Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 57

THOÂNG BAÙO KHOA HOÏC

ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ PHÂN RÃ HỮU CƠ SINH HỌCỞ CỬA BÉ - KHÁNH HÒA

ASSESSMENT OF BIODEGRADATION OF ORGANIC MATTERIN BE MOUTH - KHANH HOA

Phan Minh Thụ1, Tôn Nữ Mỹ Nga2, Nguyễn Thị Miền3

Ngày nhận bài: 03/10/2013; Ng ày phản biện thông qua: 06/11/2013; Ngày duyệt đăng: 02/6/2014

TÓM TẮTTốc độ phân rã sinh học chất hữu cơ thể hiện mức độ tự làm sạch của thủy vực. Hằng số tốc độ phân rã sinh học

chất hữu cơ cao hay thấp có ảnh hưởng rất lớn đến quá trình quản lý chất lượng môi trường của thủy vực. Dựa vào kết quả thực nghiệm của 10 đợt thu mẫu nước tại Cửa Bé (Khánh Hòa), cũng như giải phương trình Streeter & Phelps (1925) cho trường hợp BOD, hằng số tốc độ phân rã chất hữu cơ dao động 0,0643 - 0,3202 ngày-1. Giá trị này chịu sự chi phối bởi hàm lượng chất hữu cơ trong thủy vực, loại chất hữu cơ, chế độ thủy triều và khả năng trao đổi nước của thủy vực. Do đó, quản lý nguồn thải chất hữu cơ trực tiếp vào thủy vực phù hợp là việc làm cần thiết nhằm để nâng cao khả năng hồi phục của thủy vực.

Từ khóa: phân rã sinh học, chất hữu cơ, tự làm sạch, BOD, vùng ven bờ

ABSTRACTRate of biodegradation of organic matter presented the capacity of self-purifi cation in waters. The changes of the

decay rate constants of organic matter would be able to impact signifi cantly on approaches of water quality control. Based on laboratory experiment results of ten water samples collected at Be Mouth (Khanh Hoa) and solved the Streeter & Phelps’ function (1925) in the case of BOD, the decay rate constant of organic matter ranked in 0.0643 – 0.3202 day-1. This constant was contributed by concentration of organic matter in water bodies, kind of organic matters, tidal systems and water exchanges. Thus, the suitable management of organic matter waste, which discharged directly in the waters, would help to improve the capacity of recovering waters.

Keywords: biodegradation, organic matter, self-purifi cation, BOD, coastal waters

1 ThS. Phan Minh Thụ: Viện Hải dương học Nha Trang2 ThS. Tôn Nữ Mỹ Nga, 3 Nguyễn Thị Miền: Viện Nuôi trồng thủy sản – Trường Đại học Nha Trang

I. ĐẶT VẤN ĐỀỞ vùng cửa sông và ven bờ biển, chất hữu cơ

có nguồn gốc từ nhiều nguồn khác nhau. Chúng có thể được sản sinh ra từ quá trình quang tổng hợp chất hữu cơ của thực vật nổi; từ các quá trình trao đổi chất của các bậc dinh dưỡng khác nhau và là chất thải từ các sinh vật này, hoặc được vật chuyển từ biển vào, từ thượng nguồn xuống, và từ quá trình xáo trộn của chất hữu cơ trong nền đáy. Trong đó, hơn 60% chất hữu cơ ở vùng cửa sông và ven bờ có nguồn gốc từ chất thải do các hoạt động kinh tế xã hội. Tuy nhiên, các chất hữu cơ này luôn vận động, chúng bị chuyển hóa bởi các quá trình lý học,

hóa học và sinh học. Chỉ có khoảng 1% chất hữu cơ trầm lắng xuống, 30% chất hữu cơ được vận chuyển ra khỏi hệ, còn lại phần lớn chất hữu cơ phân rã trong cột nước [5], [7], [ 9]. Chính nhờ điều này mà môi trường nước ven bờ ổn định và hồi phục lại trạng thái ban đầu.

Chất lượng môi trường nước vịnh Nha Trang không chỉ chịu ảnh hưởng từ các hoạt động kinh tế, du lịch và nuôi trồng thủy sản nội tại trong vịnh mà còn chịu sự chi phối của vật chất có nguồn gốc lục nguyên từ lưu vực sông Cái và sông Bé. Trong đó, đáng chú ý hơn là lưu vực sông Bé, nơi sẽ tiếp nhận nguồn thải do hệ thống thoát nước của

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2014

58 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

toàn thành phố Nha Trang vận chuyển về đây. Trong tương lai gần, khi nhà máy nước xử lý nước thải sinh hoạt được xây dựng, nơi đây lại tiếp nhận nguồn nước sau khi xử lý đạt tiêu chuẩn. Tuy nhiên, khi đó, chất lượng môi trường nước trong khu vực này cũng ảnh hưởng rất nhiều. Do đó, việc đánh giá khả năng phân rã sinh học của chất hữu cơ ở Cửa Bé góp phần quản lý chất lượng môi trường nước trong khu vực nói riêng, vịnh Nha Trang nói chung, phục vụ phát triển kinh tế bền vững.

II. PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨUQuá trình đánh giá khả năng phân rã sinh học

chất hữu cơ ở Cửa Bé được thực hiện từ kết quả thí nghiệm trong phòng của 10 mẫu nước thu tại Cửa Bé (hình 1) vào thời điểm nước chân triều và đỉnh triều của chu kỳ triều cường (bảng 1). Quá trình này được xác định dựa vào mối quan hệ giữa nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) theo thời gian. Hình 1. Sơ đồ trạm vị nghiên cứu

Bảng 1. Thời gian thu mẫu tại cầu Bình Tân

Đợt Ngày thu mẫu TT TC Độ cao triều (m) Thời gian thu Thời tiết

1 13/3/2012 21h35’ 0,9 21h40’ Trời nhiều mây13/3/2012 13h23’ 1,8 13h26’ Trời nắng

2 27/3/2012 21h01’ 0,9 21h00’ Trời nhiều mây27/3/2012 12h29’ 1,8 12h25’ Trời nắng

3 10/4/2012 20h22’ 0,8 20h15’ Trời mưa10/4/2012 12h00’ 1,8 12h00’ Trời nắng

4 24/4/2012 19h54’ 0,8 19h50’ Trời mưa25/4/2012 11h25’ 1,7 11h25’ Trời nắng

5 8/5/2012 19h26’ 0,6 19h23’9/5/2012 11h17’ 1,9 11h15’ Trời nắng

Mẫu nước được xác định các giá trị BOD trong 1 ngày, 3 ngày, 5 ngày, 6 ngày, 10 ngày, 15 ngày và 20 ngày ở nhiệt độ 270C. BODi là sự suy giảm giá trị oxy hòa tan (DO) sau ngày thứ i so với ngày đầu trong điều kiện che tối. DO được định lượng bằng phương pháp Winkler [3]. Thêm vào đó, các yếu tố chất lượng nước cũng được kiểm tra. Độ mặn và pH đo bằng máy đa yếu tố YSI tại hiện trường với độ chính xác tương ứng 0,1 và 0,01. NH4

+ được xác định bằng phương pháp lên màu xanh Indophenol (phương pháp 4500-NH3), NO2

- được xác định bằng phương pháp được lên màu với Acid sunlfanilamide và Naphthylamin (phương pháp 4500-NO2), NO3

- được khử trên cột Cu-Cd và định lượng theo phương pháp NO2

- và PO43- được

xác định bằng phương pháp lên màu màu xanh Molypdenum (phương pháp 4500-P) [3]. Tất cả các yếu tố NH4

+, NO2-, NO3

- và PO43- định lượng bằng

máy quang phổ khả kiến U2900.

Đánh giá hằng số tốc độ phân rã chất hữu cơ được thực hiện dựa vào phương trình Streeter & Phelps [4], [8]. Phương trình tổng quát có dạng sau:

-dS

= - kS (1)dt

Trong đó: dS là giá trị BOD theo thời gian dt; S là giá trị BOD; K là hằng số phân rã chất hữu cơ.

Giải phương trình này bằng cách kết hợp giữa giá trị thực nghiệm BOD theo thời gian và áp dụng phương pháp bình phương tối thiểu. Thêm vào đó, các số liệu so sánh giữa triều cao và triều thấp bằng phương pháp thống kê ANOVA one-tailedtrên Excel.

III. KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN

1. Đặc điểm môi trường vùng nghiên cứuQuá trình khoáng hóa các chất hữu cơ được

thực hiện nhờ hoạt động của vi sinh vật dị dưỡng. Tốc độ của quá trình khoáng hóa (thông qua

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 59

BOD5, BOD10) và cường độ hoạt động của vi khuẩn dị dưỡng (thông qua biến động mật độ của chúng) phụ thuộc vào nhiều yếu tố môi trường, đặc biệt là: độ mặn, nhiệt độ, chất dinh dưỡng, DO… Kết quả khảo sát các thông số môi trường tại Cửa Bé trong thời gian nghiên cứu biến động mạnh theo thời gian (bảng 2). Tại thời điểm chân triều,

độ mặn và pH thấp hơn có ý nghĩa thống kê so với thời điểm đỉnh triều (p < 0,05), ngược lại, muối dinh dưỡng PO4

3- và NO2- tại thời điểm chân

triều cao hơn có ý nghĩa so với đỉnh triều (p < 0,05), trong khi đó, các yếu tố hóa môi trường khác như DO, muối dinh dưỡng NH4

+ và NO3- không có sự

khác nhau.

Bảng 2. Các thông số môi trường tại Cửa Bé (từ 3 - 5/2012)

Yếu tố Đơn vị tínhTriều thấp Triều cao

Min Max Trung bình Min Max Trung bình

Độ mặn ‰ 16,6 24,6 21,3 ± 3,0a 20,4 32,3 28,5 ± 4,7b

pH 7,86 8,01 7,94 ± 0,06a 7,99 8,14 8,03 ± 0,06b

DO mgO2/L 5,16 5,84 5,56 ± 0,28 a 5,63 6,62 6,08 ± 0,44 a

NO2- mgN/m3 47,95 67,34 56,35 ± 8,08a 25,40 33,55 28,41 ± 3,20b

NO3- mgN/m3 0 686,03 360,15 ± 333,03 a 0,00 198,27 94,18 ± 93,18 a

NH4+ mgN/m3 37,77 252,44 92,03 ± 92,34 a 25,82 100,40 46,78 ± 30,32 a

PO43- mgP/m3 59,00 114,79 82,09 ± 26,87a 37,84 68,62 56,56 ± 11,61b

a và b chỉ sự khác nhau (p < 0,05), a và a chỉ sự giống nhau

2. Đánh giá khả năng chuyển hóa chất hữu cơBiến động BOD5, BOD10 trong pha triều cao diễn

ra mạnh hơn so pha triều thấp (hình 2). BOD5 lúc đỉnh triều dao động 0,74 - 4,74 mgO2/L, trung bình đạt 2,23 ± 1,54 mgO2/L; lúc chân triều dao động 1,72 - 2,85 mgO2/L, trung bình đạt 2,17 ± 0,44 mgO2/L. BOD10 lúc đỉnh triều dao động 1,16 - 5,59 mgO2/l,

trung bình đạt 2,67 ± 1,74 mgO2/L; lúc chân triều dao động 2,79 - 4,82 mgO2/L, trung bình đạt 3,77 ± 0,84 mgO2/L. Các giá trị cực trị của BOD5 và BOD10 được xác định khi có sự thay đổi mạnh của thời tiết, đặc biệt là khi mưa lớn, nước mưa chảy tràn ở lưu vực đã rửa trôi chất hữu cơ và đổ ra biển. Đó là lý do tại sao BOD5 và BOD10 tăng cao vào đợt thu mẫu thứ 4.

Hình 2. Biến động hàm lượng BOD5 và BOD10 trong nước ở Cửa Bé theo thủy triều

3. Khả năng phân rã sinh học chất hữu cơKết quả thực nghiệm khả năng phân rã sinh học

chất hữu cơ với mẫu nước thu được ở vùng Cửa Bé được trình bày ở hình 3. Mối quan hệ phi tuyến cao giữa giá trị BOD với thời gian, tức là quá trình phân rã tích lũy, tương tự quá trình phản ứng tự xúc tác.

Điều này tương tự những nghiên cứu trước đây của Nguyễn Tác An và cs [1] và Nguyễn Hữu Huân và cs [2], quá trình phân rã chất hữu cơ của vịnh Nha Trang là quá trình tự xúc tác. Do đó, có thể áp dụng phương trình Streeter & Phelps [4], [8] để đánh giá tốc độ phân rã sinh học chất hữu cơ ở khu vực này.

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2014

60 • TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG

Kết quả tính toán dựa vào công thức (1) và giá trị thực nghiệm (bảng 3) cho thấy tại thời điểm triều cao, hằng số tốc độ phân rã chất hữu cơ dao động trong khoảng 0,0643 - 0,3082 ngày-1, trung bình là 0,1214 ± 0,1052 ngày-1; và triều thấp có dao động trung bình trong khoảng 0,0883 - 0,3202 ngày-1, trung bình 0,1722 ± 0,1143 ngày-1. Trong thời gian đầu (tháng 3 và đầu tháng 4), quá trình phân rã chất hữu cơ diễn ra nhanh (hệ số k nhỏ), do lượng hữu cơ trong môi trường thấp (BOD5 và BOD10 thấp - hình 2), trong khi đó khi mà lượng chất hữu cơ trong môi trường tăng cao ở thời gian sau (tháng 4 và 5), hệ số k tăng lên đáng kể (gấp 3 - 4 lần) làm giảm khả năng tự làm sạch. Điều đó có nghĩa là khi hàm lượng chất hữu cơ tăng cao, chất lượng môi trường suy giảm có nghĩa là khả năng phân rã chất hữu cơ cũng suy giảm theo. Hằng số tốc độ giai đoạn đầu của quá trình sinh hóa tiêu thụ oxy của nước thải sinh hoạt (trước khi đạt đến giai đoạn có dạng đường thẳng), thường dao động trong khoảng0,1 - 0,3 ngày-1 [4], [6] .

Bảng 3. Hằng số tốc độ phân rã chất hữu cơ (K) ở Cửa Bé (đơn vị: ngày-1)

Đợt K triều cao K triều thấp

1 0,0643 0,08832 0,0720 0,08553 0,0660 0,09524 0,3082 0,32025 0,0965 0,2716

Trung bình 0,1214 ± 0,1052 0,1722 ± 0,1143

Thêm vào đó, khi so sánh hằng số tốc độ phân rã của mẫu nước ở Cửa Bé với các thành phần hữu cơ khác cho thấy các hợp chất hữu cơ trong nước vùng Cửa Bé phần lớn là những hợp chất hữu cơ dễ phân rã. Glucose là một trong những hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh hóa nhất trong thành phần nước thải sinh hoạt. Ngoài các hợp chất dễ phân hủy, còn có rất nhiều hợp chất khó phân hủy hơn như: cellulose, sáp, linhin,… Hằng số tốc độ phân hủy ở mẫu nước thí ng hiệm vẫn lớn hơn phenol và

Hình 3. Quan hệ giữa BOD với thời gian phân rã sinh học chất hữu cơ lúc triều thấp (TT - trên) và triều cao (TC - dưới)

Tạp chí Khoa học - Công nghệ Thủy sản Số 2/2014

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NHA TRANG • 61

một số hợp chất bền vững khác như: chlorobenzen, parathion,… Chúng có nguồn gốc từ chất thải sinh hoạt là chủ yếu.

Sự khác nhau giữa hằng số tốc độ phân rã chất hữu cơ triều cao và triều thấp chứng tỏ khả năng tự làm sạch của Cửa Bé khi triều cao lớn hơn triều thấp. Điều này đồng nghĩa khả năng tự làm sạch Cửa Bé bị ảnh hưởng bởi thủy triều, tức là ảnh hưởng của khả năng trao đổi nước. Sự gia tăng khả năng trao đổi nước (pha loãng) giúp cho quá trình tự làm sạch của thủy vực tăng mạnh.

IV. KẾT LUẬNTốc độ phân rã sinh học chất hữu cơ thể hiện mức độ tự làm sạch của thủy vực. Giá trị trung bình của BOD5

lúc đỉnh triều đạt 2,23 ± 1,54 mgO2/L và lúc chân triều đạt 2,17 ± 0,44 mgO2/L, trong khi đó, BOD10 lúc đỉnh triều đạt 2,67 ± 1,74 mgO2/L và lúc chân triều đạt 3,77 ± 0,84 mgO2/L. Hằng số tốc độ phân rã chất hữu cơ (K) trung bình lúc triều cao là 0,1214 ± 0,1052 ngày-1 và triều thấp là 0,1722 ± 0,1143 ngày-1. Các giá trị BOD5, BOD10 và hằng số tốc độ phân rã chất hữu cơ biến động mạnh, phụ thuộc vào hàm lượng chất hữu cơ, loại chất hữu cơ, khả năng trao đổi nước của vùng và chế độ thủy triều.

TÀI LIỆU THAM KHẢO

Tiếng Việt1. Nguyễn Tác An, Lê Lan Hương, Phan Minh Thụ, 1999. Sơ bộ đánh giá khả năng tự làm sạch ở vực nước ven bờ Nha Trang.

Tuyển tập nghiên cứu biển. Tập. IX. 123 – 136.2. Nguyễn Hữu Huân, Hồ Hải Sâm, Phan Minh Thụ, 2001. Động học quá trình sinh hoá tiêu thụ oxy trong nước vùng cửa sông

Cái (Nha Trang). Tuyển tập báo cáo khoa học Hội nghị khoa học “Biển Đông 2000”, 19 - 22/9/2000. Nha Trang: 287-294. Tiếng Anh3. APHA, 2005. Standard Methods for the Examination of Water and Wastewater, 21st Edition. American Public Health

Association.4. Gotovtsev, A.V., Danilov-Danilyan, V.I. & Nikanorov, A.M., 2012. BOD monitoring problems. Water Resources 39: 546-555.5. Hedges, J. I. and Keil, R. G., 1995. Sedimentary organic matter preservation: an assessment and speculative synthesis. Mar.

Chem., 49: 81-115.6. Leonov, A.B, 1974. Generalization, typifi cation and kinetic analysis of the biochemical consumption of oxygen curves based

on BOD-experiments. Oceanologia (Oceanology), XIV: 82-87.7. Middelburg, J. J. and Meysman, F. J. R., 2007. Burial at sea. Science, 316: 1294-1295.8. Streeter, H. W. and Phelps, E. B., 1925. A Study of the pollution and natural purifi cation of the Ohio river. III. Factors

concerned in the phenomena of oxidation and reaeration. Public Health Bulletin No. 146, Reprinted by U.S. Department of Health, Education and Welfare. Public Health Service, 1958, 75.

9. Suess, E., 1980. Particulate organic carbon fl ux in the oceans - surface productivity and oxygen utilization. Nature, 288: 260-263.