượng biểu thị điều kiện môi trường tại khu vực

Chỉ số tổng hợp tính toán trên cơ sở nhiều chỉ tiêu, cho ta một đánh giá tổng quan Thông thường chỉ số trên 80 chứng tỏ môi trường nước đạt chất lượng; chỉ số nằm trong khoảng 40 – 80 là ở mức giới hạn và nếu nhỏ hơn 40 là ở mức đáng lo ngại Ứng dụng lớn nhất của chỉ số chất lượng là dùng cho các mục tiêu so sánh (nơi nào có chất lượng nước xấu, đáng lo ngại hơn so với các mục đích sử dụng) và để trả lời câu hỏi của công chúng một cách chung chung (chất lượng nguồn nước ở nơi tôi

ở ra sao?) Các chỉ số có ít tác dụng đối với các mục tiêu cụ thể Việc đánh giá chất lượng nước cho các mục tiêu cụ thể phải dựa vào bảng phân tích chất lượng với đầy

đủ các chỉ tiêu cần thiết

I.2 Lựa chọn các chỉ tiêu chất lượng để tính toán:

Tùy theo mục đích sử dụng có thể lựa chọn các chỉ tiêu giám sát chất lượng để

Giai đoạn 2: Xây dựng đường cong xác

định chỉ số phụ của từng thơng số

Giai đoạn 3: Tính toán CSCL và ứng

dụng để đánh giá chất lượng nước mặt Số liệu đo đạc

Giai đoạn 1: Lựa chọn các thơng số

CLN, xác định trọng số của từng thơng

số

Ý kiến chuyên gia

Ý kiến chuyên gia

oxy hịa tan (DO), pH, Coliform phân (FC), tổng ni tơ (TN), tổng phospho (TP), tổng chất rắn lơ lửng (SS), BOD, và độ đục

Cũng cĩ thể dùng tỷ số TN:TP thay cho từng chỉ tiêu riêng rẽ Chỉ tiêu TN sử dụng khi tỷ số TN:TP nhỏ hơn 10 và sử dụng TP khi tỷ số nĩi trên lớn hơn 20 Do bùn lắng liên quan đến hai chỉ tiêu là SS và độ đục, do vậy kết hợp chúng lại thành một số x = 2/[1/SS + 1/độ đục] sử dụng cho tính tốn chỉ số WQI chung

CHƯƠNG II PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ CHẤT LƯỢNG NƯỚC

II.1 Chỉ sớ CLMT nước và cách xác định:

Hình 2.1: Các giai đoạn xây dựng chỉ số chất lượng nước

II.1.1 Chỉ sớ nước thải cơng nghiệp và đơ thị:

Chỉ sớ tải lượng đơn vị (I) (normalized unit load index) dùng để so sánh mức khắc phục ơ nhiễm từ các nguờn khác nhau:

Chỉ sớ này càng thấp thì hiệu quả khắc phục ơ nhiễm của đơn vị càng cao

Trong đó:

Tải lượng đơn vị cho từng nguờn hoặc khu vực

Tải lượng đơn vị trung bình

Tải lượng tương đương từ mợt nguờn thải cơng nghiệp hay đơ thị

Tải lượng đơn vị = (2.2)

Với tải lượng tương đương = W1P1+w2P2 +W3P3+ +W n P n

Trong đó: W1: hệ số điều chỉnh cho thành phần thải thứ nhất

P1: khối lượng thải thực tế hàng năm từ thành phần thải thứ nhất

Chỉ số tải lượng thực tế (E) (fatal load index) dùng để diễn tả tỷ lệ tải lượng tương đương thực tế đang tải vào môi trường so với tổng tải lượng

II.1.2 Chỉ số chất lượng nước sông: (Ambient water quality index)

Chỉ số này liên quan đến chất lượng nước môi trường xung quanh (sông) hơn là nguồn nước thải Chúng được xây dựng liên quan đến (a) sự nhiễm bẩn kim loại trong nguồn nước cấp, (b) mức độ thích hợp của độ đục nước sông dùng cho cấp nước và giải trí và (c) nồng độ nhiễm bẩn thủy ngân trong cá

= 31 2 3

1

i I i

Với I: Chỉ số chất lượng nước;

I1: Chỉ số phụ kim loại

I2: Chỉ số phụ cho độ đục

I3: Chỉ số phụ thủy ngân trong cá

Chỉ số phụ kim loại I kl: do những khó khăn trong việc đưa ra các chỉ tiêu kim loại vào chỉ số, người ta đã chọn ra 3 nhóm sau: (i) Cd và Cr (hai kim loại không nên hiện diện trong nước cấp); (ii) nhóm lithium , đồng và kẽm (hóa chất để xác định mục tiêu của nước cấp); và (iii) độ cứng (vì chúng có thể thay đổi mức ảnh hưởng độc tính của các chất nêu trên)

= 31 2 3

1

i i

I (2.5)

Tải lượng tương đương của một nguồn thải Tải lượng tương đương của các nguồn thải

I1 : Chỉ số phụ các kim loại độc hại (11 kim loại trong bảng 2.1 hoặc tối thiểu là

Cd và Cr)

I2 : Chỉ số phụ lithium, Cu và Zn

I3 : Chỉ số phụ độ cứng

Arsen Chì

Crom (VI) Crom (III) Đồng Kẽm Mangan Nicken Sắt Thủy ngân Thiếc

Mg/l

-0,05 0,05 0,05 0,1 0,1 1,0 0,1 0,1 1 0,001 1

0,1 0,1 0,05 1,0 1,0 2 0,8 1,0 2 0,002 2

Bảng 2.1 Giá trị giới hạn cho phép của các kim loại nặng trong nước mặt (TCVN

5942: 1995) Ghi chú:

Cột A áp dụng đối với nước mặt có thể dùng làm nguồn cấp nước sinh hoạt

(nhưng phải qua quá trình xử lý theo quy định)

Cột B áp dụng đối với nước mặt dùng cho các mục đích khác Nước dùng cho

nông nghiệp và nuôi trồng thuỷ sản có quy định riêng

Độ đục: là yếu tố quan trọng đối với chất lượng nước, được quy định áp dụng đối

với nước cấp (tối đa 1 NTU) và nước dùng cho mục đích giải trí (tối đa 50 NTU) Chỉ số phụ để tính độ phù hợp về mặt độ đục của nước cho bởi công thức sau:

1

2 2

1

i i

I 61 (2.6) Với Id : Chỉ số phụ về tổng độ đục

I1: Chỉ số phụ về tổng độ đục

I2 : Chỉ số phụ về độ phù hợp của nước dùng cho giải trí

II.1.3 Các cách tính chỉ số chất lượng nước - WQI

Các cách tính: trên thế giới có rất nhiều cách tính toán chỉ số này:

Năm 1965 ông đề xuất ba bước trong việc thành lập chỉ số chất lượng nước:

 Lựa chọn các đặc tính về chất lượng cần quan tâm đưa vào chỉ số

 Thành lập mức phân hạng cho mỗi thông số

 Định giá trị các trọng số

Theo phương pháp Horton, chỉ số phụ được tính cho 8 thông số: DO, mức độ xử lý nước thải, pH, coliform, độ dẫn điện, cacbon chloroform, độ kiềm và Clo

Xử lý nước thải

(% dân số có nước

thải được xử lý ) w

=4

Phân hạng C

pH

w = 4

Phân hạng C

Độ dẫn điện(µmole

s) w = 1

Phân hạng

60 – 70 40 <4 ; >10 0 >2500 0

DO(% bão hòa)

w = 4

Phân hạng C

Coliform (MPN/100m l)

Phân hạng C

CCE (1x10-2mg/l)

w =1

Phân hạng

Độ kiềm (mg/l)

w =1

Phân hạng C

Chloride (mg/l) w= 1

Phân

hoặc 0,5

Trọng số tương đương

DO 4

Bảng 2.2: các thông số môi trường và mức phân hạng dùng để hình thành chỉ số

chất lượng môi trường theo Horton Công thức:

2 1

1

1 M M

W

I W

i i

n

i i i I

∑

∑

=

=

= (2.7)

QI: chỉ số chất lượng nước của Horton

Wi : trọng số của thông số i

Ii: Chỉ số phụ của thông số o nhiễm i

M1 = 1 nếu nhiệt độ nước thấp hơn giá trị quy định, ngước lại = 0,5

M2 = 1 nếu “sự ô nhiễm biểu hiện không rõ ràng”, ngược lại = 0,5

“Sự ô nhiễm rõ ràng” bao gồm các hiện tượng quan sát thấy cặn lơ lửng, dầu mỡ, nổi váng, nổi bọt, có mùi, nước có màu…M1, M2 được đưa vào để biến đổi công thức cho phù hợp với từng tình huống cụ thể Như vậy, chỉ số càng nhỏ thì mức ô nhiễm càng lớn

Chỉ số này được xây dựng năm 1970, là một trong những chỉ số chất lượng nước được sử dụng rộng rãi nhất ở Hoa Kỳ

Theo khảo sát ý kiến của các chuyên gia, 11 thông số đã được chọn trong tổng số

35 thông số đề nghị, bao gồm: DO, fecal coliform, pH, BOD5, NO3-, PO43-, nhiệt độ, độ đục, tổng chất rắn, các chất độc và thuốc trừ sâu Đối với các chất độc và thuốc trừ sâu chỉ số được lấy bằng 0 ở giá trị tối đa cho phép và chỉ số tăng dần theo sự giảm nồng độ các chất này

∑

=

= n

i I

I I W NSFWQI

1 (2.8) NSF WQI: chỉ số chất lượng nước của Tổ chức vệ sinh Hoa Kỳ

Wi: trọng số của thông số ô nhiễm i

Ii: chỉ số phụ của thông số ô nhiễm i

Bảng 2.3: Trọng số các thông số CSCLMT nước mặt của Earth Force phát triển

từ NSFWQI

Dựa vào chỉ số tính được cách trên, Earth Force đã phân chia chất lượng nước mặt ra làm các loại:

Bảng 2.4: Phân chia các loại nước mặt

Hội đồng bộ trưởng môi trường của Canada (CCME – Canadian Council of Ministers of the Environment) đã đưa ra chỉ số chất lượng nước năm 2001, được tính như sau:















−

=

732 , 1 100

2 3

2 2

2

F

Với F1: tỉ lệ phần trăm giữa thông số không đạt tiêu chuẩn và tổng thông số đang xét

F1= (Số thông số không đạt/Tổng số thông số)x100%

F2 : tần suất không đạt tiêu chuẩn, tức là tỉ lệ mẫu không đạt tiêu chuẩn với tổng số mẫu:

F2 = (số mẫu không đạt/tổng số mẫu)x100

F3 : mức độ không đạt tiêu chuẩn (biên độ):

01 , 0 01 , 0

3 = nse+

nse

Với nse : chuẩn hóa độ lệch.

(2.11)

ei= - 1 (nếu tiêu chuẩn của thông số I là ngưỡng trên) (2.12)

ei= - 1 (nếu tiêu chuẩn của thông số I là ngưỡng dưới)

Sau khi tính được chỉ số, người ta chia chất lượng nước ra làm 5 loại:

Bảng 2.5: Phân chia chất lượng nước

Bộ Môi trường Malaysia cũng xây dựng CSCLMT nước mặt với các thông số:

DO, BOD, COD, SS, N-NH3 và pH Công thức tính WQI:

WQI = 0,22x SIDO + 0,19xSIBOD + 0,16xSICOD + 0,15xSIAN + 0,16xSISS + 0,12SIpH (2.13)

Trong đó: SIDO, SIBOD, SICOD, SIAN, SISS, SIpH: chỉ số phụ của thông số oxy hòa tan, BOD, COD, N-NH3, SS (chất rắn lơ lửng), pH

∑

=

=

n

i i

e

Tổng số mẫu

Giá trị mẫu

Tiêu chuẩn

Tiêu chuẩn

Giá trị mẫu

Các chỉ số phụ này được xác định theo các công thức cho từng thông số:

Chỉ số phụ của DO (tính theo phần trăm bão hòa x%):

SIDO = 0 khi x ≤8

SIDO = 100 khi x ≥92

SIDO = -0,395 + 0,03x2 – 0,0002x3 khi 8<x<92 (2.14)

Chỉ số phụ của BOD (x: nồng độ, mg/l)

SIBOD = 108e-0,055x – 0,1x khi x>5

Chỉ số phụ của COD (x: nồng độ, mg/l)

SICOD = -1,33x + 99,1 khi x ≤20 (2.16)

SICOD = 103e-0,0157x – 0,04x khi x>20

Chỉ số phụ của N-NH3 (x: nồng độ, mg/l)

SIAN = 100,5 – 105x khi x ≤0,3 (2.17)

SIAN = 94e-0,0573x – 5* x− 2 khi 0,3<x<4

SIAN = 0 khi x≥4

Mức độ ô nhiễm nguồn nước sẽ được kết luận dựa vào kết quả chỉ số tính theo công thức trên hoặc chỉ số phụ của các thông số BOD, N-NH3, SS

Bảng 2.6: Phân loại chất lượng nước theo WQI của Malaysia II.2 Tình hình sử dụng CSCLMT nước ở thành phố Hồ Chí Minh:

Sau khi xem xét các yếu tố ảnh hưởng đến việc lựa chọn thông số chất lượng nước như: mức độ đóng góp đến chất lượng nguồn nước của thông số, thông tin ô nhiễm thực tế thông qua các số liệu quan trắc, thông số được quan trắc định kỳ, đồng thời tham khảo WQI của các nước trên thế giới và căn cứ hiện trạng ô nhiễm nước mặt ở thành phố Hồ Chí Minh, các thông số để xây dựng chỉ số chất lượng nước mặt: pH, DO, BOD5, COD, TSS, dầu mỡ, tổng Coliform, độ đục, chất dinh dưỡng (tổng Nitơ, tổng photpho)

Trọng số các thông số chất lượng nước được đề xuất như bảng sau:

Tổng N Tổng P

0,09 0,09

Bảng 2.7 Giá trị trọng số của các thông số chất lượng nước mặt

Mức phân hạng các thông số được đưa ra dựa vào các tiêu chuẩn về chất lượng nước:

Đối với các thông số có quy định trong tiêu chuẩn (pH, BOD5, COD, DO, TSS, dầu mỡ, tổng coliform) thì mức phân hạng được căn cứ vào TCVN 5942:1995

Đối với thông số không quy định trong tiêu chuẩn TCVN 5942:1995 nhưng có trong tiêu chuẩn quốc gia khác như độ đục thì mức phân hạng dựa vào tiêu chuẩn đó đồng thời tham khảo mức phân hạng của thông số đó sao cho phù hợp với điều kiện của Việt Nam

30-40 20 50-100 20

Tổng coliform

(MNP/100ml)

9,5

40

>100 0 >300 0

Bảng 2.8: Mức phân hạng của các thông số trong CSCL nước mặt

Mức phân hạng của tổng N và tổng P thì dựa vào ảnh hưởng của chúng đến trạng thái dinh dưỡng của nguồn nước Chỉ số phụ của thông số chất dinh dưỡng sẽ được suy ra từ điểm số của tổng N và tổng P

N/P ≤ 4,5: chỉ số phụ chất dinh dưỡng = điểm số của tổng N

N/P ≥ 6,0: Chỉ số phụ chất dinh dưỡng = điểm số của tổng P

4,5 < N/P< 6,0: chỉ số phụ chất dinh dưỡng = min (điểm số tổng N và điểm số tổng P)

Chỉ số chất lượng nước mặt tính theo công thức:

∑

∑

=

=

= n

i i

i n

i i

w

w SI WQI

1

1

.

(2.18)

Với i = 1…n: các thông số được quan trắc;

W: trọng số

SI: mức phân hạng.

Bảng 2.9: Phân loại chất lượng nguồn nước mặt

Nước chưa có dấu hiệu ô nhiễm: các chỉ tiêu chất lượng nước đều đạt tiêu chuẩn

dành cho nguồn nước cấp, một số chỉ tiêu còn đạt cả chất lượng nước vệ sinh ăn uống của Bộ Y tế Nước vẫn còn mang bản chất tự nhiên, chưa bị ảnh hưởng bởi hoạt động của con người Có thể sử dụng làm nước cấp (nếu không nhiễm mặn) mà không cần xử lý hoặc khử trùng đơn giản

Nước ô nhiễm nhẹ: hầu hết thông số thỏa mãn tiêu chuẩn loại A trong TCVN

5942:1995 Nguồn nước này sử dụng cho mục đích ưu tiên là nước cấp cho sinh hoạt, công nghiệp và dịch vụ (sau khi xử lý đơn giản bằng lắng lọc và khử trùng) và kết hợp sử dụng để nuôi thủy sản, du lịch – giải trí, bơi lội, bảo vệ hệ sinh thái nước

Nước ô nhiễm trung bình: các chỉ tiêu tương đương với TCVN 5942:1995 cho

nguồn loại B Nếu giá trị chỉ số ở gần giới hạn trên của mức này (từ 70 -80) thì vẫn có thể sử dụng để làm đầu vào cho nhà máy xử lý nước cấp (nếu không bị nhiễm mặn) nhưng đòi hỏi phải xử lý kỹ bằng các phương pháp vật lý, hóa học, khủ trùng Nguồn nước này còn có thể sử dụng cho nuôi trồng thủy sản, sử dụng cho thủy lợi (nếu không bị nhiễm mặn) và cho cấp nước công nghiệp (nước làm mát, nước vệ sinh cho thiết bị…)

Nước ô nhiễm nặng: nguồn nước này chỉ sử dụng cho thủy lợi (nếu độ mặn, vi

sinh, dầu mỡ, kim loại nặng đạt tiêu chuẩn nước thủy lợi) và giao thông thủy

Nước ô nhiễm rất nặng: nguồn nước này chỉ dùng cho giao thông thủy lợi vì đã ô

nhiễm rất nặng Nước ở mức ô nhiễm này rất khó phục hồi chất lượng nếu không có biện pháp xử lý và quản lý triệt để

CHƯƠNG III