Xác định tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông Cái

Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 403 XÁC ĐỊNH TỐC ĐỘ PHÂN HỦY CHẤT HỮU CƠ TRONG NƯỚC SÔNG CÁI Nguyễn Văn Sơn* Tóm tắt: Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến kết quả đánh giá khả năng tự làm sạch của dòng sông là hệ số phân hủy chất hữu cơ bởi vi khuẩn. Kết quả nghiên cứu cho đối tượng sông Cái, là một nhánh của sông Đồng Nai, có vai trò hết sức quan trọng đối với Căn cứ 696, Vùng 2 Hải quân, đã xác định được hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ ở 20oC và xây dựng được phương trình động học phân hủy chất hữu cơ ở 20oC theo phương pháp Slope. Từ khóa: Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ; BOD tiêu thụ; BOD toàn phần; Sông Cái. 1. ĐẶT VẤN ĐỀ Các hướng nghiên cứu liên quan đến khả năng tự làm sạch của dòng sông trên thế giới như: nghiên cứu khả năng tự làm sạch dựa vào đặc trưng dòng chảy; nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến sự loại bỏ chất ô nhiễm trong dòng chảy; nghiên cứu xác định các hệ số liên quan đến khả năng tự làm sạch của dòng sông. Tại Việt Nam, khái niệm về khả năng tự làm sạch của dòng sông được đề cập thường xuyên hơn trong các tài liệu nghiên cứu; đã có một số công trình nghiên cứu về khả năng tự làm sạch của dòng sông được thực hiện. Công cụ sử dụng để đánh giá khả năng tự làm sạch của dòng sông là các mô hình toán [1]. Một trong những yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến kết quả đánh giá khả năng tự làm sạch của dòng sông là các hệ số thực nghiệm hay còn gọi là hệ số phân hủy hay hệ số tốc độ phân hủy. Đối với quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong nước sông, hệ số thực nghiệm này chính là hệ số phân hủy chất hữu cơ bởi vi khuẩn. Hiện nay, tại Việt Nam, hệ số thực nghiệm này được lựa chọn theo gợi ý của mô hình khi áp dụng đánh giá khả năng tự làm sạch của một dòng sông [1]. Sông Cái là một nhánh của sông Đồng Nai, chảy qua địa bàn các xã Đại Phước, Long Tân và Phú Thạnh của huyện Nhơn Trạch, tỉnh Đồng Nai. Sông Cái với chiều dài khoảng 10km, chiều rộng 220-380m, độ sâu giữa dòng 15-20m tùy theo từng vị trí. Sông Cái có các chức năng: vận tải (giao thông thủy, vận chuyển phù sa), sản xuất (cung cấp nước cho sinh hoạt và tưới tiêu), bảo vệ (thoát lũ, tiếp nhận và đồng hóa các chất ô nhiễm, điều hòa vi khí hậu). Sông Cái có vai trò hết sức quan trọng đối với Căn cứ 696, Vùng 2 Hải quân. Xác định tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông Cái bởi nhóm vi khuẩn hiếu khí nhằm nâng cao hiệu quả, tính chính xác, độ tin cậy trong đánh giá khả năng tự làm sạch của dòng sông, góp phần bảo vệ chất lượng nước sông. 2. VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 2.1. Vật liệu Mẫu nước sông: sông Cái với chiều dài khoảng 10km, lấy mẫu tại 5 vị trí, mỗi vị trí cách nhau 2,0-2,5 km (kí hiệu N1-N5). Tại từng vị trí lấy 9 mẫu: giữa dòng lấy 3 mẫu theo độ sâu, giữa bờ phải lấy 2 mẫu theo độ sâu, giữa bờ trái lấy 2 mẫu theo độ sâu, bờ phải lấy 1 mẫu và bờ trái lấy 1 mẫu. Các mẫu sau đó trộn chung với nhau tạo thành 1 mẫu tổ hợp để phân tích. Các mẫu được lấy bằng can nhựa, bảo quản lạnh ở nhiệt độ 1-5 oC, sau đó vận chuyển về phòng thí nghiệm. Sử dụng thiết bị BOD EZ-Oxyro 4R Respirometer của Hàn Quốc để phân tích. Sử dụng hóa chất các hạt KOH để hấp thụ CO2 sinh ra do quá trình hô hấp. Sử dụng oxy tinh khiết 5,0 cấp vào để cân bằng áp suất trong bình phản ứng [2]. Hóa học – Sinh học – Môi trường Nguyễn Văn Sơn, “Xác định tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông Cái.” 404 Hình 1. Vị trí các điểm lấy mẫu trên sông Cái. Hình 2. Phương thức lấy mẫu tổ hợp tại từng vị trí trên sông Cái. Thiết bị dựa trên sự sụt giảm áp suất được tạo ra do quá trình hô hấp của vi khuẩn. Trong môi trường kín, quá trình hô hấp diễn ra dẫn đến oxy bị giảm. Đồng thời, CO2 sinh ra trong quá trình này với tỷ lệ tương đương. CO2 được hấp thụ bằng các hạt KOH, tạo thành K2CO3. Sự giảm sút áp suất trong bình phản ứng được đo bằng cảm biến áp suất. Cảm biến này dùng một điểm áp suất không đổi khác để làm điểm tham chiếu áp suất. Khi cảm biến được kích hoạt, hệ thống tự động bơm một lượng oxy vào bình phản ứng [2]. Hình 3. Thiết bị EZ-Oxyro 4R Respirometer. Hình 4. Nguyên lý đo BOD của EZ- Oxyro 4R Respirometer. 2.2. Phương pháp nghiên cứu Ở điều kiện hiếu khí, các hợp chất hữu cơ và một vài hợp chất vô cơ có thể được các vi khuẩn sử dụng để tạo thành tế bào mới, năng lượng, CO2 và phần còn lại. Lượng ôxy được sử dụng để ôxy hóa các hợp chất hữu cơ và các hợp chất nitơ trong khoảng 60-90 ngày được gọi là BOD toàn phần (uBOD). Lượng ôxy được sử dụng để ôxy hóa các hợp chất hữu cơ (La) ở ngày thứ 20 phản ánh 99% của La [3]. Định luật Phelps cho rằng tốc độ ôxy hóa sinh hóa chất hữu cơ tỷ lệ thuận với nồng độ chất hữu cơ còn lại chưa bị ôxy hóa. Định luật Phelps có thể được biểu diễn bằng phương trình vi phân [3]: = − Lấy tích phân 2 vế: = − = − hoặc = −0,434 = − = hoặc = 10 = hoặc = 10 Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 405 Trong đó: - Lt: BOD còn lại sau thời gian t ngày (mg/l); - La: BOD toàn phần của giai đoạn 1 (mg/l); - K1: Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ cơ số e (ngày-1), K1 = 2,303k1; - k1: Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ cơ số 10 (ngày-1), k1 = 0,4343K1; - e: Cơ số tự nhiên, e = 2,7183. Nhu cầu ôxy tiêu thụ theo thời gian t, hay còn gọi là BOD tiêu thụ hay BOD, kí hiệu là y, theo phương trình phản ứng bậc 1: = − = (1 − ) Hoặc theo log10: = (1 − 10 ) Phương pháp Slope là phương pháp do Thomas, H. A., Jr phát triển dựa trên bình phương cực tiểu của phương trình phản ứng bậc 1 [3, 4]: = ( − ) = − Trong đó: - dy: BOD gia tăng trên một đơn vị thời gian; - K1: Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ cơ số e (ngày-1); - La: BOD toàn phần của giai đoạn 1 (mg/l); - y: BOD tiêu thụ (mg/l). Phương trình vi phân này là tuyến tính giữa dy/dt và y. Đặc y’= dy/dt biểu thị mức độ thay đổi BOD và n là số lần đo BOD trừ đi 1. Hai phương trình xác định K1 và La là: + ∑ − ∑ = 0 và ∑ + ∑ − ∑ = 0 Các tính toán cho y’, yy’, y2 cho mỗi giá trị của y. Sau đó tính y’, yy’, y2 để sử dụng cho 2 phương trình trên. Giá trị của độ dốc được tính toán từ các giá trị của y và t như sau: = = ( − ) − − + ( − ) − − − Trường hợp đặc biệt, các khoảng thời gian gia tăng bằng nhau, ti+1 – ti = t3 – t2 = t2 – t1 = t, y’ được xác định như sau: = = ( − ) 2 hoặc = = ( − ) − Hóa học – Sinh học – Môi trường Nguyễn Văn Sơn, “Xác định tốc độ phân hủy chất hữu cơ trong nước sông Cái.” 406 Số lần đo BOD tối thiểu n > 6. Giải 2 phương trình trên tìm được giá trị của a và b. Từ đó, xác định được K1 và La như sau: K1 = -b và La = -a/b Phương pháp xác định BOD dựa trên sự chênh lệch áp suất và lượng ôxy cấp vào: sử dụng thiết bị BOD EZ-Oxyro 4R Respirometer của Hàn Quốc [2]. 3. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU Kết quả phân tích BOD tiêu thụ (y) ở nhiệt độ 20oC tại 5 mặt cắt của sông Cái ở 3 thời điểm khác nhau như sau: Hình 5. Giá trị y vào tháng 8/2019. Hình 6. Giá trị y vào tháng 12/2019. Hình 7. Giá trị y vào tháng 4/2020. Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ ở 20oC của nước sông Cái theo phương pháp Slope được xác định: Bảng 1. Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ cơ số e (K1) ở 20oC của sông Cái. Thời điểm Hệ số K1 (ngày-1) N1 N2 N3 N4 N5 Trung bình Tháng 8/2019 0,066 0,071 0,062 0,064 0,057 0,064 Tháng 12/2019 0,061 0,071 0,065 0,073 0,066 0,067 Tháng 4/2020 0,061 0,059 0,052 0,066 0,054 0,059 Trung bình 0,063 0,067 0,060 0,068 0,059 0,063 Bảng 2. Hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ cơ số 10 (k1) ở 20oC của sông Cái. Thời điểm Hệ số k1 (ngày-1) N1 N2 N3 N4 N5 Trung bình Tháng 8/2019 0,029 0,031 0,027 0,028 0,025 0,028 Tháng 12/2019 0,026 0,031 0,028 0,032 0,029 0,029 Tháng 4/2020 0,027 0,025 0,023 0,029 0,024 0,025 Trung bình 0,027 0,029 0,026 0,029 0,026 0,027 Từ kết quả nghiên cứu trên, đã xác định hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ ở 20oC của nước sông Cái K1 = 0,063 ngày-1 hay k1 = 0,027 ngày-1. Tốc độ phân phân hủy chất hữu cơ của nước sông Cái nằm ở mức trung bình thấp so với các sông khác. Nghiên cứu khoa học công nghệ Tạp chí Nghiên cứu KH&CN quân sự, Số Đặc san Hội thảo Quốc gia FEE, 10 - 2020 407 BOD toàn phần của giai đoạn 1 (La) ở 20oC của nước sông Cái theo phương pháp Slope được xác định: Bảng 3. BOD toàn phần của giai đoạn 1 (La) ở 20oC của sông Cái. Thời điểm Giá trị La (mg/l) N1 N2 N3 N4 N5 Trung bình Tháng 8/2019 20,1 16,6 16,5 14,9 14,9 16,6 Tháng 12/2019 14,2 13,8 15,5 16,1 19,8 15,9 Tháng 4/2020 21,4 19,4 19,3 14,8 16,4 18,2 Trung bình 18,5 16,6 17,1 15,2 17,0 16,9 Phương trình động học về phân hủy chất hữu cơ ở 20oC của nước sông Cái theo phương pháp Slope được xác định: = 16,9 ∗ (1 − ,∗) hoặc = 16,9 ∗ (1 − 10,∗) 4. KẾT LUẬN Kết quả nghiên cứu đã xác định được hệ số tốc độ phân hủy chất hữu cơ ở 20oC của nước sông Cái K1 = 0,063 ngày-1 hay k1 = 0,027 ngày-1. Phương trình động học phân hủy chất hữu cơ ở 20oC của nước sông Cái theo phương pháp Slope được xác định: = 16,9 ∗ (1 − ,∗) hoặc = 16,9 ∗ (1 − 10,∗). TÀI LIỆU THAM KHẢO [1]. Nguyễn Văn Sơn. “Nghiên cứu tác động do phát triển kinh tế - xã hội đến chất lượng nước rạch Vàm Búng và đề xuất biện pháp quản lý tổng hợp bảo vệ nguồn nước”. Báo cáo tổng kết nhiệm vụ, Bình Dương, 2013. [2]. Dream Bios. “Operation Manual for EZ-Oxyro 4R Respirometer”. Seoul Korea, 2015. [3]. C. C. Lee and Shun Dar Lin. “Handbook of Environmental Engineering Calculations”. Mc Graw Hill, Second Edition, 2007. [4]. Thomas, H. A., Jr. “The Slope method of evaluating the constants of the first-stage biochemical oxygen demand curve”. Sewage Works Journal, Vol. 9, No. 3, pp. 425- 430, 1937. ABSTRACT DETERMINING DEOXYGENATION RATE FOR CAI RIVER One of the important factors influencing the evaluation result of natural self- purification in river is deoxygenation rate by bateria. Research result for Cai river, which is a branch of Dong Nai river, plays a really important role for Base 696, Region 2 Navy, has determined deoxygenation rate at 20oC and kinetic equation for deoxygenation at 20oC by Slope method. Keywords: Deoxygenation rate; Exerted BOD; Ultimate BOD; Cai river. Nhận bài ngày 24 tháng 7 năm 2020 Hoàn thiện ngày 05 tháng 10 năm 2020 Chấp nhận đăng ngày 05 tháng 10 năm 2020 Địa chỉ: Viện Nhiệt đới môi trường/Viện Khoa học và Công nghệ quân sự. *Email: sonvittep@gmail.com.