Nghiên cứu xây dựng mô hình đánh giá khả năng tự làm sạch của nước sông, ứng dụng cho sông nhuệ đoạn chảy qua thành phố hà nội

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Đỗ Thị Hiền

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TỰ
LÀM SẠCH CỦA NƯỚC SÔNG, ỨNG DỤNG CHO SÔNG NHUỆ
ĐOẠN CHẢY QUA THÀNH PHỐ HÀ NỘI

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

Hà Nội, 2016


ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI
TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

Đỗ Thị Hiền

NGHIÊN CỨU XÂY DỰNG MÔ HÌNH ĐÁNH GIÁ KHẢ NĂNG TỰ
LÀM SẠCH CỦA NƯỚC SÔNG, ỨNG DỤNG CHO SÔNG NHUỆ
ĐOẠN CHẢY QUA THÀNH PHỐ HÀ NỘI
Chuyên ngành: Hóa môi trường
Mã số: 60440120

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC:
TS. Lê Thị Trinh
PGS.TS. Trần Hồng Côn

Hà Nội, 2016


LỜI CẢM ƠN
Với lòng biết ơn sâu sắc em xin chân thành cảm ơn thầy giáo PGS.TS.
Trần Hồng Côn đã tin tưởng giao đề tài và tận tình hướng dẫn, giúp đỡ em trong
suốt quá trình học tập, nghiên cứu làm luận văn.
Em xin được gửi lời biết ơn sâu sắc tới cô giáo TS. Lê Thị Trinh, Khoa
Môi trường, Trường Đại học Tài nguyên và Môi trường Hà Nội. Cô đã tận tình giúp
đỡ, dạy bảo và hướng dẫn em trong suốt quá trình nghiên cứu và thực hiện luận văn.
Em cũng xin chân thành gửi lời cảm ơn tới các thầy, cô giáo là cán bộ quản
lý tại Phòng thí nghiệm Khoa Môi trường, Trường Đại học Tài nguyên và Môi
trường Hà Nội đã tạo mọi điều kiện thuận lợi để em hoàn thành luận văn tốt nghiệp
của mình.
Đồng thời em xin gửi lời cám ơn đến các thầy, cô giáo trong Khoa Hóa học,
Trường Đại học Khoa học Tự nhiên, ĐHQGHN, người thân trong gia đình, bạn bè
và các anh, chị đồng nghiệp đã truyền đạt kiến thức, giúp đỡ và ủng hộ em trong
suốt thời gian qua.
Em xin chân thành cảm ơn!

Học viên cao học

Đỗ Thị Hiền


MỤC LỤC
Trang
MỞ ĐẦU ......................................................................................................................... 1
CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN ......................................................................................... 3
1.1. Khả năng tự làm sạch của nguồn nước ................................................................. 3

1.1.1. Giới thiệu chung về khả năng tự làm sạch của nguồn nước ...................... 3
1.1.2. Các quá trình xảy ra khi nước tự làm sạch ................................................. 3
1.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tự làm sạch của nguồn nước ............ 7
1.2. Khả năng tiếp nhận chất thải của nguồn nước .................................................... 16
1.2.1. Khái niệm khả năng tiếp nhận chất thải của nguồn nước ........................ 16
1.2.2. Các yếu tố tác động đến khả năng tiếp nhận chất thải của nguồn nước .. 17
1.3. Tổng quan về phương pháp, mô hình đánh giá khả năng tự làm sạch và khả
năng tiếp nhận chất ô nhiễm của nguồn nước ........................................................... 17
1.3.1. Đánh giá khả năng tự làm sạch của nguồn nước dựa trên khoảng cách từ
nguồn thải ........................................................................................................... 17
1.3.2. Đánh giá khả năng tự làm sạch của nguồn nước dựa trên tải lượng chất ô
nhiễm .................................................................................................................. 18
1.3.3. Đánh giá khả năng tự làm sạch của nguồn nước bằng phương pháp mô
hình hóa .............................................................................................................. 19
1.3.4. Đánh giá khả năng tiếp nhận chất thải của nguồn nước theo thông tư số
02/2009/TT-BTNMT ......................................................................................... 20
1.3. Tổng quan về sông Nhuệ .................................................................................... 23
1.3.1. Giới thiệu chung về sông Nhuệ ................................................................ 23
1.3.2. Hiện trạng chất lượng nước sông Nhuệ ................................................... 25
CHƯƠNG 2 - ĐỐI TƯỢNG, PHẠM VI VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU ........ 28
2.1. Đối tượng và phạm vi nghiên cứu ...................................................................... 28
2.2. Cách tiếp cận ....................................................................................................... 28
2.3. Mục tiêu và nội dung nghiên cứu ....................................................................... 28
2.3.1. Mục tiêu nghiên cứu ................................................................................. 28
2.3.2. Nội dung nghiên cứu ................................................................................ 29


2.4. Phương pháp nghiên cứu .................................................................................... 29
2.5. Thực nghiệm ....................................................................................................... 29
2.5.2. Xây dựng mô hình nghiên cứu ................................................................. 33

2.5.3. Đánh giá khả năng tự làm sạch của nước sông trong mô hình ................ 35
2.5.4. Đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm của nước sông Nhuệ bằng mô
hình ..................................................................................................................... 36
2.5.6. Phương pháp phân tích các thông số chất lượng nước ............................ 40
CHƯƠNG 3 - KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN............................................................... 42
3.1. Kết quả đánh giá chất lượng nước sông Nhuệ và khảo sát quá trình tự làm sạch
theo khoảng cách từ nguồn thải ................................................................................. 42
3.2.1. Kết quả đo nhanh các thông số nhiệt độ, pH, DO trong mô hình ............ 44
3.2.2. Đánh giá khả năng tự làm sạch đối với các thông số ............................... 47
3.3. Kết quả đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm của nước sông Nhuệ trong
mô hình ...................................................................................................................... 54
3.3.1. Khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm a = Lls/2 ....... 55
3.3.2. Khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm a = Lls........... 56
3.3.3. Khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm a = 2Lls......... 58
3.3.4. Khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm a = 10Lls....... 59
3.3.5. Khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm a = 50Lls....... 60
3.3.6. Khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm a = 100Lls..... 61
KẾT LUẬN ................................................................................................................... 64
TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................. 66
PHỤ LỤC ...................................................................................................................... 69


DANH MỤC BẢNG
Trang
Bảng 2.1. Các vị trí lấy mẫu khảo sát ........................................................................... 30
Bảng 2.2. Mô tả các điều kiện lấy mẫu khảo sát chất lượng nước sông Nhuệ ............. 32
Bảng 2.3. Ký hiệu các vị trí lấy mẫu tại mô hình ......................................................... 34
Bảng 2.4. Thiết bị đo đạc các thông số đo nhanh ......................................................... 40
Bảng 2.5. Phương pháp phân tích các chỉ tiêu trong Phòng thí nghiệm ....................... 41
Bảng 3.1. Kết quả phân tích chất lượng nước sông Nhuệ............................................. 42

Bảng 3.2. Khả năng tự làm sạch của sông Nhuệ trên một đơn vị chiều dài qua 4 đợt
quan trắc ........................................................................................................................ 43
Bảng 3.3. Kết quả phân tích COD................................................................................. 47
Bảng 3.4.Tốc độ tự làm sạch của nước sông đối với thông số COD ............................ 49
Bảng 3.5. Kết quả phân tích hàm lượng NH4+ .............................................................. 49
Bảng 3.6. Tốc độ tự làm sạch của nước sông đối với thông số NH4+ ........................... 51
Bảng 3.7. Kết quả phân tích hàm lượng NO3- ............................................................... 51
Bảng 3.8. Kết quả phân tích hàm lượng tổng P ............................................................ 53
Bảng 3.9. Tốc độ tự làm sạch của nước sông đối với thông số tổng P ......................... 54
Bảng 3.10. Kết quả đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm
a = Lls/2.......................................................................................................................... 55
Bảng 3.11. Kết quả đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm
a = Lls ............................................................................................................................. 56
Bảng 3.12. Khả năng tiếp nhận của nước sông khi giá trị thêm a = Lls ........................ 57
Bảng 3.13. Kết quả đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm
2Lls ................................................................................................................................. 59
Bảng 3.14. Kết quả đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm
10Lls ............................................................................................................................... 59
Bảng 3.15. Kết quả đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm
50Lls ............................................................................................................................... 60
Bảng 3.16. Kết quả đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm ở khoảng nồng độ thêm
100Lls ............................................................................................................................. 61
Bảng 1. Kết quả đo nhanh các thông số nhiệt độ, pH, DO trong mô hình đánh giá khả
năng tự làm sạch của nước sông ................................................................................... 70


DANH MỤC HÌNH
Trang
Hình 1.1. Phân chia các vùng của dòng chảy theo khả năng tự làm sạch của nguồn
nước ................................................................................................................................. 7

Hình 1.2. Sự thay đổi DO theo khoảng cách về phía hạ lưu tính từ điểm nhận nước thải
......................................................................................................................................... 9
Hình 1.3. Mối quan hệ giữa nồng độ DO và số vi sinh vật ở các vùng khác nhau ......... 9
Hình 1.4. Độ hoà tan oxy trong nước ở các nhiệt độ khác nhau ................................... 14
Hình 1.5. Sự hoà tan oxy trong dòng chảy rối .............................................................. 15
Hình 1.6. Sự hoà tan oxy trong dòng chảy chậm .......................................................... 15
Hình 1.7. Đường cong diễn biến DO điển hình ............................................................ 20
Hình 1.8. Bản đồ lưu vực sông Nhuệ - Đáy trên địa bàn Hà Nội ................................. 25
Hình 2.1. Sơ đồ vị trí lấy mẫu ....................................................................................... 31
Hình 2.2. Cống thải ngay trước vị trí SN1 .................................................................... 31
Hình 2.3. Sơ đồ các mô hình thí nghiệm đánh giá khả năng tự làm sạch của nước sông
trong phòng thí nghiệm ................................................................................................. 33
Hình 2.4. Hình ảnh mô hình đánh giá khả năng tự làm sạch của nước sông trong phòng
thí nghiệm...................................................................................................................... 33
Hình 2.5. Sơ đồ quy trình thực nghiệm đánh giá khả năng tự làm sạch bằng mô hình 36
Hình 2.6. Sơ đồ quy trình thực nghiệm đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm bằng
mô hình .......................................................................................................................... 40
Hình 3.1. Diễn biến thông số nhiệt độ .......................................................................... 45
Hình 3.2. Diễn biến thông số pH................................................................................... 45
Hình 3.3. Diễn biến thông số DO .................................................................................. 46
Hình 3.4. Đồ thị biểu diễn sự thay đổi của thông số COD ........................................... 48
Hình 3.5. Diễn biến thông số NH4+ ............................................................................... 50
Hình 3.6. Diễn biến thông số NO3- ............................................................................... 52
Hình 3.7. Diễn biến thông số tổng P ............................................................................. 53
Hình 1.a. Sông Nhuệ tại vị trí SN1 ngày 21/3/2016 ..................................................... 72
Hình 1.b. Sông Nhuệ tại vị trí SN2 ngày 21/3/2016 ..................................................... 72
Hình 2. Hình ảnh của mẫu nước nghiên cứu trong các cột ........................................... 72
Hình 3. Các mẫu nước lấy từ mô hình sau 3 ngày tự làm sạch..................................... 72
Hình 4.a. Mẫu nước ở 3 cột trước khi bắt đầu thêm nước thải giả định ....................... 72
Hình 4.b. Mẫu nước ở 3 cột sau khi thêm nước thải giả định a = 100Lls .................... 72

DANH MỤC CÁC KÝ HIỆU, CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BOD

: Nhu cầu oxy sinh hóa

BHC

: Benzen hecxa clorua

COD

: Nhu cầy oxy hóa học

CSUL

: Khả năng tự làm sạch trên một đơn vị chiều dài

DDT

: Diclo diphenyl tricloetan

DO

: Oxy hòa tan trong nước

DObh

: Lượng oxy hão hòa trong nước

QCVN

: Quy chuẩn kỹ thuật Quốc gia

QCCP

: Quy chuẩn cho phép

TCVN

: Tiêu chuẩn Việt Nam

TN

: Tổng nitơ

TP

: Tổng photpho


MỞ ĐẦU
Sông, hồ là những công trình thiên nhiên hoặc nhân tạo, là nguồn cung cấp nước
mặt, đồng thời là nơi tiếp nhận nước mưa, nước thải sinh hoạt, công nghiệp… Ở những
điều kiện bình thường, trong nguồn nước sẽ diễn ra một chu trình kín của sự cân bằng
giữa sự sống của các loài động thực vật và vi sinh vật. Sự sống của chúng có quan hệ
tương hỗ với nhau. Khi nguồn nước bị ô nhiễm bởi nước thải sinh hoạt và công nghiệp
sẽ tạo thành một dư lượng chất gây phá vỡ chu trình. Tuy nhiên, sau một khoảng cách
nào đó từ nguồn ô nhiễm tùy thuộc lượng các chất ô nhiễm, lưu lượng nước nguồn,…

những chu trình bình thường sẽ được phục hồi trở lại. Sự phục hồi này gọi là sự tự làm
sạch.
Mỗi nguồn nước đều có khả năng tự làm sạch của nó. Ví dụ như khi một dòng
sông bị ô nhiễm bởi các chất hữu cơ nó sẽ khôi phục lại trạng thái sạch ban đầu bởi các
quá trình tự nhiên như hiện tượng pha loãng, lắng cặn, quá trình khử chất ô nhiễm bởi
sinh vật. Tuy nhiên, hiện nay hầu hết các nguồn nước mặt như sông ngòi đều đang phải
“oằn mình” gánh chịu vô số các nguồn thải khác nhau được đổ xuống làm cho dòng
sông ngày càng bị ô nhiễm. Trong số đó không thể không nhắc tới sông Nhuệ, một con
sông điển hình về mức độ ô nhiễm mà hầu hết mọi người đều biết đến.
Sông Nhuệ là một phụ lưu của sông Đáy. Sông dài khoảng 76 km, chảy qua địa
phận thành phố Hà Nội và tỉnh Hà Nam. Trong những năm gần đây, sự phát triển kinh
tế - xã hội trên sông Nhuệ diễn ra rất mạnh mẽ, đem lại nhiều lợi ích kinh tế góp phần
nâng cao đời sống cho người dân. Tuy nhiên, ngoài những lợi ích mang lại thì tình
trạng ô nhiễm môi trường nói chung và môi trường nước nói riêng trên sông Nhuệ
ngày càng gia tăng, gây ảnh hưởng đến sức khoẻ cho cộng đồng dân cư sống quanh
vùng.
Sông Nhuệ đoạn chảy qua thành phố Hà Nội là nơi tiếp nhận nước thải sinh
hoạt, nước thải làng nghề tại các vùng ven sông. Bên cạnh đó, tình trạng đổ phế thải,

1


rác thải xuống sông còn phổ biến. Chính vì luôn phải tiếp nhận lượng chất thải quá lớn
nên dòng sông đã bị ô nhiễm nghiêm trọng.
Nghiên cứu khả năng tự làm sạch của nguồn nước là một trong những cơ sở
khoa học để đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm, từ đó đưa ra các biện pháp phù
hợp nhằm kiểm soát và xử lý ô nhiễm nguồn nước. Xuất phát từ thực tiễn trên, chúng
tôi thực hiện đề tài: “Nghiên cứu xây dựng mô hình đánh giá khả năng tự làm sạch
của nước sông, ứng dụng cho sông Nhuệ đoạn chảy qua thành phố Hà Nội”. Đây
là kết quả nghiên cứu ban đầu, mang tính thăm dò và định hướng thông qua những thử

nghiệm ở điều kiện đơn giản. Để có cơ sở khoa học thực hiện các nghiên cứu tiếp theo
ở mức độ sâu hơn và hoàn thiện hơn.

2


CHƯƠNG 1 - TỔNG QUAN
1.1. Khả năng tự làm sạch của nguồn nước
1.1.1. Giới thiệu chung về khả năng tự làm sạch của nguồn nước
Nước thải được pha loãng với nguồn nước tiếp nhận đến một khoảng nào đó thì
được xáo trộn hoàn toàn với nước nguồn. Ở những điều kiện bình thường, trong nguồn
nước sẽ diễn ra một chu trình kín thiết lập sự cân bằng giữa sự sống của các loài động
thực vật và vi sinh vật.
Khi nguồn nước bị ô nhiễm bởi các hoạt động do con người tạo ra hoặc do tự
nhiên, hàm lượng các chất hóa học trong nước tăng, tạo thành lượng dư chất phá vỡ các
chu trình chuyển hóa tự nhiên. Sự ô nhiễm quá mức sẽ phá vỡ các cân bằng của sinh
vật, sự hòa tan oxy... Tuy nhiên, tiếp theo một khoảng cách nào đó về hạ nguồn, tùy
thuộc nồng độ các chất gây ô nhiễm trong nước, lưu lượng nước nguồn, các điều kiện
thuỷ động lực của dòng chảy,..., những chu trình bình thường sẽ được phục hồi trở lại.
Có thể nói, tự làm sạch là tổ hợp các quá trình tự nhiên như: vật lý, hóa học,
sinh học,... diễn ra trong sông hồ bị nhiễm bẩn từ các nguồn ô nhiễm và từ đó nguồn
nước có thể phục hồi trạng thái (thành phần và tính chất) ban đầu [1,25].
1.1.2. Các quá trình xảy ra khi nước tự làm sạch
Tự làm sạch bao gồm hai quá trình cơ bản: Quá trình pha loãng nguồn thải với
nguồn nước tiếp nhận và quá trình chuyển hoá chất bẩn theo thời gian. Hai quá trình
này diễn ra đồng thời nhưng cường độ của chúng phụ thuộc vào vị trí, tính chất của
nguồn thải, các yếu tố thuỷ động học dòng chảy như vận tốc, mực nước, lưu lượng, hệ
số nhám, hệ số khuếch tán rối, hình thái sông hồ, độ khúc khuỷu của dòng chảy và các
điều kiện môi trường khác.
- Quá trình pha loãng nguồn thải với nguồn nước tiếp nhận:

3


Đây là một trong những yếu tố chính làm giảm nồng độ chất bẩn khi xả vào
nguồn nước. Trong quá trình pha loãng, tổng lượng chất bẩn được coi như không thay
đổi cho cả trường hợp chất ô nhiễm bền vững và không bền vững.
Đối với các nguồn tiếp nhận nước thải (sông, hồ), quá trình xáo trộn và pha
loãng của nguồn tiếp nhận và nguồn thải có ý nghĩa rất lớn trong việc bảo vệ nguồn
nước:
+ Giảm được nồng độ chất ô nhiễm tại các điểm cục bộ trong sông hồ;
+ Phân bố đều tải trọng chất ô nhiễm trong toàn bộ dung tích nước nên tăng
cường được quá trình tự làm sạch (phân bố tải trọng chất ô nhiễm cho vi sinh vật);
+ Do giảm được tải lượng chất bẩn cục bộ, phù hợp với khả năng tự điều chỉnh
của hệ sinh thái vực nước nên độ ổn định của hệ được bảo đảm;
+ Dựa vào số lần pha loãng nước nguồn với nước thải, chúng ta có thể xác định
được mức độ xử lý nước thải cần thiết và thiết lập được các biện pháp bảo vệ sông hồ
khác.
- Quá trình chuyển hoá chất bẩn theo thời gian:
Các quá trình hoá lý và sinh hoá diễn ra theo xu hướng làm giảm nồng độ chất
bẩn theo các quá trình oxy hóa sinh hoá các chất hữu cơ, lắng đọng chất lơ lửng, hấp
thụ chất ô nhiễm, và tích tụ sinh học các chất bẩn không hoà tan trong chuỗi thức ăn,
tái xâm nhập chất bẩn từ trầm tích vào nước… Kết quả cuối cùng của các quá trình này
là phục hồi một phần hoặc toàn bộ trạng thái ban đầu của nguồn nước.
Dưới đây là các quá trình chuyển hóa thường diễn ra trong quá trình tự làm sạch
của nguồn nước:
+ Các quá trình oxy hóa sinh hoá các chất bẩn (chủ yếu là chất hữu cơ) trong
nước, trong cặn lơ lửng và trong cặn đáy;

4

+ Các quá trình trực tiếp oxy hóa chất ô nhiễm nhờ oxy hoà tan trong nước hoặc
oxy hóa quang hoá…;
+ Các quá trình hoá lý: hấp thụ, keo tụ, lắng, tạo các chất khó hoà tan, bay hơi,
tạo váng bọt…;
+ Các quá trình dinh dưỡng để tích tụ các chất bẩn và chất độc hại trong chuỗi
thức ăn hoặc bài tiết chúng thành cặn lắng;
+ Các quá trình cạnh tranh sinh học dẫn đến việc tiêu diệt các loại vi khuẩn gây
bệnh và vi sinh vật có hại trong nước.
Tốc độ chuyển hoá chất ô nhiễm trong từng quá trình trên phụ thuộc vào hàng
loạt yếu tố như thành phần và đặc điểm quần xã thuỷ sinh vật trong vực nước, nhiệt độ
nước, độ pH, cường độ ánh sáng, độ sâu lớp nước, thành phần cặn lơ lửng và các chất
hoà tan, đặc điểm bùn đáy,…
Để đơn giản cho việc nghiên cứu, đánh giá quá trình tự làm sạch nguồn nước,
người ta chia ra các vùng làm sạch theo không gian trong dòng chảy sông. Mỗi vùng
được đặc trưng bởi các điều kiện hoá, lý, sinh học mà có thể quan sát kiểm tra đánh giá
được. Các vùng đó là:
- Vùng phân huỷ: Được hình thành ngay sau nguồn nước tiếp nhận nước thải và
được biểu hiện bởi độ đục và màu đen của nước. Ở đây sẽ diễn ra sự phân huỷ kỵ khí;
sự tiêu thụ oxy tăng nhanh, xuất hiện CO2 và NH4+. Các dạng sinh vật bậc cao, đặc biệt
là cá sẽ bị chết hoặc là chúng phải rời đi nơi khác. Nấm có thể hình thành và xuất hiện
thành khối màu nâu trắng hoặc màu xám như những chiếc đũa nhỏ và chìm xuống; vi
khuẩn xuất hiện ít hơn nấm. Trong cặn lắng có một loài ấu trùng roi; loài này nuốt cặn
và thải cặn ra ở dạng ổn định và lại được các sinh vật khác sử dụng.
- Vùng phân huỷ mạnh: Vùng này thấy rất rõ khi nước bị ô nhiễm nặng và đặc
trưng bởi sự thiếu hụt oxy hoà tan, diễn ra sự phân huỷ kỵ khí. Các bọt khí và bùn cặn

5

có thể xuất hiện trên mặt nước tạo thành váng màu đen. Nước sẽ có màu xám đen và có
mùi hôi thối của các hợp chất chứa lưu huỳnh. Các vi sinh vật chủ yếu là vi khuẩn kỵ
khí, nấm hầu như đã biến mất; các loài động vật bậc cao cũng rất ít, chỉ có một ít loài
ấu trùng, côn trùng...
- Vùng phục hồi: Vùng này nhiều chất hữu cơ đã lắng đọng xuống ở dạng cặn.
Cặn bị phân huỷ kỵ khí dưới đáy hoặc trong dòng nước chuyển động. Vì nhu cầu tiêu
thụ oxy của nước nhỏ hơn tốc độ làm thoáng bề mặt nên tình trạng được cải thiện,
nước được trong hơn. Lượng CO2, NH4+ giảm và oxy hoà tan, NO2-, NO3- tăng lên. Vi
khuẩn có xu hướng giảm về số lượng vì việc cung cấp thức ăn bị giảm, chúng chủ yếu
là loài hiếu khí. Nấm xanh, tảo xuất hiện đã sử dụng các hợp chất chứa nitơ và CO2 rồi
giải phóng oxy giúp cho việc làm thoáng và hoà tan oxy mạnh mẽ hơn. Tiếp theo, nhu
cầu tiêu thụ oxy giảm; các loài khuê tảo cũng ít hơn; xuất hiện các loài nguyên sinh
động vật, nhuyễn thể, các thực vật nước; quần thể cá cũng ổn định dần và tìm thức ăn
trong vùng này.
- Vùng nước trong: Ở đây dòng chảy đã trở lại trạng thái tự nhiên và có các loài
phù du thông thường của nước sạch. Do ảnh hưởng của độ phì dưỡng do ô nhiễm trước
đây cho nên các loài phù du sẽ xuất hiện với số lượng lớn. Nước trở lại trạng thái cân
bằng oxy - lượng oxy hoà tan lớn hơn lượng oxy tiêu thụ - trạng thái ban đầu của nước
đã được phục hồi hoàn toàn.
Trong quá trình phục hồi, coliforms và các sinh vật gây bệnh cũng đã giảm về số
lượng vì môi trường không thuận lợi cho chúng và xuất hiện những sinh vật chủ đạo.
Tuy nhiên một số loài gây bệnh còn tồn tại trong vùng nước trong, do đó có thể nước
vẫn còn bị ô nhiễm bởi vi khuẩn gây bệnh và không thể dùng cho ăn uống, sinh hoạt
nếu không được xử lý.
Khả năng tự làm sạch của nước sẽ diễn ra không đạt kết quả khi trong nước thải
có chứa các chất độc hại đối với sự sống của các sinh vật; quá trình tự làm sạch của

6

nước chỉ diễn ra khi các chất độc hại trong nước bị phân hủy hoặc pha loãng hay lý do
nào khác. Vì vậy cần phải giám sát chặt chẽ hàm lượng các chất độc hại trong nước
thải [11].

Hình 1.1. Phân chia các vùng của dòng chảy theo khả năng tự làm sạch của nguồn
nước
1.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tự làm sạch của nguồn nước
a. Nồng độ oxy hòa tan
Nồng độ oxy hòa tan (DO) trong nước là một yếu tố rất quan trọng ảnh hưởng
đến quá trình tự làm sạch của nước. Nếu trong nước có nồng độ oxy hòa tan lớn (điều
kiện hiếu khí) thì hoạt động của nhóm vi sinh vật hiếu khí được đẩy mạnh, quá trình
phân hủy chất hữu cơ diễn ra nhanh và tạo ra các sản phẩm cuối cùng ít độc hại. Trong
trường hợp này ta có sơ đồ chuyển hóa dưới tác dụng của vi khuẩn [1]:
Cacbon hữu cơ + O2 → CO2
Hydro hữu cơ + O2 → H2 O

7


Nito hữu cơ + O2 → NO−
3
Lưu huỳnh hữu cơ + O2 → SO2−
4
Photpho hữu cơ + O2 → PO3−
4
Ngược lại nếu nồng độ oxy hòa tan thấp thì việc phân hủy chất hữu cơ sẽ do
nhóm vi sinh vật yếm khí thực hiện, sản phẩm tạo ra có mùi hôi và có tính độc hại.
Cacbon hữu cơ + O2 → CO2 , CH4
Nito hữu cơ + O2 → NH3

Lưu huỳnh hữu cơ + O2 → H2 S
Photpho hữu cơ + O2 → PH3
Sự thay đổi độ hòa tan oxy vào trong nguồn nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố.
Tùy theo lượng chất hữu có thải ra trong dòng chảy, lượng oxy hòa tan sẽ biến đổi như
biểu đồ trong hình 1.2 [1]:

8


Hình 1.2. Sự thay đổi DO theo khoảng cách về phía hạ lưu tính từ điểm nhận nước thải
Sự thay đổi và mối quan hệ giữa nồng độ DO và số lượng vi sinh vật ở các
vùng nước trong quá trình tự làm sạch được biểu thị trong hình 1.3 [1].

Hình 1.3. Mối quan hệ giữa nồng độ DO và số vi sinh vật ở các vùng khác nhau
Tại điểm xả nước thải, nhu cầu oxy cho việc phân hủy các chất hữu cơ vượt
quá tốc độ hòa tan của oxy từ khí quyển vào nguồn nước, do đó nồng độ oxy hòa tan sẽ
giảm đi và lượng vi sinh vật bắt đầu tăng lên.
Tại một điểm nào đó ở hạ lưu, tốc độ hòa tan oxy khí quyển vào nguồn nước
cân bằng với tốc độ tiêu thụ oxy của vi sinh vật. Sau điểm này, nồng độ oxy hòa tan lại
tăng lên từ từ tới giá trị bão hòa. Do lượng chất hữu cơ trong nước đã bị phân hủy gần
hết và lượng vi sinh vật cũng giảm theo.
b. Loại chất hữu cơ
Tốc độ tự làm sạch của nguồn nước phụ thuộc vào tính chất của chất hữu cơ
gây ô nhiễm. Có những chất hữu cơ dễ dàng bị phân hủy như protein, đường, chất
béo… và cùng có chất khó phân hủy như lignin, xenlulozo… Những chất hợp chất hữu
cơ cơ clo như DDT, BHC (benzen hecxa clorua)… có tính bền sinh học cao nên tồn tại

9

khá lâu trong nước. Các chất mùn là những chất hữu cơ phức tạp rất bền đối với sự
phân hủy sinh học nên thường tồn tại dưới dạng bùn cặn màu đen hay nâu đen [1].
c. Các loài thủy sinh vật
* Thực vật
- Thực vật phù du (tảo) làm giàu oxy trong nước nhờ quá trình quang hợp :
Tảo + ánh sáng
H2O + CO2

tế bào tảo mới + H2O + O2

Oxy hòa tan trong nước cần cho quá trình phân hủy chất hữu cơ, làm giảm các
nguyên tố dinh dưỡng trong nước. Thực vật phù du còn là nguồn thức ăn cho các loài
sinh vật ăn thực vật. Bên cạnh đó, nhờ các phản ứng xúc tác sinh học có sự tham gia
của tảo mà nhiều chất lắng và khoáng sản được hình thành [3]. Tuy nhiên nếu thực vật
phù du phát triển quá mạnh thì khi chúng chết đi, xác của chúng lại làm nguồn nước bị
nhiễm bẩn.
- Những loài thực vật lớn cũng làm giàu oxy trong nước và làm giảm lượng các
chất dinh dưỡng, tham gia tích cực vào việc khử các chất độc, dễ tách khỏi bùn nước
[9].
* Vi sinh vật
Vi sinh vật đóng vai trò chính trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ, chúng
có khả năng phân hủy nhiều loại hợp chất hữu cơ, là nguồn thức ăn cho các sinh vật ở
mức tiếp theo. Các chất bẩn hữu cơ ở dạng hòa tan, keo, không hòa tan sẽ bị hấp phụ
lên bề mặt của tế bào vi khuẩn, sau đó chúng được chuyển hóa và phân hủy. Quá trình
này được thực hiện trên bề mặt tế bào vi khuẩn nhờ men ngoại bào permeaza làm chất
xúc tác. Một phần chất hữu cơ được vận chuyển qua màng tế bào vi khuẩn vào bên

10

trong và tiếp tục oxi hóa giải phóng năng lượng để tổng hợp thành tế bào chất, sinh
khối vi sinh vật sẽ tăng lên [17,18].
Vi sinh vật oxi hóa các chất hữu cơ bằng cách hô hấp và lên men.
- Trong điều kiện hiếu khí, các hợp chất hữu cơ đơn giản như các loại đường,
tinh bột, chất béo, protein… cũng như các hợp chất hữu cơ tự nhiên hoặc tổng hợp
phức tạp được phân hủy do quá trình hô hấp của vi sinh vật. Quá trình oxy hóa sinh
hóa diễn ra bằng cách sử dụng oxy hòa tan có sẵn trong nước. Quá trình này được gọi
là hô hấp hiếu khí. Các vi sinh vật tham gia được gọi là vi sinh vật hiếu khí.
Quá trình hô hấp hiếu khí có thể biểu diễn bằng phương trình phản ứng như sau:
VI KHUAN
 tế bào vi khuẩn mới + H2O + CO2 + PO43- + NO3Chất hữu cơ + O2 

- Trong điều kiện oxy hòa tan trong nước không sẵn có, một số vi sinh vật được
gọi là vi sinh vật yếm khí và một số được gọi là vi sinh vật tuỳ nghi sẽ tách oxy trong
liên kết nitrat, nitrit hoặc sunfat để oxy hóa các hợp chất hữu cơ. Sản phẩm tạo ra từ
quá trình này là các chất mang tính khử như H2S, NO2- hoặc N2.
- Trong môi trường giàu chất hữu cơ và không có oxy hòa tan, các cơ chất có
thể oxy hóa theo nguyên lý lên men. Vi khuẩn thực hiện quá trình này là các loại vi
khuẩn kỵ khí, các sản phẩm tạo thành là CH4, H2S, axit hữu cơ.
Quá trình lên men kỵ khí gồm bốn giai đoạn:
- Giai đoạn thủy phân: Các chất hữu cơ phức tạp được thủy phân thành những
chất đơn giản như monosacrit, axit amin… với sự tham gia các men của vi sinh vật.
Các hợp chất đơn giản này là nguồn thức ăn và năng lượng cho vi sinh vật hoạt động.
- Giai đoạn axit hóa: Sản phẩm của giai đoạn thủy phân được vi sinh vật tiếp tục
phân giải thành các axit hữu cơ. Giai đoạn này gọi là giai đoạn lên men axit.
VI KHUAN
 Tế bào vi khuẩn mới + hỗn hợp axit hữu cơ
Chất hữu cơ 

11

- Giai đoạn axetat hóa: Các vi khuẩn tạo metan vẫn không thể sử dụng các sản
phẩm của quá trình axit hóa, các chất này cần được phân giải tiếp thành CH3COOH,
H2, CO2.
CH3CH2COO- + 3H2O  CH3COO- + HCO3- + 2H+ + 3H2
CH3(CH2)2COO- + 2H2O  CH3COO- + 2H+ + 2H2
- Giai đoạn sinh metan: Đây là giai đoạn cuối cùng của quá trình lên men kỵ
khí. Ở đây, những vi sinh vật sinh metan đóng vai trò chủ yếu. Những vi sinh vật này
bao gồm:
Nhóm 1: Loại vi sinh vật Hidrogenotrophe methanogen sử dụng H2 và CO2.
Lượng metan tạo ra khoảng 30%.
CO2 + 4H2  CH4 + 2H2O
Nhóm 2: Loại vi sinh vật Acetotrophe methanogen chuyển hóa axit axetic thành
CH4 và CO2. Khoảng 70% lượng metan được tạo ra.
CH3COOH  CH4 + CO2
Nhóm 3: Loại vi sinh vật Methylotrophe methanogen phân giải các chất chứa
nhóm metyl. Một lượng CH4 không đáng kể được tạo thành:
CH3OH + H2  3CH4 + CO2 + 2H2O
Nhóm 4: Một số loại vi sinh vật khác có khả năng sử dụng các axit hữu cơ như
axit propionic:
4CH3CH2COOH + 2H2O  4CH3COOH + 2CO2 + 2CH4
Giai đoạn sinh metan xảy ra chậm, năng lượng giải phóng thấp.
Như vậy, thông qua hoạt động của vi sinh vật, quá trình tự làm sạch của nguồn
nước diễn ra nhưng đồng thời, hàm lượng oxy hòa tan trong nước sẽ giảm đi. Do đó,

12


quá trình tự làm sạch có mối quan hệ chặt chẽ với hàm lượng oxy hòa tan. Và hàm

lượng oxy hòa tan cũng là một thông số quan trọng trong đánh giá chất lượng nước,
ảnh hưởng đến nhiều quá trình khác nhau trong môi trường nước.
* Động vật
Động vật phù du ăn thực vật và vi khuẩn, đồng thời cũng tham gia quá trình
phân hủy các chất hữu cơ. Nhiều loại động vật có thể tách các chất lơ lửng và làm cho
nước trong. Chúng làm giảm hàm lượng oxy trong nước do hô hấp cũng như do chúng
ăn thực vật phù du. Chúng làm xáo trộn nước và hấp thụ các sinh vật gây bệnh, có thể
khử trùng trong nước.
d. Các chất độc
Sự có mặt của các chất độc (kim loại nặng, cyanua, phenol…) sẽ làm giảm khả
năng tự làm sạch của dòng chảy do chúng tiêu diệt hoặc ức chế sự phát triển của các vi
sinh vật. Tác hại của chất độc trong trường hợp này phụ thuộc vào bản chất của chất
độc và nồng độ của nó trong nước.
e. Sự pha loãng
Khi chất bẩn được xả vào dòng chảy thì sự pha loãng có vai trò quan trọng trong
việc làm giảm mức độ ô nhiễm tạo điều kiện cho quá trình hoạt động phân hủy của các
vi sinh vật hiếu khí. Nước pha loãng có thể đến từ các nguồn khác nhau như nước
ngầm, nước từ các sông nhánh, nước tưới tiêu trong khu vực, đặc biệt trong thời gian
có mưa.
f. Các điều kiện thời tiết khí hậu
Ánh nắng mặt trời thức đẩy quá trình quang hợp tạo oxy nên có vai trò thúc đẩy
nhanh sự tự làm sạch. Hoạt động của gió có tác dụng làm tăng quá trình khuếch tán
oxy từ khí quyển vào nước tạo điều kiện tốt cho sự phân hủy hiếu khí.

13


Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ các phản ứng sinh hóa, do đó có ảnh hưởng đến
tốc độ tự làm sạch của dòng chảy. Sự ảnh hưởng của nhiệt độ tới giá trị DO trong nước
được thể hiện trong biểu đồ hình 1.4:

Hình 1.4. Độ hoà tan oxy trong nước ở các nhiệt độ khác nhau
Trong mùa hè, nhiệt độ cao nên lượng oxy hòa tan vào nước thấp hơn vào mùa
đông, điều này có nghĩa là việc phân hủy các chất ô nhiễm trong mùa hè sẽ sử dụng hết
lượng oxy hòa tan chỉ trong một thời gian ngắn và tiếp theo đó là giai đoạn yếm khí.
Thêm vào đó, khi nhiệt độ tăng thì tốc độ oxy hóa các chất hữu cơ sẽ tăng, khi đó quá
trình tự làm sạch vì vậy mà cũng nhanh hơn [1].
g. Các đặc tính vật lý của dòng chảy
Tốc độ, lưu lượng, độ sâu, đặc tính đáy (sỏi, cuội, cát…), độ nhám lòng kênh
dẫn… của dòng chảy đều là những yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ khuếch tán oxy từ
không khí vào nước và ảnh hưởng đến quá trình tự làm sạch của nước. Sự hòa tan oxy
từ không khí vào dòng chảy rối được mô tả trong hình 1.5:

14


Hình 1.5. Sự hoà tan oxy trong dòng chảy rối
Trong các dòng sông chảy xiết, do dòng chảy rối nên các lớp nước trên cùng gần
biên giới nước – không khí sẽ hòa tan được nhiều oxy. Khi khuấy trộn với các lớp dưới
ít oxy thì việc cung cấp oxy cho vi sinh vật sẽ được đầy đủ.
Sự hòa tan oxy từ không khí vào dòng chảy chậm được mô tả trong hình 1.6:

Hình 1.6. Sự hoà tan oxy trong dòng chảy chậm
Ở các dòng sông chảy chậm hoặc ở các hồ, các lớp nước trên cùng có oxy hòa
tan, nhưng oxy chỉ khuếch tán xuống các lớp dưới với lượng ít nên nói chung ở các lớp
nước dưới thường tạo thành điều kiện yếm khí (Hình 1.6).

15

h. Sự lắng đọng
Bùn cặn ở đáy dòng chảy được tạo ra do sự sa lắng của các chất lơ lửng trong
nước thải và do sự đông tụ của các chất keo, sự tạo thành các mùn không tan. Sự oxy
hóa những chất lắng đọng này có thể diễn ra trong một thời gian dài. Chất lắng đọng
bùn cặn do nhu cầu oxy hóa cao có thể tác động xấu đến sự tự làm sạch do thiếu oxy
hòa tan.
Quá trình phân hủy yếm khí trong lớp bùn cặn này thường kèm theo sự tạo khí
làm bùn cặn bị đẩy nổi lên mặt nước.
i. Điều kiện mặt cắt sông
Sông rộng nhưng nông sẽ tạo điều kiện cho oxy thâm nhập nhiều hơn từ không
khí vào nước và làm tăng khả năng tự làm sạch của nước.
1.2. Khả năng tiếp nhận chất thải của nguồn nước
1.2.1. Khái niệm khả năng tiếp nhận chất thải của nguồn nước
Khả năng tiếp nhận nước thải của nguồn nước là khả năng nguồn nước có thể
tiếp nhận được thêm một tải lượng ô nhiễm nhất định mà vẫn bảo đảm nồng độ các
chất ô nhiễm trong nguồn nước không vượt quá giá trị giới hạn được quy định trong
các quy chuẩn tiêu chuẩn chất lượng nước cho mục đích sử dụng của nguồn nước tiếp
nhận [2].
Nguồn nước có khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm bởi vì chúng có khả năng tự
làm sạch (đồng hóa các chất ô nhiễm). Thông thường, sau khi nước thải được đưa vào
nguồn tiếp nhận sẽ xảy ra các quá trình vật lý, hóa học, sinh học để nguồn nước có thể
tự làm sạch. Tuy nhiên, nếu lượng chất ô nhiễm quá lớn, sẽ dẫn đến hiện tượng “bão
hòa” chất ô nhiễm. Khi đó, chất lượng nước sẽ ngày càng suy giảm, vùng ô nhiễm ngày
càng lan rộng. Chính vì vậy, cần có cơ sở khoa học và thực tiễn cùng với công cụ và

16


phương pháp phù hợp để đánh giá về khả năng tiếp nhận nước thải của mỗi nguồn
nước cụ thể, phục vụ cho công tác quản lý môi trường ở địa phương đó.

1.2.2. Các yếu tố tác động đến khả năng tiếp nhận chất thải của nguồn nước
Để có cơ sở và cách thức đánh giá khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm, cần xác
định những yếu tố tác động đến khả năng tiếp nhận chất ô nhiễm của nguồn nước. Bên
cạnh các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng tự làm sạch của nguồn nước, còn có các yếu
tố liên quan đến mục đích sử dụng của nguồn nước và quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về
chất lượng nước mặt tương ứng và các đặc điểm của nguồn thải (thành phần và nồng
độ chất ô nhiễm, lưu lượng xả, phương thức, chế độ, vị trí xả thải…) [4,16].
1.3. Tổng quan về phương pháp, mô hình đánh giá khả năng tự làm sạch và khả
năng tiếp nhận chất ô nhiễm của nguồn nước
1.3.1. Đánh giá khả năng tự làm sạch của nguồn nước dựa trên khoảng cách từ
nguồn thải
Nghiên cứu của Shimin Tian và cộng sự (2011) đã đánh giá khả năng tự làm
sạch của nguồn nước bằng mô hình định lượng các chất ô nhiễm theo khoảng cách từ
nguồn thải [22]. Để định lượng khả năng tự làm sạch của sông Juma – Trung Quốc,
nhóm nghiên cứu đã lựa chọn nghiên cứu ba vị trí đại diện trên sông. Các vị trí được
lựa chọn thuộc các vùng: ô nhiễm nghiêm trọng, tự làm sạch và vùng phục hồi. Dọc
đoạn sông nghiên cứu không có nhánh phụ nào chảy vào sông. Tổng chiều dài đoạn
sông nghiên cứu là 5km. Khả năng tự làm sạch trên một đơn vị chiều dài (CSUL), là
tổng lượng giảm nồng độ của chất ô nhiễm trên đơn vị chiều dài dòng sông, được sử
dụng để định lượng cho quá trình tự làm sạch của sông.
CSUL =

C C
L
1

2

12

Trong đó:

17