Thành phần chủ yếu của môi trường nước

Chương 2: THÀNH PHẦN CHỦ YẾU CỦA MÔI TRƯỜNG NƯỚC. 2.1. Thành phần sinh học. Thành phần và mật độ các cá thể sống trong môi trường nước phụ thuộc chặt chẽ vào đặc điểm, thành phần hoá học nguồn nước. Các loại sinh vật tồn tại trong nguồn nước tự nhiên chủ yếu là vi khuẩn, nấm, siêu vi trùng, tảo, cây cỏ, động vật nguyên sinh, động vật đơn bào, các loài nhuyễn thể và các loại động vật có xương sống. Tuỳ theo vị trí phân bố trong cột nước từ bề mặt đến đáy sông, hồ có các loài sinh vật sau: - Phiêu sinh vật( plankton) trong đó có động vật phiêu sinh(zooplankton), thực vật phiêu sinh, tảo (phytoplankton). Nhiều loài vi sinh có giá trị làm nguồn thức ăn cho tôm cá, đồng thời có một số loài chỉ thị cho ô nhiễm môi trường nước, chất lượng nước. - Cá: loài có giá trị kinh tế, là nguồn thức ăn cho con người nói riêng và nhiều loài sinh vật khác nói chung, ngoài ra cá còn là sinh vật chỉ thị cho ô nhiễm nước và chất lượng môi trường nước. Đặc biệt là đối với những loại nước thải có độc tố kiêm loại nặng. - Sinh vật bám: Có ý nghĩa rất lớn trong chỉ thị ô nhiễm nước, nhất là trong nhiễm bẩn hữu cơ. - Sinh vật đáy (benthos) : không chỉ cho giá trị kinh tế cao, một số loài còn là sinh vật chỉ thị ô nhiễm và xử lý ô nhiễm. Ví dụ như một số loài giáp xác hai mảnh vỏ hiện nay ngoài cho giá trị kinh tế cao còn được dùng trong xử lý ô nhiễm của nước thải NTTS. - Một số loài sinh vật khác như bèo, lục bình, sậy,… ngoài việc sử dụng làm thức ăn gia xúc, phân bón, mỹ nghệ,… mà còn góp phần vào công tác xử lý ô nhiễm rất tốt. 2.1.1. Vi khủân (bacteria ): Vi khuẩn đôi khi còn được gọi là vi trùng, nó thuộc loại ký sinh trùng. Vi khuẩn là một nhóm sinh vật đơn bào, có kích thước nhỏ (kích thước hiển vi) và thường có cấu trúc tế bào đơn giản không có nhân, bộ khung tế bào (cytoskeleton) và các bào quan như ty thể và lục lạp. Hầu hết vi khuẩn có kích thước nhỏ, thường chỉ khoảng 0.5-5.0 μm, mặc dù có loài có đường kính đến 0,3mm (Thiomargarita). Vi khuẩn có dạng hình que, hình cầu hoặc hình xoắn,… Chúng có thể tồn tại ở dạng đơn lẻ, dạng cặp hoặc dạng liên kết thành mạch dài. A.Hình que - trực khuẩn (Bacillus) B. Hình cầu (coccus) tạo thành chuỗi (strepto-) - liên cầu khuẩn (Streptococcus). C. Hình cầu tạo đám (staphylo-) - tụ cầu khuẩn (Staphylococcus).D. Hình tròn sóng đôi (diplo-) - song cầu khuẩn (Diplococcus).E. Hình xoắn - xoắn khuẩn (Spirillum, Spirochete). F. Hình dấu phẩy - phẩy khuẩn (Vibrio). Vi khuẩn sinh sản theo cơ chế phân bào Vi khuẩn chỉ sinh sản vô tính (asexual reproduction), không sinh sản hữu tính (có tái tổ hợp di truyền). Cụ thể hơn, chúng sinh sản bằng cách chia đôi (binary fission), hay trực phân. Trong quá trình này, một tế bào mẹ được phân thành 2 tế bào con bằng cách tạo vách ngăn đôi tế bào mẹ. Chu kỳ phân bào khoảng 15 – 30 phút trong điều kiện thuận lợi về dinh dưỡng, oxy và nhiệt độ,… Vi khuẩn có thể có ích hoặc có hại cho môi trường, và động vật, bao gồm cả con người. Vai trò của vi khuẩn trong gây bệnh và truyền bệnh rất quan trọng. Một số là tác nhân gây bệnh (pathogen) và gây ra bệnh uốn ván (tetanus), sốt thương hàn (typhoid fever), giang mai (syphilis), tả (cholera), bệnh lây qua thực phẩm (foodborne illness) và lao (tuberculosis). Nhiễm khuẩn huyết (sepsis), là hội chứng nhiễm khuẩn toàn cơ thể gây sốc và giãn mạch, hay nhiễm khuẩn khu trú (localized infection), gây ra bởi các vi khuẩn như streptococcus, staphylococcus, hay nhiều loài Gram âm khác. Một số nhiễm khuẩn có thể lan rộng ra khắp cơ thể và trở thành toàn thân (systemic). Ở thực vật, vi khuẩn gây mụn lá (leaf spot), fireblight và héo cây. Các hình thức lây nhiễm gồm qua tiếp xúc, không khí, thực phẩm, nước và côn trùng. Kí chủ (host) bị nhiễm khuẩn có thể trị bằng thuốc kháng sinh, được chia làm hai nhóm là diệt khuẩn (bacteriocide) và kìm khuẩn (bacteriostasis), với liều lượng mà khi phân tán vào dịch cơ thể có thể tiêu diệt hoặc kìm hãm sự phát triển của vi khuẩn. Vi khuẩn có khả năng phân giải các hợp chất hữu cơ một cách đáng kinh ngạc. Một số nhóm vi sinh "chuyên hóa" đóng một vai trò rất quan trọng trong việc hình thành các khoáng chất từ một số nhóm hợp chất hữu cơ. Ví dụ, sự phân giải cellulose, một trong những thành phần chiếm đa số trong mô thực vật, được thực hiện chủ yếu bởi các vi khuẩn hiếu khí thuộc chi Cytophaga. Các vi khuẩn có khả năng phân hủy hydrocarbon trong dầu mỏ thường được dùng để làm sạch các vết dầu loang, một số vi khuẩn có thể được "thiết kế" (bioengineer) để cải thiện sinh học đối với các chất thải độc hại. Vi khuẩn được chia thành 2 nhóm lớn: vi khuẩn dị dưỡng gồm có các vi khuẩn hiếu khí, các vi khuẩn kỵ khí , các vi khuẩn tùy nghi và vi khuẩn tự dưỡng là các vi khuẩn nitrit hoá, vi khuẩn lưu huỳnh, vi khuẩn sắt,… 2.1.2.Nấm men. Trong điều kiện pH và nhiệt độ thích hợp, nấm và men phát triển rất tốt, ở các ao hồ tù chúng phát rất mạnh. Nấm và men không có khả năng quan hợp. 2.1.3. Siêu vi trùng. Trong nguồn nước tự nhiên thường tồn tại các loại siêu vi trùng (virus). Chúng có kích thước cực nhỏ (20- 100nanomet) nên chỉ phát hiện bằng kính hiển vi điện tử. siêu vi trùng là tác nhân gây bệnh cho con người và các loài động vật. 2.1.4. Tảo Là loại thực vật đơn giản nhất có khả năng quang hợp. chúng không có rễ , thân, lá. Tảo phát triển mạnh trong nguồn nước ấm, chứa nhiều chất dinh dưỡng(nitơ, phosphor) từ nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, thực phẩm và phân bón. Do vậy mà nhiều loài tảo được sử dụng làm chỉ thị sinh học để đánh giá chất lượng nước tự nhiên. 2.1.5. Các loài sinh vật khác - Thực vật lớn: bèo, lau sậy,lục bình,… chúng cũng phát triển mạnh ở vùng nước tù hãm chứa nhiều chất dinh dưỡng. Do vậy, cùng với tảo các loài thực vật này được dùng làm sinh vật chỉ thị cho môi trường nước phú dưỡng hoá. - Động vật đơn bào: là các loài động vật trong nước chỉ có một tế bào và cũng được sinh sản theo cơ chế phân bào. Chúng sử dụng chất hữu cơ dạng rắn làm thực phẩm. Protozoa đóng vai trò quan trọng trong dây chuyền thực phẩm. - Cá: là động vật máu lạnh. Có nhiều loại cá khác nhau cùng tồn tại trong một thủy vực với các đặc điểm khác nhau về hình thể, nguồn thức ăn, nơi sinh sản phát triển và khả năng thích nghi với môi trường. Do vậy, có nhiều loài cá có thể làm sinh vật chỉ thị để xác định chất lượng nguồn nước và ô nhiễm nguồn nước. Ví dụ: nguồn nước bị ô nhiễm do các chất hữu cơ dẫn đến sự suy giảm nồng độ oxy hoà tan sẽ được chỉ thị bằng sự suy giảm trước hết số loài và cá thể của từng loài sống ở tầng nước mặt sau đó đến các loài động vật sống ở đáy. Ở độ pH 4,5- 5 làm giảm lượng trứng cá và các loại tôm, cá nhỏ so với nguồn nước có pH trung tính. Ph dưới 4 hầu hết các loại cá ăn nổi bị biến mất. 2.2. Thành phần hoá học của nước tự nhiên Các hợp chất vô cơ và hữu cơ trong môi trường nước tự nhiên có thể tồn tại ở dạng ion hoà tan, khí hoà tan, dạng rắn hoặc lỏng. Chính sự phân bố của hợp chất này quyết định bản chất nước tự nhiên: nước ngọt, nước lợ, nước mặn; nước giàu dinh dưỡng hoặc nước nghèo dinh dưỡng; nước cứng hoặc nước mềm; nước bị ô nhiễm nặng, nhẹ hoặc vừa,.. 2.2.1. Các ion hoà tan Nước tự nhiên là dung môi tốt để hoà tan hầu hết các axit, bazơ và muối vô cơ. Thành phần hoá học trung bình của nước sông, hồ và biển rất khác nhau. Trong nước biển, nồng độ của ion Cl- là cao nhất (19340 mg/l), sau đó là Na+ (10770 mg/l), Ca+ (412mg/l), K+ (399 mg/l) và HCO-3 (140mg/l). Nước sông, hồ là môi trường nước ngọt có nồng độ HCO3 – cao nhất (58mg/l), tiếp theo là Ca2+ (15 mg/l), Cl- (8 mg/l). Bảng 2.1. Thành phần hoá học trung bình của nước biển và nước hồ toàn cầu Ion (mg/l) Nước biển Nước sông Cl - 19.340 8 Na+ 10.770 6 SO42- 2.712 11 Mg2+ 194 4 Ca2+ 412 15 K+ 399 2 HCO3- 140 58 Thành phần của nước biển tương đối đồng nhât. Trong khi đó, nước sông có thành phần không đồng nhất giữa các lưu vực và giữa các vị trí trong từng khu vực. Trong thực tế hàm lượng các nguyên tố hoá học trong nước sông phân bố phụ thuộc vào đặc điểm khí hậu, địa chất, địa mạo và vị trí thủy vực. đặc điểm thành phần các ion hoà tan của các dòng sông trên thế giới do ba yếu tố chủ đạo: ảnh hưởng của nước mưa, sự bốc hơi- kết tinh và ảnh hưởng của sự phong hoá. Các sông nhiệt đới nhiều mưa có thành phần hoá học do nước mưa chủ đạo, sự đóng góp do yếu tố phong hoá không lớn. Các sông vùng sa mạc có thành phần hoá học do quá trình bốc hơi – kết tinh chủ đạo. Một số vùng ôn đới ít mưa có thành phần hoá học do quá trình phong hoá chủ đạo. Tại vùng cửa sông, thành phần hoá học của nước biển có ảnh hưởng lớn đến thành phần nước sông, đặc biết là các ion clo, natri, sulphat và bicacbonat. Tại đây các yếu tố có ý nghĩa lớn đối với sự phát triển thủy sinh vùng cửa sông là silic, sắt, nitơ và phosphor và một số kim loại bị sa lắng cùng với sự sa lắng của các hạt phù sa. Qúa trình sa lắng này diễn ra do sự tạo keo ở vùng có độ mặn thích hợp. 2.2.2. Các khí hoà tan Hầu hết các chất khí đều có thể hoà tan hoặc phản ứng với nước, trừ khí mêtan(CH4). Các khí hoà tan trong nước có thể từ nhiều nguồn: sự hấp thụ của không khí vào nước ( như oxy, cacbonic)hoặc do quá trình sinh hoá trong nước. Trong môi trường nước giá trị oxy hoà tan(DO) thường được sử dụng để đánh giá mức độ ô nhiễm do chất hữu cơ. DO có ý nghĩa rất lớn đối với quá trình tự làm sạch của dòng sông. Một số chất khí vừa được hấp thụ từ không khí vừa có thể được tạo thành trong môi trường nước. Khí cacbonic( CO2) mặc dù chỉ chiếm 0,03% trong khí quyển nhưng đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong nước vì khí này phản ứng với nước tạo ra các ion bicacbonat(HCO3 - ) và cacbonat (CO3 2- ). CO2 được hấp thụ từ khí quyển và cũng được tạo ra trong nước do phân hủy các chất hữu cơ từ vi sinh. Nồng độ CO2 trong nước phụ thuộc vào pH : ở pH thấp CO2 ờ dạng khí, pH 8 – 9 dạng bicacbonat là chủ yếu, pH trên 10 dạng cacbonat chiếm tỉ lệ cao. 2.2.3. Các chất rắn Các chất rắn bao gồm các thành phần vô cơ, hữu cơ và sinh vật. Được phân thành hai loại dựa theo kích thước: chất rắn có thể lọc và chất rắn không thể lọc. Chất rắn có thể lọc: có kích thước nhỏ hơn 10-6m (1µm) trong đó có hai loại: chất rắn dạng keo có kích thước từ 10-9m đến 10-6m và chất rắn hoà tan có kích thước nhỏ hơn 10-9m. Vi khuẩn thuộc loại chất rắn dạng keo. Chất rắn không thể lọc: có đường kính lớn hơn 10-6m. Tảo, hạt bùn là những loại chất rắn lơ lửng có khích thước 10-5m - 10-6m, sạn, cát thuộc loại chất rắn có thể lắng, có kích thước lớn hơn 10-5 m. Các chất rắn còn có thể được phân loại dựa theo độ bay hơi ở nhiệt độ sấy 1030C – 1050C. Theo đó có thể phân thành chất rắn bay hơi và chất rắn không bay hơi. 2.2.4. Các chất hữu cơ Trong môi trường nước tự nhiên không bị ô nhiễm hàm lượng chất hữu cơ rất thấp, ít có khả năng gây trở ngạy cho việc cấp nước sinh hoạt, nuôi trồng thủy sản, thủy lợi. Tuy nhiên, nếu môi trường nước bị ô nhiễm do chất thải sinh hoạt, chất thải công ngiệp, giao thông thủy và các hoạt động khác thì nồng độ chất hữu cơ trong nước sẽ tăng cao. Dựa vào khả năng bị phân hủy do vi sinh vật trong nước ta có thể phân các chất hữu cơ thành hai nhóm: Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học (các chất tiêu thụ oxy) như các chất đường, chất béo,protein, dầu mỡ thực vật, động vật. Trong môi trường nước các chất này dễ bị vi sinh vật phân hủy thành khí CO2 và nước. - Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học: các chất clo hữu cơ DDT, Lindane, Aldrine, PCB,… các hợp chất đa vòng ngưng tụ như dioxin,… 2.3. Các thông số cơ bản đánh gía chất lượng nước Tùy theo từng loại nước sử dụng với mục đích khác nhau, sẽ có một số tiêu chuẩn tương ứng với mục đích sử dụng. Tuy nhiên, một số chỉ tiêu cơ bản được dùng phổ biến là: 1. Độ pH: là chỉ tiêu quan trọng để kiểm tra chất lượng nước cấp và nước thải. Dựa vào giá trị pH ta sẽ quyết định phương pháp xử lý, và điều chỉnh lượng và loại hoá chất thích hợp trong quá trình xử lý. 2. Độ axit và độ kiềm trong nước, độ acid trong nước tự nhiên là do CO2 hoặc các acid vô cơ gây ra. Độ acid ảnh hưởng đến chất lượng nước,và làm ăn mòn thiết bị. độ kiềm cao trong nước sẽ làm ảnh hưởng đến sự sống các sinh vật trong nước và gây nên độ cứng trong nước. Chỉ tiêu này cần thiết cho quá trình làm mềm nước. 3. Độ đục: do các chất rắn lơ lửng, các chất hữu cơ phân rã hoặc do động thực vật thủy sinh gây nên. Độ đục làm giảm khả năng truyền ánh sáng do vậy ảnh hưởng đến quá trình quan hợp dưới nước. độ đục càng lớn, môi trường nước bị nhiễm bẩn càng cao và cần phải có biện pháp xử lý. 4. Độ cứng của nước biểu thị hàm lượng muối canxi và magie trong nước. Độ cứng trong nước sẽ cho biết tình trạng chất lượng nước, cũng như tình trạng phát triển của các loài thủy sinh trong nước. 5. . Hàm lượng oxy hoà tan trong nước, oxy hoà tan trong nước tham gia vào quá trình trao đổi chất, duy trì năng lượng cho quá trình phát triển, sinh sản và tái sản xuất cho các loài sinh vật dưới nước. Hàm lượng oxy hòa tan cho ta biết chất lượng nước, oxy hoà tan thấp, nước có nhiều chất hữu cơ, nhu cầu oxy hoá tăng nên tiêu thụ nhiều oxy trong nước, oxy hoà tan cao, nước nhiều rong tảo tham gia quang quang hợp giải phóng oxy. 6. Nhu cầu oxy sinh học (BOD) là lượng oxy cần thiết để vi sinh vật tiêu thụ trong cå quá trình oxy hoá các chất hữu cơ trong nước, nhất là nước thải sinh hoạt. Chỉ số BOD là thông số quan trọng để đánh giá mức độ ô nhiễm của nước. Chỉ số này càng cao cho thấy nước bị ô nhiễm càng nhiều. 7. Nhu cầu oxy hoá học (COD) , đây cũng là thông số cần thiết để đánh chất lượng nguồn nước. Thông thường COD được sử dụng nhiều hơn BOD, do khi phân tích chỉ số BOD đòi hỏi thời gian lâu hơn (5 ngày ở nhiệt độ 200C). 8. Hàm lượng phốtpho trong nước thường ở dạng H2PO4-, HPO42-, PO43-, polyphotphat,và phốtpho hữu cơ. Đây là một trong những nguồn dinh dưỡng chủ yếu cho các thực vật dưới nước. Tuy nhiên yếu hàm lượng quá cao sẽ gây phú dưỡng hoá trong ao 9. Hàm lượng sunphat, sẽ ảnh hưởng đến việc hình thành H2S trong nước gây mùi hoi khó chịu, gây nhiễm độc cho sinh vật thủy sinh nhất là trong nuôi trồng thủy sản. Dễ gây hiện tượng ăn mòn kim loại đối với các thiết bị dưới nước. 10. Hàm lượng nitơ trong nước cũng là nguồn dinh dưỡng cho các thực vật thủy sinh. Amonia xuất hiện như một sản phẩm do sự biến dưỡng của động vật trong nước cũng như từ sự phân hủy các chất hữu cơ với sự góp mặt của vi khuẩn. Trong môi trường nước ammonia tồn tại dưới hai dạng: dạng khí hoà tan (NH3) và dạng ion hoá (NH4 +). 11.Hàm lượng kim loại nặng, do nước thải công nghiệp hoặc đô thị. Chủ yếu là chì, đồng, kẽm, thủy ngân,… 12.Hàm lượng chất dầu mỡ, có thể là chất béo, acid hữu cơ, chúng gây khó khăn trong quá trình vận chuyển nước, ngăn cản oxy hoà tan. 13. Các chất vi sinh vật. Vi khuẩn E-coli là vi khuẩn đặc trưng cho mức độ nhiễm trùng của nước ảnh hưởng đến chất lượng nước sinh hoạt. Ngoài ra các loài rong tảo làm nước có màu xanh. Các loài này chết đi sẽ làm tăng chất hữu cơ, chất hữu cơ phân hũy sẽ tiêu thụ oxy và làm thiếu oxy trong nước.