Mô hình hóa sự thay đổi nồng độ oxi trong môi trường nước dưới tác động của lớp bùn đáy

MỞ ĐẦU 1 Lý do lựa chọn đề tài luận án Một trong các thông số quyết định đến chất lượng nước là lượng oxi hòa tan (Dissolved Oxygen – DO). Giá trị thông số này chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như không khí, hệ thủy sinh vật trong nước và bùn đáy. Bên cạnh đó, DO còn tham gia vào các quá trình hóa học, sinh hóa trong môi trường nước. Vì vậy, DO được coi là một chỉ tiêu cơ bản để đánh giá chất lượng nước và kiểm soát chất lượng môi trường, đồng thời là thước đo mức độ ô nhiễm các chất hữu cơ có thể phân hủy sinh học [1, 2]. Đồng thời, các nghiên cứu liên quan đến DO là thực sự cần thiết trong việc đánh giá, quản lý chất lượng môi trường nước. Một trong những hướng nghiên cứu đang được quan tâm nghiên cứu hiện nay đó là sự phân bố DO trong môi trường nước khi bị tác động bởi các điều kiện môi trường trong đó có lớp bùn đáy. Lớp bùn đáy thường có hàm lượng chất hữu cơ phân hủy sinh học rất lớn, và cũng là đối tượng gây ảnh hưởng mạnh nhất đến sự thay đổi hàm lượng DO trong nước, nhất là ở những vùng nước ô nhiễm hoặc vùng nước nuôi trồng thủy sản [3, 4]. Ví dụ trong lĩnh vực nuôi trồng thủy sản, để hạn chế quá trình DO bị tiêu thụ bởi nhu cầu oxi bùn đáy cũng là để đảm bảo vệ sinh cho ao hồ thì việc cải tạo bùn đáy ao hồ là cần thiết và phải được tiến hành định kỳ. Do đó, nghiên cứu về ảnh hưởng của bùn đáy đến sự phân bố DO đang là một vấn đề khá bức thiết và cần được quan tâm nghiên cứu. Trong các phương pháp nghiên cứu sự biến đổi nồng độ DO dưới tác động của lớp bùn đáy, phương pháp mô hình hóa bằng cách sử dụng các phương trình toán học là một hướng nghiên cứu còn khá mới. Mô hình hóa là một công cụ mạnh giúp đưa ra những đánh giá, dự báo sự thay đổi của nồng độ DO cũng như các thông số chất lượng nước khác dưới tác động của thiên nhiên cũng như các hoạt động của con người. Mô hình hóa cũng giúp cho việc khảo sát, đánh giá riêng rẽ các yếu tố được thuận lợi hơn; điều mà thường không thể thí nghiệm được trong môi trường tự nhiên vì sự phức tạp và ảnh hưởng lẫn nhau của vô số các yếu tố khác lên đối tượng khảo sát. Trên thế giới, hướng nghiên cứu mô hình hóa sự biến đổi nồng độ DO do ảnh hưởng của lớp bùn đáy đã có những kết quả nhất định [5-7]. Tuy nhiên, để thu được những kết quả đó các tác giả đã sử dụng các phương trình toán học đã được công bố để áp dụng cho các sông hồ hoặc vùng nước cụ thể, mà chưa đưa ra một mô hình toán học mới hơn. Ở Việt Nam cho đến nay, hướng nghiên cứu này vẫn còn để ngỏ với nhiều thách thức, chưa có công trình nghiên cứu nào được công bố. Từ các lý do ở trên, kết hợp với kinh nghiệm của tập thể hướng dẫn, luận án hướng đến vấn đề “Mô hình hóa sự thay đổi nồng độ oxi trong môi trường nước dưới tác động của lớp bùn đáy” làm nội dung nghiên cứu.

Trang 1

VIỆN HÓA HỌC

- -

LÊ MINH THÀNH

MÔ HÌNH HÓA SỰ THAY ĐỔI NỒNG ĐỘ OXI TRONG MÔI TRƯỜNG NƯỚC DƯỚI TÁC ĐỘNG CỦA LỚP BÙN ĐÁY

Chuyên ngành: Hóa lý thuyết và Hóa lý

Mã số: 62.44.01.19

LUẬN ÁN TIẾN SĨ HÓA HỌC

Người hướng dẫn khoa học:

1 GS.TS LÊ QUỐC HÙNG

2 TS PHẠM HỒNG PHONG

Trang 2

Hóa lý, khóa 2010-2014. Tôi xin cam đoan luận án tiến sĩ “Mô hình hóa sự thay đổi nồng độ oxi trong môi trường nước dưới tác động của lớp bùn đáy” là công trình

nghiên cứu của riêng tôi, đây là công trình do tôi thực hiện dưới sự hướng dẫn khoa học của GS.TS. Lê Quốc Hùng và TS. Phạm Hồng Phong. Các số liệu, kết quả trình bày trong luận án hoàn toàn thu được từ quá trình tính toán lý thuyết và đo đạc thực nghiệm của bản thân, được tiến hành một cách trung thực và không sao chép. Các tài liệu và thông tin trích dẫn trong luận án đã được ghi rõ nguồn gốc.

Trang 3

Lê Quốc Hùng và TS. Phạm Hồng Phong, những người đã truyền cho tôi tri thức, cũng như tâm huyết nghiên cứu khoa học, người đã tận tâm hướng dẫn, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện tốt nhất để tôi hoàn thành bản luận án này!

Tôi xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam, Trường Đại học Thủy Lợi đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt thời gian tôi tham gia nghiên cứu sinh!

Tôi xin chân thành cảm ơn Quý thầy cô, các anh chị và các em Phòng Ứng dụng Tin học trong Hóa học, Viện Hóa học – Viện Hàn lâm Khoa học và Công nghệ Việt Nam đã chia sẻ những kinh nghiệm quý báu và trợ giúp tôi thực hiện các nghiên cứu!

Và tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành tới các đồng nghiệp, bạn bè, những người đã luôn quan tâm, động viên tôi trong suốt thời gian qua!

Cuối cùng, tôi xin dành tình cảm đặc biệt đến gia đình, người thân của tôi, những người đã luôn tin tưởng, động viên và tiếp sức cho tôi thêm nghị lực để tôi vững bước và vượt qua mọi khó khăn!

Trang 4

LỜI CAM ĐOAN i

LỜI CẢM ƠN ii

MỤC LỤC iii

Danh mục kí hiệu vi

Danh mục hình x

Danh mục bảng xiii

MỞ ĐẦU 1

1 Lý do lựa chọn đề tài luận án 1

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án 2

3 Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của luận án 3

4 Nội dung nghiên cứu 3

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 5

1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ oxi hòa tan trong nước 5

1.1.1 Sự trao đổi oxi giữa không khí và nước 6

1.1.2 Quá trình quang hợp và hô hấp của thủy sinh vật 8

1.1.3 Nhu cầu oxi sinh hóa 14

1.1.4 Nhu cầu oxi bùn đáy 16

1.1.5 Nhu cầu oxi hóa học 18

1.1.6 Quá trình nitrat hóa 20

1.1.7 Sự xáo trộn và lắng đọng chất hữu cơ giữa trầm tích và nước 21

1.1.8 Các yếu tố khác ảnh hưởng đến oxi hòa tan 22

1.2 Các tính chất của bùn đáy 28

1.2.1 Thành phần hóa học của bùn đáy 29

1.2.2 Độ xốp của bùn đáy 30

1.2.3 Mật độ của bùn đáy 31

1.2.4 Tỉ khối của bùn đáy 31

1.3 Nghiên cứu về mô hình hóa các thông số chất lượng nước 31

1.3.1 Phương trình lan truyền khuếch tán tổng quát 32

Trang 5

Multiphysics 35

1.4 Tình hình nghiên cứu và những vấn đề cần giải quyết 37

1.4.1 Tình hình nghiên cứu 37

1.4.2 Những vấn đề cần giải quyết 39

CHƯƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT, THỰC NGHIỆM VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 42

2.1 Cơ sở lý thuyết xây dựng mô hình oxi hòa tan 42

2.1.1 Các giả thiết trong xây dựng mô hình 42

2.1.2 Các yếu tố trong mô hình oxi hòa tan 42

2.1.3 Thiết lập và giải mô hình 49

2.2 Thiết bị và phần mềm sử dụng 49

2.2.1 Mô hình vật lý và thiết bị 49

2.2.2 Phần mềm máy tính 52

2.3 Phương pháp nghiên cứu 53

2.3.1 Phương pháp số giải bài toán khuếch tán 53

2.3.2 Phương pháp xây dựng và đánh giá mô hình 54

2.3.3 Phương pháp đo đạc thực nghiệm 59

2.4 Nhận xét chương 2 64

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 65

3.1 Bước đầu khảo sát khả năng mô phỏng của mô hình oxi hòa tan 65

3.1.1 Thiết lập mô hình và phương trình mô tả 66

3.1.2 Kết quả mô phỏng 72

3.1.3 Nhận xét mô hình 1 83

3.2 Mô hình oxi hòa tan do ảnh hưởng chủ đạo bởi bùn đáy 85

3.2.2 Đánh giá mô hình, so sánh kết quả mô phỏng và khảo sát sự biến thiên nồng độ oxi hòa tan 90

Trang 6

nồng độ oxi hòa tan 107

3.4 Mô hình tổng hợp 116

3.4.2 So sánh kết quả mô phỏng và phân tích độ nhạy 121

3.5 Nhận xét chương 3 129

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 131

1 Kết luận 131

2 Những đóng góp mới của luận án 133

3 Các kiến nghị, đề xuất 134

DANH MỤC CÁC TÀI LIỆU ĐÃ CÔNG BỐ 135

DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 136

PHỤ LỤC 147

PL.1 Một số mô hình toán học của oxi hòa tan theo lịch sử 147

PL.2 Các dạng phương trình tham khảo tính hằng số k2 150

PL.3 Các toán tử thường gặp trong phương trình PDE 152

PL.4 Quy trình thực hiện giải số hệ phương trình PDE bằng phần mềm Comsol Multiphysics 153

PL.5 Thành phần và tính chất của một số mẫu bùn đáy nghiên cứu 164

PL.6 Một số kết quả đo đạc nồng độ DO trong thực tế 164

Trang 8

Oxyz Hệ tọa độ Descartes với trục Ox là chiều rộng (m); trục Oy là chiều dài

(m); Oz là chiều sâu (m) của môi trường nước.

P Tốc độ oxi sinh ra do quang hợp (mg L-1 h-1)

PDE Phương trình đạo hàm riêng.

Trang 11

Hình 1.1. Minh họa các nguồn sinh và tiêu thụ oxi trong tự nhiên [9] 6

Hình 1.2. Ngưỡng nồng độ oxi cho sự tồn tại và phát triển của thủy sinh vật 10

Hình 1.3. Ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ ô nhiễm đến nồng độ DO [32] 14 Hình 1.4. Ảnh hưởng của dòng chảy tới nồng độ DO [32] 25

Hình 1.5. Sự biến đổi nồng độ DO theo ngày đêm ở môi trường nước 27

Hình 1.6. Minh họa các dạng điều kiện biên trên biên ∂Ω của miền xác định Ω 34

Hình 2.1. Mô hình vật lý nghiên cứu oxi hòa tan trong phòng thí nghiệm 50

Hình 2.2. Thiết bị đo DO đa kênh (MCDM) ghép nối máy tính 50

Hình 2.3. Các loại sensor dùng để đo oxi hòa tan 51

Hình 2.4. Cấu tạo sensor DO 51

Hình 2.5. Phần mềm đo đa kênh oxi hòa tan 52

Hình 2.6. Các bước cơ bản trong phương pháp FEM 54

Hình 2.7. Minh họa các bước để xây dựng một mô hình mô phỏng 56

Hình 2.8. Minh họa thiết kế các cột nước trong mô hình vật lý 59

Hình 2.9. Các vị trí lấy mẫu bùn đo đạc trong thực tế 60

Hình 2.10. Sơ đồ bố trí hệ thống MCDM đo đa tầng trên mô hình vật lý 61

Hình 2.11. Hệ thống MCDM đo đạc DO trong phòng thí nghiệm 61

Hình 2.12. Vị trí các hồ vùng Hà Nội được đo nồng độ DO 62

Hình 2.13. Sơ đồ bố trí hệ thống MCDM đo đa tầng trong hồ tự nhiên 63

Hình 3.1. Minh họa hệ khảo sát trong hệ tọa độ Descartes Oxyz (m) 67

Hình 3.2. Sự biến thiên nồng độ DO (mg/L) trong toàn bộ hệ 73

Hình 3.3. Nồng độ DO (mg/L) trong hệ theo mặt phẳng Oyz 74

Hình 3.4. Sự biến thiên nồng độ DO theo thời gian tại một số vị trí 75

Hình 3.5. Đường đồng mức nồng độ DO (mg/L) theo mặt phẳng Oyz (a, b); và theo mặt phẳng Oxy (c, d) 76

Hình 3.6. Xu hướng biến đổi nồng độ DO (mg/L) theo mặt phẳng Oyz (a, b); và theo mặt phẳng Oxy (c, d) 78

Hình 3.7. Kết quả tính thời gian hồi phục DO tại một số vị trí 79

Trang 12

Hình 3.9. Nồng độ DO (mg/L) trong hệ theo mặt phẳng Oyz 82

Hình 3.10. Các thành phần trong hệ nghiên cứu 86

Hình 3.11. So sánh kết quả mô phỏng và đo đạc sự biến thiên nồng độ DO, cùng kết quả phân tích tương quan trong quá trình hiệu chỉnh 91

Hình 3.12. So sánh kết quả mô phỏng (đường nét liền) và đo đạc (đường nét đứt) sự biến thiên nồng độ DO trong cột nước 1,0 m (hình a, b), cột nước 0,5 m (hình c, d), cùng kết quả phân tích tương quan trong quá trình kiểm chứng 92

Hình 3.13. Giá trị SR của một số tham số trong mô hình 2 94

Hình 3.14. Mô phỏng sự biến thiên nồng độ DO trong cột nước 0,5 m 95

Hình 3.15. Mô phỏng sự biến thiên nồng độ DO tại một số vị trí 97

Hình 3.16. Mô phỏng sự biến thiên nồng độ DO trong các môi trường nước khác nhau của các vị trí A(0;0;-0.49), E(0;0;-0.99) và J(0;0;-1.99) 98

Hình 3.17. Các thành phần trong hệ khảo sát 102

Hình 3.18. So sánh kết quả mô phỏng (đường nét liền) và đo đạc (đường nét đứt) sự biến thiên nồng độ DO, cùng kết quả phân tích tương quan trong hiệu chỉnh, tại vị trí cách bề mặt bùn 1,0 cm 107

Hình 3.19. Giá trị nồng độ DO mô phỏng (đường nét liền), DO đo đạc (đường nét đứt) và kết quả phân tích tương quan trong quá trình kiểm chứng, tại vị trí cách bề mặt bùn 1,0 cm 108

Hình 3.20. Giá trị SR của một số tham số trong mô hình 3 110

Hình 3.21. Mô phỏng sự biến thiên nồng độ DO gần ranh giới pha bùn – nước 111

Hình 3.22. So sánh kết quả mô phỏng (của mô hình 3, mô hình 2) và đo đạc sự biến thiên nồng độ DO, cùng kết quả phân tích tương quan tương ứng 112

Hình 3.23. Minh họa các yếu tố ảnh hưởng tới DO trong bài toán 117

Hình 3.24. So sánh kết quả mô phỏng (đường nét liền) và đo đạc (đường nét đứt) sự biến thiên nồng độ DO, cùng kết quả phân tích tương quan 122

Hình 3.25. So sánh kết quả mô phỏng (đường nét liền) và đo đạc (đường nét đứt) sự biến thiên nồng độ DO, cùng kết quả phân tích tương quan 125

Trang 13

Hình PL.1. Tọa độ Oyz trong mô hình của O’Connor 147

Hình PL.2. Miền khảo sát giả định 155

Hình PL.3. Chọn chiều không gian 156

Hình PL.4 . Chọn module tính toán 156

Hình PL.5. Khai báo tên và số biến số 157

Hình PL.6. Chọn kiểu tính toán 157

Hình PL.7. Vẽ miền khảo sát 157

Hình PL.8. Chọn thuộc tính của miền khảo sát 158

Hình PL.9. Nhập các thông số cần sử dụng 158

Hình PL.10. Nhập hệ phương trình chủ đạo 159

Hình PL.11. Nhập điều kiện ban đầu 159

Hình PL.12. Tạo điều kiện biên Neumann cho mặt nước 160

Hình PL.13. Nhập điều kiện biên cho mặt nước 160

Hình PL.14. Tạo điều kiện biên cho ranh giới bùn – nước 161

Hình PL.15. Nhập điều kiện biên cho ranh giới bùn – nước 161

Hình PL.16. Điều kiện biên cho các mặt bên 162

Hình PL.17. Chia lưới cho miền khảo sát 162

Hình PL.18. Nhập khoảng thời gian cần mô phỏng 163

Hình PL.19. Thực hiện tính toán 163

Trang 14

Bảng 1.1. Giá trị BOD của một số nguồn nước [33] 15

Bảng 1.2. Độ hòa tan của DO trong nước (mg/L) phụ thuộc vào nhiệt độ, độ muối tại điều kiện không khí ẩm, áp suất 760 mmHg [13] 23

Bảng 1.3. Ảnh hưởng của nhiệt độ và độ cao đến nồng độ DO (mg/L) [12] 28

Bảng 1.4. Phân loại trầm tích theo kích thước hạt [66] 29

Bảng 1.5. Thành phần hóa học của bùn đáy ao nuôi cá tra [4] 30

Bảng 2.1. Tọa độ các vị trí lấy mẫu bùn đo đạc 60

Bảng 2.2. Các vị trị đo nồng độ DO 62

Bảng 3.1. Nồng độ chất hữu cơ tại bề mặt nguồn thải theo các mốc thời gian 70

Bảng 3.2. Giá trị các tham số, hệ số sử dụng trong mô hình 1 71

Bảng PL.1. Một vài phương trình dự đoán k2 trong sông, suối 151

Bảng PL.2. Một vài phương trình dự đoán k2 cho ao, hồ, đầm 152

Bảng PL.3. Giá trị các tham số và hệ số giả định 155

Bảng PL.4. Thành phần cơ, lý, hóa của một số mẫu bùn đã sử dụng 164

Bảng PL.5. Nồng độ DO theo thời gian trong cột nước 2,0 m (số liệu được sử dụng trong mô hình 2) 164

Bảng PL.9. Nồng độ DO theo thời gian (số liệu được sử dụng trong mô hình 3) 170

Trang 16

MỞ ĐẦU

1 Lý do lựa chọn đề tài luận án

Một trong các thông số quyết định đến chất lượng nước là lượng oxi hòa tan (Dissolved Oxygen – DO). Giá trị thông số này chịu ảnh hưởng của nhiều yếu tố như không khí, hệ thủy sinh vật trong nước và bùn đáy. Bên cạnh đó, DO còn tham gia vào các quá trình hóa học, sinh hóa trong môi trường nước. Vì vậy, DO được coi là một chỉ tiêu cơ bản để đánh giá chất lượng nước và kiểm soát chất lượng môi trường, đồng thời là thước đo mức độ ô nhiễm các chất hữu cơ có thể phân hủy sinh học [1, 2]. Đồng thời, các nghiên cứu liên quan đến DO là thực sự cần thiết trong việc đánh giá, quản lý chất lượng môi trường nước.

Một trong những hướng nghiên cứu đang được quan tâm nghiên cứu hiện nay đó là sự phân bố DO trong môi trường nước khi bị tác động bởi các điều kiện môi trường trong đó có lớp bùn đáy. Lớp bùn đáy thường có hàm lượng chất hữu cơ phân hủy sinh học rất lớn, và cũng là đối tượng gây ảnh hưởng mạnh nhất đến sự thay đổi hàm lượng DO trong nước, nhất là ở những vùng nước ô nhiễm hoặc vùng nước nuôi trồng thủy sản [3, 4]. Ví dụ trong lĩnh vực nuôi trồng thủy sản, để hạn chế quá trình DO bị tiêu thụ bởi nhu cầu oxi bùn đáy cũng là để đảm bảo vệ sinh cho ao hồ thì việc cải tạo bùn đáy ao hồ là cần thiết và phải được tiến hành định kỳ.

Do đó, nghiên cứu về ảnh hưởng của bùn đáy đến sự phân bố DO đang là một vấn

đề khá bức thiết và cần được quan tâm nghiên cứu.

Trong các phương pháp nghiên cứu sự biến đổi nồng độ DO dưới tác động của lớp bùn đáy, phương pháp mô hình hóa bằng cách sử dụng các phương trình toán học là một hướng nghiên cứu còn khá mới. Mô hình hóa là một công cụ mạnh giúp đưa ra những đánh giá, dự báo sự thay đổi của nồng độ DO cũng như các thông số chất lượng nước khác dưới tác động của thiên nhiên cũng như các hoạt động của con người. Mô hình hóa cũng giúp cho việc khảo sát, đánh giá riêng rẽ các yếu tố được thuận lợi hơn; điều mà thường không thể thí nghiệm được trong môi trường tự nhiên vì sự phức tạp và ảnh hưởng lẫn nhau của vô số các yếu tố khác lên đối tượng khảo sát. Trên thế giới, hướng nghiên cứu mô hình hóa sự biến đổi nồng

Trang 17

độ DO do ảnh hưởng của lớp bùn đáy đã có những kết quả nhất định [5-7]. Tuy nhiên, để thu được những kết quả đó các tác giả đã sử dụng các phương trình toán học đã được công bố để áp dụng cho các sông hồ hoặc vùng nước cụ thể, mà chưa đưa ra một mô hình toán học mới hơn. Ở Việt Nam cho đến nay, hướng nghiên cứu này vẫn còn để ngỏ với nhiều thách thức, chưa có công trình nghiên cứu nào được công bố.

Từ các lý do ở trên, kết hợp với kinh nghiệm của tập thể hướng dẫn, luận án

hướng đến vấn đề “Mô hình hóa sự thay đổi nồng độ oxi trong môi trường nước dưới tác động của lớp bùn đáy” làm nội dung nghiên cứu.

2 Mục đích, đối tượng và phạm vi nghiên cứu của luận án

Mục đích của luận án nhằm xây dựng và phát triển mô hình toán học mô phỏng sự biến đổi nồng độ DO trong nước dưới tác động chủ yếu của bùn đáy và một số yếu tố khác như: sự khuếch tán, tiêu thụ oxi bởi vi khuẩn tham gia phân hủy chất hữu cơ chất hữu cơ, quá trình trao đổi oxi giữa không khí và nước Đồng thời, khảo sát sự biến đổi nồng độ DO dưới tác động của lớp bùn đáy.

DO – đối tượng nghiên cứu của bản luận án, là thông số chịu tác động của nhiều quá trình như: hóa học, vật lý, sinh học, thủy lực, khuếch tán trong môi trường nước. Tuy nhiên, các nghiên cứu trong bản luận án chỉ tập trung vào các quá trình hóa học và khuếch tán, bởi đây là các quá trình thuộc lĩnh vực Hóa lý thuyết

và Hóa lý. Để đạt được mục đích đó, các phương trình toán học mô phỏng sự biến đổi nồng độ DO cũng như quá trình liên quan là khuếch tán cũng đã được tập trung nghiên cứu.

Phạm vi nghiên cứu của luận án được giới hạn trong môi trường nước ngọt, trong đó quá trình thực nghiệm chủ yếu được tiến hành với hệ thống nước cấp sinh hoạt và nước trong các hồ tự nhiên khu vực Hà Nội và Hòa Bình, trong đó các hồ tự nhiên đều được giả thiết là hồ tĩnh (không có dòng chảy trong môi trường nước). Đồng thời, quá trình nghiên cứu sự ảnh hưởng của các yếu tố tác động lên DO (đã nêu trong phần mục đích luận án ở trên) được tiến hành dưới góc độ Hóa lý thuyết

và Hóa lý. Việc xây dựng các bài toán biên được xuất phát từ các phương trình toán

Trang 18

3 Ý nghĩa khoa học, ý nghĩa thực tiễn của luận án

Ý nghĩa khoa học:

o Đã đưa ra được dạng phương trình động học mô tả tổng quát hơn sự tiêu thụ oxi bởi phản ứng sinh hóa với các chất hữu cơ trong môi trường nước.

o Đã xây dựng được mô hình toán học mô phỏng sự biến đổi nồng độ DO trong môi trường nước, trong đó đã kết nối được các kiến thức toán học, vật lý, hóa học vào việc mô phỏng.

o Luận án đã kết hợp được giữa nghiên cứu cơ bản, nghiên cứu lý thuyết với thực tế.

Ý nghĩa thực tiễn:

o Đưa ra được mô hình toán học mô phỏng sự biến đổi nồng độ DO, mô hình được sử dụng như một công cụ để dự đoán, so sánh, đánh giá sự biến đổi hàm lượng DO trong nguồn nước theo thời gian dưới tác động của các yếu tố như bùn đáy, chất hữu cơ phân hủy tiêu thụ oxi

o Tạo được cơ sở cho định hướng nghiên cứu chuyên sâu giải quyết các vấn đề của thực tiễn chăn nuôi thủy sản.

cơ tiêu thụ oxi.

o Thiết lập các bài toán biên nhằm khảo sát sự biến đổi của nồng độ DO trong một số trường hợp cụ thể: khảo sát lý thuyết khả năng mô phỏng

Trang 19

của mô hình, xây dựng mô hình DO do ảnh hưởng chủ đạo của bùn đáy, xây dựng mô hình khảo sát DO tại khu vực ranh giới pha bùn nước, và xây dựng mô hình DO theo độ sâu.

o Giải các bài toán biên đặt ra bằng phương pháp phần tử hữu hạn (FEM),

sử dụng phần mềm Comsol Multiphysics.

o Xây dựng mô hình vật lý để khảo sát thực nghiệm ảnh hưởng chủ đạo của bùn đáy lên quá trình tiêu thụ DO trong nước, đồng thời để so sánh và kiểm nghiệm mô hình toán học đã thiết lập.

o Ứng dụng thiết bị đo đa kênh oxi hòa tan (MCDM) do Phòng Ứng dụng Tin học trong Nghiên cứu Hóa học thuộc Viện Hóa học tự chế tạo, và phần mềm điều khiển thiết bị đo (MultiDO) để nghiên cứu sự biến thiên nồng độ DO trong nước theo thời gian.

o Khảo sát thực nghiệm sự biến đổi nồng độ DO do ảnh hưởng của bùn đáy trên mô hình vật lý trong phòng thí nghiệm. Đo khảo sát hiện trường sự biến đổi nồng độ DO theo độ sâu tại các hồ tự nhiên vùng Hà Nội và Hòa Bình.

o So sánh, kiểm tra và phân tích sự tương quan giữa kết quả mô phỏng với các số liệu đo thu được theo mô hình vật lý và trong các hồ tự nhiên.

o Đánh giá sự phù hợp kết quả nghiên cứu, từ đó đề xuất khả năng ứng dụng của mô hình đã xây dựng trong lĩnh vực nghiên cứu, dự báo sự biến đổi nồng độ DO trong môi trường nước.

Trang 20

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Oxi hòa tan (Dissolved Oxygen – DO) trong nước rất cần thiết cho sự hô hấp của các thủy sinh vật như cá, tôm, động vật lưỡng cư, côn trùng v.v Nồng độ DO trong các nguồn nước có thể dao động từ 0-18 mg/L, và đối với môi trường nước sạch tự nhiên giá trị này trong khoảng 8-10 mg/L [8]. Mức độ dao động này phụ thuộc vào cấu tạo địa chất của hồ, điều kiện địa lý tự nhiên, nhiệt độ, sự phân hủy chất vô cơ, hữu cơ trong nước, và một số tác nhân khác.

Oxi có mặt trong nước thông quá các quá trình như khuếch tán từ không khí, sản phẩm của quá trình quang hợp, và một phần nhỏ do quá trình hòa tan oxi khi dòng nước chảy qua các khu vực như thác ghềnh Bất kể sự thay đổi nào về hàm lượng oxi hòa tan trong nước, dù cao hay thấp đều có ảnh hưởng đến sự phát triển bình thường của động vật thủy sản. Khi nồng độ DO trở nên quá thấp sẽ dẫn đến hiện tượng khó hô hấp, giảm hoạt động ở các loài động thực vật dưới nước, dẫn đến các tác động xấu lên hệ sinh thái.

DO không chỉ có vai trò là nguồn dưỡng khí cần thiết cho hoạt động sống của sinh vật nuôi trồng, mà còn góp phần thúc đẩy sự phát triển của vi sinh vật hiếu khí, sự phân giải các chất hữu cơ, với việc đảm bảo hàm lượng DO phù hợp còn có tác dụng làm giảm các chất độc hại, ức chế hoạt động của vi sinh vật yếm khí có hại

và tăng cường sức miễn dịch của các loài động vật thủy sản.

1.1 Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ oxi hòa tan trong nước

Các yếu tố tự nhiên ảnh hưởng đến nồng độ DO trong môi trường nước có thể được phân chia thành hai nhóm chính là nguồn sinh và nguồn tiêu thụ oxi. Các nguồn này được diễn ra nhờ các quá trình như: quang hợp của thực vật thủy sinh, trao đổi oxi giữa không khí và nước, suy giảm do bị bùn hấp thu, do hô hấp của sinh vật thủy sinh, hay DO tham gia phản ứng oxi hóa với các chất hữu cơ hoặc chất khử khác như được minh họa ở hình 1.1.

Trang 21

Hình 1.1. Minh họa các nguồn sinh và tiêu thụ oxi trong tự nhiên [9]

1.1.1 Sự trao đổi oxi giữa không khí và nước

Hầu hết các nghiên cứu chỉ ra rằng hàm lượng oxi từ không khí vào nước là nguồn sinh lớn nhất của DO trong môi trường nước [10, 11].

Oxi không khí hòa tan vào nước khi nồng độ oxi trong nước ở trạng thái dưới mức bão hòa và sẽ thoát lại vào khí quyển khi nồng độ oxi trong nước ở mức quá bão hòa. Động lực của quá trình hòa tan oxi chính là sự chênh lệch oxi tại thời điểm

đó. Theo định luật Henry thì nồng độ của DO tỷ lệ với áp suất riêng phần của oxi trong không khí:

Tốc độ hòa tan khí oxi vào nước còn phụ thuộc vào một vài yếu tố khác. Thứ nhất, phụ thuộc vào diện tích của ranh giới pha nước – không khí, diện tích tiếp xúc này càng lớn thì lượng oxi khuếch tán vào nước càng lớn. Thứ hai, sự chuyển động của không khí gây ra sóng và tạo ra các dòng đối lưu, làm tăng tiết diện tiếp xúc

Trang 22

giữa không khí và mặt nước. Thứ ba, điều kiện thủy lực của nước, nếu nguồn nước tĩnh thì tốc độ hòa tan oxi vào nước sẽ phụ thuộc vào quá trình khuếch tán phân tử nên sự hòa tan oxi xảy ra chậm; nếu nguồn nước bị khuấy trộn (do các dòng nước nội tại, hoặc do đối lưu nhiệt) thì quá trình hòa tan khí sẽ phụ thuộc vào quá trình đối lưu. Tốc độ khuếch tán của oxi trong nước chỉ bằng khoảng 1/10000 tốc độ khuếch tán của oxi trong khí quyển, chính vì vậy môi trường nước là môi trường có tốc độ khuếch tán oxi thấp [12].

Nghiên cứu khác cũng đã cho thấy, quá trình hòa tan oxi từ khí quyển vào nước đóng vai trò là nguồn sinh oxi chủ yếu trong một vài trường hợp điển hình sau [13]:

o Trường hợp các hoạt động sinh hóa trong ao hồ xảy ra chậm (mật độ tảo, mật độ vật nuôi thấp). Khi đó nồng độ DO hầu như không đổi, đạt mức gần bão hòa do lượng oxi hòa tan từ không khí xuống tuy chậm nhưng đều.

o Trong điều kiện gió to tạo ra sóng, làm cho nguồn nước được khuấy trộn mạnh, khi đó nồng độ DO tương đối đồng đều theo chiều sâu của nước,

kể cả khi nguồn nước đó có các hoạt động sinh hóa xảy ra mạnh.

o Trường hợp sục khí cơ học, hoạt động này vừa có tác dụng tăng cường khả năng tiếp xúc giữa không khí với nước, vừa tăng cường khả năng khuấy trộn.

Để hiểu rõ sự khuếch tán của oxi diễn ra tại ranh giới pha nước – không khí,

đã có nhiều nghiên cứu sử dụng các dạng khác nhau của phương trình mô phỏng sự trao đổi oxi tại ranh giới pha giữa nước và không khí. Trong đó hai dạng thường gặp là:

Trang 23

hòa trong nước (mg/L); CDO: nồng độ oxi hòa tan trong nước (mg/L), thường

là hàm số của (x, y, z, t), tức là CDO = CDO(x, y, z, t) [14].

1.1.2 Quá trình quang hợp và hô hấp của thủy sinh vật

1.1.2.1 Vai trò của oxi hòa tan trong quá trình quang hợp và hô hấp

a) Với thực vật thủy sinh

Nguồn sinh oxi ngoài sự khuếch tán từ không khí như đã trình bày ở trên, còn do sự quang hợp của các thực vật thủy sinh. Đây vừa là đối tượng tiêu thụ oxi cũng vừa là đối tượng tạo ra oxi cho môi trường nước, trong các loài thực vật thủy sinh thì tảo là yếu tố đóng vai trò tạo ra oxi chủ yếu nhất trong nước. Nhiều công trình khảo sát chỉ ra rằng, quá trình sinh hóa của tảo là yếu tố ảnh hưởng mạnh nhất đến lượng oxi hòa tan có trong ao hồ. Với mật độ tảo có trong các ao hồ tự nhiên hiện nay thì quá trình quang hợp là nguồn sản sinh oxi chính và quá trình hô hấp của tảo là nguồn tiêu thụ oxi chính [13].

Quá trình quang hợp có thể được chia thành hai phần: giai đoạn "sáng" và giai đoạn "tối". Giai đoạn sáng diễn ra trong hệ thống màng thylakoid của tế bào thực vật, ở đó hidro trong nước được tách ra và chuyển vào trong ion nicotinamit adenin dinucleotit phosphat (NADP+), tạo thành NADPH2 và giải phóng oxi. Giai đoạn tối diễn ra trong chất đệm của lục lạp ở tế bào thực vật, khi này NADPH2 sẽ khử CO2 tạo thành hợp chất hữu cơ dạng cacbonhidrat (CH2O)n. Cả hai giai đoạn này có sự tham gia xúc tác của adenosin diphosphat (ADP), adenosin triphosphat (ATP) và inorganic orthophosphate (Pi). Hai giai đoạn này có thể được tóm tắt như sau [10]:

NA PHP

D4AT

Trang 24

CO2 + H2O 8hv(CH2O) + O2 (1.6)

Bên cạnh quá trình quang hợp, ở thực vật còn diễn ra sự hô hấp và quá trình

đó làm tiêu thụ oxi. Sự quang hợp và hô hấp ở thực vật đều liên quan đến các quá trình chuyển hóa dạng nitơ và photpho, như biểu diễn tóm tắt dưới đây [19]:

Khi mật độ tảo thấp, tốc độ quang hợp trên một đơn vị sinh khối tảo cao do

đủ dinh dưỡng và ánh sáng, nhưng tổng lượng oxi thấp do mật độ thưa. Khi mật độ tảo tăng sẽ gây ra hiện tượng dư thừa oxi vào ban ngày do quang hợp nhiều và thiếu oxi vào ban đêm do hô hấp nhiều, làm ảnh hưởng đến quá trình hô hấp của động vật. Đồng thời, hàm lượng lớn của tảo trong nước sẽ dẫn đến khi tảo chết làm tăng lượng mùn đáy, kéo theo quá trình phân hủy bởi vi sinh vật tại bùn đáy tăng lên, làm hàm lượng chất hữu cơ tiêu thụ DO tăng theo. Hơn nữa, khi tảo chết sẽ gây hiện tượng bùn lắng làm ao hồ ngày càng nông hơn, kết quả là làm thay đổi cấu trúc của môi trường sinh thái nước.

Một trong những nguyên nhân góp phần vào sự phát triển vượt trội của thực vật thủy sinh thường gặp ngày nay đó là sự phú dưỡng ở các ao hồ. Đây là một dạng biểu hiện của ao hồ bị ô nhiễm do dư thừa các chất dinh dưỡng, với hàm lượng nitơ (N) lớn hơn 500 µg/L và photpho (P) lớn hơn 20 μg/L [20]. Sự dư thừa các chất dinh dưỡng này sẽ thúc đẩy sự phát triển của các loài tảo, rong, rêu và các thực vật thân mềm trong nước.

Hiện tượng phú dưỡng có thể làm DO vượt quá giá trị DO bão hòa từ 1,5 đến

2 lần do sự quang hợp của rong tảo diễn ra mạnh vào ban ngày, trong khi đó quá trình hô hấp của chúng vào ban đêm có thể tiêu thụ hoàn toàn lượng oxi hòa tan trong nước. Sự biến động quá lớn của nồng độ oxi hòa tan giữa ngày và đêm như vậy

Trang 25

có thể làm cho các loài thủy sinh vật không kịp thích nghi với môi trường, sẽ ảnh hưởng đến sự cân bằng sinh học của môi trường sinh thái nước [20].

b) Với động vật thủy sinh

Bên cạnh việc vai trò đối với thực vật thủy sinh ở trên, DO cũng là yếu tố cần thiết để duy trì và phát triển sự sống cho động thực vật thủy sinh. Vì tốc độ khuếch tán của oxi trong nước rất chậm, khoảng 5 × 10-5 cm2/s [21], và độ tan của oxi nhỏ, khoảng 8 mg/L, nên nếu như tốc độ tiêu thụ oxi của sinh vật lớn hơn tốc độ khuếch tán của oxi thì sẽ hình thành các vùng nước có lượng oxi thấp (hypoxia, độ tan của oxi nhỏ hơn 2 mg/L) hay thiếu oxi (anoxia, vùng nước gần như không có oxi) như minh họa trên hình 1.2. Hiện tượng lượng oxi thấp hoặc thiếu oxi như trên xảy ra phổ biến nhất vào mùa hạ khi nước bị phân tầng theo nhiệt độ. Các vùng nước thiếu oxi đó sẽ là nơi sống và phát triển của các vi sinh vật kị khí quang dưỡng

và hóa dưỡng. Hệ quả của việc thiếu oxi là làm ô nhiễm nguồn nước, mất đi nguồn tài nguyên nước sạch, và đặc biệt là ảnh hưởng đến hệ sinh thái thủy sinh cũng như sinh hoạt và các hoạt động sản xuất của con người [21].

Hình 1.2. Ngưỡng nồng độ oxi cho sự tồn tại và phát triển của thủy sinh vật

Hình 1.2. cho thấy quá trình tồn tại và phát triển của các dạng sinh vật hiếu khí trong nước luôn đòi hỏi mức độ oxi đầy đủ. Đối với động vật thủy sinh, khi

Trang 26

độ oxi ở mức dưới 1-2 mg/L trong một vài giờ có thể dẫn đến hiện tượng cá và các động vật khác trong nước chết hàng loạt [13].

Lượng oxi tiêu thụ do hô hấp của các động vật trong nước phụ thuộc vào loài, kích cỡ, nhiệt độ và mức độ hoạt động của chúng. Về loài, trong cùng điều kiện môi trường và mức độ hoạt động bơi lội giống nhau thì mức độ tiêu thụ oxi rất khác nhau. Cùng một loài cá, nhưng với các kích cỡ khác nhau thì lượng oxi tiêu thụ trên đơn vị khối lượng cơ thể cũng khác nhau. Trên cùng một khối lượng cơ thể của cùng một loài cá, loại cá bé tiêu thụ oxi nhiều hơn loại cá to. Cá cho ăn no sẽ tiêu thụ nhiều oxi hơn là loại cá đói, do quá trình sinh hóa, tiêu hóa thức ăn xảy ra mạnh hơn [13].

Do đó trong lĩnh vực chăn nuôi thủy sản, lượng oxi hòa tan trong nước là yếu

tố quan trọng cần được liên tục theo dõi, bởi sẽ ảnh hưởng đến khả năng chịu đựng của các vật nuôi trước các yếu tố bất lợi của môi trường (như NH3, NO2-…). Những động vật sống trong môi trường oxi thấp kéo dài, sức miễn dịch sẽ giảm, khả năng kháng bệnh kém. Các nghiên cứu cho thấy rõ, khi tình trạng thiếu oxi hòa tan trong nước kéo dài, nguy cơ phát sinh bệnh do vi khuẩn rất dễ dàng tăng lên [20].

c) Với vi sinh vật

Song song với vai trò của oxi đối với động thực vật thủy sinh đã được đề cập

ở trên, thì DO cũng có vai trò rất quan trọng đối với các vi sinh vật hiếu khí trong các quá trình phân giải chất hữu cơ trong nước. Trong điều kiện đủ oxi, các chất thải động vật, thức ăn dư thừa, xác sinh vật cùng với cặn bã hữu cơ, sẽ được các enzim ngoại bào do vi sinh vật sản sinh ra phân giải thành các chất hữu cơ có tính hòa tan, cuối cùng sẽ trở thành những chất vô cơ đơn giản tham gia vào tuần hoàn vật chất mới, từ đó loại bỏ được ô nhiễm hữu cơ trong nước.

Trong điều kiện môi trường nước thiếu oxi hoặc nồng độ oxi quá thấp, vi sinh vật yếm khí sẽ phát triển vượt trội, thúc đẩy các quá trình lên men yếm khí các chất hữu cơ làm sản sinh ra các chất trung gian có mùi hôi thối như: cadaverine, hydrosunfit, metan, ammoinac… rất nguy hiểm đối với động thực vật. Đồng thời,

Trang 27

bùn đáy và nước sẽ bị đen và có mùi hôi, chủ yếu là do hợp chất của sunfua tác dụng với các ion sắt tạo ra chất kết tủa có màu đen. Do vậy nếu duy trì và đảm bảo được nồng độ oxi trong nước đủ lớn, sẽ giúp ức chế hoạt động của các loại vi sinh vật yếm khí có hại, hỗ trợ cải thiện môi trường nước sạch hơn.

1.1.2.2 Phương trình mô phỏng sự quang hợp và hô hấp của thủy sinh vật

Có nhiều nghiên cứu đã công bố các dạng phương trình khác nhau mô phỏng

sự biến đổi hàm lượng oxi sinh ra và tiêu thụ bởi sự quang hợp và hô hấp của sinh vật thủy sinh. Hầu hết các nghiên cứu đều mô phỏng hàm lượng oxi sinh ra và tiêu thụ thông qua việc mô phỏng hoạt động sống của tảo [15, 22]. Một vài dạng thường được sử dụng như:

o Phương trình dựa vào thời gian chiếu sáng trong ngày, biểu diễn theo hàm lượng giác sin-cos [15, 16, 23]:

I I

với I là cường độ ánh sáng mặt trời tại thời điểm t (lx); Io là cường độ ánh

sáng mặt trời bão hòa ban đầu (lx); P cons là tốc độ oxi tiêu thụ do hô hấp (mg L-1 ngày-1).

Trang 28

o Phương trình dựa vào sinh khối của tảo (được tính theo tỉ lệ hàm lượng diệp lục Chlorophyll-a) trong nước [10, 27, 28]:

o Trong mô hình chất lượng nước QUAL2K (Mỹ) [29], nồng độ DO do quang hợp và hô hấp của thực vật được biểu diễn bởi công thức:

hấp của tảo (1/s); CAlg là nồng độ tảo (mg/L).

Việc tiêu thụ oxi của các loài động vật thủy sinh, ví dụ như loài cá, bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố, bao gồm nhiệt độ, hàm lượng oxi, hàm lượng cacbon đioxit trong nước, kích thước và hoạt động của cá, thời gian chiếu sáng. Sử dụng thiết bị

đo lượng oxi cần thiết cho quá trình hô hấp, các nhà nghiên cứu đã thiết lập được mối quan hệ giữa nhiều yếu tố khác nhau với nhu cầu oxi hòa tan tối thiểu trên nhiều loài cá (Davis, 1975), Andrews và Matsuda (1975) đã nghiên cứu ảnh hưởng của nhiệt độ nước, trọng lượng cá và lượng oxi hòa tan trên hô hấp cá; Boyd (1979)

đã đưa ra một phương trình biểu diễn hàm lượng oxi bị tiêu thụ ở loài cá da trơn trong đó sử dụng các biến số là trọng lượng trung bình của cá, nhiệt độ nước và oxi hòa tan [30, 31] có dạng như sau:

Trang 29

DO, một phần chất hữu cơ được loại bỏ bởi quá trình lắng đọng, tuy nhiên lại được tăng cường từ các nguồn ô nhiễm mới, hoặc do sự xáo trộn chất hữu cơ trong lớp bùn đáy vào nước. Mối tương quan giữa hàm lượng chất hữu cơ và nồng độ DO theo không gian và thời gian được thể hiện trên hình 1.3.

Hình 1.3. Ảnh hưởng của hàm lượng chất hữu cơ ô nhiễm đến nồng độ DO [32]

Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học trong môi trường nước thường được đại diện bởi nhu cầu oxi sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand – BOD) [14, 33].

Để đánh giá nhu cầu oxi sinh hóa trong các nguồn nước, người ta thường dùng thông số BOD5 (chỉ tiêu phân tích BOD trong 5 ngày đầu ở nhiệt độ 20 oC). Giá trị của BOD5 dao động trong khoảng rất rộng, tùy thuộc vào đặc điểm của mỗi nguồn nước. Ví dụ, nước dùng để sinh hoạt thường có BOD5 nhỏ hơn 1,5 mg/L, các con sông bị ô nhiễm ở mức độ nhẹ sẽ có giá trị BOD5 trong khoảng 2-8 mg/L, với nước thải sinh hoạt chưa xử lý giá trị này thường vào khoảng 200-400 mg/L [33]. Tùy

Trang 30

Hợp chất hữu cơ + O2 oxi hóa hiếu khí vi sinh vật  CO2 + H2O + tế bào vi khuẩn (1.14)

Đã cĩ nhiều nghiên cứu đưa ra các dạng phương trình khác nhau để biểu thị

sự tiêu thụ DO bởi các chất hữu cơ. Những nghiên cứu đầu tiên thường sử dụng phương trình động học bậc nhất. Vài thập kỷ gần đây xuất hiện một số nghiên cứu

sử dụng dạng động học bậc hai, hoặc bậc tổng quát. Trong các phương trình đĩ đều giả sử BOD đại diện cho các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học tham gia tiêu thụ oxi [11]. Khi đĩ các dạng của các phương trình đĩ như sau:

Trang 31

(mg/L), được tính thông qua đại lượng BOD; k1 là hằng số tốc độ phản ứng tiêu thụ oxi bởi các chất hữu cơ, có đơn vị đo tùy thuộc vào dạng của

phương trình (1.15)-(1.18); kset là hằng số tốc độ của quá trình lắng đọng chất hữu cơ (1/s) từ nước vào lớp bùn đáy (đây là quá trình lắng đọng vật

lý và làm suy giảm hàm lượng chất hữu cơ có trong nước); m là bậc tổng

quát của phản ứng tiêu thụ chất hữu cơ.

Dấu trừ (-) trong các phương trình (1.15)-(1.18) thể hiện sự suy giảm của nồng độ DO và chất hữu cơ trong quá trình phản ứng với nhau. Trong các tài liệu đã trích dẫn cho các phương trình (1.15)-(1.18) ở trên, cũng như trong luận án này, giá trị BOD được giả sử đại diện cho hàm lượng các chất hữu cơ tiêu thụ oxi, nên khi các chất hữu cơ phản ứng oxi hóa sinh học với oxi thì hàm lượng cả chất hữu cơ và oxi đều bị tiêu giảm. Do vậy, đại lượng thể hiện sự biến đổi hàm lượng chất hữu cơ

và oxi tham gia phản ứng sẽ cùng dấu (-) như đã biểu diễn ở trên.

1.1.4 Nhu cầu oxi bùn đáy

Cùng với việc tiêu thụ oxi bởi thủy sinh vật và các chất hữu cơ trong nước như đã trình bày ở trên, DO cũng bị tiêu thụ một phần bởi các sinh vật hoặc chất khử có trong lớp bùn đáy, thể hiện qua đại lượng nhu cầu oxi bùn đáy. Nhu cầu oxi bùn đáy (Sediment Oxygen Demand – SOD) là đại lượng bao gồm tổng lượng oxi tham gia vào các quá trình sinh học và quá trình hóa học xảy ra trong lớp bùn đáy. Như vậy giá trị này sẽ bao gồm cả lượng oxi tham gia vào quá trình oxi hóa sinh học các chất hữu cơ trong lớp bùn [21, 42]. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng bùn đáy là nhân tố chủ yếu tiêu thụ oxi hòa tan trong nước [6, 43].

Có thể thấy, sự khác nhau cơ bản giữa BOD và SOD đó là BOD là thông số đại diện cho nhu cầu oxi sinh hóa phân hủy các chất hữu cơ trong nguồn nước, thì SOD là thông số có đại diện cho nhu cầu oxi trong lớp bùn đáy. Trong đó SOD bao gồm cả lượng oxi tham gia vào các quá trình oxi hóa sinh học các chất hữu cơ (dưới

Trang 32

Trong lớp bùn đáy, oxi bị tiêu thụ bởi hai nguồn tiêu thụ chủ yếu là các vi sinh vật tham gia phản ứng sinh hóa phân hủy các chất hữu cơ, và các phản ứng hóa học. Trong môi trường nước có giá trị pH thấp thì sự tiêu thụ oxi bởi các phản ứng hóa học trở nên chiếm ưu thế, do các ion có tính khử như Fe2+, Mn2+, HS- tham gia các phản ứng oxi hóa trong nước. Trong các điều kiện khác thì tiêu thụ oxi bởi các vi sinh vật trong lớp bùn đáy trở nên chiếm ưu thế. Bởi các chất hữu cơ như tảo chết, thức ăn dư thừa, phân thải khi lắng xuống bùn đáy, trong điều kiện không đủ oxi sẽ bị phân hủy yếm khí (tương tự quá trình lên men) và sản phẩm của các quá trình yếm khí thường là các chất có tính khử cao, chất có mùi hôi, hay hiđro sunfua. Các nghiên cứu chỉ ra rằng, tốc độ tiêu thụ oxi của bùn đáy nằm trong khoảng 50-

500 mg O2/(m2 giờ). Giá trị này phụ thuộc vào đặc điểm tự nhiên của nguồn nước, thành phần của bùn đáy cũng như hệ sinh vật sống trong bùn đáy [13].

Các chất hóa học tiêu thụ oxi trong bùn đáy thường gặp là Fe2+, Mn2+, HS- Chúng tiêu thụ oxi qua các phản ứng hóa học như:

Fe2+ + ½O2 + 2H2O  Fe2O3 + H+ (1.19)

Như vậy có thể thấy DO đóng vai trò là thành phần chủ đạo trong các quá trình oxi hóa xảy ra ở lớp bùn đáy, giúp cho quá trình tự dưỡng của vi sinh vật hiếu khí và phản ứng oxi hóa chất hữu cơ, vô cơ xảy ra nhanh hơn, thuận lợi hơn.

(*) Phương trình mô phỏng sự tiêu thụ oxi bởi bùn đáy

Sự tiêu thụ oxi bởi lớp bùn đáy trong các nghiên cứu trước đây đã được mô phỏng với nhiều dạng phương trình khác nhau:

o Phương trình phụ thuộc vào đạo hàm diện tích bề mặt phân chia bùn – nước theo độ sâu [11, 44, 45]:

Trang 33

1.1.5 Nhu cầu oxi hóa học

Bên cạnh các thông số chất lượng nước phổ biến như DO, BOD, SOD đã giới thiệu ở trên, nhu cầu oxi hóa học (Chemical Oxygen Demand – COD) cũng là một trong những chỉ tiêu được dùng để xác định gián tiếp tổng hàm lượng các chất hữu cơ có trong nước.

Trang 34

Cơ sở cho việc phân tích chỉ tiêu COD là hầu như tất cả mọi hợp chất hữu cơ đều có thể bị oxi hóa hoàn toàn bằng các chất oxi hóa mạnh (thường là kali đicromat) trong môi trường axit. Khối lượng oxi cần thiết để oxi hóa một hợp chất hữu cơ thành đioxit cacbon, amoniac và nước được thể hiện dưới dạng tổng quát là:

với a là hệ số thực nghiệm tùy thuộc mỗi nguồn nước, ví dụ, nước thải sinh hoạt giá trị a thường nằm trong khoảng 1,25-2,50, với nước thải công nghiệp giá trị này có thể dao động trong khoảng 5,0-15 [53]. Một trong những hạn chế nữa của phân tích COD là không cho biết tốc độ phân hủy sinh học của các chất hữu cơ có trong nước dưới điều kiện tự nhiên.

Ưu điểm chính của phân tích chỉ tiêu COD là cho biết kết quả trong một khoảng thời gian ngắn hơn nhiều (3 giờ) so với chỉ tiêu BOD (5 ngày). Do đó trong nhiều trường hợp, COD được dùng để đánh giá mức độ ô nhiễm của chất hữu cơ thay cho BOD [53].

Phương trình mô phỏng COD được giới thiệu trong một số nghiên cứu [54, 55] có dạng như sau:

Trang 35

Có thể thấy rằng, việc phân tích COD sử dụng chất oxi hóa mạnh trong môi trường axit ở điều kiện nhiệt độ cao để oxi hóa các chất hữu cơ và chất khử, điều đó không hoàn toàn giống với các điều kiện tiêu thụ oxi của chất hữu cơ và chất khử trong môi trường nước tự nhiên, như vậy với các nguồn nước mà đo được giá trị COD cao thì chưa hẳn nguồn nước đó COD sẽ gây ảnh hưởng lớn đến lượng oxi bị tiêu thụ [56]. Do đó trong luận án này, để phù hợp với thực tế thì yếu tố COD sẽ chưa được tính đến trong việc thiết lập mô hình.

1.1.6 Quá trình nitrat hóa

Ngoài các yếu tố tiêu thụ DO như động thực vật thủy sinh, BOD, SOD và COD đã trình bày ở trên. Một trong những nguồn tiêu thụ oxi nữa cũng cần được quan tâm là quá trình nitrat hóa các hợp chất hữu cơ chứa nitơ. Hợp chất hữu cơ chứa nitơ trong nước thường gặp như protein, ure, amoniac, nitrit, nitrat, cùng với các sản phẩm trung gian của quá trình phân hủy protein như amino axit, amit, amin Theo thời gian, các protein bị phân hủy bởi quá trình thủy phân trở thành các amino axit, trong quá trình đó amoniac (NH3) được giải phóng và dễ dàng kết hợp với ion hidro trong nước trở thành ion amoni (NH4+). Do đó, amoniac và amoni thường gặp trong nước tự nhiên có thể có nguồn gốc trực tiếp từ nước thải, hoặc do

sự phân hủy các hợp chất hữu cơ chứa nitơ [57].

Các ion amoni có thể bị oxi hóa sinh học trong điều kiện hiếu khí bởi vi khuẩn nitrosomonas; ion nitrit sinh ra sau đó tiếp tục bị oxi hóa sinh học tạo thành nitrat bởi vi khuẩn nitrobacter [13], theo các phản ứng sau:

Trang 36

hữu cơ chứa nitơ (NBOD) [10, 58]. CBOD được sử dụng chủ yếu khi trong nguồn nước thải chứa nhiều vi khuẩn dị dưỡng; còn NBOD được tính đến khi nước thải chứa nhiều protein, ure và có các vi khuẩn nitrat hóa thực hiện quá trình chuyển hóa đạm thành dạng nitrit và nitrat.

Phương trình mô phỏng quá trình nitrat hóa trong một số mô hình thường có dạng như sau [59, 60]:

1.1.7 Sự xáo trộn và lắng đọng chất hữu cơ giữa trầm tích và nước

Bên cạnh các nguồn sinh và tiêu thụ oxi hòa tan như đã trình bày ở trên, sự xáo trộn và lắng đọng của các chất hữu cơ giữa trầm tích (bùn đáy) vào nước cũng

là một trong những quá trình quan trọng đóng góp vào sự thay đổi nồng độ DO trong nước. Sự xáo trộn và lắng đọng này là những quá trình vật lý thường xảy ra ở môi trường nước tự nhiên như ao, hồ, đầm Các quá trình này gây ảnh hưởng đến quá trình tuần hoàn của chất dinh dưỡng, sự lắng đọng của trầm tích trong nước, quá trình phân hủy của hợp chất hữu cơ trong lớp bùn đáy, và lên dòng chảy của các chất tan giữa lớp bùn đáy và nước.

Khi bùn đáy xáo trộn vào nước sẽ làm tăng nồng độ chất hữu cơ trong nước, đồng thời tạo điều kiện thuận lợi cho vi sinh hiếu khí hoạt động, do đó làm tăng tốc

độ tiêu thụ oxi [61, 62], và sự lắng đọng của chất hữu cơ từ nước vào bùn gây ra ảnh hưởng ngược lại. Đã có một số nghiên cứu đưa ra được phương trình mô tả sự xáo trộn và lắng đọng của các chất hữu cơ giữa bùn vào nước, thường gặp dưới hai dạng chủ yếu như sau:

o Dạng phương trình dựa vào ứng suất của bùn [25, 61, 63]:

Trang 37

BOD rese s c BOD

về vật lý, thủy lực, thủy văn cũng gây ảnh hưởng đến nồng độ DO như: nhiệt độ, độ muối, độ sâu môi trường nước, lưu lượng dòng chảy, cấu trúc dòng chảy, áp suất không khí, phân hủy chất hữu cơ, hàm lượng các chất khác hòa tan trong nước

1.1.8.1 Nhiệt độ và độ muối ảnh hưởng đến độ tan của oxi

Hai yếu tố vật lý thường gặp nhất có liên quan trực tiếp đến khả năng hòa tan của oxi là nhiệt độ và độ muối của môi trường nước. Theo quy luật chung, nhiệt độ hoặc độ muối (độ mặn) của nước tăng thì độ hòa tan của oxi trong nước sẽ giảm. Độ hòa tan của oxi phụ thuộc vào nhiệt độ và độ muối được trình bày đại diện trong bảng 1.2.

Oxi hòa tan vào nước dễ dàng hơn khi hàm lượng muối tan ở mức độ thấp. Khi hàm lượng muối tăng lên thì hàm lượng oxi hòa tan giảm đi. Ví dụ, với nguồn nước với hàm lượng muối cao chẳng hạn như nước đại dương (khoảng 35 gam muối/1000 gam nước) thì nồng độ DO khá thấp. Các hồ nước ngọt, sông suối và nước máy thường chứa rất ít muối, vì vậy nồng độ DO cao hơn.

Trang 38

Quá trình tăng hàm lượng muối hoặc chất rắn lơ lửng trong nước thường bắt nguồn từ hai nguyên nhân: thứ nhất, quá trình bốc hơi nước tự nhiên ở môi trường nước sẽ làm gia tăng nồng độ muối; thứ hai, dòng nước chảy trên mặt đất hoặc trong lòng đất cũng thường hòa tan thêm muối và trầm tích, theo mạch nước ngầm chảy vào sông suối, kết quả cũng làm tăng hàm lượng chất rắn hòa tan và lơ lửng trong nước. Việc gia tăng hàm lượng chất rắn hòa tan hoặc chất rắn lơ lửng đó kết quả là làm giảm nồng độ DO [65].

Bảng 1.2. Độ hòa tan của DO trong nước (mg/L) phụ thuộc vào nhiệt độ, độ muối

tại điều kiện không khí ẩm, áp suất 760 mmHg [13]

Độ muối (‰, g/L) Nhiệt độ ( o C)

Trang 39

3 2

trong đó, CDO,S=0 là nồng độ DO bão hòa trong nước khi độ mặn bằng không

(mg/L); CDOsat nồng độ DO bão hòa trong nước (mg/L) tương ứng với độ mặn S (‰); T là nhiệt độ của nước (oC) [51].

Độ mặn S có liên hệ với nồng độ clorua như sau:

trong đó CClo là nồng độ ion clorua trong nước (mg/L).

Với oxi hòa tan trong nước, nhiệt độ càng cao thì độ tan của oxi càng giảm. Một trong các công thức thực nghiệm đưa ra mối liên hệ giữa nhiệt độ và nồng độ oxi bão hòa [51]:

1.1.8.2 Độ sâu môi trường nước ảnh hưởng đến độ tan của oxi

Cùng với yếu tố nhiệt độ và độ muối như đã trình bày ở trên, thì độ sâu của môi trường nước cũng tác động vào độ tan của oxi. Có thể thấy lớp nước bề mặt tiếp xúc trực tiếp với không khí nên có oxi hòa tan nhiều hơn so với lớp nước dưới sâu hơn. Bên cạnh đó, độ sâu còn tạo nên những tác động khác như:

Thứ nhất, độ sâu tạo nên sự phân tầng nhiệt của lớp nước, tức là theo chiều sâu các lớp nước khác nhau sẽ có nhiệt độ khác nhau, dẫn đến tỉ trọng của các lớp nước khác nhau. Nếu lớp nước dưới sâu có nhiệt độ cao hơn thì sẽ chuyển động đối lưu lên trên và trộn lẫn với nước lạnh ở phía trên, kết quả là DO được hòa trộn đều; ngược lại, nếu lớp nước dưới sâu có nhiệt độ thấp hơn (thường gặp vào mùa hè) thì quá trình đối lưu không xảy ra.

Trang 40

Thứ hai, độ sâu ảnh hưởng tới quá trình quang hợp của thực vật trong nước. Khi có ánh sáng, quá trình quang hợp của thực vật xảy ra mạnh ở lớp nước phía trên, kết quả là lớp nước này thường có nồng độ oxi cao so với lớp nước phía dưới.

Thứ ba, độ sâu ảnh hưởng đến sự khuấy trộn tự nhiên của môi trường nước. Với môi trường nước nông, trong điều kiện có gió thì oxi dễ dàng hòa tan đều giữa các lớp nước. Với nguồn nước sâu, sự khuấy trộn bởi gió ít gây ảnh hưởng đến sự hòa tan oxi ở lớp nước phía dưới hơn so với lớp nước phía trên.

Cuối cùng, độ sâu tác động vào hoạt động của vi sinh vật. Ở lớp nước sâu hơn, hoạt động của vi sinh vật hiếu khí mạnh hơn, sinh ra sản phẩm của phân hủy vi sinh yếm khí như ammoniac, nitrit, hidro sunfua, cacbonic làm nồng độ DO ở lớp nước dưới thấp hơn.

Do vậy, để đảm bảo phản ánh chính xác giá trị hàm lượng DO trong mỗi nguồn nước thì khi đo nồng độ DO thì cần phải lấy mẫu ở các độ sâu khác nhau.

1.1.8.3 Thể tích khối nước và vận tốc dòng chảy

a) Khi có dòng chảy rối

trong môi trường nước

b) Khi không có dòng chảy, chỉ có chuyển động bởi khuếch tán phân tử

Hình 1.4. Ảnh hưởng của dòng chảy tới nồng độ DO [32]

Bên cạnh yếu tố độ sâu của môi trường nước, thì thể tích khối nước cùng với vận tốc dòng chảy cũng đóng vai trò quan trọng và ảnh hưởng đến khả năng hòa tan của oxi. Có thể thấy rằng, với các dòng suối có dòng chảy nhanh, các bong bóng khí xuất hiện nhiều hơn do va chạm của dòng nước với lớp đá có trong lòng suối hoặc

Định dạng
Số trang	189
Dung lượng	7,83 MB