Nghiên cứu khả năng tự làm sạch của hồ đô thị bằng hệ thực vật nước

Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 233 NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG TỰ LÀM SẠCH CỦA HỒ ĐÔ THỊ BẰNG HỆ THỰC VẬT NƯỚC RESEARCHING SELF-PURIFICATION CAPACITY OF CITY LAKE BY PLANTS SVTH: VÕ DIỆP NGỌC KHÔI - VĂN NGỌC PHÚ, lớp 03MT NGUYỄN DƢƠNG QUANG CHÁNH, lớp 05MT Trường Đại học Bách Khoa GVHD: TS. TRẦN VĂN QUANG Khoa Môi Trường, Trường Đại học Bách Khoa Đà Nẵng TÓM TẮT Bài báo cáo trình bày kết quả xác định các hệ số tốc chuyển hóa chất bẩn của thực vật, áp dụng vào mô hình chất lượng nước để kiểm soát ô nhiễm nước hồ đô thị. SUMMARY This report presents the result of detemining pollutant trasforming rate coefficient of plants, using into the water-quality modeling to control pollution of lake water. 1. Mở đầu Hồ có mặt tại hầu hết các đô thị và đóng vai trò quan trọng trong việc tiếp nhận và điều hoà nƣớc và khí hậu, tạo cảnh quan, và là nơi vui chơi giải trí của cộng đồng. Hiện nay, dƣới áp lực của quá trình đô thị hoá, hệ thống thu gom nƣớc thải không hợp lý, ý thức của ngƣời dân còn kém khiến tải lƣợng chất bẩn xả xuống hồ tăng nhanh là nguyên nhân chính gây ra ô nhiễm nƣớc hồ đô thị. Vì vậy, việc khôi phục, giữ gìn và phát huy vai trò hồ đô thị đang là vấn đề thời sự với câu hỏi đặt ra là: Cơ sở nào và công cụ gì góp phần quản lý hồ có hiệu quả và kinh tế? Trong công tác quản lý tổng hợp nguồn nƣớc, mô hình chất lƣợng nƣớc (MHCLN) là một công cụ đắc lực, toàn diện và mang lại hiệu quả kinh tế cao. MHCLN cung cấp các cơ sở khoa học giúp các nhà quản lý đề ra các giải pháp bảo vệ và khai thác hiệu quả nguồn nƣớc. Trên thế giới đã có nhiều nghiên cứu về MHCLN, muốn áp dụng các mô hình này tại Việt Nam phải có những nghiên cứu thực nghiệm để hiệu chỉnh các thông số cho phù hợp. MHCLN hồ thƣờng đƣợc thiết lập và áp dụng cho đối tƣợng cụ thể, với mục đích mô phỏng các yếu tố đơn nhƣ dinh dƣỡng, chất hữu cơ, sự phát triển của thực vật phù du và động vật phù du... đặc biệt là oxy hòa tan, một trong những yếu tố quyết định đến chất lƣợng của nƣớc hồ. Hình 1: Cân bằng oxy hòa tan trong hồ Oxy hòa tan Nitrat hóa Khử nitrat hóa Nhu cầu oxy do hô hấp Nhu cầu oxy của bùn đáy Bổ sung do quá trình quang hợp Nhu cầu oxy Phân hủy sinh hóa Trao đổi oxy tự nhiên Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 234 Biến thiên nồng độ oxy hòa tan trong hồ đƣợc biểu diễn theo phƣơng trình: NkLkADODOk dt dDO nBHa  121 )()(  Trong đó ka - Hệ số tốc độ khuếch tán oxy qua bề mặt thoáng, ngày -1 ; kd - Hệ số tốc độ phân hủy các chất hữu cơ, ngày-1; kn - Hệ số chuyển hóa hợp chất nitơ, ngày -1 ; A - Nồng độ sinh khối tảo, mg/l; DO - Nồng độ oxy hòa tan, mg/l; DOBH - Nồng độ oxy hòa tan trạng thái bão hòa, mg/l; L- Nồng độ chất hữu cơ theo BOD, mg/l; N - Nồng độ các hợp chất chứa Nitơ, mg/l; 1 - Hệ số tốc độ sản xuất oxy do quang hợp của một đơn vị sinh khối tảo, mgO/mgA 2 - Hệ số tốc độ tiêu thụ oxy do hô hấp của một đơn vị sinh khối tảo, mgO/mgA;  - Hằng số tốc độ sinh trưởng của tảo, ngày-1;  - Hệ số hô hấp của tảo, ngày-1 Giải phƣơng trình trên có thể mô phỏng, dự báo diễn thế chất lƣợng nƣớc hồ. Vấn đề đặt ra là phải xác định đƣợc các hệ số của phƣơng trình trong điều kiện thực tế để áp dụng cho từng đối tƣợng cụ thể. Đặc biệt là các hệ số chuyển hóa chất bẩn của các loại thực vật nƣớc nhƣ bèo, tảo là thành phần luôn có mặt trong hồ. Mục đích đề tài: - Xác định hệ số tốc độ chuyển hóa chất bẩn của hệ thực vật nƣớc trong hồ đô thị. - Áp dụng các hệ số này vào mô hình toán mô phỏng chất lƣợng nƣớc hồ. 2. Nội dung 2.1. Làm mô hình - Dùng thùng xốp: kích thƣớc 120cmx35cmx40cm. - Đƣa thực vật vào mô hình: cỏ vetiver, bèo đƣa vào thùng xốp với diện tích 90% mặt thoáng; cấp sinh khối tảo. - Các mô hình đƣợc bố trí tại phòng thí nghiệm. Hình 2: Bè cỏ vetiver Hình 3: Bèo Tây Hình 4: Tảo BAÛN VEÕ CHI TIEÁT CAÙC MOÂ HÌNH CHI TIEÁT BEØ COÛ VETIVER 1 2 3 4 5 6 MAËT CAÉT ÑÖÙNG MAËT BAÈNG CHUÙ THÍCH: 1 MOÂ HÌNH COÛ VETIVER MOÂ HÌNH BEØO TAÂY2 3 MOÂ HÌNH TAÛO 4 GIAÙ ÑÔÕ BAÈNG THEÙP 5 BEØ XOÁP 6 MUÙT COÁ ÑÒNH COÛ VAØO BEØ Hình 5: Bố trí các mô hình Hình 6: Chi tiết mô hình Hình 7: Lấy mẫu Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 235 2.2. Vận hành mô hình - Cấp nƣớc hồ đô thị có nồng độ xác định, mẫu nƣớc đƣợc pha từ nƣớc hồ cá và nƣớc phân bùn bể phốt. - Theo dõi sự biến thiên nồng độ chất bẩn của từng mô hình theo thời gian (ngày). 2.3. Xác định hệ số tốc độ chuyển hóa theo thời gian (ngày) Giả thiết rằng, quá trình chuyển hóa (phân hủy) các chất hữu cơ, các chất dinh dƣỡng khi đƣợc khuấy trộn trong điều kiện lý tƣởng đƣợc diễn ra theo phản ứng bậc nhất: Ck dt dC d Trong đó C – Nồng độ các chất hữu cơ, các chất dinh dƣỡng, mg/l k – Hệ số tốc độ phân hủy hoặc hệ số chuyển hóa, ngày-1 Xác định thực nghiệm: tkeCC .0.   t C C k 0 ln  Tƣơng ứng với mỗi thời điểm đo nồng độ C, xác định đƣợc k chính là hệ số góc của đƣờng tiếp tuyến đƣờng cong lập bởi các giá trị thực nghiệm. - Thực nghiệm 1: xác định hệ số tốc độ khử COD, Amôn, Nitrat, Phốt phát của cỏ vetiver. - Thực nghiệm 2: xác định hệ số tốc độ khử COD, Amôn, Nitrat, Phốt phát của bèo tây. - Thực nghiệm 3: xác định hệ số tốc độ khử COD, Amôn, Nitrat, Phốt phát của tảo. 2.4. Phương pháp: mô hình thực nghiệm. 3. Kết quả và thảo luận Sau thời gian tiến hành các thực nghiệm, kết quả thu đƣợc thể hiện trong các đồ thị: ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN SỰ THAY ĐỔI NỒNG ĐỘ COD 0 20 40 60 80 100 120 0 2 4 6 8 10 12 t (ngày) C (mg/l) Cỏ Bèo Tảo ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN SỰ THAY ĐỔI NỒNG ĐỘ AMÔN 0 20 40 60 80 100 120 140 0 2 4 6 8 10 12 t (ngày) C (mg/l) Cỏ Bèo Tảo Hình 8: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi COD Hình 9: Đồ thị biểu diễn sự thay đổi Amôn BIỂU ĐỒ BIỄU DIỄN SỰ THAY ĐỔI NỒNG ĐỘ NITRAT 0 0.1 0.2 0.3 0.4 0.5 0.6 0.7 0.8 0.9 1 0 2 4 6 8 10 12 t (ngày) C (mg/l) Cỏ Bèo Tảo ĐỒ THỊ BIỂU DIỄN SỰ THAY ĐỔI NỒNG ĐỘ PHÔT PHAT 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 0 2 4 6 8 10 12 t (ngày) C (mg/l) Cỏ Bèo Tảo Hình 10: Đồ thị biểu diễn sự biến thiên Nitrat Hình 11: Đồ thị biểu diễn sự biến thiên phôtphat Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 236 * Thảo luận Dựa vào hình 8 nhận xét: - Tốc khử COD của bèo tây và cỏ vetiver tƣơng đƣơng. - Tốc độ khử COD của tảo phụ thuộc vào mật độ sinh khối tảo. Dựa vào hình 9 nhận xét: - Tốc độ chuyển hóa amôn của cỏ vetiver mạnh hơn bèo tây, tuy nhiên cũng không đáng kể. - Tảo có khả năng chuyển hóa amôn mạnh, tuy nhiên nồng độ amôn thƣờng dao dộng do tảo chết tạo nitơ hữu cơ sau đó thủy phân tạo ra amôn. Dựa vào hình 10 nhận xét: - Nồng độ nitrat của các mô hình ban đầu cao, sau một thời gian sẽ giảm dần do thực vật hấp thu và do hàm lƣợng amôn cũng giảm dần theo thời gian. - Nồng độ nitrat của mô hình tảo vào giai đoạn cuối thƣờng tăng tảo chết không hấp thu nitrat. Dựa vào hình 11 nhận xét: - Các mô hình đều hấp thu phốt phát mạnh để tăng sinh khối, mô hình cỏ hấp thu phốt phát mạnh hơn bèo tây. - Nồng độ phốt phát của mô hình tảo giảm nhẹ trong những ngày cuối do một phần tảo chết không hấp thu phốt phát. Tổng hợp kết quả Mô hình Tải COD (g/m 2 .ngày) Tải NH4 + (g/m 2 .ngày) Tải NO3 - (g/m 2 .ngày) Tải PO4 3- (g/m 2 .ngày) Cỏ 3.29 4.65 - 0.62 Bèo 3.5 4.12 - 0.55 Tảo 2.16 2.94 - 0.5 Bảng 1: Tổng hợp tải lượng chuyển hóa của các mô hình Mô hình kCOD (ngày -1 ) kNH4 (ngày -1 ) kNO3 (ngày -1 ) kPO4 (ngày -1 ) Cỏ 0.192 0.339 0.279 0.293 Bèo 0.22 0.289 0.356 0.151 Tảo 0.116 0.102 0.164 0.093 Bảng 2: Tổng hợp hệ số chuyển hóa của các mô hình * Thảo luận - Mỗi mô hình có tốc độ chuyển hóa khác nhau. - Tùy thuộc vào mật độ và đặc tính sinh trƣởng của mỗi loại thực vật mà các hệ số này có thể thay đổi. 4. Kết luận và kiến nghị 4.1. Kết luận - Thực vật nƣớc có khả năng thích nghi trong điều kiện nƣớc hồ bị ô nhiễm và góp phần tạo cảnh quan. - Thông qua các hệ số có thể đánh giá đƣợc khả năng chuyển hóa của từng loại thực vật nƣớc. Tuyển tập Báo cáo “Hội nghị Sinh viên Nghiên cứu Khoa học” lần thứ 6 Đại học Đà Nẵng - 2008 237 - Dùng thực vật nƣớc để kiểm soát nƣớc hồ đô thị theo công nghệ sinh thái là hợp lý, có kết quả cao và có thể áp dụng các hệ số chuyển hóa vào mô hình CLN hồ. 4.2. Kiến nghị - Lựa chọn thực vật nƣớc thích hợp để kiểm soát chất lƣợng nƣớc hồ (loại thực vật, mật độ, mức độ kiểm soát sinh khối…) - Áp dụng các hệ số này vào mô hình toán để mô phỏng chất lƣợng nƣớc hồ. TÀI LIỆU THAM KHẢO Tiếng Việt [1] Trần Văn Quang, Bài giảng môn học Bảo vệ nguồn nước, Khoa Môi trƣờng, Trƣờng Đại học Bách Khoa, Đà Nẵng. [2] Trần Văn Quang, Bài giảng Mô hình chất lượng nước, Khoa Môi trƣờng, Trƣờng Đại học Bách Khoa, Đà Nẵng. Tiếng Anh [3] Linfield C. Brown* and Thomas O. Barnwell, Jr.** (1987), The ennhanced stream water quality models Qual2E an Qual2E-Uncas: Documentation and User manual. Department of Civil Engineering, Tufts University, Medford, MA 02155. [4] McGraw-Hill (1997), Surface Water-Quality Modeling, A Division of The McGraw-Hill Companies.