Tài liệu Nghiên cứu phân tích và xử lý nước thải làng nghề giết mổ gia súc phúc lâm, huyện việt yên, tỉnh bắc giang

ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM CHU THỊ NHÀN NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH VÀ XỬ LÍ NƢỚC THẢI LÀNG NGHỀ GIẾT MỔ GIA SÚC PHÚC LÂM, HUYỆN VIỆT YÊN, TỈNH BẮC GIANG LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC THÁI NGUYÊN - 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ĐẠI HỌC THÁI NGUYÊN TRƢỜNG ĐẠI HỌC SƢ PHẠM CHU THỊ NHÀN NGHIÊN CỨU PHÂN TÍCH VÀ XỬ LÍ NƢỚC THẢI LÀNG NGHỀ GIẾT MỔ GIA SÚC PHÚC LÂM, HUYỆN VIỆT YÊN, TỈNH BẮC GIANG Chuyên ngành: Hóa học phân tích Mã số : 60.44.29 LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC HÓA HỌC Ng-êi h-íng dÉn khoa häc: TS. Đào Văn Bảy THÁI NGUYÊN - 2011 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CẢM ƠN Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn thầy giáo TS. Đào Văn Bảy đã tận tình hướng dẫn em trong suốt quá trình thực hiện luận văn. Em cũng xin được cảm ơn các thầy, cô trong tổ bộ môn Hoá Công nghệ và Môi trường trường Đại học Sư phạm I đã tạo điều kiện, giúp đỡ em hoàn thành luận văn này. Em xin được cảm ơn các thầy, cô trong khoa Hoá trường Đại học Sư phạm Thái Nguyên đã tạo điều kiện, giúp đỡ em hoàn thành luận văn này. Nhân đây, em cũng xin gửi lời cảm ơn tới gia đình và bạn bè về sự động viên, cổ vũ trong suốt quá trình học tập, nghiên cứu của em. Do thời gian có hạn, nên bài luận văn này chắc chắn không tránh khỏi thiếu sót, em kính mong nhận được sự góp ý của thầy cô và các bạn. Xin trân trọng cảm ơn! Thái Nguyên, ngày 11 tháng 8 năm 2011 Học viên Chu Thị Nhàn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn LỜI CAM ĐOAN Tôi xin cam đoan đây là công trình nghiên cứu của riêng tôi, các số liệu, kết quả nêu trong luận văn này là trung thực và chưa từng được ai công bố trong bất kỳ công trình nào khác. Thái Nguyên, ngày 11 tháng 8 năm 2011 Học viên Chu Thị Nhàn Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn i MỤC LỤC Trang bìa phụ Lời cảm ơn Lời cam đoan Mục lục ................................................................................................................... i Danh mục các bảng .............................................................................................. v Danh mục các hình ............................................................................................. vii MỞ ĐẦU .............................................................................................................. 0 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................. 2 1.1. NGUYÊN NHÂN GÂY Ô NHIỄM NGUỒN NƢỚC ................................... 2 1.1.1. Nguồn gốc các chất ô nhiễm N, P trong nƣớc ........................................... 2 1.1.2. Sự chuyển hóa các chất ô nhiễm N, P trong nƣớc ..................................... 6 1.1.3. Tác hại của các chất ô nhiễm chứa N và P ................................................ 7 1.2. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG NƢỚC .............. 9 1.2.1. Các thông số cơ bản.................................................................................... 9 1.2.2. Tiêu chuẩn đánh giá mức độ ô nhiễm các nguồn nƣớc ........................... 12 1.3. PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG P.......................................... 15 1.3.1. Xác định hàm lƣợng phôtphat bằng phƣơng pháp trắc quang ................ 15 1.3.2. Xác định hàm lƣợng P tổng...................................................................... 17 1.4. PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG N ......................................... 17 1.4.1. Xác định hàm lƣợng ion amoni ................................................................ 17 1.4.2. Xác định hàm lƣợng N tổng ..................................................................... 18 1.5. PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ CÁC CHẤT Ô NHIỄM CHỨA N VÀ P ........... 19 1.5.1. Xử lý ion amoni NH4+ .............................................................................. 19 1.5.2. Xử lý ion nitrit NO2- ................................................................................. 21 1.5.3. Xử lý ion nitrat NO3-................................................................................. 21 1.5.4. Xử lý ion photphat .................................................................................... 22 1.5.5. Các phƣơng pháp mới đang đƣợc nghiên cứu và sử dụng để xử lý nƣớc thải ở Việt nam và thế giới ................................................................................. 23 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn ii CHƢƠNG 2. NỘI DUNG VÀ PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ..................... 27 2.1. DỤNG CỤ, MÁY MÓC, HÓA CHẤT ......................................................... 27 2.1.1. Dụng cụ, máy móc.................................................................................... 27 2.1.2. Hóa chất .................................................................................................... 27 2.2. NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH P ........................................ 29 2.2.1. Khảo sát các điều kiện tối ƣu ................................................................... 30 2.2.2. Đo phổ hấp thụ phân tử của hợp chất màu xanh molipden ..................... 31 2.2.3. Xây dựng đƣờng chuẩn xác định hàm lƣợng P ....................................... 32 2.2.4. Đánh giá độ tin cậy của đƣờng chuẩn xác định P ................................... 32 2.3. NGHIÊN CỨU PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH N ........................................ 32 2.3.1. Khảo sát các điều kiện tối ƣu ................................................................... 32 2.3.2. Đo phổ hấp thụ phân tử của dung dịch màu ............................................ 33 2.3.3. Xây dựng đƣờng chuẩn xác định hàm lƣợng N ...................................... 33 2.3.4. Đánh giá độ tin cậy của đƣờng chuẩn xác định N ................................... 33 2.4. PHƢƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH CHỈ SỐ DO VÀ COD ................................. 33 2.4.1. Xác định chỉ số DO .................................................................................. 33 2.4.2. Xác định chỉ số COD................................................................................ 34 2.5. ĐỐI TƢỢNG NGHIÊN CỨU VÀ VỊ TRÍ LẤY MẪU ............................... 35 2.5.1. Đối tƣợng nghiên cứu ............................................................................... 35 2.5.2. Vị trí lấy mẫu ............................................................................................ 37 2.5.3. Lấy mẫu và bảo quản mẫu ....................................................................... 38 2.6. PHÂN TÍCH MẪU NƢỚC THẢI ................................................................ 39 2.6.1. Phân tích mẫu xác định nồng độ photphat ............................................... 39 2.6.2. Phân tích mẫu xác định hàm lƣợng P tổng .............................................. 39 2.6.3. Phân tích mẫu xác định nồng độ NH4+ .................................................... 40 2.6.4. Phân tích mẫu xác định hàm lƣợng N tổng ............................................. 41 2.7. PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ Ô NHIỄM N VÀ P TRONG NƢỚC THẢI...... 42 2.7.1. Chuẩn bị bèo tây ....................................................................................... 42 2.7.2. Chuẩn bị mẫu nƣớc và nuôi bèo .............................................................. 43 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iii 2.7.3. Lấy mẫu và phân tích ............................................................................... 43 CHƢƠNG 3. KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN ..................................................... 44 3.1. XÂY DỰNG ĐƢỜNG CHUẨN XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG P................. 44 3.1.1. Khảo sát các điều kiện tối ƣu cho phản ứng tạo màu xanh Molipden .... 44 3.1.2. Kết quả đo phổ hấp thụ phân tử của hợp chất màu xanh Molipden ....... 50 3.1.3. Kết quả xây dựng đƣờng chuẩn xác định PO43- - P ................................. 51 3.1.4. Đánh giá độ tin cậy của đƣờng chuẩn xác định photphat ....................... 52 3.2. KẾT QUẢ XÂY DỰNG ĐƢỜNG CHUẨN XÁC ĐỊNH N ....................... 53 3.2.1. Kết quả khảo sát các điều kiện tối ƣu cho phản ứng tạo phức màu ........ 53 3.2.2. Kết quả đo phổ hấp thụ phân tử của phức màu ....................................... 54 3.2.3. Kết quả xây dựng đƣờng chuẩn xác định NH4+ - N ................................ 55 3.3. KẾT QUẢ XÁC ĐỊNH HÀM LƢỢNG N, P TRONG NƢỚC THẢI LÀNG NGHỀ GIẾT MỔ GIA SÚC ..................................................................... 56 3.3.1. Kết quả xác định hàm lƣợng N, P và các thông số ô nhiễm trong các mẫu nƣớc thải (đợt 1 – 18/4/2011) ..................................................................... 56 3.3.2. Kết quả xác định hàm lƣợng N, P và các thông số ô nhiễm trong các mẫu nƣớc thải (đợt 2 – 13/6/2011) ..................................................................... 60 3.3.3. Kết quả xác định hàm lƣợng N, P và các thông số ô nhiễm trong các mẫu nƣớc thải (đợt 3 – 21/7/2011) ..................................................................... 61 3.3.4. Đánh giá chung mức độ ô nhiễm N, P tại ao nƣớc thải làng Phúc Lâm ... 62 3.4. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU XỬ LÍ CÁC CHẤT Ô NHIỄM N, P TRONG NƢỚC THẢI LÀNG NGHỀ PHÚC LÂM BẰNG BÈO TÂY ........................... 64 3.4.1. Kết quả xử lí mẫu nƣớc thải bằng bèo đợt 1 (22/6 ÷ 01/7/2011) ............ 64 3.4.2. Kết quả xử lí mẫu nƣớc thải bằng bèo đợt 2 (11/7 ÷ 21/7/2011) ............ 67 KẾT LUẬN ......................................................................................................... 71 KIẾN NGHỊ ......................................................................................................... 72 TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................... 73 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn iv DANH MỤC CÁC BẢNG BIỂU Bảng 1.1. Mức độ ô nhiễm N tại thôn Phú Đô, xã Mễ Trì [31] ............................2 Bảng 1.2. Hàm lƣợng các chất ô nhiễm N trong nƣớc mặt ở một số tỉnh, thành vùng đồng bằng sông Hồng [2] ..................................................3 Bảng 1.3. Hàm lƣợng chất thải của con ngƣời vào môi trƣờng [7,48] .................3 Bảng 1.4. Các đặc tính trung bình của nƣớc thải đô thị [5]-tr.87..........................4 Bảng 1.5. Hàm lƣợng chất thải do hoạt động của con ngƣời [7] ..........................5 Bảng 1.6. Hàm lƣợng oxi hòa tan (DO) bão hòa trong nƣớc sạch ở các nhiệt độ khác nhau tại 1 at [8] .....................................................................10 Bảng 1.7. Giá trị giới hạn các thông số chất lƣợng nƣớc mặt (trích QCVN 08:2008/BTNMT) ...............................................................................12 Bảng 1.8. Giá trị C của các thông số ô nhiễm trong nƣớc thải công nghiệp (trích QCVN 24:2009/BTNMT)..........................................................13 Bảng 1.9. Giá trị các thông số ô nhiễm tối đa cho phép trong nƣớc thải sinh hoạt (trích QCVN 14:2008/BTNMT)..................................................14 Bảng 2.1. Chọn thể tích mẫu phân tích dựa vào hàm lƣợng N tổng ...................41 Bảng 3.1. Chuẩn bị các dung dịch màu xanh molipden ở các giá trị pH khác nhau ....44 Bảng 3.2. Chuẩn bị các dung dịch màu xanh molipden ở các nồng độ Si khác nhau khi dùng thuốc thử R .........................................................46 Bảng 3.3. Chuẩn bị các dung dịch màu xanh molipden ở các nồng độ Si khác nhau khi dùng TNKH ................................................................47 Bảng 3.4. Chuẩn bị các dung dịch màu xanh molipden ở các thể tích dung dịch TNKH khác nhau ........................................................................48 Bảng 3.5. Kết quả đo phổ hấp thụ electron của dung dịch màu xanh Molipden trong khoảng bƣớc sóng từ 600 ÷ 1000nm ........................50 Bảng 3.6. Dãy dung dịch chuẩn để xây dựng đƣờng chuẩn xác định photphat ..51 Bảng 3.7. Đánh giá độ tin cậy của đƣờng chuẩn xác định photphat bằng xử lí thống kê (xem phụ lục 1) ................................................................52 Bảng 3.8. Kết quả đo phổ hấp thụ electron của loạt dung dịch phức màu trong khoảng bƣớc sóng từ 350 ÷ 450nm ..........................................54 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn v Bảng 3.9. Dãy dung dịch chuẩn để xây dựng đƣờng chuẩn xác định amoni ......55 Bảng 3.10. Kết quả đo giá trị pH trong các mẫu nƣớc thải đợt 1........................56 Bảng 3.11. Kết quả xác định chỉ số DO (mg/l) trong các mẫu nƣớc thải đợt 1 ..57 Bảng 3.12. Kết quả chuẩn độ mẫu trắng .............................................................57 Bảng 3.13. Kết quả chuẩn độ mẫu nƣớc thải đợt 1 (thể tích muối Mohr tiêu tốn ml).................................................................................................58 Bảng 3.14. Kết quả xác định giá trị COD trong các mẫu nƣớc thải (đợt 1) ........58 Bảng 3.15. Kết quả phân tích hàm lƣợng N, P trong các mẫu của cống dẫn nƣớc thải đợt 1 ....................................................................................59 Bảng 3.16. Tổng hợp kết quả phân tích hàm lƣợng N, P và các thông số ô nhiễm (đợt 1) ......................................................................................60 Bảng 3.17. Tổng hợp kết quả phân tích hàm lƣợng N, P và các thông số ô nhiễm (đợt 2) ......................................................................................61 Bảng 3.18. Tổng hợp kết quả phân tích hàm lƣợng N, P và các thông số ô nhiễm (đợt 3) ......................................................................................62 Bảng 3.19. Tổng hợp trung bình kết quả phân tích hàm lƣợng N, P và các thông số ô nhiễm (3 đợt) ....................................................................62 Bảng 3.20. Kết quả nuôi bèo đợt 1 từ ngày 22/06/2011 đến 01/07/2011 ..........65 Bảng 3.21. Kết quả phân tích hàm lƣợng N, P và các thông số ô nhiễm trung bình trƣớc và sau xử lí bằng bèo (đợt 1) ............................................65 Bảng 3.22. Kết quả so sánh sự biến đổi hàm lƣợng N, P trong mẫu xử lí và mẫu ĐC không đƣợc xử lí (đợt 1- 22/6/2011)....................................66 Bảng 3.23. Kết quả nuôi bèo đợt 2 từ ngày 11/07/2011 đến 21/07/2011 ..........67 Bảng 3.24. Kết quả phân tích hàm lƣợng N, P và các thông số ô nhiễm trung bình trƣớc và sau xử lí bằng bèo (đợt 2) ............................................68 Bảng 3.25. Kết quả so sánh sự biến đổi hàm lƣợng N, P trong mẫu xử lí và mẫu ĐC không đƣợc xử lí (đợt 2- 11/7/2011)....................................68 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn vi DANH MỤC CÁC HÌNH VÀ ĐỒ THỊ Hình 2.1. Một phần của bãi nƣớc thải ................................................................. 36 Hình 2.2. Sơ đồ vị trí lấy mẫu nƣớc thải ............................................................. 37 Hình 2.3. Mẫu nƣớc thải đƣợc chứa trong chai polietilen .................................. 38 Hình 2.4. Hình ảnh cây bèo tây ........................................................................... 42 Hình 3.1. Ảnh hƣởng của pH đến phản ứng tạo hợp chất màu xanh molipden .. 45 Hình 3.2. Ảnh hƣởng của Si dến phản ứng tạo hợp chất màu xanh molipden sử dụng thuốc thử R không có kali antimonyl tactrat ....................... 46 Hình 3.3. Ảnh hƣởng của Si dến phản ứng tạo hợp chất màu xanh molipden sử dụng TNKH có kali antimonyl tactrat ........................................... 47 Hình 3.4. Sự phụ thuộc mật độ quang của hợp chất màu xanh molipden vào thể tích TNKH .................................................................................... 49 Hình 3.5. Độ bền của hợp chất màu xanh molipden vào thời gian ..................... 49 Hình 3.6. Phổ hấp thụ electron của dung dịch màu xanh molipden .................... 51 Hình 3.7. Đƣờng chuẩn xác định hàm lƣợng PO43- - P ....................................... 52 Hình 3.8. Ảnh hƣởng của pH đến phản ứng tạo phức màu giữa NH4+ và thuốc thử Nessler .......................................................................................... 53 Hình 3.9. Sự phụ thuộc độ bền của phức màu giữa NH4+ và thuốc thử Nessler vào thời gian ....................................................................................... 53 Hình 3.10. Phổ hấp thụ electron của phức màu với nồng độ NH4+-N =1mg/l .... 54 Hình 3.11. Phổ hấp thụ electron của loạt dung dịch phức màu ........................... 55 Hình 3.12. Đƣờng chuẩn xác định hàm lƣợng NH4+ - N .................................... 56 Hình 3.13. Hình ảnh mẫu nƣớc thải trƣớc và sau xử lí (đợt 1) .......................... 64 Hình 3.14. Hình ảnh mẫu nƣớc thải trƣớc và sau xử lí (đợt 2) .......................... 67 Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 1 MỞ ĐẦU Ô nhiễm nƣớc đang là mối quan tâm lớn của toàn cầu. Trong hôi nghị thƣợng đỉnh thế giới về phát triển bền vững (Johan nesbugr, 2002) nƣớc đƣợc xếp là tài nguyên thiên nhiên quan trọng thứ 2 sau tài nguyên con ngƣời. Tài nguyên nƣớc đang chịu sức ép nặng nề do biến đổi khí hậu, tốc độ tăng dân số, phát triển mạnh mẽ của các hoạt động phát triển kinh tế … và tình trạng suy thoái, ô nhiễm nƣớc ngày càng trầm trọng. Qúa trình đô thị hóa, công nghiệp hóa, hiện đại hóa phát triển càng mạnh thì nhu cầu về nƣớc ngọt càng lớn. Vì vậy nguồn nƣớc ngọt ngày càng bị cạn kiệt. Ô nhiễm trở thành hiện tƣợng phổ biến và ngày càng quan trọng trên toàn thế giới đặc biệt là ô nhiễm nƣớc mặt và nƣớc nguồn. Nƣớc mặt đang chịu ảnh hƣởng mạnh nhất của con ngƣời và là nơi bị ô nhiễm nặng nề nhất. Các dạng ô nhiễm thƣờng gặp là: ô nhiễm phú dƣỡng, ô nhiễm do kim loại nặng và các hợp chất độc hại, ô nhiễm vi sinh vật và thuốc bảo vệ thực vật. Trong đó phú dƣỡng là hiện tƣợng ô nhiễm phổ biến ở Việt Nam. Hầu hết các sông ngòi, ao hồ, kênh rạch…đều bị ô nhiễm phú dƣỡng ở các mức độ khác nhau. Biểu hiện phú dƣỡng của các ao hồ là nồng độ chất dinh dƣỡng N, P cao, tỷ lệ P/N cao do sự tích lũy tƣơng đối P so với N, sự yếm khí và môi trƣờng khử của lớp nƣớc đáy thủy vực, sự phát triển mạnh mẽ của tảo và nở hoa tảo, sự kém đa dạng của các sinh vật nƣớc, đặc biệt là cá, nƣớc có màu xanh đen hoặc đen, có mùi tanh hôi thối. Là một quốc gia đang phát triển, Việt Nam cũng đã sớm ý thức đƣợc tầm quan trọng về vấn đề môi trƣờng. Năm 1994, Nhà nƣớc Vệt Nam đã ban hành luật môi trƣờng. Tuy nhiên trên thực tế vì nhiều nguyên nhân, việc thực thi luật môi trƣờng ở nƣớc ta chƣa đƣợc nhƣ mong muốn. Đặc biệt trong lĩnh vực nƣớc sinh hoạt: hầu nhƣ chƣa có thành phố, làng nghề nào ở Việt Nam có hệ thống xử lý nƣớc thải sinh hoạt. Điều này thể hiện rất rõ ở các làng nghề giết mổ gia súc, Làng Phúc Lâm xã Hoàng Ninh, huyện Việt Yên tỉnh Bắc Giang là một trong số đó. Xuất phát từ tình hình ô nhiễm nói chung và tình hình ô nhiễm nƣớc ao hồ tại làng nghề giết mổ gia súc nói riêng, ý thức đƣợc tầm quan trọng việc xử lý ô nhiễm nƣớc mặt, chúng tôi chọn đề tài “Nghiên cứu phân tích và xử lý nước thải làng nghề giết mổ gia súc Phúc Lâm, huyện Việt Yên, tỉnh Bắc Giang”. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 2 CHƢƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. NGUYÊN NHÂN GÂY Ô NHIỄM NGUỒN NƢỚC Có nhiều nguyên nhân gây ô nhiễm các nguồn nƣớc, chủ yếu là do con ngƣời sử dụng trong sinh hoạt, công nghiệp, nông nghiệp, bệnh viện và các hoạt động khác thải ra. Trong nƣớc thải có chứa nhiều chất gây ô nhiễm, có thể chia thành các nhóm chính sau: - Nhóm chất thải sinh họat: từ các khu dân cƣ đô thị, trƣờng học, bệnh viện... - Nhóm chất thải công nghiệp: từ các nhà máy hoá chất, dệt, nhuộm, luyện kim, giấy, chế biến nông sản, thực phẩm, các lò giết mổ gia súc... - Nhóm chất thải nông nghiệp: từ phân bón, thuốc hoá học bảo vệ thực vật (HHBVTV), các trang trại, đồng ruộng... Các chất thải rất đa dạng và phong phú, chúng tồn tại ở cả thể rắn, thể lỏng và thể khí. Bao gồm các kim loại và phi kim, các đơn chất và hợp chất, các chất vô cơ và hữu cơ, các chất độc, ít độc và không độc. Những chất thải này, qua các quá trình phong hóa, biến đổi tạo thành các ion đi vào nguồn nƣớc, cả trong nƣớc mặt, nƣớc thải và nƣớc ngầm. 1.1.1. Nguồn gốc các chất ô nhiễm N, P trong nƣớc 1. Sự hoạt động của các làng nghề là một nguyên nhân quan trọng gây ô nhiễm các nguồn nƣớc. Chẳng hạn, ở làng nghề Phú Đô, xã Mễ Trì, huyện Thanh Trì, lƣợng nƣớc thải do sinh hoạt, sản xuất bún và chăn nuôi lợn đã lên tới 900m3/ ngày, với mức độ ô nhiễm rất cao [31]. Bảng 1.1. Mức độ ô nhiễm N tại thôn Phú Đô, xã Mễ Trì [31] Hàm lƣợng (mg/l) 12/6/95 30/10/95 21/2/96 25/4/96 NH4+- N 37,0 126,4 123,6 130,0 1,0 6,5 4,6 / - NO3 - N Ngày lấy mẫu Theo điều tra của Bộ Khoa học và công nghệ, ô nhiễm nƣớc tại các đô thị và khu công nghiệp ở nƣớc ta nói chung và đồng bằng sông Hồng nói riêng Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 3 đang ở mức báo động. Hàm lƣợng các chất ô nhiễm nhƣ: các chất rắn lơ lửng, chất hữu cơ, kim loại nặng, thuốc HHBVTV, đặc biệt là các hợp chất chứa N, P và chỉ số BOD đều vƣợt quá tiêu chuẩn cho phép từ 5  10 lần. Và không có một con sông nào đạt tiêu chuẩn nƣớc mặt loại A, chỉ một số đạt loại B [2]. Bảng 1.2. Hàm lượng các chất ô nhiễm N trong nước mặt ở một số tỉnh, thành vùng đồng bằng sông Hồng [2] NH4+- N (mg/l) 0,43 NO2– - N (mg/l) 2,00 NO3– -N (mg/l) 9,88 Cầu Diễn, Hà Nội 0,09 0,00 1,30 Cầu Giấy, Hà Nội 1,30 0,40 0,20 Ngọc Hồi, Hà Nội 0,10 0,10 3,10 Nghĩa Đô, Hà Nội 1,79 1,00 0,20 Hồ Bảy Mẫu, Hà Nội 0,30 1,00 0,50 Hải Phòng 0,10 0,05 1,20 Địa điểm Nam Định 2. Nguyên nhân chủ yếu làm tăng hàm lƣợng các chất ô nhiễm N và P trong nƣớc mặt và nƣớc thải là các nguồn chất thải sinh hoạt của con ngƣời, động vật và các trang trại chăn nuôi gia súc. Các hợp chất hữu cơ từ những nguồn này bị phân huỷ dƣới tác dụng của vi sinh vật (VSV), làm cho nồng độ các ion chứa N, P tăng lên [23, 48]. Bảng 1.3. Hàm lượng chất thải của con người vào môi trường [7,48] STT Tác nhân gây ô nhiễm Hàm lƣợng (mg/l) 1 Tổng nitơ (theo N) Trong đó: N (hữu cơ) N (vô cơ) 6 12 40% (của tổng N) 60% (của tổng N) 0,8  4 2 70% (của tổng P) 30% (của tổng P) Nƣớc thải đô thị chủ yếu là nƣớc mƣa và nƣớc sinh hoạt gia đình, một Tổng photpho (theo P) Trong đó: P (vô cơ) P (hữu cơ) phần là nƣớc thải của các cơ sở công nghiệp xen lẫn trong các khu dân cƣ đô Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 4 thị. Tùy theo mức độ xử lí, nƣớc thải công nghiệp sẽ đƣợc hòa vào hệ thống thoát nƣớc chung hay hệ thống thoát nƣớc riêng [4]. Khi nƣớc thải công nghiệp đã xử lí đạt mức đƣợc phép thải vào hệ thống thoát nƣớc chung, đƣợc gọi chung là nƣớc thải đô thị [4]-tr.81. Nƣớc thải đô thị có các đặc tính trung bình chỉ ra ở bảng 1.5. Bảng 1.4. Các đặc tính trung bình của nước thải đô thị [5]-tr.87 Các tham số Hàm lƣợng Phần lắng gạn đƣợc 7,5  8,5 / 1000  2000 10% 15  200 50  60% BOD5 (mg/l) 100  400 20  30% COD (mg/l) 300 1000 20  30% Tổng các bon hữu cơ COT (mg/l) 100  300 / Tổng nitơ Kjeldahl NTK (mg/l) 30  100 10% NH4+-N (mg/l) 20  80 0% NO2--N (mg/l) <1 0% NO3--N (mg/l) <1 0% Chất tẩy rửa (mg/l) 6  13 0% P (mg/l) 10  25 10% pH Tách khô (mg/l) Chất huyền phù (MES) toàn phần (mg/l) Trong khi nƣớc thải sinh hoạt có đặc tính ít thay đổi, thì nƣớc thải công nghiệp lại có đặc tính rất khác nhau. Nƣớc thải công nghiệp thƣờng có chứa các chất ô nhiễm với tỉ lệ rất lớn, vì thế cần có biện pháp xử lí riêng biệt cho mỗi ngành công nghiệp [4]-tr.94. Tỉ số COD/BOD của nƣớc thải dân dụng và đô thị thƣờng dao động trong khoảng 2  2,5, trong khi đó tỉ số này đối với nƣớc thải công nghiệp biến đổi rất nhiều, thậm trí lên tới 10 [4]- Tr.86-97. Nƣớc thải công Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 5 nghiệp không có đặc điểm chung, mà phụ thuộc vào từng ngành sản xuất. Dƣới đây đƣa ra một số dữ liệu. Bảng 1.5. Hàm lượng chất thải do hoạt động của con người [7] STT Nguồn chất thải 1 Sinh hoạt 2 Chế biến sữa 3 Lò mổ trâu, bò Chất ô nhiễm Hàm lƣợng N tổng 6 12 mg/ngƣời/ngày NH4+ 60% của N tổng N hữu cơ 73,2mg/l P 59,0mg/l N hữu cơ 154,0mg/l 3. Ở nƣớc ta có khoảng 90% cơ sở sản xuất và hầu hết các khu công nghiệp chƣa có hệ thống xử lý nƣớc thải. Các nhà máy, xí nghiệp chỉ tiến hành xử lý sơ bộ rồi thải thẳng ra môi trƣờng, do đó đã gây ô nhiễm các nguồn nƣớc mặt, mƣơng dẫn nƣớc và các dòng sông. Nƣớc thải của các ngành công nghiệp sản xuất phân bón, thực phẩm, chế biến thủy hải sản, luyện cốc..., không những làm tăng hàm lƣợng các ion chứa N, P trong nƣớc mà còn làm tăng hàm lƣợng nhiều chất ô nhiễm nguy hiểm khác. Các cơ sở sản xuất công nghiệp ở các tỉnh Cao Bằng, Bắc Cạn, Thái Nguyên, Bắc Giang, Bắc Ninh, là nguyên nhân chính gây ô nhiễm cho sông Cầu [22]. Trong nƣớc tự nhiên, vùng không bị ô nhiễm chỉ chứa một lƣợng nhỏ NH4+ (< 0,05mg NH4+-N/l). Trong khi đó nồng độ NH4+ trong nƣớc thải của các khu công nghiệp chế biến thực phẩm và nƣớc thải sinh hoạt có thể lên tới 10  100mg NH4+-N/l. Theo qui định của Hà Lan, nƣớc thải có hàm lƣợng NH4+  5mg NH4+ -N/l đã đƣợc xem là ô nhiễm nặng. Cũng trong nƣớc tự nhiên, vùng không bị ô nhiễm, nồng độ NO3- thƣờng < 5mg N/l, nồng độ photphat < 0,01mg P/l, do đó ít gây ảnh hƣởng đến sức khỏe con ngƣời và môi trƣờng. Ví dụ, nƣớc sông Mekong, vùng không bị ô nhiễm có nồng độ nitrat khoảng 0,5mg N/l, nồng độ photphat khoảng 0,05mg P/l hoặc nhỏ hơn [26,27]. Trong khi đó, ở vùng bị ô nhiễm, nồng độ NO3- có thể lên tới 10mg N/l, nồng độ photphat có thể tới 0,5mg P/l hoặc cao hơn. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 6 4. Việt nam là một nƣớc nông nghiệp, vì thế một lƣợng lớn photphat, amoni, nitrat, đƣợc sử dụng làm phân bón trong trồng trọt. Lƣợng phân dƣ thừa do cây cối không hấp thụ hết, bị giữ lại trong đất, một phần bị rửa trôi đi vào các nguồn nƣớc mặt và nƣớc ngầm. Ngƣời ta đã xác định đƣợc rằng, trong điều kiện lí tƣởng về nhiệt độ, thời tiết và kỹ thuật chỉ có 50  70% lƣợng phân bón đƣợc cây sử dụng, 2  20% bị mất do bay hơi, 15  20% đƣợc giữ lại trong đất do liên kết với các hạt sét, hạt keo, 2 10% bị rửa trôi. Trong điều kiện nóng ẩm cùng với nghề trồng lúa nƣớc ở nƣớc ta, thì tỉ lệ rửa trôi và mất mát chắc chắn còn lớn hơn rất nhiều [5]. Tóm lại, các chất ô nhiễm N và P trong nƣớc mặt và nƣớc thải, có xuất xứ bởi nhiều nguyên nhân và tồn tại ở nhiều dạng khác nhau, nguyên nhân chủ yếu là do tác động của con ngƣời. Từ đó cho thấy, việc quản lí và bảo vệ môi trƣờng cần phải đƣợc thực hiện nghiêm túc theo pháp luật. 1.1.2. Sự chuyển hóa các chất ô nhiễm N, P trong nƣớc 1. Các chất hữu cơ trong nƣớc thải sinh hoạt chủ yếu gồm: protein (~40  50%), hidratcacbon (~40  50%) và chất béo (~5  10%). Đa số trong đó là các hợp chất dễ phân hủy sinh học, một số phân hủy chậm, và có khoảng 20  40% khó hoặc không bị phân hủy bởi VSV [21]. Các chất có khả năng phân hủy sinh học là: đƣờng, protein, phenol, một số trƣờng hợp gồm cả formaldehyt, anilin, thuốc tẩy rửa và hidrocacbon thơm. 2. Do sự biến đổi sinh học và hoá học, ion NH4+ bị chuyển hoá thành NO2- và NO3-. Nitrat là sản phẩm cuối cùng của sự phân huỷ các hợp chất hữu cơ chứa N có trong chất thải của ngƣời và động vật [11]-tr.200: VSV VSV VSV Hợp chất hữu cơ (chứa N)  NH4  NO2  NO3+ - (1.1) Nhƣ vậy, khi hàm lƣợng các chất ô nhiễm nhỏ, các quá trình tự nhiên có thể tự làm sạch chúng. Tuy nhiên, tốc độ của quá trình oxi hóa (1.1) xảy ra rất chậm và phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ. Trong khoảng từ 9  26oC quá trình này thay đổi rất ít, nhƣng ở nhiệt độ < 9oC tốc độ oxi hóa xảy ra cực kỳ chậm, còn ở 0oC quá trình nitrit hóa hầu nhƣ bị đình trệ hoàn toàn [30]. Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 7 3. Các hợp chất P tan trong nƣớc, tồn tại dƣới nhiều dạng khác nhau, chủ yếu là các polyphotphat và octophotphat. Trong công nghiệp chất tẩy rửa, ngƣời ta hay sử dụng các loại Na5P3O10, Na4P2O7 hoặc dạng (NaPO3)5. Khi thải vào môi trƣờng, các chất này có thể tự thủy phân, dƣới tác dụng của VSV thành octophophat [4,8]: Hoặc: P3O105- + 2H2O  2HPO42- + H2PO4- (1.2) + H2O  2HPO42- (1.3) P2O74- 2P3O10 + H2O  3P2O7 5- 3P2O74- 4- + + 2H + 3H2O  6PO43- + 6H+ (1.4) Tốc độ của các quá trình này tăng theo nhiệt độ và độ axit của môi trƣờng [4]. Các octophotphat đƣợc đồng hóa bởi các thực vật phù du, rong, tảo… và tạo thành các hợp chất P hữu cơ. Các thực vật phù du lại bị đồng hóa bởi các động vật phù du và thải ra các dạng P vô cơ để tiếp tục chu kỳ [56]. Khi lƣợng oxi hòa tan thấp (DO < 2 ppm), các VSV sẽ lấy oxi của các hợp chất chứa oxi để thực hiện các phản ứng khử yếm khí [8], tr.112: SO42-  H2S  S Ví dụ: (1.5) VSV C6H12O6 + 4NO3-  2N2 + 6O2 + 6H2O (1.6) VSV 4NO3- + 5[C]  2N2 + 3CO2 + 2CO32- (1.7) VSV 6NO3- + 5[S] + 2CaCO3  3N2 + 2CO2 + 2CaSO4 + 3 SO42- (1.8) 1.1.3. Tác hại của các chất ô nhiễm chứa N và P 1. Nhìn chung, các ion photphat ít hoặc không độc hại với sức khỏe con ngƣời [19,56]. Nhƣng, ở dạng hữu cơ, nhất là các hợp chất có trong thành phần của thuốc HHBVTV và sản phẩm y tế, thì gây nhiều tác hại cho con ngƣời và môi trƣờng. Một số lọai bị phân hủy khá nhanh, một số khác lại rất bền vững, tồn lƣu lâu và tích lũy trong nông sản, thực phẩm [33]. 2. Hầu hết các chất thải hữu cơ là thực phẩm của VSV, khi hàm lƣợng các chất hữu cơ cao, VSV phát triển rất mạnh. VSV vừa tiêu thụ chất thải vừa tiêu thụ oxi tan trong nƣớc, do đó DO giảm. Vì vậy, những động vật thủy sinh Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 8 nhƣ cá, tôm, và các VSV hiếu khí cần oxy để sống sẽ bị chết, các VSV yếm khí lại có điều kiện phát triển mạnh, chúng phân hủy các chất thải thành những sản phẩm độc hại có mùi hôi thối, khó chịu. Vì vậy nƣớc đã bị ô nhiễm càng bị ô nhiễm nặng hơn [12,19]. 3. Các ion chứa N, P là ―thực phẩm‖ của rong tảo [19,39], khi hàm lƣợng các ion này cao, rong tảo phát triển rất mạnh, nƣớc có màu xanh, độ nhớt tăng lên, gây tắc nghẽn dòng chảy. Đó là hiện tƣợng phú dƣỡng hay phì dƣỡng (Eutrophication). Những lớp rong tảo sống gần mặt nƣớc, cản trở ánh sáng mặt trời rọi xuống lớp rong tảo ở dƣới, gây hạn chế quá trình quang hợp, DO giảm, rong tảo phía dƣới bị chết. Khi rong tảo chết lại cần một lƣợng lớn oxi để phân hủy, vì thế lƣợng oxi đã ít lại càng ít hơn. Đó là nguyên nhân làm cho các VSV hiếu khí không phát triển đƣợc hoặc bị chết, còn các VSV yếm khí càng hoạt động mạnh hơn và gây ô nhiễm nguồn nƣớc nặng hơn [19]. Hiện tƣợng phú dƣỡng phụ thuộc vào dòng nƣớc sạch, chu kỳ dinh dƣỡng, sự pha loãng nguồn nƣớc và sự đối lƣu giữa các lớp nƣớc [8]-tr.112, [56]. 4. Hàm lƣợng NH4+ cao ảnh hƣởng đến sự phát triển của cá, gây kích thích mạnh cơ quan hô hấp, co giật và chết. Với hàm lƣợng NH4+ -N < 0,3mg/l và NO2- - N < 0,01mg/l thì không gây nguy hại cho các loài cá [57]. Đối với ngƣời, khi xâm nhập vào cơ thể, NH4+ tích luỹ và gây những biến đổi trong quá trình trao đổi, chuyển hóa các chất, đồng thời làm tăng pH của cơ thể ngƣời [6]. Khí NH3 là chất kích thích, tác động lên mắt, mũi, họng và phổi, bào mòn niêm mạc miệng, thực quản và dạ dày [12]. 5. Ion NO3- nhất là ion NO2- với hàm lƣợng cao có thể gây hại cho sức khoẻ con ngƣời, đặc biệt là bệnh thiếu máu (chứng methaemo - globinaemia). Ngoài ra, sự dƣ thừa nitrat có thể dẫn đến sự tạo thành nitrosamin một hợp chất gây ung thƣ đƣờng tiêu hoá [12]. Theo Tổ chức y tế thế giới (WHO), hàm lƣợng NO3- trong nƣớc uống không đƣợc vƣợt quá 10mg NO3--N/l, hay nồng độ cho phép của ion NO3--N trong nƣớc uống không đƣợc vƣợt quá 9 mg/l [12, 51]. Nitrit là chất rất độc, ít bền và dễ bị oxi hoá thành nitrat. Khi xâm nhập vào cơ thể, nitrit đi vào máu, kết hợp với hemoglobin chuyển thành Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 9 methemoglobin và methemoglobinamin là chất ngăn cản việc liên kết và vận chuyển O2, gây bệnh thiếu O2 trong máu, sinh bệnh máu trắng [8,50, 51]: 4HbFe2+ O2 + 4NO2- + 2 H2O  4HbFe3+OH + 4NO3- + O2 (hemoglobin) (1.9) (methemoglobin) Nitrit có thể nitro hoá các amin và amit trong môi trƣờng axit yếu thành các nitrosamin, là nguyên nhân gây bệnh ung thƣ và quái thai...[8]-tr.144. R2NH + HNO2  R2N-NO + H2O (1.10) Các nitrat và nitrit hữu cơ là các este của axit HNO3 và HNO2, trong phân tử có một vài nhóm -ONO2 hoặc -NO2. Khi nhiễm vào cơ thể ngƣời, chúng cũng oxy hóa hemoglobin thành metahemoglobin gây bệnh chóng mặt, nhức đầu, hạ huyết áp. Tóm lại, sự gia tăng hàm lƣợng N, P vô cơ là nguyên nhân gây nên hiện tƣợng phú dƣỡng nguồn nƣớc mặt, thúc đẩy sự phát triển mạnh của các loài thực vật bậc thấp (rong, tảo) và các thực vật bậc cao [22]. Khi nồng độ P tổng  0,5mg/l và nồng độ octophotphat  0,05mg/l thì có thể vĩnh viễn không xảy ra hiện tƣợng phú dƣỡng [56]. 1.2. CÁC THÔNG SỐ CƠ BẢN ĐÁNH GIÁ CHẤT LƢỢNG NƢỚC 1.2.1. Các thông số cơ bản 1. Trị số pH pH là chỉ tiêu cần kiểm tra đối với chất lƣợng nƣớc cấp và nƣớc thải. Giá trị pH của nƣớc có ảnh hƣởng quan trọng tới thành phần các chất trong nƣớc, ảnh hƣởng đến các quá trình lý học, hóa học và sinh học xảy ra trong nƣớc [42]. 2. Độ đục Độ đục của nƣớc là do các hạt rắn lơ lửng, huyền phù gây nên. Độ đục làm giảm khả năng truyền ánh sáng trong nƣớc, ảnh hƣởng tới quá trình quang hợp của các thực vật dƣới nƣớc, gây mất thẩm mỹ khi sử dụng nƣớc... Đơn vị đo độ đục đƣợc tính bằng số mg SiO2/l và 1 đơn vị độ đục bằng 1mg SiO2/l. Đơn vị chuẩn của độ đục là sự cản trở quang học do 1mg SiO2 hòa tan trong 1 lít nƣớc gây ra [8]-tr.152, [29]-tr.102. 3. Hàm lượng oxi hòa tan DO (Disssolved Oxygen) Oxi hòa tan trong nƣớc tham gia vào nhiều quá trình trao đổi chất và năng lƣợng, duy trì sự sống, sinh trƣởng và phát triển cho các sinh vật trong Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn 10 nƣớc. Ngoài ra, oxi hòa tan còn giúp cho nhiều quá trình lý học, hóa học và sinh học xảy ra trong nƣớc. DO là một chỉ tiêu cho phép đánh giá chất lƣợng nguồn nƣớc [42]- tr.2010. - Khi chỉ số DO thấp, có nghĩa là nƣớc chứa nhiều chất hữu cơ, nhu cầu oxi hóa sinh học, hóa học cao, mức tiêu thụ oxi lớn. - Khi chỉ số DO cao, chứng tỏ hàm lƣợng các chất hữu cơ trong nƣớc nhỏ và nguồn nƣớc có nhiều rong tảo tham gia quá trình quang hợp giải phóng oxi. Chỉ số DO rất quan trọng để duy trì điều kiện hiếu khí và là cơ sở để xác định nhu cầu oxi hóa sinh học. Khả năng hòa tan của oxi vào nƣớc phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất và mức độ ô nhiễm nguồn nƣớc [8]. Bảng 1.6. Hàm lượng oxi hòa tan (DO) bão hòa trong nước sạch ở các nhiệt độ khác nhau tại 1 at [8] Nhiệt độ ( 0C) 0 5 Nƣớc ngọt (mg/l) 14,6 Nƣớc biển (mg/l) 11,3 10 15 20 25 30 12,8 11,3 10,2 9,2 8,4 7,6 10,0 9,0 6,7 6,1 8,1 7,1 4. Nhu cầu oxi hóa sinh học BOD (Biochemical Oxygen Demand) Nhu cầu oxi hóa sinh học (BOD) là lƣợng oxy cần thiết để VSV tiêu thụ khi phân hủy các chất hữu cơ trong nƣớc ở điều kiện hiếu khí. BOD là một chỉ tiêu quan trọng để đánh giá mức độ ô nhiễm nguồn nƣớc bởi các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học. BOD càng cao, chứng tỏ lƣợng chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học chứa trong nƣớc càng nhiều. Quá trình oxy hóa sinh học xảy ra qua hai giai đoạn [8]: - Giai đoạn 1. Chủ yếu oxi hóa các hợp chất hữu cơ: VSV Hợp chất hữu cơ (có khả năng bị oxi hóa sinh học) + O2 (DO) → CO2 + H2O (1.11) - Giai đoạn 2. Oxi hóa các hợp chất N, giai đoạn này bắt đầu sau ngày thứ 10 (có trƣờng hợp bắt đầu từ ngày thứ 5): VSV 2NH4 + 3O2  2NO2- + 4H+ + 2H2O + (1.12) Số hóa bởi Trung tâm Học liệu – Đại học Thái Nguyên http://www.lrc-tnu.edu.vn