Oxi hòa tan

NHU CẦU OXY HÒA TAN VÀ CÁC YẾU TỐ ẢNH HƯỞNG

Oxi hòa tan (Dissolved Oxygen – DO)

Oxi hòa tan (Dissolved Oxygen – DO) trong nước rất cần thiết cho sự hô hấp của các thủy sinh vật như cá, tôm, động vật lưỡng cư, côn trùng v.v… Nồng độ DO trong các nguồn nước có thể dao động từ 0-18 mg/L, và đối với môi trường nước sạch tự nhiên giá trị này trong khoảng 8-10 mg/L.

Mức độ dao động này phụ thuộc vào cấu tạo địa chất của hồ, điều kiện địa lý tự nhiên, nhiệt độ, sự phân hủy chất vô cơ, hữu cơ trong nước, và một số tác nhân khác. Oxi có mặt trong nước thông quá các quá trình như khuếch tán từ không khí, sản phẩm của quá trình quang hợp, và một phần nhỏ do quá trình hòa tan oxi khi dòng nước chảy qua các khu vực như thác ghềnh…

Bất kể sự thay đổi nào về hàm lượng oxi hòa tan trong nước, dù cao hay thấp đều có ảnh hưởng đến sự phát triển bình thường của động vật thủy sản. Khi nồng độ DO trở nên quá thấp sẽ dẫn đến hiện tượng khó hô hấp, giảm hoạt động ở các loài động thực vật dưới nước, dẫn đến các tác động xấu lên hệ sinh thái.

DO không chỉ có vai trò là nguồn dưỡng khí cần thiết cho hoạt động sống của sinh vật nuôi trồng, mà còn góp phần thúc đẩy sự phát triển của vi sinh vật hiếu khí, sự phân giải các chất hữu cơ, với việc đảm bảo hàm lượng DO phù hợp còn có tác dụng làm giảm các chất độc hại, ức chế hoạt động của vi sinh vật yếm khí có hại và tăng cường sức miễn dịch của các loài động vật thủy sản.

Các yếu tố ảnh hưởng đến nồng độ oxi hòa tan trong nước

Các yếu tố tự nhiên ảnh hưởng đến nồng độ DO trong môi trường nước có thể được phân chia thành hai nhóm chính là nguồn sinh và nguồn tiêu thụ oxi. Các nguồn này được diễn ra nhờ các quá trình như: quang hợp của thực vật thủy sinh, trao đổi oxi giữa không khí và nước, suy giảm do bị bùn hấp thu, do hô hấp của sinh vật thủy sinh, hay DO tham gia phản ứng oxi hóa với các chất hữu cơ hoặc chất khử khác… như được minh họa ở hình sau

Sự trao đổi oxi giữa không khí và nước Hầu hết các nghiên cứu chỉ ra rằng hàm lượng oxi từ không khí vào nước là nguồn sinh lớn nhất của DO trong môi trường nước. Oxi không khí hòa tan vào nước khi nồng độ oxi trong nước ở trạng thái dưới mức bão hòa và sẽ thoát lại vào khí quyển khi nồng độ oxi trong nước ở mức quá bão hòa. Động lực của quá trình hòa tan oxi chính là sự chênh lệch oxi tại thời điểm đó.

Khi áp suất riêng phần của oxi tăng lên thì càng có nhiều phân tử oxi hòa tan vào trong dung dịch, nồng độ DO sẽ tăng. Tốc độ hòa tan khí oxi vào nước còn phụ thuộc vào một vài yếu tố khác.

Thứ nhất, phụ thuộc vào diện tích của ranh giới pha nước – không khí, diện tích tiếp xúc này càng lớn thì lượng oxi khuếch tán vào nước càng lớn.

Thứ hai, sự chuyển động của không khí gây ra sóng và tạo ra các dòng đối lưu, làm tăng tiết diện tiếp xúc 7 giữa không khí và mặt nước.

Thứ ba, điều kiện thủy lực của nước, nếu nguồn nước tĩnh thì tốc độ hòa tan oxi vào nước sẽ phụ thuộc vào quá trình khuếch tán phân tử nên sự hòa tan oxi xảy ra chậm; nếu nguồn nước bị khuấy trộn (do các dòng nước nội tại, hoặc do đối lưu nhiệt) thì quá trình hòa tan khí sẽ phụ thuộc vào quá trình đối lưu. Tốc độ khuếch tán của oxi trong nước chỉ bằng khoảng 1/10000 tốc độ khuếch tán của oxi trong khí quyển, chính vì vậy môi trường nước là môi trường có tốc độ khuếch tán oxi thấp. Nghiên cứu khác cũng đã cho thấy, quá trình hòa tan oxi từ khí quyển vào nước đóng vai trò là nguồn sinh oxi chủ yếu trong một vài trường hợp điển hình sau:

• Trường hợp các hoạt động sinh hóa trong ao hồ xảy ra chậm (mật độ tảo, mật độ vật nuôi thấp). Khi đó nồng độ DO hầu như không đổi, đạt mức gần bão hòa do lượng oxi hòa tan từ không khí xuống tuy chậm nhưng đều.
• Trong điều kiện gió to tạo ra sóng, làm cho nguồn nước được khuấy trộn mạnh, khi đó nồng độ DO tương đối đồng đều theo chiều sâu của nước, kể cả khi nguồn nước đó có các hoạt động sinh hóa xảy ra mạnh.
• Trường hợp sục khí cơ học, hoạt động này vừa có tác dụng tăng cường khả năng tiếp xúc giữa không khí với nước, vừa tăng cường khả năng khuấy trộn

Biochemical Oxygen Demand – Nhu cầu oxi sinh hóa

Cùng với sự tiêu thụ oxi do động thực vật thủy sinh đã được giới thiệu ở trên, DO còn bị tiêu thụ bởi sự phân hủy các chất hữu cơ có trong nước. Phần lớn các chất hữu cơ có trong môi trường nước có nguồn gốc từ nguồn nước thải (sinh hoạt, sản xuất) và từ xác chết của động thực vật thủy sinh. Hàm lượng các chất hữu cơ này biến đổi theo không gian và thời gian, bị tiêu hao do quá trình phản ứng với DO, một phần chất hữu cơ được loại bỏ bởi quá trình lắng đọng, tuy nhiên lại được tăng cường từ các nguồn ô nhiễm mới, hoặc do sự xáo trộn chất hữu cơ trong lớp bùn đáy vào nước..

Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học trong môi trường nước thường được đại diện bởi nhu cầu oxi sinh hóa (Biochemical Oxygen Demand – BOD). Để đánh giá nhu cầu oxi sinh hóa trong các nguồn nước, người ta thường dùng thông số BOD5 (chỉ tiêu phân tích BOD trong 5 ngày đầu ở nhiệt độ 20^oC). Giá trị của BOD5 dao động trong khoảng rất rộng, tùy thuộc vào đặc điểm của mỗi nguồn nước. Ví dụ, nước dùng để sinh hoạt thường có BOD5 nhỏ hơn 1,5 mg/L, các con sông bị ô nhiễm ở mức độ nhẹ sẽ có giá trị BOD5 trong khoảng 2-8 mg/L, với nước thải sinh hoạt chưa xử lý giá trị này thường vào khoảng 200-400 mg/. Tùy vào giá trị BOD mà người ta đánh giá nguồn nước đó thuộc mức độ ô nhiễm nào, như được minh họa trong bảng:

Sedimend Oxygen Demand – Nhu cầu oxi bùn đáy

Cùng với việc tiêu thụ oxi bởi thủy sinh vật và các chất hữu cơ trong nước như đã trình bày ở trên, DO cũng bị tiêu thụ một phần bởi các sinh vật hoặc chất khử có trong lớp bùn đáy, thể hiện qua đại lượng nhu cầu oxi bùn đáy. Nhu cầu oxi bùn đáy (Sediment Oxygen Demand – SOD) là đại lượng bao gồm tổng lượng oxi tham gia vào các quá trình sinh học và quá trình hóa học xảy ra trong lớp bùn đáy. Như vậy giá trị này sẽ bao gồm cả lượng oxi tham gia vào quá trình oxi hóa sinh học các chất hữu cơ trong lớp bùn.

Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng bùn đáy là nhân tố chủ yếu tiêu thụ oxi hòa tan trong nước. Có thể thấy, sự khác nhau cơ bản giữa BOD và SOD đó là BOD là thông số đại diện cho nhu cầu oxi sinh hóa phân hủy các chất hữu cơ trong nguồn nước, thì SOD là thông số có đại diện cho nhu cầu oxi trong lớp bùn đáy. Trong đó SOD bao gồm cả lượng oxi tham gia vào các quá trình oxi hóa sinh học các chất hữu cơ (dưới tác động của vi sinh vật) và oxi tiêu thụ trong quá trình oxi hóa các chất vô cơ có trong lớp bùn…, còn BOD chỉ tính đến lượng oxi tham gia vào các quá trình oxi hóa sinh học các chất hữu cơ (dưới tác động của vi sinh vật) trong môi trường nước.

Trong lớp bùn đáy, oxi bị tiêu thụ bởi hai nguồn tiêu thụ chủ yếu là các vi sinh vật tham gia phản ứng sinh hóa phân hủy các chất hữu cơ, và các phản ứng hóa học. Trong môi trường nước có giá trị pH thấp thì sự tiêu thụ oxi bởi các phản ứng hóa học trở nên chiếm ưu thế, do các ion có tính khử như Fe2+, Mn2+, HS- … tham gia các phản ứng oxi hóa trong nước.

Trong các điều kiện khác thì tiêu thụ oxi bởi các vi sinh vật trong lớp bùn đáy trở nên chiếm ưu thế. Bởi các chất hữu cơ như tảo chết, thức ăn dư thừa, phân thải… khi lắng xuống bùn đáy, trong điều kiện không đủ oxi sẽ bị phân hủy yếm khí (tương tự quá trình lên men) và sản phẩm của các quá trình yếm khí thường là các chất có tính khử cao, chất có mùi hôi, hay hiđro sunfua. Các nghiên cứu chỉ ra rằng, tốc độ tiêu thụ oxi của bùn đáy nằm trong khoảng 50- 500 mg O2/(m2 giờ). Giá trị này phụ thuộc vào đặc điểm tự nhiên của nguồn nước, thành phần của bùn đáy cũng như hệ sinh vật sống trong bùn đáy.

Như vậy có thể thấy DO đóng vai trò là thành phần chủ đạo trong các quá trình oxi hóa xảy ra ở lớp bùn đáy, giúp cho quá trình tự dưỡng của vi sinh vật hiếu khí và phản ứng oxi hóa chất hữu cơ, vô cơ xảy ra nhanh hơn, thuận lợi hơn.

Chemical Oxygen Demand – Nhu cầu oxi hóa học

Bên cạnh các thông số chất lượng nước phổ biến như DO, BOD, SOD đã giới thiệu ở trên, nhu cầu oxi hóa học (Chemical Oxygen Demand – COD) cũng là một trong những chỉ tiêu được dùng để xác định gián tiếp tổng hàm lượng các chất hữu cơ có trong nước. Cơ sở cho việc phân tích chỉ tiêu COD là hầu như tất cả mọi hợp chất hữu cơ đều có thể bị oxi hóa hoàn toàn bằng các chất oxi hóa mạnh (thường là kali đicromat) trong môi trường axit. Trong quá trình phân tích COD, chất oxi hóa được sử dụng sẽ oxi hóa hầu như toàn bộ chất hữu cơ, nên phân tích này không thể xác định riêng rẽ phần chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học và chất hữu cơ không có khả năng phân hủy sinh học; và đồng thời, giá trị COD luôn lớn hơn giá trị BOD.

Do đó, có thể biểu diễn mối quan hệ giữa COD và BOD ở dạng: C_COD = a × C_BOD5 với a là hệ số thực nghiệm tùy thuộc mỗi nguồn nước, ví dụ, nước thải sinh hoạt giá trị a thường nằm trong khoảng 1,25-2,50, với nước thải công nghiệp giá trị này có thể dao động trong khoảng 5,0-15. Một trong những hạn chế nữa của phân tích COD là không cho biết tốc độ phân hủy sinh học của các chất hữu cơ có trong nước dưới điều kiện tự nhiên. Ưu điểm chính của phân tích chỉ tiêu COD là cho biết kết quả trong một khoảng thời gian ngắn hơn nhiều (3 giờ) so với chỉ tiêu BOD (5 ngày). Do đó trong nhiều trường hợp, COD được dùng để đánh giá mức độ ô nhiễm của chất hữu cơ thay cho BOD. Có thể thấy rằng, việc phân tích COD sử dụng chất oxi hóa mạnh trong môi trường axit ở điều kiện nhiệt độ cao để oxi hóa các chất hữu cơ và chất khử, điều đó không hoàn toàn giống với các điều kiện tiêu thụ oxi của chất hữu cơ và chất khử trong môi trường nước tự nhiên, như vậy với các nguồn nước mà đo được giá trị COD cao thì chưa hẳn nguồn nước đó COD sẽ gây ảnh hưởng lớn đến lượng oxi bị tiêu thụ