Chuong3 mhh dhbk 2016

BK
TPHCM

BÀI GIẢNG
MÔN HỌC MÔ HÌNH HÓA MÔI TRƯỜNG

Chương 3

SỰ PHÚ DƯỢNG HÓA
NGUỒN NƯỚC
GVHD: PGS.TS. Lê Hoàng Nghiêm

BK
TPHCM

NỘI DUNG CHƯƠNG V

3.1 Tổng quan và cơ chế hình thành sự phú dưỡng hóa nguồn
nước.
3.2 Mối quan hệ giữa các chất dinh dưỡng sự phú dưỡng hóa.
3.2.1. Các chất dinh dưỡng và nguồn cung cấp
3.2.2. Tầm quan trọng của tỷ số giữa N và P (N/P).
3.3 Mô hình đơn giản mô tả sự phú dưỡng trong hóa hồ chứa.
3.3.1. Cân bằng vật chất đối với phốt pho trong hồ chứa
3.3.2. Sự tương quan giữa tổng phốt pho và mức dinh dưỡng
của hồ.
3.4 Sự tác động qua lại giữa phiêu sinh thực vật và chất dinh
dưỡng.
3.4.1. Cân bằng vật chất đối với phiêu sinh thực vật.
3.4.2. Động học quá trình tăng trưởng của phiêu sinh thực vật.
3.4.3. Động học quá trình chết của phiêu sinh thực vật.

3.4.4. Các mối quan hệ giữa phiêu sinh thực vật và chất dinh
dưỡng
3.5 Mối quan hệ giữa phiêu sinh thực vật và oxy hòa tan.
HỒNG
23.6 Mô hình đơn giản mô tả sự phú dưỡng hóa trong dòTS.LÊ
ng sô
ng NGHIÊM
3.7 Kỹ thuật kiểm soát sự phú dưỡng hóa trong nguồn nước.
Câu hỏi thảo luận và bài tập chương 5

1


3.1 TỔNG QUAN VÀ CƠ CHẾ HÌNH THÀNH SỰ PHÚ
DƯỢNG HÓA NGUỒN NƯỚC
BK
TPHCM

v Sự phú dưỡng hóa (eutrophication) là sự
phát triển của thực vật nước (aquatic
plant) quá mức cho phép gây ảnh
hưởng đến chất lượng nước và mục
đích sử dụng nước.
v Sự phú dưỡng hóa xảy ra khi nguồn
nước tiếp nhận một lượng dồi dào các
tác nhân dinh dưỡng bao gồm nitơ,
phốt pho,...
3

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

3.1 TỔNG QUAN VÀ CƠ CHẾ HÌNH THÀNH SỰ PHÚ
DƯỢNG HÓA NGUỒN NƯỚC
BK
TPHCM

Sự phú dưỡng hóa tự nhiên
- Là một hiện tượng bình thường xảy ra trong hệ
sinh thái nước ngọt (freshwater ecosystem).
- Đó là một quá trình lão hóa tự nhiên xảy ra
trong đó có các hồ chứa từ trạng thái nghèo
dinh dưỡng (oligotrophic) dần dần chuyển
sang giàu dinh dưỡng (phú dưỡng –
eutrophication)
- Hồ tự nhiên sẽ biến thành đầm lầy (marsh) sau
đó là đồng cỏ (meadow). Quá trình này thường
kéo dài hàng ngàn năm trong tự nhiên.
4

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

2


3.1 TỔNG QUAN VÀ CƠ CHẾ HÌNH THÀNH SỰ PHÚ
DƯỢNG HÓA NGUỒN NƯỚC
BK
TPHCM

Sự phú dưỡng hóa nhân tạo

Các hoạt động của con người đã đẩy nhanh quá trình
này (“sự phú dưỡng hóa nhân tạo”) do việc cung cấp
các dưỡng chất từ các nguồn xả chất thải như hình vẽ.

Hình vẽ 3.1: Các nguồn
cung cấp chất dinh dưỡng
cho sự phú dưỡng hóa

5

BK
TPHCM

6

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

ẢNH HƯỞNG CỦA SỰ PHÚ DƯỢNG HÓA

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

3


PHÂN LOẠI NGUỒN NƯỚC THEO TRẠNG
THÁI DINH DƯỢNG

BK
TPHCM

Từ năm 1939 các nhà nghiên cứu đã phân loại nguồn
nước theo trạng thái dinh dưỡng (trophic state) của
chúng như sau:
1. Trạng thái thiếu dinh dưỡng (Oligotrophic) – Nguồn
nước trong sạch và năng suất thấp.
2. Trạng thái dinh dưỡng trung bình (Mesotrophic) –
Nguồn nước có năng suất trung bình.
3. Trạng thái giàu dinh dưỡng hay phú dưỡng hóa
(Eutrophic) - Nguồn nước có năng suất cao so với mức
tự nhiên

7

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

PHÂN LOẠI NGUỒN NƯỚC THEO TRẠNG
THÁI DINH DƯỢNG

BK
TPHCM

Bảng 3.1: Trạng thái dinh dưỡng của hồ
Thông số chất lượng
nước

Thiếu dinh
Dinh dưỡng
dưỡng
trung bình
(Oligotrophic) (Mesotrophic)

Giàu dinh
dưỡng
(Eutrophic)

Tổng phốt pho Tp (µg/
L)

< 10

10 – 20

> 20

Chlorophyll (µg/L)

<4

4 – 10

> 10

Chiều sâu Secchi (m)

>4

2–4

<2

Oxy hòa tan trong
tầng nước bên dưới
(% DO bão hòa)

> 80

10 – 80

< 10

8

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

4


PHÂN LOẠI NGUỒN NƯỚC THEO TRẠNG
THÁI DINH DƯỢNG

BK
TPHCM

Bảng 3.2: Phân loại trạng thái dinh dưỡng nguồn nước căn cứ vào
hàm lượng N và P
Chỉ tiêu

9

Thiếu dinh dưỡng

Trung bình
(Oligotrophic)
(Mesotrophic)

Giàu dinh dưỡng
(Eutrophic)

N-NO2

0,00

0,015

0,05

N-NO3

0,00

0,015

0,05

N-NH4

0,00

0,015

0,00 – 0,30

Tổng N

0,05

0,05 – 0,10

0,10

P-PO4

0,00

0,01

0,05

Tổng P

0,06

0,06 – 0,15

0,15
TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

CƠ CHẾ CƠ BẢN CỦA SỰ PHÚ DƯỢNG HÓA
BK
TPHCM

v  Sự phát triển nhanh của thực vật nước là kết quả
của quá trình tiêu thụ và biến đổi các chất dinh
dưỡng vô cơ thành chất hữu cơ trong thực vật thông
qua cơ chế quang hợp (photosynthesis).
v  Động lực chủ yếu của quá trình này là bức xạ mặt
trời cung cấp vào quá trình.
v  Sự phú dưỡng hóa của nguồn nước phụ thuộc vào vị
trí địa lý, mức độ thâm nhập của bức xạ vào các
chiều sâu lớp nước, khối lượng và loại chất dinh
dưỡng

10

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

5


CƠ CHẾ CƠ BẢN CỦA SỰ PHÚ DƯỢNG HÓA
BK
TPHCM

Các hiện tượng cơ bản của quá trình tăng trưởng của phiêu sinh
thực vật trong vùng ôn đới bắc bán cầu được tóm tắt trong hình
vẽ 3.2.
ü  Bức xạ mặt trời tăng sẽ cung cấp nguồn năng lượng cho phản
ứng quang hợp.
ü  Sinh khối phiêu sinh thực vật bắt đầu tăng khi nhiệt độ của
nước tăng và chất dinh dưỡng ở dạng hoà tan được phiêu sinh
vật này sử dụng.

ü  Cơ chế này tiếp diễn cho đến khi mức dinh dưỡng trong nước
không đáp ứng cho sự phát triển và sự gia tăng sinh khối sẽ
ngừng lại.
ü  Sự suy giảm sinh khối được quan sát là do sự tiêu thụ (ăn thịt)
của các phiêu sinh động vật.
ü  Thông thường vào cuối mùa hè - đầu mùa thu, có thể quan sát
thấy sự nở hoa (bloom) của phiêu sinh thực vật này lập lại do
việc tuần hoàn dinh dưỡng.
ü  Sinh khối sau đó sẽ giảm khi bức xạ mặt trời và nhiệt độ giảm
đến mức thấp hơn vào cuối mùa thu và đầu mùa đông.

11

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

CƠ CHẾ CƠ BẢN CỦA SỰ PHÚ DƯỢNG HÓA
BK
TPHCM

12

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

6


CƠ CHẾ CƠ BẢN CỦA SỰ PHÚ DƯỢNG HÓA
BK
TPHCM

Các thông số quan trọng trong phân tích mô hình hóa
sự phú dưỡng hóa bao gồm:
1. Bức xạ mặt trời tại bề mặt nước và biến thiên theo
chiều sâu.
2. Thông số hình học của nguồn nước: diện tích mặt
nước, diện tích đáy, chiều sâu và thể tích.
3. Lưu lượng, vận tốc, sự khuếch tán.
4. Nhiệt độ của nước.
5. Chất dinh dưỡng : phốt pho, nitơ, silica.
6. Phiêu sinh thực vật – Chlorophyll a.

13

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

3.2 MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC CHẤT DINH
DƯỢNG VÀ SỰ PHÚ DƯỢNG HÓA

BK
TPHCM

Các nguồn cung cấp chất dinh dưỡng từ bên ngoài
1. Nước thải sinh hoạt.
2. Nước thải công nghiệp.
3. Nước chảy tràn từ các khu vực canh tác nông nghiệp.
4. Nước chảy tràn từ các khu rừng.
5. Nước mưa chảy tràn từ các khu đô thị.
6. Sự sa lắng của các chất ô nhiễm từ không khí.

14

TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM

7


BK
TPHCM

3.2 MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC CHẤT
DINH DƯỢNG VÀ SỰ PHÚ DƯỢNG HÓA

Bảng 3.3: Nồng độ chất dinh dưỡng trung bình từ nước thải sinh hoạt
Đầu vào
(mg/L)

Dạng chất dinh dưỡng

Đầu ra sau
xử lý bậc 2
(mg/L)

Sau quá trình
khử phốt pho
(mg/L)

Phốt pho (tính bằng P)
Tổng phốt pho có chất
tẩy rửa, Tp

5 – 10

7

Tổng phốt pho không
có chất tẩy rửa

2–5

4

Ortho phốt pho có chất
tẩy rửa

2–5

5

1–2

14

1–3

Nitơ (tính bằng N)
Tổng nitơ, TN

50

18

Nitơ vô cơ, IN

30

8

7

15

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

BK
TPHCM

3.2 MỐI QUAN HỆ GIỮA CÁC CHẤT
DINH DƯỢNG VÀ SỰ PHÚ DƯỢNG HÓA

Bảng 3.4: Tải trọng chất dinh dưỡng của một số nguồn phân tán
Loại nguồn

Tp (kg/ha.năm)
Giá trị trung Khoảng
bình
giá trị

Rừng tự nhiên

TN (kg/ha.năm)

Giá trị trung
bình

Khoảng
giá trị
1,3 – 10,2

0,4

0,01 – 0,9

3,0

Nước mưa

0,2

0,08 – 1,0

8,0

Sa lắng khô

0,8

Khí quyển
16,0

Nước mưa chảy
tràn đô thị

1,0

0,1 – 10

5,0

1 – 20

Khu canh tác
nông nghiệp

0,5

0,1 – 5

5,0

0,5 – 50

16

TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM

8


CÁC CHẤT DINH DƯỢNG TÁC ĐỘNG ĐẾN
SỰ PHÚ DƯỢNG HÓA

BK
TPHCM

v  Các chất dinh dưỡng cung cấp hóa chất để hình thành bộ
khung cho đời sống trong hệ thực vật nước.
v  Một số chất dinh dưỡng cần với khối lượng lớn để phát triển tế
bào và được gọi là chất đa lượng (macronutrient) bao gồm
cacbon, oxy, nitơ, phốt pho, sulfur, silic và sắt.
v  Ngoài ra thực vật còn cần một lượng nhỏ các chất dinh dưỡng
vi lượng (micronutrient) bao gồm mangan, đồng, kẽm,…
v  Sự thiếu hụt của các chất dinh dưỡng thiết yếu sẽ hạn chế sự
phát triển của thực vật cấp thấp (rong tảo). Đây là cơ sở xác
định các yếu tố hạn chế sự phát triển của chúng.
v  Dưỡng chất cần thiết là N và P. N là nguyên tố quan trọng trong
protein của tế bào còn P có vị trí quan trọng trong quá trình
biến đổi năng lượng phục vụ cho quá trình tổng hợp chất.

a Mô hình hóa chất lượng nước kiểm soát sự phú
dưỡng hóa sẽ tập trung vào phốtpho, nitơ.
17

BK
TPHCM

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

PHỐT PHO (1)

v  Quan trọng trọng hệ thống di truyền và trong việc dự trữ
và vận chuyển năng lượng trong tế bào.

v  Trên quan điểm mô hình hóa chất lượng nước phốt pho là
chất dinh dưỡng quan trọng cần xem xét bởi vì nó thường
không được cung cấp đầy đủ so với các nguyên tố đa
lượng khác.
v  Phốt pho không phong phú trong lớp vỏ quả đất, các
khoáng chất phốt phát khó hòa tan trong nước.
v  Phốt pho không tồn tại ở dạng khí. Vì vậy, khác với
cacbon và nitơ, phốt pho không có trong nguồn cung
cấp từ khí quyển.
v  Mặt dù phốt pho khan hiếm trong thiên nhiên nhưng nhiều
hoạt động của con người (sử dụng phân bón canh tác
nông nghiệp, chất tẩy rửa (detergent) đã thải một lượng
đáng kể phốt pho vào trong nguồn nước
v  Các hoạt động của con người cũng đã tạo ra sự xói mòn
đất làm tăng lượng phốt pho đi vào nguồn nước.

18

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

9


BK
TPHCM

Các thành phần của phốt pho trong
nước

v  Orthophosphate hay phốt pho vô cơ hòa tan bao gồm các

dạng H2PO4-, HPO42-, PO43- được thực vật trực tiếp tiêu thụ.

v  Phốt pho hữu cơ dạng hạt (Particulate organic P): trong cơ thể
thực vật, động vật và vi khuẩn đang sống cũng như các mãnh
vụn hữu cơ.
19

BK
TPHCM

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

NITƠ (1)

Các dạng nitơ chủ yếu bao gồm:
v  Nitơ tự do (N2)
v  Ammonium (NH4+)/ammonia (NH3).
v  Nitrit (NO2-)/ nitrat (NO3-)
v  Nitơ hữu cơ.

20

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

10


BK
TPHCM

Các hóa chất sử dụng để bổ sung chất dinh
dưỡng N và P cho quá trình xử lý sinh học

21

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

TẦM QUAN TRỌNG VÀ Ý NGHĨA CỦA TỶ SỐ N/P

BK
TPHCM

Hai vấn đề quan trọng được đặt ra là:
1. Có nên kiểm soát các chất dinh dưỡng phốt pho và
nitơ xả vào nguồn nước hay không?
2. Khối lượng cho phép của chất dinh dưỡng xả vào
nguồn nước là bao nhiêu để bảo đảm duy trì sinh
khối thực vật ở mức cho phép?
Câu hỏi đầu được giải quyết bằng cách khảo sát nhu
cầu các chất dinh dưỡng nitơ và phốt pho (N/p) của
thực vật.
Câu hỏi thứ hai có thể được giải quyết bằng cách sử
dụng các mô hình cơ bản của sự phú dưỡng hóa.

22

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

11

CÂN BẰNG NHU CẦU DINH DƯỢNG CỦA THỰC VẬT NƯỚC
BK
TPHCM

Phương trình quá trình quang hợp và hô hấp của tế bào tảo:
(Stumm và Morgan 1981) ta có:

106CO2 + 16 NH 4+ + HPO42− + 108 H 2 O ⇔ C106 H 263O110 N16 P + 107 O2 + 14 H +
Tế bào tảo được mô tả bằng công thức hóa học hình thức:
C106H263O110N16P, tỷ số khối lượng của cacbon đối với nitơ và đối
với phốt pho như sau:
C

:

N

:

P

106 x 12 :

16 x 14

:

1 x 31

1271

224

:

31

:

Biểu diễn kết quả bằng phần trăm khối lượng khô:
C

:

N

:

P

40%

:

7,2%

:

1%

23

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

CÂN BẰNG NHU CẦU DINH DƯỢNG CỦA THỰC VẬT NƯỚC
BK
TPHCM

C

:

N

:

P

40%

:

7,2%

:

1%

v Vì vậy, một gram khối lượng tảo khô chứa xấp xó 10mg phốt

pho, 72 mg nitơ và 400mg cacbon. Trên cơ sở này ta có thể kết
luận:
ü  N:P > 7,2 thì P trở thành nguyên tố hạn chế sự phú dưỡng hóa.
ü  N:P < 7,2 thì N trở thành nguyên tố hạn chế sự phú dưỡng hóa.

v Phiêu sinh thực vật có thể không được tính toán trên cơ sở khối
lượng khô mà được tính toán bằng đơn vị khác là chlorophyll a,
v Tỷ số chlorophyll và cacbon trong khoảng 10 đến 50 µgChl/
mgC.
v Giá trị thấp hơn thường đặc trưng cho nguồn nước trong, sạch
và thiếu dinh dưỡng.
v Ngược lại, giá trị cao hơn giá trị trên sẽ đặc trưng cho nguồn
nước đục và phú dưỡng hóa.
24

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

12


CHẤT DINH DƯỢNG KIỂM SOÁT SINH KHỐI THỰC VẬT
TRONG ĐIỀU KIỆN PHÚ DƯỢNG HÓA (1)

BK
TPHCM

v Chất dinh dưỡng kiểm soát lượng sinh khối
thực vật là chất dinh dưỡng sẽ đạt giá trị
nồng độ nhỏ nhất trước so với những chất
dinh dưỡng còn lại khác.

v Hình sau minh họa nguyên tắc này.

25

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

BIỂU ĐỒ MINH HỌA NGUYÊN TẮC CHẤT DINH DƯỢNG
NHỎ NHẤT KIỂM SOÁT SINH KHỐI THỰC VẬT

BK
TPHCM

Nitơ kiểm soát sinh khối

26

Phốt pho kiểm soát sinh khối

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

13


CHẤT DINH DƯỢNG KIỂM SOÁT SINH KHỐI THỰC VẬT
TRONG ĐIỀU KIỆN PHÚ DƯỢNG HÓA (3)

BK
TPHCM

v Trên cơ sở lý luận trên, chất dinh dưỡng nào chiếm

ưu thế kiểm soát phụ thuộc vào hai điều kiện sau:
1. Khối lượng nitơ và phốt pho cần thiết cho thực vật
nước.
2. Khối lượng nitơ và phốt pho có sẵn cho sự phát
triển ban đầu của thực vật nước.
v Đối với phiêu sinh thực vật tế bào chứa xấp xó
khoảng 0,5 – 2,0 µgP/µgChl (giá trị điển hình là 1,0
µgP/µgChl) và 7 – 10 µgN/µgChl (giá trị điển hình là 10
µgN/µgChl).
27

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

BIỂU ĐỒ MINH HỌA BẰNG SỐ QUAN HỆ GIỮA
NITƠ, PHỐT PHO VÀ CHLOROPHYLL

BK
TPHCM

Nếu lượng nitơ có sẵn ban đầu là 5mgN/L và giả sử
rằng lượng nitơ tính theo cân bằng dinh dưỡng là 10
µgN/µgChl, lượng biomas tiềm tàng sẽ là:
(5000 µgN/L) : 10 µgN/µgChl = 500 µgChl/L

Nitơ kiểm soát

Nếu 1mgP/L có sẵn ban đầu, giả sử rằng lượng phốt pho tính theo
cân bằng dinh dưỡng là 1µgP/µgChl, lượng biomas tính toán là:
(1000 µgP/L) : 1 µgP/µgChl = 1000 µgChl/L
a Nitơ kiểm soát nên sinh khối chỉ có thể là 500 µgChl/L

Phốt pho kiểm soát

Nếu mức độ sinh khối mong muốn đạt được là 50 µgChl/L thì mức phốt pho ban đầu
phải giảm xuống còn 50 µgP/L (0,05 mgP/L) (do chi phí xử lý phốt pho thấp hơn)
28

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

14


CHẤT DINH DƯỢNG KIỂM SOÁT SINH KHỐI THỰC VẬT
TRONG ĐIỀU KIỆN PHÚ DƯỢNG HÓA (4)

BK
TPHCM

Đặt:
N = nồng độ nitơ có sẵn ban đầu [M/L3] mg/L;
aN = tỷ số nitơ/chlorophyll (aN = 10 µgN/µgChl);

p = lượng phốt pho có sẵn ban đầu [M/L3] mg/L;
ap = tỷ số phốt pho/chlorophyll (aP = 1,0 µgP/µgChl);

P = lượng chlorophyll tạo ra từ lượng dinh dưỡng có sẵn
trên [M/L3] µgChl/L,
Trên cơ sở lập luận ở phần trên ta có:

P = min{N / aN ; p / a p } (3.2)

29

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

CHẤT DINH DƯỢNG KIỂM SOÁT SINH KHỐI THỰC VẬT
TRONG ĐIỀU KIỆN PHÚ DƯỢNG HÓA (5)

BK
TPHCM

v Kết quả của nhiều nghiên cứu cho biết giá trị của aN/
ap bằng 10.
ü Khi tỷ số N/p < 10, N sẽ kiểm soát sinh khối thực vật

ü Khi tỷ số N/p > 10, P sẽ kiểm soát sinh khối thực vật.

v Giá trị này phụ thuộc vào sự biến thiên của việc cân
bằng nhu cầu dinh dưỡng của thực vật:
ü Tỷ số N/p bằng 20 hay lớn hơn thường phản ánh hệ
thống hạn chế bởi phốt pho
ü N/p bằng hay nhỏ hơn 5 phản ánh hệ thống hạn
chế bởi nitơ.

30

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

15

HÌNH VẼ MINH HỌA CÁC VÙNG KIỂM SOÁT CỦA
NITƠ VÀ PHỐT PHO THEO TỶ SỐ N/P.

BK
TPHCM

31

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

KIỂM SOÁT CHẤT DINH DƯỢNG CỦA CÁC NGUỒN NƯỚC

BK
TPHCM

Tỷ số N/p của nguồn điểm, nguồn phân tán và nước biển
Loại nguồn

TN/Tp a

IN/Ip a

Chất dinh dưỡng
giới hạn

Đầu ra của nhà máy xử lý
bùn hoạt tính không khử
phốt pho

3

4

Nitơ

Đầu ra của nhà máy xử lý
bùn hoạt tính có khử phốt
pho

27

22

Phốt pho

28

25b

Phốt pho

2c

Nitơ

Nguồn điểm

Nguồn phân tán
50% nông nghiệp và đô
thị

Nước biển
aTN/Tp

= tổng nitơ/tổng phốt pho (mg/L/mg/L); IN/Ip = nitơ vô cơ/phốt pho vô cơ (mg/L/mg/L)
= 0,53 mgN/L; và Ip = 0,021 mgP/L cho nguồn phân tán chảy tràn bề mặt.
cIN = 33 µgN/L và Ip = 15 µgP/L
TS.LÊ HỒNG NGHIÊM
32
bIN

16


KIỂM SOÁT CHẤT DINH DƯỢNG CỦA CÁC NGUỒN NƯỚC

BK
TPHCM

Tỷ số N/p và chất dinh dưỡng giới hạn cho nhiều mức
độ xử lý khác nhau
Mức độ xử lý

Nồng độ hiệu lực (mg/L)

TN/Tp IN/Ip

Chất dinh
dưỡng giới
hạn

TN

IN

Tp

Ip

Nước thải thô

40

25

10

7

4,0

3,6

Nitơ

Bùn hoạt tính

27

22

8

5

3,4

4,4

Nitơ

Bùn hoạt tính + nitrat
hóa

26

22

7

5

3,7

4,4

Nitơ

Bùn hoạt tính + khử
phốt pho

27

22

1

1

27,0

22,0

Phốt pho

Bùn hoạt tính + khử
nitơ

3

2

8

5

0,4

0,4

Nitơ

Bùn hoạ tính + khử
phốt pho + khử nitơ

3

2

1

1

3,0

2,0

Nitơ

33

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

CHẤT DINH DƯỢNG GIỚI HẠN CHO NHIỀU NGUỒN NƯỚC KHÁC NHAU
BK
TPHCM

Sông và dòng chảy
Chịu ảnh hưởng của nguồn điểm
N
<< 10 : Nitơ giới hạn

P

Không có khử phốt pho
Khử phốt pho

N
>> 10 : Phốt pho giới hạn
P

Chịu ảnh hưởng của nguồn phân tán

N
>> 10 : Phốt pho giới hạn
P

Cửa sông
Vùng nước ngọt
Chịu ảnh hưởng của nguồn phân tán

N
>> 10 : Phốt pho giới hạn
P
N
<< 10 : Nitơ giới hạn
P

Chịu ảnh hưởng của nguồn điểm
Vùng nước mặn
Chịu ảnh hưởng xâm nhập của nước biển
Vùng nước lợ và vùng chuyển tiếp

N
<< 10 : Nitơ giới hạn
P
N
≈ 10 : Nitơ hoặc Phốt pho giới hạn
P

Hồ
Hồ lớn chịu ảnh hưởng của nguồn phân tán
Hồ nhỏ chịu ảnh hưởng của nguồn điểm

34

N
>> 10 : Phốt pho giới hạn
P
N
<< 10 : Nitơ giới hạn
P

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

17


3.3. MÔ HÌNH ĐƠN GIẢN MÔ TẢ SỰ PHÚ
DƯỢNG HÓA TRONG HỒ CHỨA (1)

BK

TPHCM

v Cách tiếp cận cơ bản đối với mô hình mô tả
sự phú dưỡng hóa của các hồ chứa là thực
hiện cân bằng vật chất chất dinh dưỡng được
xem là tác nhân hạn chế sự phát triển sinh
khối thực vật, đó là phốt pho.
v Tổng phốt pho (Tp) được sử dụng như một
thông số chỉ thị biểu diễn trạng thái dinh
dưỡng của hồ.

35

BK
TPHCM

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

CÂN BẰNG VẬT CHẤT ĐỐI VỚI PHỐT PHO (1)

Các giả thuyết sử dụng là:
1. Hồ ở chế độ xáo trộn hoàn toàn.
2. Điều kiện trạng thái ổn định sử dụng để ước tính
giá trị trung bình mùa hay trung bình năm.
3. Phốt pho là tác nhân hạn chế sự phát triển sinh
khối thực vật.
4. Phốt pho tổng cộng được sử dụng như là một đại
lượng mô tả trạng thái dinh dưỡng của hồ.

36

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

18


CÂN BẰNG VẬT CHẤT ĐỐI VỚI PHỐT PHO (2)

BK
TPHCM

V = Thể tích của hồ [L3]. m3
p = phốt pho tổng cộng trong hồ
[M/L3], ví dụ: mg/L
Q = lưu lượng ra khỏi hồ, m3/ngày
As = diện tích bề mặt của hồ [L2].
W = nguồn phốt pho bên ngoài,
[M/L] ví dụ : g/s; kg/năm
Ks = tốc độ tiêu thụ (biến mất)
của phốt pho tổng cộng [1/T]
H = chiều sâu của hồ [L]: m

Phương trình cân bằng phốt pho cho hồ xáo trộn hoaøn toaøn laø:

Vv
dp
= W − vs As p − Qp (3.3) As vs = s = VK s
H
dt
v

dp
V
= W − K s pV − Qp (3.4) Với K s = s (3.5)
dt
H

V

Hay
37

BK
TPHCM

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

CÂN BẰNG VẬT CHẤT ĐỐI VỚI PHỐT PHO (3)

v Ở trạng thái ổn định phương trình (5.3) viết lại như sau:

p=

W
(3.6)
Q + vs As

v Bằng cách đưa vào đại lượng tải trọng bề mặt W’:

W' =

W
As

[M/L2 .T] [g/m 2 .năm] (3.7)

Phương trình này cũng có thể biểu diễn dưới dạng:

p=

W'
q + vs

(3.8)

Trong đó: q là tốc độ chảy tràn thủy lực, q = Q/As [L/T].
38

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

19


BK
TPHCM

CÂN BẰNG VẬT CHẤT ĐỐI VỚI PHỐT PHO (4)

v Trên cơ sở này phương trình (3.5),(3.8) có thể viết lại
như sau:

p=

W'
W'
W'
W'
=
=
=
q + vs Q / As + HK s H (Q / HAs + K s ) H (Q / V + K s )

p=

W'
(3.9)
H (ρ + Ks )

ρ=

Q 1
=
V td

Trong đó:

(3.10)

td là thời gian lưu nước trong hồ.
39

BK
TPHCM

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

CÂN BẰNG VẬT CHẤT ĐỐI VỚI PHỐT PHO (5)

v  Mức phốt pho tổng cộng cho phép được là bao nhiêu?
v  Mức phốt pho vượt quá ngưỡng cho phép là bao nhiêu?
[ Ước lượng để tính toán tải trọng phốt pho cho phép W’.
v  Kết quả nghiên cứu của Vollenweider và nhiều tác giả
khác đã đề xuất như sau:
Mức tổng phốt pho cho phép, pcp = 0,010 mgP/L (g/m3)
= 10 µg/L (mg/m3)
Mức tổng phốt pho vượt quá ngưỡng cho phép,
png = 0,020 mgP/L (g/m3) = 20 µg/L (mg/m3)
v  Điều này có nghóa là vùng biểu diễn trạng thái dinh dưỡng
trung bình (mesotrophy) nằm giữûa hai biên có nồng độ
tổng phốt pho là 10 µg/L và 20 µg/L.
40

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

20


MÔ HÌNH ĐƠN GIẢN MÔ TẢ SỰ PHÚ DƯỢNG HÓA
TRONG HỒ CHỨA (2)

BK

TPHCM

Biểu đồ tải trọng dinh dưỡng của Vollenweider (1968)

41

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

MÔ HÌNH ĐƠN GIẢN MÔ TẢ SỰ PHÚ DƯỢNG HÓA
TRONG HỒ CHỨA (2’)

BK
TPHCM

Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng chất dinh dưỡng và điều
kiện dinh dưỡng của Vollenweider (1968)
W’

(g/m2/năm)

ρ=

42

Q 1
=
V td

q=Hρ=H/td (m/năm)

(3.10)

TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM

21


BK
TPHCM

CÂN BẰNG VẬT CHẤT ĐỐI VỚI PHỐT PHO (6)

v Tải trọng phốt pho có thể tính toán từ phương
trình (3.13) sử dụng các giá trị trên, ta có:

W ' = p(q + vs ) (3.13)
'
10

⇓

W = 0,01(10 + Hρ ) (g/m 2 .naêm)

(3.15)

W20' = 0,02(10 + Hρ )

(3.16)

(g/m 2 .naêm) = (g/m 3 )(m/năm)

43

BK
TPHCM

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

CÂN BẰNG VẬT CHẤT ĐỐI VỚI PHỐT PHO (7)

v Vận tốc lắng vs và tốc độ tiêu thụ phốt pho Ks xác
định bằng thực nghiệm.

Ks =

vs
H

(3.11a )

Trong đó: H tính bằng m và Ks tính bằng 1/năm.

v Một số nghiên cứu khác của Chapra và Tarapchak
(1976) cho kết quả của vs là 16 m/năm và 12,4 m/
năm, các tác giả khác là vs từ 5 đến 20 m/năm.

v Vollenweider (1975) đã nghiên cứu và thiết lập công
thức sau: vs = 10 m/năm (0,0274 m/ngày).

44

Ks =

10
H

(3.11)

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

22


BK
TPHCM

CÂN BẰNG VẬT CHẤT ĐỐI VỚI PHỐT PHO (8)

v Từ công thức (3.11), phương trình (3.8) có thể được
biến đổi và viết lại như sau:

p=

W'
q + 10

Hay

p=

W'

(3.12)
Hρ + 10

Chú ý rằng q = Q/As = Q/V x V/As = H x ρ

v Mặt khác, phương trình (3.8) có thể viết lại dưới daïng
sau:
W'

p=

q + vs

(3.8) ⇒

W ' = p(q + vs ) (3.13)

v Lấy logarit hai vế phương trình (3.13) ta có:

log W ' = log p + log(q + vs ) (3.14)
45

BK
TPHCM

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

CÂN BẰNG VẬT CHẤT ĐỐI VỚI PHỐT PHO (9)

v Phương trình (3.14) được sử dụng để vẽ đường

biểu diễn của logW’ theo logq. Hình vẽ 3.10
minh họa quan hệ giữa tải trọng chất dinh
dưỡng và điều kiện dinh dưỡng của hồ được
thiết lập bởi Vollenweider (1975).
v Khi biết tải trọng chất dinh dưỡng hàng năm W
và Hρ ta có thể xác định được trạng thái dinh
dưỡng của hồ.
v Nếu trạng thái dinh dưỡng là phú dưỡng hóa
thì tải trọng cần thiết phải giảm đi có thể đọc
trực tiếp trên biểu đồ này.
46

TS.LÊ HOÀNG NGHIÊM

23


CÂN BẰNG VẬT CHẤT ĐỐI VỚI PHỐT PHO (10)

BK
TPHCM

W’
(g/m2/năm)

ρ=

Q 1
=
V td

(3.10)

q = H/td = Hρ (m/năm)

Biểu đồ quan hệ giữa tải trọng chất dinh dưỡng và điều
kiện dinh dưỡng

47

BK
TPHCM

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

CÁC MÔ HÌNH BÁN THỰC NGHIỆM KHÁC (1)

Do tốc độ tiêu thụ chất dinh dưỡng phụ thuộc vào sự
phục hồi trạng thái lơ lững và sự lắng đọng,
Vollenweider (1976) đã thiết lập các công thức tính
toán thích hợp hơn, công thức (3.9) viết lại:

p=

W'
(3.17)
Hρ (1 + 1/ ρ )

Chapra và Tarapchak (1976) đã tìm được mối quan hệ
giữa nồng độ tổng phốt pho mùa xuân quan hệ với

nồng độ tổng phốt pho mùa hè như sau:

p = 0,9 ps (3.18)
Trong đó: ps là phốt pho tổng cộng mùa xuân.
48

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

24


BK
TPHCM

CÁC MÔ HÌNH BÁN THỰC NGHIỆM KHÁC (2)

v Lượng chlorophyll trung bình mùa hè được tính toán
theo công thức của Dillon và Rigler (1974):

chl a = 0,0731( ps )1,449 (3.19)
v Kết hợp các công thức (5.8), (5.18) và (5.19) ta có:
W'
p=
(3.8)
1, 449
q + vs

p = 0,9 ps (3.18)

chl a = 0,0731( ps )

1, 449

⎛ W ' ⎞
⎟
chl a = 1866⎜⎜
q + 12,4 ⎟⎠
⎝
(3.19)

(3.20)

Trong đó: chl a tính bằng µg/L; W’ tính bằng g/m2năm;
và q tính bằng m/năm và vận tốc lắng ròng lấy
bằng 12,4 m/năm.
49

BK
TPHCM

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

CÁC MÔ HÌNH BÁN THỰC NGHIỆM KHÁC (2)

v Công thức (3.20) cũng có thể được biến đổi
để tính toán tải trọng tương ứng với mức
chlorophyll đã xác định sẵn như sau:
1, 449

⎛ W ' ⎞

⎟⎟
chl a = 1866⎜⎜
⎝ q + 12,4 ⎠
⇓
0,69

W ' = 0,0055(chl a)

(3.20)

(q + 12,4) (3.21)

Trong đó: chl a tính bằng µg/L; W’ tính bằng g/
m2năm; và q tính bằng m/năm và vận tốc
lắng ròng lấy bằng 12,4 m/năm.
50

TS.LÊ HỒNG NGHIÊM

25