Giáo trình Vi sinh vật học môi trường - Chương VII: Tác nhân vi sinh vật trong quá trình xử lý ô nhiễm môi trường nước - Lê Xuân Phương

Nội dung text: Giáo trình Vi sinh vật học môi trường - Chương VII: Tác nhân vi sinh vật trong quá trình xử lý ô nhiễm môi trường nước - Lê Xuân Phương

1. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG CHƯƠNG VII: TÁC NHÂN VI SINH VẬT TRONG QUÁ TRÌNH XỬ LÝ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC 7.1. VI SINH VẬT GÂY BỆNH VÀ CHỈ TIÊU VỆ SINH VỀ VI SINH VẬT TRONG NƯỚC CẤP SINH HOẠT: 7.1.1. Các vi sinh vật gây bệnh: Một số vi sinh vật có thể gây bệnh cho người, động vật và thực vật. Những vi sinh vật gây ra bệnh là do chúng thực hiện các phản ứng trao đổi trong vật chủ. Đa số vi sinh vật gây bệnh là loại sống ký sinh và lấy thức ăn từ vật chủ. Còn dạng khác của vi sinh vật gây bệnh là chúng sản ra các độc tố đối với vật chủ. Có rất nhiều loại bệnh truyền nhiễm liên quan đến nước. Vì vậy toàn bộ các công trình kỹ thuật về vệ sinh phải có khả năng tiêu diệt được những vi sinh vật có mặt trong nước. Đó cũng chính là trách nhiệm to lớn của những người làm công tác xử lý nước. 7.1.1.1. Khái niệm về dịch tễ học và các đường truyền nhiễm: Có nhiều loại bệnh khác nhau, đó là: Bệnh đơn phát, bệnh dịch diễn ra trong một thời kỳ hoặc trong từng địa phương hay trong một vùng rộng lớn, thậm chí trong nhiều nước trên thế giới. Bệnh đơn phát không có tính lan truyền. Những bệnh dịch lan truyền thường qua ban khâu là : nguồn gây bệnh → đường truyền bệnh → người, vật bị nhiễm bệnh. Nguồn gây bệnh có thể là người, vật ốm đã bị mắc bệnh hoặc người, vật khoẻ nhưng có mang vi khuẩn gây bệnh. Đường truyền bệnh có thể : - Qua nước: Do ăn, uống nước, tắm rửa, giặt giũ, rửa thức ăn, rau cỏ, bát đĩa - Qua thức ăn hay thực phẩm nói chung. Vì trong nhiều loại thực phẩm có thể chứa nhiều loại vi khuẩn gây bệnh. - Qua tiếp xúc trực tiếp hay gián tiếp giữa người bệnh với người khỏe. Tiếp xúc trực tiếp là do bắt tay, hôn Tiếp xúc gián tiếp là do cùng chung quần áo, bát đĩa, đồ dùng sách vở - Qua không khí : Là do hít thở không khí chứa hơi nước, bụi, vi sinh vật gây bệnh; kể cả đờm, nước bọt của người bệnh. - Qua côn trùng : ruồi muỗi, bọ nhặng Những người làm công tác vệ sinh phải tạo điều kiện sống để sao cho vi sinh vật gây bệnh không thể xâm nhập vào nước, thức ăn, không khí Ở những nơi chúng có thể xâm nhập được thì phải có biện pháp tẩy trùng môi trường. Khi vi sinh vật gây bệnh xâm nhập được vào người. động vật chủ thì tuỳ thuộc vào nhiều yếu tố mà vật chủ có thể bị hoặc không bị mắc bệnh. Đa số vi sinh vật gây bệnh là loại sống ký sinh và phụ thuộc vào vật chủ, phụ thuộc vị trí xâm nhập vào vật chủ. (Ví dụ không thể gây 211
2. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG bệnh được khi vi khuẩn lỵ (Disenterie) xâm nhập vào vết thương) tuỳ thuộc số lượng vi sinh vật ban đầu xâm nhập vào, điều kiện môi trường, biện pháp tiêm chủng phòng bệnh. Những loại vi khuẩn gây bệnh có khả năng tạo ra độc tố ngoại hoặc độc tố nội. Độc tố ngoại là độc tố do vi sinh vật tạo ra và tiết ra môi trường qua quá trình sống - hoạt động của chúng. Độc tố nội là những độc tố sản ra trong tế bào vi sinh vật - tức là nằm trong thành phần của tế bào., Chúng chỉ thải ra môi trường sau khi vi sinh vật chết. Thông thường thì độc tố ngoại nguy hiểm hơn độc tố nội. Khi xâm nhập vào vật chủ, các độc tố của vi khuẩn sẽ gây tác động và làm hại các chức năng của cơ thể vật chủ. Đa số các độc tố của vi khuẩn có tác dụng đặc hiệu: có loại làm thương tổn màng não, có loại làm hại các cơ quan trong cơ thể như thận, gan, phổi Không nhất thiết bệnh phát ra mãnh liệt ngay từ đầu. Nhiều bệnh như lao diễn ra rất nhiều năm và thậm chí cả một đời người bệnh. Nói chung không bệnh nào phát ra ngay sau khi người bệnh bị nhiễm bệnh mà thường phải qua một thời gian để các loại vi khuẩn kịp phát triển. Thời gian kể từ lúc nhiễm bệnh đến lúc phát bệnh ốm - gọi là thời kỳ ủ bệnh. Để tiêu diệt bệnh, người ta phải triệt một trong những khâu truyền bệnh. Những người làm công tác cấp thoát nước liên quan nhiều nhất và trực tiếp đến đường bệnh qua nước và có trách nhiệm diệt trùng gây bệnh trên đường truyền bệnh này. 7.1.1.2. Các bệnh truyền nhiễm qua nước: Trong số những bệnh truyền nhiễm qua nước thì những bệnh đường ruột chiếm nhiều nhất. Đa số các loài vi khuẩn gây bệnh đường ruột đều giống nhau về hình tháo, sinh lý và thuộc họ Enterbacteriaceae. Chúng là loại trực khuẩn kích thước 1 - 3 x 0,5 - 0,6 µ, gram âm, không tạo ra bào tử và không có giáp mạc. Các loài vi khuẩn của từng bệnh khác nhau về hoạt tịn men, khả năng vận động. Những loại vi khuẩn gây bệnh đường ruột cho người, gia súc, gia cầm là: trực khuẩn đường ruột (Escherichia), vi khuẩn bệnh thương hàn và phó thương hàn - typhor và paratyphos (Saimonella), vi khuẩn bệnh lỵ Disenterie (Shigella), vi khuẩn bệnh tả là vibrien cholerac (hình 5). Vi khuẩn Esche richia coli 212
3. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG Vi khuẩn E.coli Salmonella 213
4. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG Shygella Vibrio cholerae - Đối với loại Echerichiu, ngoài trực khuẩn đường ruột E.Coli, thường còn loại trực khuẩn đường ruột gây bệnh Colenterit ở trẻ em và bệnh lỵ Disenterie ở người lớn. Loại trực khuẩn đường ruột thường là loại vi khuẩn loại đối kháng với vi khuẩn thối rửa. Trực khuẩn đường ruột sinh chất kháng sinh như Colicin làm chết các vi khuẩn gây bệnh khác. Khi dùng chất kháng sinh để diệt trực khuẩn đường ruột thì sẽ kích thích vi khuẩn thối rửa và những vi khuẩn gây bệnh khác. Nhóm trực khuẩn đường ruột đặt biệt rất nguy hiểm ở chỗ chúng rất dễ thích nghi với cơ thể người. Chúng bền vững cả với dịch vị của người. Trong điều kiện tự nhiên như nước, đất, kể cả thực phẩm, ở da, chúng có thể tồn tại hàng tuần thậm chí hàng mấy tháng. Tuy nhiên khi đun sôi có thể diệt chết ngay được. Các dung dịch chất kháng sinh 3-5% (như dung dịch Chioramin, phênon, formalin v.v ) trong vòng 10-15 phút có thể tiêu diệt được chúng. - Loại vi khuẩn Salmonella là loại gây bệnh thương hàn typhos và paratyphos. Trong số các vi khuẩn này, có loại chỉ gây bệnh đối với người (typhos), có loại gây 214
5. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG bệnh cả đối với người lẫn động vật (paratyphos). Salamonella rất phổ biến trong thiên nhiên, tồn tại trong các động vật có sừng, chó, mèo, chim, chuột, cá v.v Khi bị bệnh typhos hoặc paratyphos thì ruột non bị thương tổn, đồng thời toàn cơ thể bị nhiễm độc do độc tố nội (tức là sau khi trực khuẩn typhos bị phân huỷ). Toàn bộ hệ thần kinh trung ương bị tác động - thương tổn - người bất tỉnh. Salmonella không sinh sản ở môi trường bên ngoài nhưng có thể tự bảo tồn ở nước sông trong 6 tháng, ở nước băng giá suốt mùa đông, ở nước giếng khơi trong 4 tháng, ở nước cấp thành phố dưới 3 tháng. Trong nước thải vì có sự cạnh tranh với các loài vi khuẩn khác nên Salmonella chỉ sống được khoảng 40 ngày, Chúng có thể sống trong thực phẩm, rau quả cho tới khi rau quả bị thối rữa, sống trong bia được 2-4 ngày. Salmonella bền vững cả đối với những kháng sinh hoặc điều kiện khô ráo. Dung 0 dịch thuỷ ngân 1 /00 và dung dịch axit cacbonic 5% phải sau nửa giờ mới tiêu diệt được chúng. Tất nhiên khi clorua hoá nước cấp sẽ tiêu diệt được Salmonella. - Vi khuẩn Shigella xâm nhập vào cơ thể qua miệng rồi phát triển ở niêm mạc, đại tràng. Khi tế bào vi khuẩn chết, giải phóng độc tố nội. Độc tố ngấm vào thần kinh và phản ứng lại gây tổn thương ruột. Khi bệnh phát ra thì thường bị ỉa chảy có máu lẫn mũi. So với lỵ amibs thì số lần đi ngoài nhiều hơn. Nguồn bệnh là người đã mắc bệnh. Trực khuẩn lỵ Shigella có thể truyền do tiếp xúc trực tiếp, qua thức ăn nước uống, đặc biệt là do ruồi nhặng. So với Salmonella thì Shigella không bền vững bằng. Nhưng nó có thể chịu đựng được ở nhiệt độ thấp tới hàng tháng. Chúng có thể tồn tại ở nước sông tới 3 tháng, ở nước cấp thành phố 1 tháng, ở nước thải 1 tuần. Đối với dung dịch sát trùng axit cacbonic 1%, sau nửa giờ thì chúng bị tiêu diệt. Khử trùng nước cấp đô thị bằng clorua hoá có thể tiêu diệt hoàn toàn trực khuẩn lỵ. - Vi khuẩn Vibrion gây bệnh tả Cholera: Đây là điển hình của bệnh truyền nhiễm qua nước. Dịch tả là bệnh rất khủng khiếp, lan truyền nhanh và có tỷ lệ tử vong cao. Vi khuẩn Vibrion là loại phẩy khuẩn 1,5 - 2µ, đôi khi dai giống trực khuẩn hoặc có khi ngắn giống cầu khuẩn. Nó bắt màu tốt, gram âm, không giáp mạc, không tạo nha bào, nếu soi tươi thì rất di động. Là loại hiếu khí, dễ dàng nuôi cấy trên các môi trường kiềm yếu; không bền vững đối với môi trường axit. Khi độ axit của dạ dày yếu đi thì rất dễ mắc bệnh này. Vi khuẩn vibrion xâm nhập vào cơ thể bằng thực đạo, phát triển ở niêm mạc tiểu tràng, giải phóng nội độc tố gây ra một loạt triệu chứng điển hình: lượng nước ngưng tụ rất lớn (tới 30lít/ngày đêm), nôn mửa và đi ngoài lỏng. Cơ thể bị mất nước nghiêm trọng, cường độ các quá trình gây oxy hoá giảm và các sản phẩm chưa kịp cháy hết (CO2) sẽ đọng lại ở các mô Tỷ lệ tử vong rất cao. Phẩy khuẩn tả Vibrion rất nhậy với nhiệt độ cao. Đun nóng tới 52oC sau 30 phút là chết, ngược lại rất thích nghi với nhiệt độ thấp. Ở nước sông, nước giếng chúng bảo tồn được 3 tháng, nước cấp sinh hoạt 1 tháng. Nước thải là môi trường tốt nhất đối với 215
6. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG chúng nên chúng có thể tồn tại được tới 7 tháng. Ở nước biển phẩy khuẩn tả còn có thể sống lâu hơn, có thể sinh sản với tốc độ cao hơn ở nước ngọt Phẩy khuẩn tả bị tiêu diệt ở dung dịch axit cacbonic 1% trong 5 phút, ở dung dịch thuỷ ngân 0,1 % thì chết ngay trong nước không có chất hữu cơ hoặc với nồng độ Clo 0,01% thì chúng cũng chết trong vòng 15 phút. Để đề phòng bệnh tả nên rửa hoa quả bằng dung dịch axit axêtic loãng vì khuẩy khuẩn tả không chịu nổi môi trường axit. Các vi khuẩn gây bệnh đường ruột, trong đó có vibrion, đều bị chết khi đun sôi nước. Ngoài các bệnh đường ruột còn có các bệnh khác có thể lây truyền qua nước như: - Bệnh do Leptospira là bệnh điển hình truyền qua nước. Nhiễm bệnh này là do dùng nước bị nhiễm khuẩn do tắm. Nước bị nhiễm khuẩn là do chuột đưa vào. Người ta phân biệt hai dạng bệnh do leptospira là : Veilia (sốt da vàng) và sốt rét nước. Leptospira là loại vi khuẩn hiếu khí nhưng chúng chịu đựng được ở môi trường ít oxy, rất di động thích nghi nhiệt độ thấp, tồn tại được 5 tháng ở nước sông, 2 tháng ở nước giếng. + Bệnh sốt da vàng là bệnh truyền nhiễm. Triệu chứng ban đầu là sốt cao đột ngột, đau các cơ và đau đầu. Vi khuẩn xâm nhập và làm huỷ hoại gan, thận hoặc chảy máu ruột. + Bệnh sốt rét nước khác ở chỗ vi khuẩn thường xâm nhập qua các chỗ xầy da do tắm và người bệnh không vàng da - mặt đỏ. Để đề phòng bệnh do leptospira người ta phải có biện pháp bảo vệ nguồn nước, diệt chuột, tiêm chủng vacxin. Đối với hệ thống cấp nước đô thị, phải tiến hành khử trùng bằng clo hoặc các chất diệt trùng khác. - Bệnh lỵ amit (amebs) - trong thời gian ấm cũng diễn ra như bệnh lỵ thường. Amip lỵ thường gặp trong nước, đất và trong cơ thể người. Amip gây bệnh lỵ có tên là Eltamoeba histolytica. + Bệnh bại liệt - Polyomealit - thường xảy ra ở trẻ em. Bệnh do virut xâm nhập vào các cơ quan hệ tiêu hoá. Loại virut này rất bền vững. Nó chịu đựng được điều kiện khô ráo, nhiệt độ thấp, đun sôi tới 600C là chết trong vòng 15 đến 20 phút. Các chất sát trùng ở nồng độ thường dùng đều tiêu diệt được virut bại liệt. - Bệnh Tularê : Bệnh này biểu hiện bề ngoài có điểm giống bệnh dịch hạch. Tuy nhiên đó chỉ là bề ngoài mà thôi. Bệnh này truyền bằng nhiều đường nhưng phần lớn truyền qua nước là chính. Đặc trưng của bệnh này là huỷ hoại tuyến bạch huyết. Tuyến này sưng lên. Vi khuẩn gây bệnh là loại hiếu khí nhưng không tạo bào tử, lúc non ở dạng trực khuẩn, khi già ở dạng cậu khuẩn bất động. Nhiệt độ thích hợp nhất đối với chúng là khoảng 37oC. Với nhiệt độ cao 56 -58oC trong vòng 10 phút là chúng bị chết. Chúng chịu đựng được ở nhiệt độ thấp. Ở nước sông chúng bảo tồn được 1 tháng, ở nước giếng 2 tháng, ở nước cấp đô thị 3 tháng. Ở dung dịch thủy ngân 1% chỉ trong 3 giây là chúng chết hết. Khử trùng bằng Clo cũng tiêu diệt chúng. Nguồn truyền bệnh là chuột cống, chuột đồng và chuột nhà. Đề phòng và chống bệnh Tularê người ta diệt chuột và dùng vacin. 216
7. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG - Bệnh viêm kết mạc - connunctive : Trong các đô thị có nhiều bể tắm thì những người tắm ở bể đó hay bị bệnh viêm kết mạc. Rõ ràng là: người tắm làm cho nước nhiễm loại vi khuẩn, trong đó có loại gây bệnh viêm kết mạc. Ngoài những bệnh truyền nhiễm do vi khuẩn còn có nhiều bệnh khác truyền qua nước do virut. Điển hình nhất là bệnh poliomielit. - Bệnh bại liệt trẻ em hay còn gọi là bệnh viêm tuỷ xám. Bệnh do loại virut. Đó là loại virut rất bền vững. Nó chịu đựng được cả nhiệt độ sấy nóng và nhiệt độ thấp. Tuy nhiên nếu tăng nhiệt độ tới 600C thì hoạt tính của chúng giảm và trong vòng 15 + 20 phút là chúng bị tiêu diệt. Loại virut này có rất nhiều trong nước thải. Nhưng khi xử lý nước thải trong bể aêrôten hoặc xử lý cặn trong bể mêtan thì chúng đều bị tiêu diệt. Các công trình xử lý nước cấp khử được hầu hết các loại virut này bằng cách khử trùng nước cấp bằng Clo với nồng độ dư 0,2 - 0,5 mg/l. Sau đây là hình ảnh về một số vi sinh vật gây bệnh: Canđia abbicans (dạng lưỡng hình) Gây bệnh “nhiễm nấm men” ở người Bacillus cerens Gây bệnh “ngộ độc thực phẩm” ở người 217
8. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG Pseudomonas acruginosa gây “bệnh cơ hội” trên người Staphylococcus aurens gây bệnh “ngộ độc thực phẩm” Chostridium perfringens gây bệnh “ngộ độc thực phẩm” 218
9. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 7.1.2. Những chỉ tiêu vệ sinh về vi sinh vật 7.1.2.1. Những khái niệm chung về những vi sinh vật chỉ thị vệ sinh Mục đích của việc kiểm tra vệ sinh trong nước là xác định mức độ an toàn của nước đối với sức khoẻ con người. Về mặt vi trùng học, ta phải tìm những loại vi sinh vật gây bệnh truyền nhiễm cho người. Tuy nhiên có rất nhiều loại vi sinh vật gây bệnh có thể tồn tại trong nước do đó phân lập chúng trong nước là một việc làm rất khó, không thể thực hiện được. Mặt khác để có thể có được kết quả phân tích ít nhất cũng phải mất 2 -3 tuần lễ - (tức là khi dân chúng đã uống nước nhiễm trùng rồi). Vì vậy từ lâu (cuối thế kỷ 19) người ta đã cố gắng tìm ra một loại vi khuẩn điển hình nào dù đó dù gây bệnh hay không gây bệnh nhưng có trong phân người và đại diện cho tất cả các loại vi sinh vật gây bệnh trong nước. Nói cách khác, sự có mặt của những vi sinh vật đại diện trong nước cũng nói lên sự có mặt của những vi sinh vật gây bệnh khác trong nước, tức là nước bị nhiễm bẩn bởi phân người. Cuối cùng người ta cũng đã thành công. Trong phân người thường xuyên có mặt ba loại vi sinh vật : - Trực khuẩn đường ruột Escherichia coli - Cầu khuẩn: Steptococcus - Vi khuẩn yếm khí taọ nha bào: Clostridium theo Huston và Klein trong 1ml nước thải sinh hoạt chứa từ 100.000 - 800.000 trực khuẩn đường ruột; từ 1000 - 60.000 cầu khuẩn và từ 100 đến 2000 vi khuẩn yếm khí tạo nha bào. Như vậy trong nước thải sinh hoạt lượng trực khuẩn đường ruột chiếm nhiều nhất. Tuy nhiên đây không phài là vấn đề chúng nhiều về số lượng, là giá trị chủ yếu của vi sinh vật chỉ thị về sự nhiễm phân là tốc độ chết của chúng phải xấp xỉ với tốc độ chết của đa số vi sinh vật khác. Chỉ có loại vi sinh vật nào thường xuyên có trong phân người và tuân theo điều kiện trên mới có thể dùng làm chỉ tiêu về sự nhiễm bẩn do phân được. Xét 3 loại vi khuẩn có trong phân ta thấy: Vi khuẩn nhóm Clostridium bảo tồn trong nước lâu hơn những vi sinh vật gây bệnh. Cầu khuẩn lại chóng chết hơn. Còn trực khuẩn đường ruột có thời gian bảo tồn trong nước gần giống những vi sinh vật gây bệnh khác. Do đó trực khuẩn đường ruột là chỉ tiêu vệ sinh chủ yếu về sự nhiễm bẩn nước. Ngoài ra người ta còn kiến nghị hai loại nữa là vi sinh vật ưa nóng và thực khuẩn thể (bacteriophage) làm hai chỉ tiêu phụ. Tuy nhiên tất cả các chỉ tiêu vệ sinh trên đều gọi là chỉ tiêu gián tiếp vì chúng cho biết một cách gián tiếp về sự nhiễm nước bởi vi sinh vật gây bệnh. Nếu khi có bệnh dịch xảy ra, các nhà vi sinh vật phải xác định chính xác loại vi khuẩn nào gây ra bệnh dịch. Khi đó gọi là chỉ tiêu vệ sinh trực tiếp về sự nhiễm bẩn nước. 7.1.2.2. Ý nghĩa của chỉ tiêu vệ sinh về trực khuẩn đường ruột Trực khuẩn đường ruột là nguồn gốc đầu tiên gây ra các bệnh thương hàn, phó thương hàn và lỵ. Trong quá trình tiến hoá của mình nó có khả năng ký sinh vào vật thể sống đồng thời mất dần khả năng sử dụng trực tiếp các chất hoá học khác làm thức ăn. Từ đó hình thành các loại trực khuẩn gây ra các bệnh trên đây. Nhóm trực khuẩn 219
10. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG đường ruột Escherichia Coli có rất nhiều trong ruột già của người: từ 100 triệu đến 1 tỷ con trong 1 gam phân người. Con người sau khi sinh ra được 20 giờ trong ruột già đứa trẻ có chứa nhiều vi khuẩn, nhưng vẫn chưa có trực khuẩn đường ruột. Qua hàng tuần, hàng tháng khi đứa trẻ bắt đầu được nuôi bằng thức ăn tạp thì E. Coli mới theo vào ruột và cư trú ở ruột già của trẻ, từ đó chúng tồn tại trong người mãi mãi cho đến lúc người chết. Trong quá trình sống - hoạt động sinh lý của người. E.Coli theo phân thải ra môi trường. E.Coli có trong phân tất cả các loài súc vật, chim muông hoang dại (những loài không tiếp xúc với người). Như vậy E.Coli là chỉ tiêu vệ sinh rõ ràng, hiển nhiên về sự nhiễm bẩn môi trường do hoạt động của con người. Để đánh gía mức độ nhiễm bẩn của nước về vi sinh vật, người ta dùng hai chỉ tiêu là côli titre và Coli chỉ số. Chuẩn bị coli (coli titre) là thể tích nhỏ nhất của nước (tính bằng ml) trong đó chứa I Coli. Chẳng hạn khi nói Côli titre là 333, nghĩa là cứ 333ml nước có chứa I trực khuẩn đường ruột. Chỉ số coli là số Coli chứa trong một lít nước. Thí dụ: Coli chỉ số là 3, tức là có 3 Coli trong một lít nước. Mối quan hệ giữa Coli chỉ số và Coli titre là số nghịch đảo của nhau : 1000 Coli chỉ số Coli titre 7.1.2.3. Ý nghĩa của chỉ tiêu vệ sinh về vi sinh vật ưa nóng Để tăng sản lượng thu hoạch nông nghiệp, người ta thường dùng phân người, súc vật, nước thải để bón ruộng. Nhưng vì những chất bón trên đều chứa rất nhiều trực khuẩn đường ruột và đều có thể dẫn đến nhiễm bẩn nguồn nước, nhất là nguồn nước ngầm . Khi có dịch xảy ra, người ta phải tìm nguyên nhân và cần biết rõ bệnh dịch xảy ra do bón ruộng bằng phân người hay súc vật. Muốn vậy, ngoài chỉ tiêu về E.Coli người ta phải phân tích xác định lượng vi khuẩn ưa nóng. Phân người và nước thải chứa rất ít vi khuẩn ưa nóng, nhưng phân súc vật - phân chuồng thì lại chứa rất nhiều. Như thế người ta sẽ xác định được nguyên nhân của sự nhiễm bẩn đất và nước thải là do bón loại phân nào. 7.1.2.4. Ý nghĩa chỉ tiêu vệ sinh về Thực khuẩn thể: (phage) Thực khuẩn thể (phage) sống ký sinh vào vi khuẩn. Khi vắng mặt vi khuẩn tương ứng của thực khuẩn thể thì thực khuẩn thể vẫn tồn tại được khá lâu trong nước. Chúng chỉ chết khi không nhận được thức ăn mà thôi. Vì vậy nếu phát hiện thấy thực khuẩn thể (ứng với loại vi sinh vật gây bệnh) trong nước thì chắc chắn cũng có vi sinh vật gây bệnh đã hay đang tồn tại. 7.1.2.5. Ý nghĩa chỉ tiêu vệ sinh an toàn về giun Có hai loại giun sán là : giun sán địa chất và giun sán sinh học. Giun sán địa chất là loại giun sán mà trong quá trình phát triển không cần nhờ vật chủ trung gian. Giun sán sinh học là loại phải sống nhờ vào hai hoặc ba vật chủ trung gian. 220
11. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG Giun địa chất gồm: Giun đũa, giun kim, giun tóc Giun sinh học gồm giun búi, sán chỉ, sán xơ mít, giun xoắn Môi trường bên ngoài (đất, nước) bị nhiễm bẩn bởi giun sán là do nhiễm phân chứa giun sán. Con người bị nhiễm giun sán là do ăn phải trứng giun hoặc bọ ở trong nước, trái cây, thức ăn, tươi sống. Trong nước thải sinh hoạt và do đó nước sông hồ bị nhiễm bẩn bởi nước thải nên cũng chứa nhiều loại giun như giun đũa , giun kim, Giun. Trong ruột người, động vật chứa rất nhiều trứng giun, trứng giun này theo phân ra môi trường bên ngoài - lẫn vào đất, nước, trái cây, rau tươi Từ đó chúng lại xâm nhập vào người, động vật và gây ra không ít những bệnh hiểm nghèo. 7.1.2.6. Đánh giá nước dùng để ăn uống: Đáp ứng yêu cầu về chất lượng chất lượng thức ăn uống là một vấn đeef khó và phức tạp. Nước dùng để ăn phải đáp ứng được những yêu cầu sau : - Không nguy hại đối với cơ thể người, phải hợp khẩu vị. - Tiện cho việc nấu thức ăn. - Tiện cho việc rửa, giặt rũ quần áo Ở đây chủ yếu chỉ xét yêu cầu đầu tiên : - Nước dùng để ăn uống phải được đánh giá theo các mặt: vi trùng học, sinh học, lý hoá học, giác quan vệ sinh, địa hình 1. Đánh giá về vi trùng học Nước dùng để ăn uống không được chứa bất kỳ loại vi khuẩn gây bệnh nào. Nhưng đồng thời có rất nhiều loại vi khuẩn gây bệnh, nên không thể xác định sự có mặt của từng loại trong một mẫu nước, tức là không thể phân tích chỉ tiêu trực tiếp. Vì vậy chỉ tiêu vệ sinh về vi trùng học được đánh giá một cách gián tiếp, bằng trực khuẩn đường ruột, và tổng số vi khuẩn (MNP - Most Probable Number). 2. Đánh giá về sinh học Trong nước để ăn uống không được chứa trứng giun sán, động thực vật phù du. Những loại động thực vật phù du tuy không độc hại nhưng nếu có trong nước cũng làm người dùng nước nhìn thấy ghê sợ, và chắc chắn cũng mang theo vi khuẩn. Trong các nguồn nước mặt, nhất là hồ đầm thường có hiện tượng “phú dưỡng nở hoa” (Eutrofication). Do đó trong nước sẽ chứa các sản phẩm trao đổi hoặc các sản phẩm phân huỷ tế bào tảo rêu và làm nước có mùi vị khác thường: tanh, hôi,thối 3. Đánh giá về vật lý Nước dùng để ăn uống phải trong sạch, không màu, mùi, vị, pH và nhiệt độ phải nằm trong giới hạn quy định theo quy phạm. 4. Đánh giá về hoá học Trong thành phần nước tự nhiên chứa nhiều tạp chất hoá học khác nhau kể cả các chất phóng xạ. - Các chất khoáng chứa rất nhiều trong nước thiên nhiên, trong đó có 221
12. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG nhiều hợp chất cần cho cơ thể con người. Tuy nhiên, những chất đó (amino, cation) được bổ sung chủ yếu từ thức ăn chứ không phải từ nước (trừ iod và fluor). Như vậy sự có mặt của những ion đó sẽ làm cho nước có cảm giác phù hợp là chính. - Iod cần thiết cho sự hoạt động bình thường của tuyến giáp (mỗi ngày cơ thể người cần 300µg iod). Nếu thiếu thì tuyến giáp họng bị kém phát triển, bề ngoài gọi là bệnh bứu cổ, khả năng tư duy kém - con người sinh đần độn mất thông minh. Nguồn chính để bổ sung iod cho cơ thể người là nước, nhất là nước biển. Từ nước biển, iod theo hơi nước bay vào khí quyền rồi theo mưa vào đất liền - sông - hồ - đất. Càng ở những vùng cao và xa biển lượng iod trong khí quyền càng ít. Do đó nước ở những vùng cao nguyên chứa ít iod và bệnh bướu cổ phát sinh nhiều. Để chống bệnh bướu cổ người ta phải ioduor hoá nước, bổ sung muối iod vào thức ăn. - Fluor cũng là một trong những nguyên tố phổ biến trong thiên nhiên. Nước mặt chứa ít Fluor hơn so với nước ngầm. Nếu nồng độ Fluor trong thức ăn uống quá thấp (dưới 5,5 - 0,7 mg/l) sẽ làm mục xương răng (bị rụng răng). Nếu nồng độ Fluor quá cao (trên 1,5mg/l) sẽ làm người ta nhiễm độc Fluor. Do vậy nồng độ Fluor tối thích trong nước uống là 0,7 - 1mg/l. Nếu nguồn nước không đủ Fluor người ta phải cho thêm vào. - Chất phóng xạ cũng có trong nước thiên nhiên và trong không khí xung quanh ta với một lượng rất ít. Tổng lượng các chất phóng xạ trong cơ thể người không đáng kể. Sự có mặt của các chất phóng xạ với một lượng đáng kể trong cơ thể người sẽ dẫn đến hậu quả là cơ thể thường bị tác động của các atia α, β, χ. Sự phát triển của công nghiệp hiện đại sẽ làm cho nước thải chứa nhiều chất phóng xạ và do đó cả nước thiên nhiên, ngay cả động thực vật, thức ăn của người, cũng chứa nhiều chất phóng xạ. - Nitrat: Đó là muối của axit nitric, chứa nhiều trong nước mặt và nước ngầm. Có nitrat trong nước chứng tỏ có các loại muối hoà tan và chứng tỏ có các muối hoà tan và chứng tỏ có quá trình khoáng hoá các chất bẩn hữu cơ diễn ra. Nitrat quá nhiều trong nước uống (trên 10 mg/l) gây nguy hiểm đối với trẻ sơ sinh 2-3 tháng, vì nó gây ra bệnh thiếu máu methemoglobine. - Chất hữu cơ: Trong nước thiên nhiên, theo nguồn gốc, những tạp chất hữu cơ có thể chia ra: + Các chất hữu cơ sống. + Các chất hữu cơ chết (cặn bã hữu cơ) + Sản phẩm trao đổi của các vi sinh vật sống lẫn vào nước. + Các chất hữu cơ cùng với nước thải sinh hoạt, công nghiệp xả vào nguồn nước. Theo mức độ phân huỷ, người ta chia ra: các chất dễ phân huỷ, khó phân huỷ và những chất độc. 222
13. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG Chỉ tiêu COD (oxy hoá) định lượng tổng cộng tất cả các chất hữu cơ trong nước nhưng không xác định được lượng các chất dễ hoặc khó phân huỷ. Khi đó tốt nhất là xác định chỉ tiêu NOS (BOD) - tức là đại lượng phản ánh lượng các chất hữu cơ dễ phân huỷ. Nước nguồn dùng để cấp nước sinh hoạt có NOS = 2 - 3 mg/l, đôi khi hơn một chút nhưng không được quá 4mg/l. 5. Đánh giá theo giác quan Đối với nước dùng để ăn uống, khi nồng độ các tạp chất rất thấp, đôi khi các phương pháp phân tích hoá học không đủ chính xác thì người ta dùng giác quan để thử. Có thể dùng 3 trong 5 giác quan của người (vị, khứu, thị giác) để đánh giá chất lượng nước uống. Tất nhiên khi nước đục, có màu, mùi, vị khác thường thì con người sẽ cảm thấy được. Đó là phản xạ tự vệ tự nhiên của người. - Màu: Nếu nước trong sạch thì nước không màu. Nếu có màu, chứng tỏ nước thiên nhiên chứa tạp chất như hutnic, tanin, muối sắt - Mùi: Nước dùng để ăn uống, không được có mùi. Nếu có mùi chứng tỏ nước bị nhiễm bẩn và nguyên nhân có thể là : do tạo thành H2S, sản phẩm của sự phân huỷ các chất hữu cơ có chứa S hoặc do có FeS2, chất này tác dụng với axit cacbonic rồi tạo thành H2S. Có thể do các sản phẩm thối rửa hay do các vi sinh vật phù du phát triển trong nước. - Vị: Nước dùng để uống có vị "ngon" đặc biệt. Tất nhiên ở đây có thể sai lệch do cảm giác chủ quan của từng người, của dân từng địa phương. Thường nếu nước có chứa CO2 thì làm cho nước có vị tươi mát. Nếu nước có chứa các loại muối khoáng người ta cũng dễ thấy: như muối NaCl thấy mặn, các loại muối khác có thể chát, axit hữu cơ thấy chua 6. Đánh giá theo trạng thái vệ sinh địa hình Tất cả các phương pháp đánh giá trong phòng thí nghiệm trên chỉ đặc trưng cho một dung tích nhỏ của mẫu nước phân tích (1-2lít). Trong khi đó như ta biết :các loại vi khuẩn, các chất hữu cơ phân bố không đều ở toàn khối nguồn nước. Do đó cần phải đánh giá về trạng thái vệ sinh địa hình. Nội dung công việc bao gồm: a) Nghiên cứu bản đồ địa lý, địa chất khu vực xung quanh nguồn nước: Ở đây ta sẽ xác định được những hồ, nhánh sông chảy tới bổ cấp, những vùng dân cư, công nghiệp có khả năng gây nhiễm bẩn nguồn nước Và mặt cắt địa chất, tính chất của hai bờ, đáy sông, hồ. b) Quan sát nguồn cấp nước, các điểm gây nhiễm bẩn nguồn nước : nước thải sinh hoạt, công nghiệp, nhà tắm, giặt công cộng, lược sử tình hình dịch bệnh vùng dân cư Nếu nguồn cấp nước là nguồn nước ngầm thì song song với mặt cắt địa chất phải xét trữ lượng nước, vị trí và biện pháp khai thác nước, tình trạng mạng lưới thoát nước vùng dân cư lân cận. 223
14. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 7.2. SỰ NHIỄM BẨN NGUỒN NƯỚC, QUÁ TRÌNH TỰ LÀM SẠCH CỦA NƯỚC NGUỒN (SÔNG, HỒ) Nhìn chung những quá trình sinh hóa diễn ra khi xử lý nước thiên nhiên không phức tạp như khi xử lý nước thải, vì các chất hữu cơ trong nước thiên nhiên, nước cấp ít hơn cả về lượng cũng như loại các chất. Chúng ta hãy xét các loại nguồn nước, sự nhiễm bẩn và quá trình tự làm sạch của nước nguồn, đặt biệt là nguồn nước mặt để tạo cơ sở cho quá trình làm sạch nước trong công nghệ xử lý nước. 7.2.1. Các loại nguồn nước: Tất cả các loại nước trong thiên nhiên đều qua dạng nước mưa. Nước bay hơi từ đại dương, ngưng tụ lại thành những đám mây rồi lại rơi xuống lục địa thành mưa, tuyết. Sau đó nước tập trung vào sông hồ rồ lại chảy ra biển, đại dương. Chu trình thủy văn gồm 3 nguồn nước: Nước mưa, nước mặt, nước ngầm. Hình 7.2 Sơ đồ chu trình thuỷ văn - Nước mưa: Về mặt vệ sinh, vi trùng học và hóa học, thì nước mưa sạch nhất, chỉ có nhược điểm là nồng độ muối trong đó quá ít. Nước ngầm: Về mặt vệ sinh thì nước ngầm kém nước mưa, nhưng sạch hơn nước mặt. Nhiều khi không phải xử lý mà vẫn sử dụng được. Thực chất nước ngầm là do nước mặt thấm xuống đất. Thành phần hóa lý của nước ngầm tùy thuộc cấu tạo địa chất và thành phần nước mặt. Đối với nước ngầm, sự nhiễm bẩn về vi khuẩn rất đa dạng. Thông thường nước ngầm mạch nông bị nhiễm bẩn nhiều hơn so với nước ngầm mạch sâu. Càng thấm sâu xuống lòng đất, vi khuẩn càng ít đi bởi vì những lớp đất trên cũng có khả năng giữ lại 224
15. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG hầu hết vi khuẩn. Nhiều số liệu cho thấy ở dưới các hố phân, vi khuẩn không thể thâm nhập xuống chiều sâu 30-40cm cách mặt đất. Tuy nhiên có khi ở độ sâu 1.5m và hơn nữa cũng phát hiện thấy vi khuẩn và làm nước ngầm bị nhiễm khuẩn. Các chất hóa học thấm xuống lòng đất sâu hơn. Nhưng trong quá trình thẩm thấu cùng với nước xuống đất, các chất đó có thể bị thay đổi thành phần. Chẳng hạn cách mặt đất 0.5m nhiều chất hữu cơ đã bị phân hủy hoặc oxy hóa. Người ta đã nghiên cứu, phân tích và cho thấy ở độ sâu 30.5cm NOS không vượt quá 5ml/l, thậm chí khi NOS ban đầu trên mặt đất là 100mg/l, ở độ sâu đó không còn thấy phosphat nữa. Vi khuẩn và hóa chất không chỉ thẩm thấu theo chiều sâu mà còn khuyếch tán theo chiều ngang. Thí nghiệm cho thấy cùng với nước ngầm, các hóa chất khuyếch tán xa hơn vi khuẩn (xem bảng sau). Khoảng cách giới hạn khuyếch tán (m) Tác giả Vi khuẩn Hóa chất Stibes, Croburst (Buthor 1954) 20 34 Stibes, Croburst (Buthor 1954) 70 135 Caldwell (Buthor 1954) 15 90 Muscat (1941) Hàng chục 150 Kipichnicoy (1946) 6 40 Khoảng cách khuyếch tán tùy thuộc lượng bẩn ban đầu, tính chất đất, kích thước hạt. Tuy nhiên, có thể coi rằng vi sinh không thể thấm vào giếng nước cách xa nguồn bẩn 20m đối với đất á sét, 200m đối với đất cát (Jucốp & Ampolski 1951). - Nước mặt: Khi nước mưa rơi xuống đất, chảy vào các sông hồ gọi là nước mặt. Nước mặt bẩn nhất cả về vi sinh vật, chất hữu cơ, vô cơ. Nước mặt rất giàu các chất dinh dưỡng – môi trường tốt cho nhiều vi sinh vật phát triển, kể cả nấm và động vật hạ đẳng. 7.2.2. Sự nhiễm bẩn nguồn nước mặt: Sự nhiễm bẩn nguồn nước có thể do tự nhiên hoặc nhân tạo. Các chất bẩn có thể ở dạng chất lơ lửng, keo, tan, chất độc, vi sinh vật, sinh vật Sự nhiễm bẩn tự nhiên là do mưa rơi xuống mặt đất, kéo theo các chất bẩn xuống sông hồ hoặc do các sản phẩm sống, hoạt động phát triển của sinh vật, vi sinh vật - kể cả xác chết của chúng. Sự nhiễm bẩn nhân tạo chủ yếu do nước thải vùng dân cư đô thị, công nghiệp cũng như tàu thuyền xả ra. - Nhiễm bẩn tự nhiên: Nước mưa hay tuyết là nguồn bổ cập cho nguồn nước mặt, nước ngầm. Thành phần nước mưa biến đổi theo thời gian, không gian và tùy thuộc lượng các tạp chất bẩn trong không khí, trên mặt đất. Nếu ở trong những khu vực nghiên cứu hạt nhân thì nước mưa chứa cả những chất phóng xạ. Ngay cả lượng mưa cũng ảnh hưởng tới thành phần nước sông hồ. nếu tính rằng với thời gian 20’, thì lượng nước mưa ở Hà 225
16. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG Nội hay các thành phố ở Việt Nam sẽ là bao nhiêu và tập trung vào sông hồ chứa bao nhiêu chất bẩn từ các mặt phủ, mặt đất ở các vùng? Nước mưa cũng rất bẩn và ảnh hưởng nhiều tới chế độ dòng chảy của sông hồ và chất lượng nước trong đó. - Nhiễm bẩn nhân tạo: - Nước thải đô thị: Đó là nước thải sinh hoạt và công nghiệp trong phạm vi đô thị. Trong nước thải đô thị chứa rất nhiều vi sinh vật, giun sán, cả vi sinh vật gây bệnh, nhất là vi sinh vật gây bệnh đường ruột. Chúng chiếm một khối lượng đáng kể trong các chất hữu cơ trong nước thải. Về thành phần cơ lý, chất bẩn trong nước thải bao gồm các chất lơ lửng không tan (huyền phù), keo và tan. Theo Heukelekian và Balmat, trong nước thải sinh hoạt các chất dạng huyền phù chứa 80% là hữu cơ, keo, các chất tan chủ yếu là các chất khoáng. Các chất hữu cơ trong nước thải sinh hoạt chủ yếu là các chất béo, đạm (chứa nitơ), đường (chứa carbon) như xenlulo, hemixenlulo, pectin, tinh bột Ngoài ra trong nước thải còn chứa cation Na+, K+ - Nước thải sản xuất – công nghiệp: Nhiều lĩnh vực công nghiệp tiêu thụ và thải ra một lượng nước khổng lồ như công nghiệp luyện kim đen, hóa học, chế biến lọc hóa dầu, dệt nhuộm, thực phẩm Thành phần tính chất nước thải công nghiệp rất đa dạng. Ngoài các chất bẩn thông thường, trong nước thải công nghiệp còn chứa các chất độc hại. Khi lẫn với nước nguồn, chúng sẽ tiêu diệt các loài thủy sinh vật. Khi nền công nghiệp càng phát triển, các chất bẩn mới xuất hiện càng nhiều, mức độ độc của chúng đối với sinh vật lại chưa rõ. Vì vậy phải xác định độ độc của chúng cũng như nồng độ giới hạn cho phép đối với các loài sinh vật, phải xác định mức độ cần thiết làm sạch, các phương pháp xử lý nước thải. Trong các xí nghiệp công nghiệp còn có cả các loại nước thải quy ước sạch. Đó là các loại nước làm nguội thiết bị, sản phẩm, nhất là ở các nhà máy nhiệt điện. Tuy nước này không bẩn, nhưng có thể ngẫu nhiên do sự cố thiết bị nên cũng có thể làm nhiễm bẩn nguồn nước. Các loại nước này có thể làm nhiệt độ nước nguồn tăng lên, làm ngèo oxy trong đó hoặc làm sinh vật bị tiêu diệt. - Nước tưới tiêu, thủy lợi: Trong nông nghiệp sử dụng nhiều nước để tưới ruộng. Hệ thống nước tiêu của thủy lợi là sản phẩm quan trọng trong cách mạng xanh. Nước tưới ruộng, phần lớn thấm xuống đất và bay hơi, một phần quay lại hồ. Phần nước này mang theo chất lơ lửng xói mòn từ đất, nhiều loại chất độc, thuốc trừ sâu Vì khối lượng nước này quá nhiều, không thể thực hiện xử lý làm sạch được. Kết quả một mặt gây ô nhiễm nguồn nước, mặt khác làm giảm độ phì của đất. Một điều nguy hiểm đối với các vùng khô, bay hơi mạnh: những kênh mương tươi rất nông cạn, nên lượng nước mất đi do bay hơi rất lớn. Kết quả làm tăng hàm lượng muối trong nước tưới và đất trồng, làm thay đổi thành phần nước ngầm. - Sự nhiễm bẩn do vận tải đường thủy: Vận tải thủy là dạng vận tải kinh tế nhất. Tuy chậm nhưng ngày nay hình thức này rất phổ biến. Có thể nói ở các nước, từ 50- 90% hàng hóa được vận tải bằng đường thủy. Trong công nghiệp lọc hóa dầu, bất kỳ 226
17. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG loại dầu nào cũng đều chứa nước. Khi vận chuyển, nước tích lại dươúi đáy tàu. Sau khi bơm dầu đi, để tránh ô nhiễm sông biển, người ta cấm xả nước này gần bờ biển nếu hàm lượng dầu vượt quá 50mg/l. Cho dù xả bằng cách nào cũng làm biển bị ô nhiễm và tiêu diệt sinh vật biển - nhất là thực vật - nguồn cung cấp oxy cho khí quyển ở đất liền. Ngoài các sản phẩm dầu, các tàu thuyền còn làm nhiễm bẩn sông biển do xả nước thải sinh hoạt. Vì vậy phải có thiết bị riêng trên tàu thuyền để xử lý hoặc chứa rồi xả ra những vùng quy định. 7.2.3. Quá trình tự làm sạch của nguồn nước mặt: Sông hồ là những công trình thiên nhiên hoặc nhân tạo, là những nguồn cung cấp nước mặt, đồng thời là nơi tiếp nhận nước mưa, nước thải sinh hoạt, công nghiệp Tất cả các dòng nước chảy về sông hồ đều mang theo các chất bẩn hữu cơ, vô cơ. Ở những điều kiện bình thường thích hợp thì những chất đó kích thích sự phát triển của sinh vật. Ở những vùng sông, suối vùng núi cao thì sự sống của sinh vật đơn điệu, nghèo nàn hơn, vì ít chất dinh dưỡng hơn. Nhưng những con sông chảy qua những vùng đồng bằng phì nhiêu màu mỡ, dân cư đông đúc, trù phú thì hoạt động sống của sinh vật rất phong phú vì đầy đủ chất hữu cơ, chất dinh dưỡng. Nếu các chất bẩn (theo lượng từng chất và số loại chất) vừa đủ phù hợp với khả năng đồng hóa của sinh vật thì các quá trình sinh hóa sẽ diễn ra trong điều kiện hiếu khí và có lợi cho con người. Nếu các chất bẩn quá nhiều, vượt quá khả năng đồng hóa của sinh vật thì các dạng sinh vật thượng đẳng sẽ phải bỏ đi, chỉ còn lại vi khuẩn phát triển, tạo điều kiện yếm khí, gây tổn thất cho con người. Khi đó, nguồn nước sông hồ bị nhiễm bẩn. Ngày nay, do sự phát triển đô thị, công nghiệp và nền kinh tế xã hội nói chung, các dòng sông sẽ bị nhiễm bẩn quá mức, và là mối lo ngại lớn cho con người. 7.2.3.1. Quá trình tự làm sạch: Quá trình tự làm sạch của nguồn nước có thể chia làm 2 giai đoạn: - Quá trình xáo trộn, pha loãng giữa các dòng chất bẩn với khối lượng nước nguồn. Đó là quá trình vật lý thuần túy. - Quá trình tự làm sạch với nghĩa riêng của nó. Đó là quá trình khoáng hóa các chất bẩn hữu cơ – hay rộng hơn, đó là quá trình chuyển hóa, phân hủy các chất bẩn hữu cơ nhờ các thủy sinh vật, vi sinh vật. Ở mức độ nhất định, dù ít dù nhiều, tất cả những cơ thể sống đó đều tham gia vào quá trình, đồng thời chúng sinh trưởng, sinh sản (kể cả chết) và phát triển. Sinh khối của chúng tăng lên. Trong các dòng sông chảy, các dòng chất bẩn sẽ pha loãng với nước sông trên một khoảng nhất định. Trong suốt khoảng chiều dài đó, có thể phân biệt các vùng sau đây: • Vùng xả chất bẩn; • Vùng xáo trộn hoàn toàn; • Vùng bẩn nhất, ở đó hàm lượng oxy hòa tan ít nhất; • Vùng phục hồi, ở đó kết thúc quá trình tự làm sạch (hình 9.2); 227
18. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG oạt động Hình 7.3 Ảnh hưởng của chất bẩn đối với sự sống - hoạt động của sinh vật trong nước sông. Cường độ quá trình tự làm sạch tùy thuộc nhiều yếu tố: dung lượng nước sông, tốc độ dòng chảy, điều kiện làm thoáng hòa tan oxy theo bề mặt, chiều sâu dòng chảy, nhiệt độ, thành phần hóa lý của nước, tính chất các chất bẩn Trước hết, xét một số khái niệm cơ bản: a- Tổng sản phẩm sơ cấp trong nước nguồn: Theo phương thức dinh dưỡng, tất cả các cơ thể sống trên trái đất được chia thành 2 loại: sinh vật sản xuất và sinh vật tiêu thụ. Sinh vật sản xuất là các loại tự dưỡng, tạo chất hữu cơ bằng cách cố định CO2. Sinh vật tiêu thụ là các sinh vật dị dưỡng, chỉ sử dụng chất hữu cơ có sẵn. Sinh vật sản xuất bao gồm tất cả các thực vật, vi khuẩn tự dưỡng (trừ nấm). Sinh vật tiêu thụ gồm tất cả những loài sinh vật còn lại. Chất hữu cơ tạo ra trong quá trình quang hóa hợp được gọi là sản phẩm sơ cấp. Khối lượng chủ yếu của sản phẩm sơ cấp được tổng hợp nhờ thực vật. vai trò của vi khuẩn trong quá trình này không lớn lắm. Việc tổng hợp sản phẩm sơ cấp là cơ sở sự sống trên trái đất. Việc tái tạo các chất hữu cơ liên quan mật thiết với quang hóa, tức là tùy thuộc điều kiện chiếu sáng. Tuy nhiên, lượng sản phẩm sơ cấp không chỉ phụ thuộc cường độ quang hóa mà còn tùy thuộc lượng thực vật. Dù quang hợp có mạnh nhưng lượng thực vật trong sông hồ ít thì lượng sản phẩm sơ cấp cũng ít. Ngược lại dù quang hợp có hơi yếu nhưng trong 228
19. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG sông hồ nhiều thực vật phù du và thực vật thượng đẳng thì lượng sản phẩm sơ cấp sẽ rất lớn. Độ sâu nguồn nước càng tăng thì độ chiếu sáng càng giảm và lượng sản phẩm sơ cấp sẽ tùy thuộc nhiều vào sự phân bố thực vật theo chiều dày lớp nước. Thực vật nằm ở lớp sâu, ít được chiếu sáng thì sản lượng sơ cấp sẽ giảm. Giai đoạn quang hợp ngoài ánh sáng thường ngắn hơn giai đoạn quang hợp trong bóng tối, nên tảo có thể sống, tồn tại ở ngoài vùng chiếu sáng tốt. Khi nổi lên mặt nước, chúng nhận một lượng bức xạ mặt trời cần thiết, khi chìm xuống sâu chúng sẽ thực hiện quang hợp tối. Khi khí hậu ôn hòa, tảo phân bố trong sông, hồ không đều, lớp trên nhiều tảo hơn lớp dưới. Như vậy phần tảo bị đói ánh sáng bao giờ cũng ít hơn so với khi chúng phân bố đều theo chiều dày lớp nước. Thành phần của nước, cụ thể là lượng nitơ, phospho cũng ảnh hưởng tới lượng sản phẩm sơ cấp. Nhu cầu các nguyên tố dinh dưỡng đối với các loài thực vật không giống nhau. - Lượng sản phẩm sơ cấp được biểu thị bằng khối lượng (hoặc đơn vị năng lượng tương đương), được tổng hợp trong một đơn vị thời gian. Sản phẩm có thể tính theo đơn vị dung tích, diện tích hoặc toàn bộ nguồn nước. Khi quang hợp, các quá trình tái tạo sinh khối mới của thực vật phù du, việc tạo oxy và năng lượng liên quan với nhau. Cần chú ý rằng không phải lúc nào sự tăng sinh khối của tảo cũng đồng nhất với lượng sản phẩm sơ cấp. b- Chuyển hóa và phân hủy chất hữu cơ: - Sinh khối của các sinh vật tự dưỡng: Tảo, thực vật nước bậc cao, vi khuẩn là nguồn thức ăn cho các loài dị dưỡng – vi khuẩn, nấm, động vật phù du, Necton. Trong số này có nhóm sinh vật đặc biệt gọi là sinh vật hoại sinh, khoáng hóa chất hữu cơ chết, chúng cung cấp các nguyên tố khoáng cho cho loại tự dưỡng. - Vi khuẩn và nấm phân hủy các loài tảo chết nhờ hệ men ngoại bào. Một phần chất hữu cơ sẽ bị khoáng hóa, phần còn lại chuyển thành các chất đơn giản hơn mà chúng có thể sử dụng được. Trong tế bào các vi sinh vật đó, các chất đơn giản này được chuyển hóa và nằm trong thành phần của tế bào ở dạng protein và các chất dinh dưỡng dự trữ. Như vậy, những vi sinh vật hoại sinh tham gia vào việc phân hủy chất hữu cơ của loại tự dưỡng và tổng hợp chất hữu cơ cho tế bào của mình. Chúng là loại dị sinh bậc 1. Những loại dị sinh bậc 1 còn bao gồm cả loại động vật sử dụng thực vật, kể cả cá hoa. Những chất hữu cơ tạo nên loại động vật ăn thực vật (phytophage) – là loài dị sinh bậc 2. Cứ như vậy, tạo nên chất hữu cơ- sản phẩm bậc 3 Để đặc trưng cho trình tự chuyển hóa các chất hữu cơ, người ta dùng khái niệm “mức dinh dưỡng”. Các loại sử dụng phytophage - bậc 3 Việc chuyển hóa chất hữu cơ (và cả năng lượng trong đó) từ mức dinh dưỡng này sang mức khác, số loài và sinh khối của chúng thường giảm dần và tạo ra nhiều tháp sinh khối. Những loài nhỏ nhưng tốc độ sinh sản nhanh với cùng một sinh khối thường tạo ra nhiều chất hữu cơ hơn các loài to lớn. Tuy nhiên cũng có khi, sinh khối của loài thuộc mức dinh dưỡng sau lớn hơn sinh khối của loài thuộc mức dinh dưỡng trước. Sinh khối là tổng khối lượng của tất cả các sinh vật thuộc một mức dinh dưỡng nào đó, còn sản phẩm là sinh khối tạo ra 229
20. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG ở một mức dinh dưỡng nào đó trong một khoảng thời gian nhất định (trong đó kể cả khối lượng đã tiêu thụ, chết hoặc tách khỏi hệ thống). Khác với sinh khối, năng lượng của một chất hữu cơ nào đó khi chuyển từ mức dinh dưỡng này sang mức dinh dưỡng khác thì luôn luôn giảm. Trong bất kỳ “mức dinh dưỡng nào”, thức ăn do những vi sinh vật sử dụng đều không hấp thụ được hết và bao giờ cũng còn lại một ít. Ở lượng đã hấp thụ được, một phần tiêu hao cho việc tăng sinh khối, một phần bị oxy hóa để sinh năng lượng. Năng lượng này lại có thể sử dụng cho mức dinh dưỡng tiếp theo. Phần năng lượng tiêu thụ trong các quá trình sống, hoạt động của sinh vật, được tản vào không gian và bị loại khỏi quá trình chuyển hóa chất hữu cơ. Tuy nhiên khi tản năng lượng, cũng diễn ra quá trình khoáng hóa chất hữu cơ. Đồng thời với việc giải phóng năng lượng cũng giải phóng CO2 và các nguyên tố dinh dưỡng vào nước. CO2 và các nguyên tố dinh dưỡng lại tạo ra sản phẩm sơ cấp - tức là lại tích lũy năng lượng. Tổng năng lượng, bao gồm tích lũy khi tăng sinh khối (S), tiêu hao trong các quá trình trao đổi chất (T) và còn lại phần thức ăn chưa hấp thụ được (C) bao giờ cũng bằng năng lượng chứa trong thức ăn ban đầu (A): A = S + T + C (Đơn vị năng lượng hoặc lượng oxy) Hiệu suất sử dụng thức ăn được đặc trưng bằng các hệ số không thứ nguyên: S K = Hệ số sử dụng thức ăn tiêu thụ cho sinh trưởng 1 A S S K = = Hệ số sử dụng phần thức ăn đã hấp thụ tiêu thụ cho sinh 2 A − C S + T trưởng K1 và K2 càng cao thì hiệu quả sử dụng thức ăn cho việc tăng sinh khối càng cao. Số mức năng lượng của loại pelagian (sinh vật phù du) thường là 3-4, của sinh vật đáy là 2-3. VD: Mức dinh dưỡng 1: Vi khuẩn Mức dinh dưỡng 2: Trích trùng ăn vi khuẩn Mức dinh dưỡng 3: Động vật phù du ăn trích trùng Mức dinh dưỡng 4: Cá bé ăn động vật phù du Mức dinh dưỡng 5: Cá lớn Hình 7.4 Chu trình sinh hoá tự nhiên trong sông hồ 230
21. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG Có thể nói vi khuẩn là nhân tố chính của quá trình sinh hóa bình thường trong nguồn nước thiên nhiên. Chúng biến các chất hữu cơ hòa tan thành tế bào của mình và các chất vô cơ. Những chất vô cơ lại được tảo sử dụng để xây dựng tế bào. Những vi khuẩn và tảo lại là thức ăn cho các sinh vật hạ đẳng sử dụng. Động vật hạ đẳng, tảo, vi khuẩn lại là thức ăn cho cá bé rồi các loại cá lại là thức ăn cho con người. Chu trình cứ thế tiếp diễn. Cần chú ý rằng sinh khối của cá chiếm phần rất nhỏ trong sản phẩm sơ cấp. Nếu trong nước chỉ có loài cá ăn cỏ - tức là loài thuộc mức dinh dưỡng thứ 2 thì sinh khối cuối cùng sẽ nhiều hơn đáng kể. 7.2.3.2. Vai trò của các loài thủy sinh trong quá trình tự làm sạch nguồn nước: Vai trò của các loài thủy sinh vật trong quá trình phân hủy chất bẩn hữu cơ trong nước nguồn có thể tóm tắt như sau: - Thực vật phù du làm giàu oxy trong nước. Oxy thì cần cho quá trình phân hủy chất hữu cơ, làm giảm các nguyên tố dinh dưỡng trong nước. Thực vật phù du là nguồn thức ăn cho các loài sinh vật ăn thực vật. Tuy nhiên nếu thực vật phù du phát triển quá mạnh thì lại làm nguồn nước bị nhiễm bẩn lần thứ hai. - 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 sản phẩm dầu, các chất độc, dễ tách khỏi bùn nước. Ở những sông hồ ít nước, chúng dễ biến thành đầm lầy. - Vi khuẩn đóng vai trò chính trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ, chúng có khả năng phân hủy bất kỳ loại hợp chất hữu cơ nào trong thiên nhiên, là nguồn thức ăn cho các sinh vật ở mức tiếp theo. - Động vật phù du ăn thực vật và vi khuẩn, đồng thời cũng tham gia quá trình phân hủy các chất hữu cơ. 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. - Các loại động vật phù du lớn ăn thực vật phù du, tham gia quá trình phân hủy chất hữu cơ - ở mức độ nào đó cũng ảnh hưởng tới chế độ oxy trong nước. Cá là tột đỉnh của các mức dinh dưỡng. Những loài cá ăn thực vật sẽ làm cản trở hiện tượng “nở hoa” trong nguồn nước và gây ảnh hưởng đối với thành phần tất cả các loài thủy sinh vật ở các mức dinh dưỡng khác nhau. Mối quan hệ về thức ăn giữa các loài thủy sinh vật rất phức tạp , nên gặp nhiều khó khăn trong nghiên cứu. Việc tính toán các sản phẩm của các mức dinh dưỡng rất cần thiết, do một mặt ta hình dung nguồn thức ăn của con người và cá, mặt khác để xác định sự phân hủy chất hữu cơ trong nguồn nước diễn ra tới mức độ nào. Trong nguồn nước số mức dinh dưỡng càng nhiều thì phần sản phẩm sơ cấp nằm trong sản phẩm cuối cùng càng ít. 7.2.3.3. Ảnh hưởng của các chất bẩn đối với nước nguồn: Tùy thuộc số lượng, thành phần tính chất của mình mà các chất bẩn có thể gây ra những hậu quả khác nhau đối với nước nguồn: 231
22. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG - Làm thay đổi tính chất hóa lý, độ trong, màu, mùi, vị, pH, hàm lượng các chất hữu cơ, vô cơ, xuất hiện các chất độc, chất nổi, chất dễ lắng cặn - Làm giảm hàm lượng oxy hòa tan do phải tiêu hao cho các quá trình oxy hóa sinh hóa các chất bẩn hữu cơ. - Làm thay đổi số lượng và các chủng loại vi sinh vật, sinh vật, xuất hiện các loại vi sinh vật gây bệnh, làm cá chết Kết quả không thể sử dụng làm nguồn cung cấp nước được. Nhình chung tất cả những thay đổi đó có liên quan mật thiết với nhau. Đặc biệt các chất bẩn trong nước thải sản xuất là những chất độc hại đối với thủy sinh vật. Nồng độ các chất hữu cơ quá cao sẽ tạo điều kiện yếm khí trong nước, các chất sulfure sẽ làm giảm khả năng oxy hóa khử của nước. Nếu hàm lượng các chất dinh dưỡng trong nước nguồn tăng lên sẽ dẫn đến hiện tượng ”nở hoa” - phát triển rêu tảo - Ảnh hưởng độc hại: Các chất bẩn độc hại có thể gây tác động khác nhau đối với thủy sinh vật, tùy thuộc bản chất, nồng độ của chúng. Một chất độc nào đó có thể phá hoại chế độ trao đổi chất hoặc nhịp độ sinh trưởng, phát triển của thủy sinh vật, tới một giá trị nồng độ nào đó, chúng sẽ bị tiêu diệt. Đối với nhiều loại sinh vật, có thể chưa thấy ngay tác động độc hại, mà mới chỉ làm hỏng cơ quan sinh sản, hoặc gây ảnh hưởng tới nhiều thế hệ sau. Kết quả là số lượng cá thể sinh vật, số loài sẽ bị giảm dần Các loài sinh vật có khả năng chịu đựng khác nhau đối với từng loại chất độc. VD: As có thể làm tôm, Daphnia, Xiclop chết ở nồng độ 0.25-2.5mg/l; đối với cá: 10- 2mg/l. Trong thực tế bảo vệ vệ sinh nguồn nước, người ta đã xác định nồng độ giới hạn cho phép của từng chất độc đối với vi sinh vật và sinh vật. Nồng độ giới hạn cho phép làgiá trị nồng độ cao nhất, với giá trị đó, các quá trình khoáng hóa các chất hữu cơ không bị phá hủy, không làm xấu giá trị “thực phẩm” của nước, không gây độc hại đối với quá trình sống, hoạt động của thủy sinh vật - những tác nhân quan trọng trong quá trình chuyển hóa chất hữu cơ. Như vậy nồng độ giới hạn cho phép sẽ đảm bảo cho quá trình sinh hóa diễn ra bình thường, đảm bảo cho chất lượng nước được tốt, đồng thời không làm giảm giá trị hàng hóa của các sinh vật. - Sự thay đổi chế độ hòa tan của oxy trong nước nguồn; lượng vi khuẩn và nấm trong nước tùy thuộc nhiều yếu tố. Trong nguồn nước sạch thường không đủ chất hữu cơ (chất dinh dưỡng) cho các loại hoại sinh. Khi các chất hữu cơ lẫn vào nước nguồn thì các vi sinh vật phát triển nhảy vọt. Trong quá trình sinh trưởng phát triển, các vi sinh vật tiêu thụ càng nhiều oxy. Kết quả nồng độ oxy trong nước giảm, thậm chí bị tiêu thụ hoàn toàn, làm thay đổi thế năng oxy hóa khử của môi trường; các phản ứng khử diễn ra chủ yếu: khử nitrat, khử sulfat, hình thành các chất sulfure và tạo điều kiện yếm khí trong môi trường. Sự thay đổi chế độ khí oxy hòa tan sẽ kéo theo sự thay đổi quần thể sinh vật. Các loài thích nghi với nước sạch trước đây thì bây giờ khi thiếu oxy sẽ bị chết (đầu tiên là cá rồi tiếp là những động vật thượng đẳng), đồng thời các loài quần thể thích nghi với điều kiện thiếu khí sẽ phát triển, độ oxy hóa các chất hữu cơ giảm và trong nước nguồn sẽ tích lũy sản phẩm không bị oxy hóa hoàn toàn. 232
23. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG - Nồng độ oxy trong nước sông bẩn rất thấp, ở 20oC chỉ khoảng 8mg/l (Hình 7-5). Khi nhiệt độ tăng lên, độ hòa tan oxy lại giảm. Trong khi đó cường độ các quá trình oxy hóa và tốc độ tiêu thụ oxy lại tăng lên và ngược lại. - 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 (Hình 7-6). Hình 7.5 Mối quan hệ giữa nồng độ trung hoà tan và số vi khuẩn ở các vùng khác nhau Hình 7.6 Độ hoà tan oxy trong nước ở các vùng nhiệt độ khác nhau 233
24. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG Hình 7.7 Sự hoà tan oxy trong dòng chảy 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 IX-7) Hình 7.8 Sự hoà tan oxy trong dòng chảy chậm - Nồng độ các chất dinh dưỡng: Sự tiêu thụ oxy là kết quả trực tiếp của các quá trình trao đổi hiếu khí của vi sinh vật. Thông thường, cường độ quá trình trao đổi chất còn bị giới hạn bởi thiếu chất dinh dưỡng trong nước nguồn. Nồng độ chất hữu cơ thấp thì chỉ cho phép một ít vi khuẩn và nấm phát triển. Do đó hạn chế sự phát triển động vật trong nguồn. Khi xả nước thải với chất hữu cơ vào nguồn, tốc độ phát triển của vi khuẩn, nấm cũng tăng lên. Kết quả lại tỷ lệ nghịch với nồng độ oxy. Nếu chất hữu cơ quá nhiều, nguồn oxy không đủ, sẽ tạo điều kiện yếm khí. Như vậy tốc độ trao đổi chất của vi khuẩn phải luôn luôn thấp hơn tốc độ hòa tan oxy với nồng độ giới hạn của các chất dinh dưỡng. Với điều kiện hiếu khí, protozoa kéo theo cả các động vật thượng đẳng cùng phát triển. Như vậy nồng độ oxy càng cao thì càng nhiều động vật có thể tồn tại 234
25. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG và càng được cung cấp nhiều thức ăn. Cuối cùng, điều kiện sinh hóa tốt nhất nên duy trì ở sông là cung cấp vừa đủ, có giới hạn chất dinh dưỡng và ít loài vi sinh vật Trong nước thải đô thị thường chứa nhiều lượng nguyên tố dinh dưỡng (N, P). Những chất này kích thích tảo phát triển rất mạnh, sông hồ không dùng làm nguồn cấp nước được. Tảo phát triển làm nước có màu, tảo xanh Aphanizomenon blos-aquae, Anabaena, microcystic v.v làm nước có màu xanh lam; tảo xanh Oscilatoria rubecens làm nước ngả màu hồng; Aphanocapsa pulchre tạo một lớp váng đen trên mặt nước. Tảo lục làm nước có màu lục, khuê tảo (Melosira, Navicula) làm nước có màu vàng nâu; Chrisophit làm nước có màu vàng vàng. Tảo phát triển còn làm cho nước có mùi vị khó chịu, như mùi cỏ, mùi mỡ khét, thối Ngoài ra còn gây ứ tắc cơ học ở các lưới chắn của công trình thu nước, các bể lọc của nhà máy nước. Hiện tượng trên còn gọi là hiện tượng “nở hoa” (Eutrofication).Khi tảo chết sẽ gây thối rữa trong nước, vi sinh vật oxy hóa các chất hữu cơ và tiêu thụ oxy làm oxy hòa tan bị nghèo đi. Theo tính toán của D.Ulman, để oxy hóa lượng chất bẩn hữu cơ do 1 người thải ra, cần 80g oxy trong một ngày, còn để oxy hóa chất hữu cơ của tảo (tảo phát triển do phospho trong nước thải tính theo 1 người) đòi hỏi tới 320g O2. Vì vậy người ta phải khử N, P trước khi xả nước thải ra nguồn và phải tìm biện pháp chống “nở hoa” trong nước nguồn. Ảnh hưởng của các chất lắng cặn và các chất nổi: Nước mưa, nước thải sinh hoạt, công nghiệp, nước tiêu từ các hệ thống thủy lợi, chứa rất nhiều chất lơ lửng và lá cây. Khi ra tới sông hồ, tốc độ dòng chảy giảm. Kết quả gây lắng cặn ở đáy sông hồ, làm thay đổi hình dạng dòng sông. Những chất hữu cơ lắng cặn là đối tượng hoạt động phát triển vi sinh vật . Kết quả cũng làm giảm lượng oxy hòa tan, gây thối rữa tiêu diệt thủy sinh vật. Các chất nổi như dầu mỡ chứa nhiều trong nước thải sinh hoạt, công nghiệp cũng làm hạn chế oxy hòa tan. 7.2.4. Phân loại nguồn nước theo mức độ nhiễm bẩn: Chất lượng nước nguồn được đánh giá trên cơ sở các số liệu phân tích hóa lý, vi sinh vật. Mỗi dạng phân tích đều có ưu nhược điểm nhất định và không thay thế nhau được. Để đánh giá tốt nhất thì nên có cả 3 dạng phân tích trên. Các chỉ tiêu phân tích hóa học cho phép đánh giá về lượng và đặc tính các chất bẩn, ảnh hưởng của chúng đối với sự thay đổi chất lượng nước nguồn. Các chỉ tiêu phân tích vi sinh vật cho phép xác định sác xuất tồn tại trong nước của các loài vi sinh vật gây bệnh. Phân tích sinh vật giúp xác định mức độ bẩn của nước trên toàn cục diện, nhiều khi cũng cho phép xác định hậu quả của sự nhiễm bẩn đột xuất mà các phương pháp nghiên cứu hóa lý, vi sinh vật chưa thể thực hiện kịp thời ngay được. Phân tích sinh vật là dựa trên sự thích ứng của một số sinh vật đối với nước có chất lượng nhất định. Do khả năng tự làm sạch của nguồn nước, các chất bẩn lẫn vào sẽ được pha loãng và bị phân hủy. Sự phân hủy chất bẩn diễn ra dần dần và do vậy các điều kiện bình thường của nguồn nước cũng dần dần được phục hồi trở lại như trước khi có chất bẩn (nước thải) xả vào. Quá trình này là một quá trình lâu dài và vùng nhiễm bẩn của sông có thể kéo dài hàng chục, hàng trăm cây số. Quy mô của vùng này tùy thuộc vào 235
26. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG tỷ lệ giữa lượng nước thải và nước sông , nồng độ & tính chất các chất bẩn, tốc độ dòng chảy và nhiều yếu tố khác. Tùy thuộc độ bẩn của nước mà người ta chia các sông, hồ và các đoạn sông thành các vùng sau đây (xem bảng 7-2): Bảng 7-2: Phân loại các đoạn sông theo độ nhiễm bẩn (theo R.Kolvints, M.Marson, G.Lipman) Vùng hoại sinh Mức độ sạch (Theo R.Kolvints và M.Marson) (Theo G.Lipman) - Polixaprophit, ký hiệu IV : P III - Alpha-Mezoxaprophit, ký hiệu : α- II m I - Beta-Mezoxaprophit, ký hiệu : β-m - Oligoxaprophit, ký hiệu : O Khi nguồn nước bị nhiễm bẩn thì điều kiện hóa lý của nó bị thay đổi, một số loài thủy sinh vật phát triển, một số loài bị tiêu diệt - tức là các quần thể bị thay đổi. Nhiều sinh vật chỉ thích ứng với các điều kiện chất lượng nhất định, tức là chỉ sống ở những vùng nhiễm bẩn nhất định. - Vùng P: Hàm lượng các chất hữu cơ không bền vững khá cao, nhiều sản phẩm phân hủy yếm khí. Trong nước nhiều chất đạm – protein. NOS tới hàng chục mg/l. Không có quang hợp. Oxy chỉ có thể hòatan trong nước qua mặt thoáng và tiêu thụ ngay cho việc oxy hóa ở các lớp nước trên mặt cho nên thực tế trong nước không có oxy. Nước chứa CH4 và H2S. Ở vùng này chứa rất nhiều vi sinh vật hoại sinh, tới hàng trăm ngàn hoặc hàng triệu tế bào trong 1ml. Ở cặn đáy không có oxy, chứa nhiều detrit, diễn ra các quá trình khử sắt ở dạng FeS: bùn có màu đen, mùi tanh H2S. Ở vùng này phát triển nhiều sinh thực vật dạng dị dưỡng: các loài vi khuẩn (kể cả vi khuẩn dạng chỉ Sphaerotilus), vi khuẩn lưu huỳnh (Beggiatoathiopthrix), vi khuẩn dạng nhầy (Zoogleea ramigera), các loại vi khuẩn hạ đẳng trích trùng – tiên mao. - Vùng α-m: Ở vùng này bắt đầu diễn ra sự phân hủy hiếu khí các các chất hữu cơ & tạo ra amoniac, chứa nhiều CO2 tự do, một ít oxy, không có metan và H2S. Lượng chất bẩn theo NOS vẫn còn cao tới hàng chục mg/l. Lượng vi khuẩn hoại sinh tới hàng chục, hàng trăm ngàn tế bào trong 1ml. Trong nước và cặn lắng ở đáy diễn ra các quá trình oxy hóa khử. Sắt ở dạng oxyt và dioxyt (Fe2+ và Fe3+), bùn xám màu đen. Ở vùng α-m có các loài vi sinh vật chịu được điều kiện thiếu oxy và nhiều CO2. Có các loài thực vật dị dưỡng và xạ khuẩn. Phát triển nhiều loại vi khuẩn dạng nhầy, dạng chỉ, nấm; có các loại tảo: Oscilatori stigeochlonium. 236
27. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG Trong số các động vật, phát triển nhiều là loại trích trùng (Carchesium), có loài luân trùng Rotatoria brachionus và nhiều loại có tiên mao - giả túc. Trong bùn nhiều turbiphycid và bọ Chironomid. - Vùng β-m: Là những vùng hầu như không có chất hữu cơ, tức là đã phân hủy (khoáng hóa) hoàn toàn. Lượng vi khuẩn hoại sinh tới hàng ngàn tế bào trong 1ml và tăng nhanh vào thời kỳ thực vật nước bị chết. Nồng độ oxy rất cao và CO2 dao động mạnh trong suốt ngày đêm. Ban ngày lượng oxy rất cao và có thể tới bão hòa, CO2 hoàn toàn không có, về đêm lại thấy thiếu hụt oxy. Trong bùn có nhiều detrit và quá trình oxy hóa diễn ra rất mạnh. Bùn màu vàng. Ở vùng này có nhiều động thực vật khác nhau. Các loài thực vật tự dinh phát triển mạnh. Hiện tượng nở hoa - thực vật phù sinh xuất hiện, phát triển: các loài tảo xanh dạng chỉ, khuê tảo apirit. Trong bùn có giun, bọ, chironomit, nhuyễn thể. - Vùng O: Là vùng nước sạch, lượng chất hữu cơ không đáng kể và lượng các sản phẩm khoáng hóa cũng ít. Hàm lượng CO2 và oxy ổn định, ít dao động cả ban ngày lẫn ban đêm. Không thấy xuất hiện hiện tượng nở hoa. Cặn lắng dưới đáy cũng chứa ít detrit, các vi sinh vật tự dinh và động vật đáy (giun, bọ chironomid và nhuyễn thể). Dấu hiệu chứng tỏ nước rất sạch và có 1 ít tảo hồng (thoria, Batrachospermum) và bọ nước (Mchi). Các loài sinh vật chỉ thị riêng biệt không đủ đánh giá độ nhiễm bẩn của nước. Chẳng hạn khi phân hủy protit của nước thải sinh hoạt sẽ tạo ra nhiều sulfure, nên ở đó có nhiều vi khuẩn lưu huỳnh loại Beggiatoa và thiothrix. Trong khi đó những vi khuẩn này cũng có thể sống ở những nguồn nước khoáng có lưu huỳnh mà không chứa các chất bẩn hữu cơ. Vi khuẩn lưu huỳnh là chỉ thị có lưu huỳnh trong nước nhưng không cho biết xuất xứ của lưu huỳnh - hữu cơ hay vô cơ. Vì vậy khi đánh giá mức độ bẩn của nguồn nước, chỉ có thể căn cứ theo các quần thể đặc trưng đối với từng vùng hoại sinh chứ không phải theo từng loài riêng biệt. Ngày nay có nhiều kiểu phân loại nguồn nước theo độ bẩn. VD: người ta phân ra 6 nhóm nguồn nước theo bảng 7-3: Bảng 7-3: Chỉ tiêu hóa học và vi trùng học về mức độ nhiễm bẩn của các loại nguồn nước. Chỉ tiêu hóa học, mg/l Chỉ tiêu vi trùng học Mức độ Oxy hòa Đếm tan Lơ Độ oxy Nitơ Số vi trực bẩn NOS Coli titre, ml lửng 5 hóa amôn khuẩn tiếp số Hè Đông v.k Rất sạch 9 14-13 1-3 0.5-1 1 0.05 10-100 a.101 105 Sạch 8 12-11 4-10 1.1-1.9 2 0.1 10-1 a.102 106 Hơi bẩn 7-6 10-9 11-19 2-2.9 3 0.2-0.3 1-0.05 a.103 106 Bẩn vừa 5-4 5-4 20-50 3-3.9 4 0.4-1 0.05-0.005 a.104 107 Bẩn 3-2 5-1-0 51-100 4-10 5-15 1.1-3 0.005-0.001 a.105 107 Rất bẩn 0 0 >100 >10 >15 >3 0.001 a.10P 237
28. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG Ở những nguồn nước rất sạch thì hoàn toàn không thấy dấu vết tác động của con người. Ở đó, độ bão hòa oxy tới 95%, NOS5 không quá 1mg/l, chất lơ lửng 3mg/l. Nguồn này dùng cho tất cả các đối tượng cấp nước. Những nguồn nước sạch về các chỉ tiêu hóa học không khác lắm so với những nguồn nước rất sạch nhưng đã thấy dấu vết hoạt động của con người - cụ thể là lượng vi khuẩn hoại sinh tăng lên. Nguồn này cũng dùng cho các đối tượng cấp nước. Để khử trùng chỉ cần chlore hóa là đủ. Nguồn nước hơi bẩn, hàm lượng chất hữu cơ đã tăng lên, có ion chlore và amon. Đó là dấu hiệu nhiễm bẩn bởi nước mưa trên mặt đất, nước thải sinh hoạt chảy xuống. Nước hơi bẩn phải được xử lý thích đáng mới được dùng để cấp nước sinh hoạt dân dụng. Nước này có thể dùng để nuôi cá hoặc các mục tiêu khác. Loại nguồn nước bẩn vừa là những sông hồ đã bị thay đổi tính chất tự nhiên do có nước thải chảy vào. Mùa đông có thể tạo điều kiện yếm khí trong hồ ở những vùng xứ lạnh, vì bị bao phủ bởi lớp băng đá trên mặt. Nước này không dùng để cấp nước sinh hoạt được, cũng không dùng cho mục đích văn hóa thể thao, nuôi cá. Phạm vi sử dụng nguồn nước này rất bị hạn chế, chỉ dùng cho 1 số quá trình sản xuất hoặc tưới tiêu, giao thông đường thủy. Nguồn nước bẩn và rất bẩn: đã hoàn toàn mất tính chất tự nhiên. Mùa hè xông mùi khó chịu. Trong nước chứa nhiều CO2, các hợp chất sulfure, chứng tỏ do hoạt động của tàu bè, cảng. Do vậy nguồn nước này chỉ dùng cho giao thông tàu bè. Còn việc dùng để tưới ruộng cũng bị hạn chế vì không thích hợp với nhiều loại cây trồng. Khi đánh giá độ bẩn của nguồn nước, trước khi phân tích hóa học, nhiều khi các chỉ tiêu: màu, mùi, độ trong, đục cũng là các dấu hiệu quan trọng chứng tỏ sự có mặt của nhiều chất bẩn. VD: mùi các chất độc xả vào như phenon, dichloretan, orezon, dầu Dầu lẫn vào chẳng những có mùi mà còn có váng nổi lên. 7.3. CÁC QUÁ TRÌNH VI SINH VẬT TRONG CÁC CÔNG TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THIÊN NHIÊN Các quá trình vi sinh hóa diễn ra khi xử lý nước thiên nhiên không phức tạp như khi xử lý nước thải vì các chất hữu cơ trong nước thiên nhiên ít hơn nhiều cả về lượng từng chất cũng như cả về số loại chất. Nước ngầm chứa ít chất bẩn và vi sinh vật hơn so với nước mặt. Nước mặt chứa các chất bẩn như chất lơ lửng, màu, chất hữu cơ, vô cơ, vi khuẩn và nhiều loại vi sinh vật khác. Những chất bẩn đó phải được loại trừ trước khi đưa đến người sử dụng. Các loại công trình xử lý tùy thuộc đặc tính nước thô. Chẳng hạn nước chứa các chất không tan dễ lắng thì có thể cho lắng ở các bể lắng để loại các chất đó; nước có màu và chứa các chất keo, phải xử lý bằng cách cho keo tụ rồi lắng và lọc sau đó. Nước cứng phải được làm mềm; nước chứa muối thì phải khử muối; nước chứa sắt thì phải khử sắt. Nếu nước chứa nhiều loại chất bẩn và vi khuẩn thì phải xử lý rất phức tạp. Nhìn chung khi xử lý nước thiên nhiên, vi sinh vật tham gia chủ yếu vào các quá trình lắng và lọc. 238
29. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG 7.3.1. Lắng: Một trong những phương pháp đơn giản nhất để xử lý nước thiên nhiên là lắng. Khi lắng, những hạt lơ lửng nặng sẽ lắng xuống. Vi khuẩn hấp phụ và dính vào các hạt đó cũng dính và lắng theo. Kết quả nồng độ các chất lơ lửng, lượng nitơ amôn, vi khuẩn giảm đi rất nhiều, thậm chí trong một số trường hợp giảm được cả màu. Có thể thực hiện việc lắng nước trong các hồ lớn - gọi là hồ sơ lắng. Với thời gian, nước lưu lại trong đó 5-7 ngày thì lượng vi khuẩn đường ruột giảm tới 90%. Tuy nhiên còn 10% chúng vẫn có thể tồn tại được mấy tuần hoặc hàng tháng. Khoảng thời gian này tùy thuộc mức độ trong sạch của nước. Nước càng bẩn thì vi khuẩn gây bệnh càng chóng chết, vì sẽ có sự đối kháng cạnh tranh giữa những loài vi sinh vật. Khi sơ lắng trong mấy ngày đầu sẽ diễn ra quá trình tự làm sạch. Tuy nhiên, thời gian sơ lắng càng kéo dài thì sẽ diễn ra quá trình ngược lại, chất lượng của nước sẽ kém đi, vì sẽ phát hiện và phát triển tảo rêu, năng lượng của ánh sáng mặt trời sẽ biến thành sinh khối của chúng và khi chúng chết sẽ làm nồng độ chất hữu cơ tăng lên, xuất hiện vi sinh vật thối rửa, nước sẽ có mùi vị xấu, giảm lượng oxy hòa tan, thế năng oxy hóa bị giảm. Kết quả sẽ gây khó khăn cho việc xử lý tiếp theo. Để chống sự phát triển tảo (nở hoa) trong các hồ lắng, người ta dùng các biện pháp như: thả cá, che tối bể, dùng các alhycide. Trong thực tế, người ta thường lợi dụng địa hình tự nhiên, chẳng hạn các vịnh cạnh bờ sông làm hồ sơ lắng thì sẽ rất kinh tế. Trong công nghệ xử lý nước thiên nhiên người ta xây dựng nhiều loại bể lắng khác nhau với thời gian lắng khác nhau tùy thuộc chất lượng nước, các yêu cầu kinh tế - kỹ thuật và công nghệ. Ở tất cả các loại hồ, bể lắng, thường thấy nhiều loại thực vật phù du và nhiều tảo xanh lam, khuê tảo tạo thành màng mỏng gọi là rêu. Trên các màng mỏng, rêu lại có cả các loài động vật phù du. Ngoài ra cần phải thấy rằng ở các bể lắng còn diễn ra những quá trình sinh hóa liên quan đến việc phân giải các chất hữu cơ trong điều kiện yếm khí. 7.3.2. Lọc nước: Bể lọc chậm: Trong số các công trình xử lý nước thiên nhiên thì bể lọc chậm là công trình liên quan nhiều nhất tới vi sinh vật. Ngay từ đầu khi sáng tạo ra loại công trình này, người ta muốn tái tạo các quá trình sinh hóa tự nhiên giống như khi cho nước thấm lọc qua đất. Nhưng không những chỉ đơn thuần tái tạo những điều kiện tự nhiên đó, mà người ta còn xây dựng những công trình nhằm cải thiện điều kiện tự nhiên theo hướng có lợi hơn nữa. Lớp trên cùng của vật liệu lọc là lớp cát hạt nhỏ. Ở đó sẽ giữ lại các hạt chất bẩn và hình thành những quần lạc sinh vật, diễn ra các quá trình sinh học và làm sạch nước. Những quần lạc bao gồm nhiều nhất là những vi sinh vật khoáng hóa (oxy hóa nitơ của muối amôn thành nitrit, rồi nitrat, H2S thành muối sulfat ) và một ít động thực vật phù du. Tất cả những quần lạc sinh vật sẽ tạo nên màng sinh vật dày đặc. Tuy nhiên chiều dày của lớp cát có màng sinh vật này chỉ vài cm mà thôi vì những vi sinh vật này chủ yếu là loại hiếu khí nên sống trên bề mặt bể lọc. Những yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả công tác của bể là: nhiệt độ, vận tốc, kích thước hạt. Nếu hạt cát quá nhỏ thì bể nhanh chóng bị ứ tắc; nếu hạt quá lớn thì không giữ được các chất lơ lửng ở màng sinh vật mà đi theo nước lọc. 239
30. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG Kích thước hạt ở lớp lọc thường 0.2 – 0.4mm. Vì hạt rất nhỏ nên lớp trên cũng chóng bị vít tắc và khoảng từ 2-10 tuần phải xúc lớp đó để rửa hoặc thay mới. Tốc độ lọc tùy thuộc chất lượng nước và thường chọn 0.1-0.3m/h. Nhiệt độ là yếu tố chủ yếu ảnh hưởng tới quá trình làm sạch nước vì tác nhân hoạt động chủ yếu ở đây là quần lạc sinh vật. Hiệu quả làm sạch nước của bể lọc rất tốt, hơn 99.99% vi khuẩn bị giữ lại. Tốc độ chậm đòi hỏi diện tích bể lọc rất lớn nên ngày nay người ta thường ít dùng bể này. Ngoài ra về mùa hè, nước sông, hồ chứa thường có tảo và làm lớp cát lọc chóng bị ứ tắc. Bể lọc nhanh: Ở đây chủ yếu diễn ra quá trình vật lý, hóa và hóa lý. Đôi khi chỉ gặp một vài hiện tượng sinh hóa mà thôi. Chẳng hạn khi thời tiết ấm, nitơ amôn bị khử, trong nước lọc, lượng nitrit, nitrat tăng lên. Khử các chất phóng xạ bằng cách lọc nước: Vi sinh vật nước nói chung và quần lạc sinh vật ở bể lọc nói riêng là tác nhân có thể hấp phụ các chất phóng xạ. Do đó hiệu suất khử các chất phóng xạ của bể lọc rất tốt. Tùy thuộc từng loại chất và nồng độ của các chất trong nước, hiệu suất khử các chất phóng xạ có thể đạt từ 50-96%. 7.3.3. Xử lý nước bằng hóa chất: Keo tụ bằng phèn nhôm hoặc sắt là một trong những phương pháp phổ biến để xử lý nước. Trong nước thiên nhiên chứa nhiều loại hạt keo dạng vi khuẩn, đất sét hoặc hữu cơ. Những ion nhôm có điện tích dương mạnh, còn đa số các hạt keo có điện tích âm. Với giá trị pH thích hợp chúng sẽ hấp phụ rồi keo tụ với nhau và tạo thành bông cặn kết tủa. Ở những điều kiện tĩnh, bông cặn sẽ lắng và kéo theo cả những vi khuẩn. hiệu suất khử vi khuẩn khi keo tụ tùy thuộc loại bể phản ứng và bể lắng, có thể đạt 90-99%. 7.3.4. Khử trùng nước: Giai đoạn kết thúc của việc xử lý nước thiên nhiên là khử trùng. Như ta biết, để tăng hiệu suất khử trùng, trước đó người ta phải loại trừ các chất bẩn hữu cơ, vô cơ trong nước (chỉ trừ một số loại nước ngầm rất sạch, không cần xử lý mới thực hiện khử trùng trực tiếp mà thôi). Vì vậy người ta thường khử trùng sau khi nước ra khỏi bể lọc, trước khi vào bể chứa. Trong bể chứa nước sạch, chlore sẽ gây phản ứng giết chết vi khuẩn. Những biện pháp khử trùng thông thường chỉ nhằm diệt các loại vi khuẩn không tạo nha bào vì các loại vi khuẩn liên quan đến đường truyền bệnh qua nước đều là những loại không tạo nha bào. Người ta phân biệt các biện pháp khử trùng cá thể và tập trung. Các biện pháp cá thể như: đun sôi, dùng thuốc viên sát trùng, dùng nước bạc (ion bạc). Các biện pháp tập trung: khử trùng bằng chlore và các biện pháp khác. Theo Chick, khi dùng một tác nhân vật lý hay hóa học nào đó để khử trùng thì tỷ lệ % giữa lượng vi khuẩn còn sống sót với số vi khuẩn ban đầu là một đại lượng không đổi và được biểu thị bằng công thức: 1 N K = lg 1 (X-I) t N 2 240
31. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG K - tốc độ chết của vi khuẩn; t - thời gian tác động của tác nhân diệt trùng; N1 - Nồng độ vi khuẩn ban đầu; N2 - Nồng độ vi khuẩn còn sống sót; Ý nghĩa thực tiễn của định luật Chick là ở chỗ: Kết quả khử trùng luôn luôn tùy thuộc mức độ nhiễm khuẩn của nước. Chẳng hạn, cũng là 99% vi khuẩn bị tiêu diệt, nhưng nếu lượng vi khuẩn ban đầu là 100 thì còn sống 1 vi khuẩn, nếu lượng vi khuẩn ban đầu là 10,000 thì còn sống 100 cá thể. Như vậy, nếu nói hiệu suất diệt trùng đều tốt như trường hợp sau thì còn xa mới an toàn. 7.3.4.1. Khử trùng nước bằng chlore: a. Cơ chế diệt trùng của chlore trong nước : - Khi chlore hóa, do tăng thế năng oxy hóa, làm nguyên sinh chất của tế bào bị oxy hóa. - Tác dụng oxy hóa bởi oxy tạo ra: Khi chlore hóa, chlore tác dụng với nướctạo thành hypoclorơ (HClO). Acid này không bền vững nên tạo ra oxy nguyên tử và oxy hóa tế bào của vi khuẩn. Phản ứng diễn ra như sau: Cl2 + H2O ↔ 2HClO (X-2) HClO ↔ HCl + Ö (X-3) - Acid hypoclorơ cũng có thể phân ly: HClO Æ H+ + ClO- (X-4) Ion ClO- cũng có khả năng gây oxy hóa tế bào chất. Nhưng theo Rose E.Mackiney thì dạng không phân ly HClO có hoạt tính mạnh hơn nhiều so với dạng phân ly. Thực nghiệm cho thấy hiệu suất khử trùng ở pH = 7 cao hơn ở giá trị pH = 9. Điều đó, theo R. E.Mackiney là do khi pH tăng lên thì dạng phân ly sẽ tăng và hiệu suất khử trùng giảm. - Tác dụng trực tiếp của chlore: Bản thân chlore cũng tác dụng trực tiếp với tế bào vi khuẩn, vì chlore liên kết với các chất trong thành phần tế bào và làm vi khuẩn chết. - Tác động bởi tia cực tím: Do có phản ứng hóa học xảy ra giữa chlore và các chất hữu cơ trong nước nên xuất hiện các tia tử ngoại và giết chết vi khuẩn. Nói chung, khử trùng bằng chlore rất hiệu quả vì nó tạo ra gốc oxy hóa làm giảm hệ thống men ngăn cản quá trình hô hấp bình thường của vi khuẩn. b. Các yếu tố ảnh hưởng tới hiệu quả khử trùng của chlore: - Trong nước thiên nhiên thường chứa các chất dễ bị oxy hóa. Do đó khi cho chlore - một chất oxy hóa mạnh vào nước thì nó sẽ tác dụng mạnh với các chất trong nước. Các chất dễ bị oxy hóa trong nước có thể là chất hữu cơ (như humus tan trong nước, các sản phẩm phân hủy protein, mỡ, đường, nitrat, muối sắt hóa trị 2, H2S ). 241
32. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG Lượng các chất này trong nước cành nhiều thì lượng chlore tiêu thụ để oxy hóa các chất đó cũng càng nhiều. Ta gọi đó là mức độ hấp thụ chlore của nước. Lượng chlore tiêu thụ cho tổ hợp tất cả các phản ứng phụ thuộc nhiều yếu tố: liều lượng chlore cho vào ban đầu, thời gian tiếp xúc, thế năng oxy hóa, nồng độ ion hydro, nhiệt độ Ở những điều kiện nhất định thì hiệu suất khử trùng của chlore phụ thuộc liều lượng chlore cho vào nước, thời gian chlore tự do tồn tại trong nước, pH, nhiệt độ, lượng vi khuẩn Liều lượng chlore cần thiết để khử trùng bao gồm: lượng chlore tiêu thụ và lượng chlore đủ để giết chết vi khuẩn. Trong thực tế có thể coi rằng: để đạt được hiệu quả khử trùng, nồng độ chlore dư còn lại trong nước sau 1/2h tiếp xúc phải không dưới 0.1-0.33mg/l. - Ảnh hưởng của liều lượng chlore: Lượng chlore dư tồn tại trong nước tùy thuộc lượng chlore cho vào lúc đầu. Mặt khác liều lượng chlore ban đầu càng cao thì tốc độ giết chết vi khuẩn cũng càng mạnh. - Ảnh hưởng của thời gian tiếp xúc: Nếu thời gian tiếp xúc càng lâu, tức là bể chứa càng lớn thì liều lượng chlore cần thiết để diệt trùng có thể giảm rất nhiều so với bể chứa nhỏ. Nhưng cần thấy rằng thời gian tiếp xúc càng lâu thì lượng chlore dư càng giảm. - Ảnh hưởng của nhiệt độ: Nhiệt độ ảnh hưởng tới tất cả các phản ứng hóa học và cả đến quá trình khử trùng bằng chlore. Ở nhiệt độ thấp 0oC thì tốc độ phản ứng rất chậm. Khi nhiệt độ tăng thì tốc độ diệt khuẩn tăng rất nhanh. Cứ mỗi lần tăng 100C thì tốc độ diệt khuẩn tăng lên 2 lần. Tuy nhiên nếu nhiệt độ tăng lên thì lượng chlore dư cũng nhanh chóng bị mất đi. - Ảnh hưởng của amoniac: Khi cho amoniac vào nước thì sẽ giảm được lượng chlore tiêu thụ trong quá trình khử trùng. Vì khi cho amoniac vào nước thì hiện tượng phân hủy chlore do quang hóa sẽ chấm dứt ngay. Tuy nhiên một số nhà nghiên cứu cho rằng khi đó sẽ tạo thành chlore-amin. Chất này có thế năng oxy hóa rất thấp và làm hoạt tính của chlore bị giảm. Một số ý kiến khác lại cho rằng amoniac sẽ tác dụng với các chất hữu cơ, vô cơ trong nước và những chất này sẽ không bị oxy hóa bởi chlore nữa. c. Tác dụng của việc khử trùng bằng chlore: - Khử trùng bằng chlore không độc: Chlore là một chất độc. Sau khi khử trùng, trong nước vẫn còn một lượng chlore nhất định. Nhưng Trerkinski và nhiều người khác đã cho thấy: nồng độ chlore tự do trong nước là 0.3-0.5mg/l thì hoàn toàn không độc với cơ thể người. Với nồng độ đó, người ta lại thấy ngon và thơm mát hơn. - Dùng chlore để khử mùi vị của nước: Chlore là chất oxy hóa mạnh, do đó đôi khi người ta dùng nó để khử mùi (nhất là mùi H2S) và vị của nước. Trong những trường hợp này, trong nước thường còn lại một lượng chlore khá lớn và người ta lại phải khử lượng chlore này. Muốn vậy người ta phải cho một lượng chất nào đó vào nước để liên kết với chlore nhưng không tạo thành chất độc đối với cơ thể. Những chất 242
33. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG thường dùng để khử chlore: hyposulfit, sulfat natri, khí sulfure, chlore sắt, than hoạt tính. - Khử trùng trên mạng lưới cấp nước: Trước khi sử dụng đường ống dẫn nước hoặc khi ống dẫn nước bị nhiễm trùng gây bệnh thì người ta phải tiến hành khử trùng ở đài nước và ống dẫn với liều lượng chlore cao. Liều lượng chlore cần thiết là 30-50 mg/l theo chlore tự do với thời gian chlore hóa là 24h hoặc 80-100 mg/l chlore tự do với thời gian 8h. Để tránh độc bởi chlore cho người dùng, trước khi khử trùng phải báo trước để họ mở khóa xả nước đó đi, không sử dụng nữa. 7.3.4.2. Khử trùng bằng các phương pháp khác: Phương pháp vật lý: Có những ưu điểm là: không cho thêm hoá chất nào vào nước tức là không làm nước có mùi vị gì khác; không cần duy trì một lượng dư của chất khử trùng nên không hại cho cơ thể người; không cần những thiết bị phức tạp để định lượng nên không cần thí nghiệm kiểm tra; không cần bể tiếp xúc vì các tác nhân vật lý có thể diệt trùng ngay tức khắc; không phải chuyên chở hóa chất, không cần kho nên trạm xử lý rất nhỏ. Các phương pháp vật lý bao gồm: - Sóng siêu âm: Khi sóng siêu âm tác độnh vào chất lỏng thì sẽ diễn ra hiện tượng ép mạnh và cắt nước. Lực tác động của các sóng rất mạnh đến nỗi tạo ra hiện tượng khí thực trong nước và tạo ra áp suất rất lớn tới hàng ngàn átmốtphe, tức khắc tế bào vi khuẩn bị nổ tung. Vi khuẩn càng gần các bọt khí thực, càng bị va đập mạnh. Tác dụng khử trùng sẽ bị giảm tỷ lệ nghịch với bình phương khoảng cách từ vi khuẩn tới bọt khí. Khi cường độ siêu âm của máy phát sóng là 0,3 – 0,5 w/cm2 thì sẽ tạo ra hiện tượng khí thực. Tất nhiên trong nước càng tạo nhiều bọt khí thì hiệu suất khử trùng càng cao. Mặt khác độ nhớt của nước càng cao thì càng khó tạo thành khí thực và hiệu suất khử trùng càng thấp. Hình dạng vi khuẩn trong nước sẽ ảnh hưởng tới hiệu suất khử trùng.Cầu khuẩn bền vững nhất và trực khuẩn chóng bị tiêu diệt nhất. Nhưng khi tăng cường độ sóng siêu âm thì cả cầu khuẩn lẫn trực khuẩn đều chết, cả vi khuẩn tạo và không tạo nha bào cũng chết. Sóng siêu âm diệt được trùng cả trong nước đục, nước chứa bùn. - Tia tử ngoại: Tia tử ngoại nằm trong khoảng sóng từ 136 – 4000 Ao. Khi chiếu tia tử ngoại qua nước sẽ làm vi khuẩn chết ngay vì tia tử ngoại có tác dụng quang hóa; thành phần của nước hoàn toàn không thay đổi. Nhưng giá trị pH thay đổi rất nhiều và nhiệt độ nước cũng tăng, ảnh hưởng tới hiệu suất khử trùng. Tia tử ngoại chỉ có thể xuyên qua nước trong, không màu. Khi độ đục và độ màu tăng lên thì hiệu suất diệt trùng của tia tử ngoại cũng kém đi. Tia tử ngoại có thể tiêu diệt được cả vi khuẩn không tạo nha bào và tạo nha bào. Ngày nay phương hướng này được sử dụng rộng rãi ở nhiều nước trên thế giới. b. Phương pháp hoá học: - Khử trùng bằng ion bạc: Như ta đã biết, ion bạc và nhiều kim loại khác có tác dụng diiệt trùng. Hiệu suất khử trùng tuỳ thuộc đầu tiên vào nồng độ ion bạc trong nước. Vì vậy, những người kỹ thuật thường hướng tới việc tăng nồng độ iôn bạc bằng cách tăng diện tích bề mặt tiếp xúc. Chẳng hạn như người ta đã dùng than bạc đổ 243
34. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG xuống đầm nước để lấy nước dùng. Sau này người ta thay than bạc bằng tấm bạc và chế tạo thành thiết bị có dung tích 100 lít nước để sử dụng. Nhược điểm chủ yếu của phương pháp này là phần lớn ion bạc tập trung ở gần tấm kim loại và rất lâu mới phân tán vào toàn khối nước. Để tăng cường quá trình người ta cho dòng điện đi qua tấm bạc thì các ion bạc đã phân bổ rất nhanh vào nước, hiệu quả diệt trùng tăng lên. Tuy nhiên phương pháp khử trùng bằng ion bạc không dùng được với nước chứa muối chlorure (tạo AgCl kết tủa) và nước đục chứa các keo hữu cơ. Ngoài ra ion bạc không diệt được vi khuẩn nha bào. - Phương pháp ôzôn hóa: Khi đo dòng điện cao thế phóng qua không khí sẽ biến O2 của không khí thành ôzôn (O3). Sau đó cho không khí chứa ôzôn vào nước và gọi là ôzôn hoá. Thực chất tác dụng diệt trùng của ôzôn là: ôzôn không bền và dễ tách ra ôxy nguyên tử - một chất ôxy hóa mạnh có khả năng ôxy hóa tất cả các chất hữu cơ trong đó có vi khuẩn. Ưu việt của phương pháp này là tiêu diệt được cả tảo, rêu; khử được mùi, vị của nước; cho quá liều lượng ôzôn cũng không nguy hiểm vì ôzôn nhanh chóng trở thành ôxy phân tử (O2), nên trong nước không thừa ôzôn. Do đó không cần thận trọng khi định liều lượng. Mặt khác ôzôn có thể điều chế tại chỗ, không phải mất công vận chuyển, kho tàng. Khác chlore, ôzôn không tạo mùi vị khó chịu. Nhược điểm của ôzôn là không tiêu diệt được vi khuẩn tạo nha bào ở điều kiện bình thường. Ngoài ra còn dùng những phương pháp khử trùng khác như: iôdua hóa, biôxit clo, tia phóng xạ β. 7.4. CÁC HIỆN TƯỢNG BẤT LỢI DO SỰ PHÁT TRIỂN VI SINH VẬT, SINH VẬT TRONG ỐNG DẪN, CÔNG TRÌNH VÀ THIẾT BỊ CẤP NƯỚC, BIỆN PHÁP KHẮC PHỤC 7.4.1. Các hiện tượng sinh vật, vi sinh vật: Các quá trình sinh hóa diễn ra trong nguồn nước và hệ thống cấp nước đều ảnh hưởng xấu đến chất lượng nước cấp. Các sinh vật từ ngoài lọt vào ống dẫn nước – môi trường không thích nghi với sự sống - hoạt động bình thường của chúng, được gọi là sinh vật ngoại lai. Những sinh vật “nguyên địa“ cùng với dòng nước và lọt vào hệ thống cấp nước khác với loại ngoại lai ở chỗ, chúng chịu đựng được với môi trường trong hệ thống cấp nước, chúng có thể sinh sản phát triển được. Loại sinh vật ngoại lai chủ yếu tạo ra hiện tượng bất lợi đối với bể lọc. Còn sinh vật nguyên địa thì bất lợi đối với toàn hệ thống cấp nước. 7.4.1.1. Các hiện tượng do sinh vật ngoại lai: Những sinh vật ngoại lai bao gồm: vi khuẩn dạng chỉ, nấm, tảo, các động vật phù du. Trong số vi khuẩn dạng chỉ, đặc biệt chú ý là Sphaerotilus natans. Trong số các loại nấm nguy hiểm nhất là Leptomitus Lacteus. - Leptomitus lacteus sống quanh năm ở sông hồ nhưng phát triển mạnh nhất về mùa đông. Điều kiện thường xuyên phải có để Leptomitus lacteus phát triển là sự có mặt của các chất hữu cơ. Sự phát triển của Leptomitus Lacteus phát triển thành từng khối nhầy cùng với Sph. Natans trong 1,5 – 2 giờ có thể hoàn toàn vít lưới, làm lưới 244
35. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG chắn của công trình thu bị hỏng. Ở các bể lọc chúng cùng với các sợi nấm nhầy tạo một mảng chắc ngăn nước – không cho nước đi qua bể lọc. - Tảo cũng gây nhiều hiện tượng bất lợi trong các công trình cấp nước gồm khuê tảo, lục tảo, tảo xanh lam. Khuê tảo có khung silic cứng. Chúng tạo nên các màng chắc trên mặt vật liệu lọc, không cho nước qua bể lọc, làm giảm năng suất bể. Khuê tảo Melosira islandica thường phát triển về hai mùa xuân và thu, có khi tới 600 – 700 và thậm chí tới 1000 – 2000 tế bào/ml nước. Mùa hè: Không đáng kể chỉ không quá 20. Ngoài ra còn có các loại khuê tảo khác như Melisira italicxa, Atcrionella formosa, synedra v.v Sự phát triển mạnh mẽ của khuê tảo còn do có nhiếu sắt trong nước. Khả năng ôxy hóa của sắt sẽ cao khi pH và nhiệt độ nước thấp. 7.4.1.2. Các hiện tượng do sinh vật nguyên địa: Sinh vật nguyên địa lọt vào hệ thống cấp nước ngay từ các nguồn nước, qua các công trình thu nước. Chúng có thể tồn tại, sinh sản bình thường trong ống dẫn. Nhiều loại phát triển mạnh trong ống – kênh dẫn nước, thậm chí phát triển mạnh hơn so với trong nguồn nước vì không có đối thủ tự nhiên. Những sinh vật nguyên địa bao gồm: vi khuẩn, nấm, nhuyễn thể, đài tiểu động vật, các động vật hạ đẳng và động vật bậc thấp. Tảo không thuộc sinh vật nguyên địa vì ở đó không có ánh sáng nên chúng không sống - hoạt động được. Nhiều loại sinh vật nguyên địa có thể bám chắc vào thành tường, thành ống và không bị dòng chảy lôi đi. Sự phát triển sinh vật trong ống thường bền chắc và ở những chỗ khó nhìn thấy. Vì vậy việc chống các hiện tượng này thường khó hơn so với các hiện tượng do sinh vật ngoại lai. Cũng vì vậy, những tồn tại do chúng gây ra cũng rất lớn. Mầm mống của những hiện tưọng bất lợi là vi khuẩn. Trong đó có loại tạo giáp mạc dầy cứng liên kết với nhau. Trong nước bẩn chứa các chất hữu cơ, phát triển các loài zoogloea ramigera và Sphacrotilus natans. Trong nước sạch và trong các ống dẫn nước cấp phát triển rất nhiều vi khuẩn sắt, vi khuẩn khử sulfat nấm Sự phát triển sinh vật còn do loài xiclop, bọ và côn trùng. Nhuyễn thể cũng thường gặp trong các ống dẫn nước. Đặc biệt nguy hiểm là loài Dreissena polymorpha. Nhiều khi chúng làm tắc ống, lưới chắn rác, phai chắn hoặc bám phủ trên bề mặt các công trình thuỷ. Nếu chúng chết nhiều sẽ làm giảm mùi vị, chất lượng của nước. Các loài sinh vật nguyên địa thường phát triển ở các công trình nhà máy nước. Ở các lớp vật liệu trên cùng của các bể lọc thường có các quần thể vi khuẩn, thảo trùng, trích trùng, nhuyễn thể. Ở các bể chứa có giun, tôm, nhuyễn thể. Khi thực hiện chlore hóa thì các loại động vật đó không thể xuất hiện được. Thành phần của các lớp sinh vật phát triển, tùy thuộc chất lượng nước, vật liệu ống, công trình, tốc độ, nhiệt độ nước Chúng cũng thay đổi theo mùa, theo chế độ vận hành quản lý. Sự hình thành các quần thể sinh vật bắt đầu từ khi diễn ra hiện tượng lắng bùn trên mặt thành ống 245
36. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG nhẵn, rồi từ đó vi khuẩn phát triển. Ở đây các quá trình hấp phụ, diện tích của các tế bào và hạt cặn đóng vai trò rất quan trọng. Chẳng hạn khi dùng nước thô từ nguồn nước sạch, tốc độ phát sinh phát triển sinh vật trong ống của hệ ngưng của tuốc bin hơi là 0.03-0.6g chất khô/m2.100h. Nếu dùng chất bẩn thì tốc độ phát triển vi khuẩn dạng chỉ là 47-48g chất khô/m2.100h. 7.4.2. Ảnh hưởng của hiện tượng phát sinh phát triển sinh vật đối với chất lượng nước và vật liệu ống: Các loại sinh vật phát triển ở mạng lưới cấp nước chủ yếu là loại hiếu khí. Chúng tiêu thụ oxy và thải ra Co2. Khi tăng nồng độ CO2 trong nước sẽ làm nước bị acid hóa và tăng khả năng ăn mòn ống bêtông và kim loại. Sự phát triển sinh vật trên thành ống, kênh mương nhiều khi tạo thành lớp bền chắc, chứa các sản phẩm hoạt động của vi sinh vật, tăng nồng độ CO2 trong nước. Vì vậy người ta cho rằng, nếu thực vật phát triển thì bêtông được bảo vệ, còn động vật phát triển thì bêtông bị phá hủy. Khi các loài sinh vật đó chết hàng loạt (do các điều kiện sống thay đổi hoặc đổi mùa) thì xảy ra hiện tượng phân hủy và tạo ra H2S. Do đó nước có mùi thối H2S, màu nâu đen, nhất là do sulfure sắt. Việc tạo H2S còn do trong điều kiện yếm khí và có các vi khuẩn sulfat. Chúng oxy hóa các hợp chất hữu cơ bằng oxy của sulfat. Sulfure (S) bị khử thành H2S. Vì vậy rất có cơ sở cho rằng, do ảnh hưởng của H2S, sẽ tạo điều kiện cho ăn mòn điện hóa các loại thiết bị bằng sắt, gang, thép. Vi khuẩn sắt phát triển trong các ống dẫn nước sẽ hấp thụ oxyt sắt tan và oxy hóa thành dioxit sắt ít tan. Vi khuẩn sắt phát triển mạnh làm nước có màu hồng nâu, mùi vị tanh của kim loại. Dạng vi khuẩn sắt phát triển trong ống còn phụ thuộc hàm lượng chất hữu cơ trong nước. Khi trong ống phát triển các loại nhuyễn thể: sò hến co vỏ vôi thì có khi cũng thấy cặn cacbonat trên thành ống. Trong tinh thể canxi cũng nhiều vi sinh vật. Như vậy do sinh vật phát triển làm chất lượng nước kém đi, lưới chắn rác, các công trình thu nước, ống dẫn nước bị tắt. Đường kính, tiết diện ống bị giảm, độ nhám ống tăng lên và giảm khả năng vận chuyển của ống.Trong các thiết bị máy móc sản xuất do phát triển sinh vật nên điều kiện truyền – trao đổi nhiệt sẽ kém đi; vật liệu ống bị ăn mòn sinh hóa, chất lượng nước xấu đi. Do đó phải có các hiện tượng ngăn ngừa hiện tượng phát triển sinh vật trong hệ thống cấp nước. 7.4.3. Các biện pháp chống hiện tượng phát sinh phát triển sinh vật: Biện pháp chống sự phát sinh phát triển sinh vật ngoại lai là tiến hành chlore hóa hoặc keo tụ sơ bộ trước khi lắng hoặc lọc nước. Chlore sẽ làm tảo chết và lắng xuống đáy. Chất keo tụ thường dùng là sulfat nhôm. Liều lượng chlore tùy thuộc số lượng tảo trong nước. Theo E.S.Velmina, khi số lượng tế bào trong 1ml là 1000-2000 thì chọn liều lượng chất keo tụ là 40-60 mg/l. 2000-4000 thì chọn 50-70 mg/l 4000-6000 thì chọn 80 mg/l 246
37. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG Với liều lượng như vậy, sau lắng lượng tế bào chỉ còn 100-400/ml. Chống sinh vật nguyên địa khó hơn. Tùy thuộc từng loại sinh vật và điều kiện sống của chúng. Điều kiện môi trường đối với chúng rất khác nhau. Do đó không thể có biện pháp chuẩn được. Nếu là nguồn nước ngầm, chứa sắt hoặc H2S với hàm lượng cao, để chống vi khuẩn sắt hoặc vi khuẩn lưu huỳnh, có thể xử lý sơ bộ để hàm lượng sắt còn lại không quá 0.1 mg/l và không còn H2S. Để chống hiện tượng phát triển sinh vật ở các tàu biển hoặc công trình thủy, người ta thường dùng sơn, trong đó chứa các hợp chất đồng, thủy ngân, asen và các chất độc khác. Với nước biển, sơn có tác dụng 1 năm, với nước ngọt có thể tới 3 năm, hoặc hơn nữa. Với ống dẫn, người ta ít dùng mặt phủ bằng sơn vì khó làm hơn. Để tiêu diệt sự phát sinh phát triể sinh vật, người ta phải dùng các biện pháp hóa lý, như chlore hóa. Liều lượng và thời gian chlore hóa tùy từng trường hợp và phải đảm bảo lượng chlore dư ở các điểm phân phối nước là 0.1-1 mg/l. Đối với các loài động vật, đài tiểu động vật, giun, tôm, nhuyễn thể thì chế độ chlore hóa và liều lượng chlore phải cao hơn. Phương pháp điện (lọc điện và cathod) cũng là biện pháp tốt để chống phát sinh phát triển sinh vật. Dùng phương pháp lọc điện khi lưu lượng nước ít. Bọ Dreissera bị tiêu diệt khi dùng dòng điện xoay chiều tần số công nghiệp với mật độ 25mA/cm2. Phương pháp cathod bao gồm: cực âm của nguồn điện một chiều nối với công trình, điện cực dương đặt trong công trình. Phương pháp này cho hiệu suất cao hơn và kinh tế hơn 2 phương pháp trên. Ngày nay người ta nghiên cứu dùng siêu âm để bảo vệ công trình. Cường độ siêu âm: 1-2W/cm2, trong vài phút sẽ diệt được các loài nhuyễn thể. Ngoài ra người ta còn dùng các phương pháp tẩy rửa - cọ rửa cơ học như nạo vét đáy, ờ kênh, nhặt cỏ 7.5. VI SINH VẬT VỚI QUÁ TRÌNH XỬ LÝ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của khoa học kỹ thuật, sự phát triển của sản xuất và tiêu dùng của khoảng 6 tỉ người dân trên hành tinh hàng năm đã tạo ra một lượng chất thải khổng lồ, từ đó đã gây ra ô nhiễm trầm trọng môi trường sống : ô nhiễm nguồn nước, mặt đất và không khí. Trước thực trạng này con người đã và đang tích cực khắc phục tình trạng ô nhiễm, cố gắng trả lại cho hành tinh sự trong sạch ban đầu của nó. Hiện nay, việc xử lý ô nhiễm môi trường được đặt ra một cách khẩn cấp và có ý rất lớn. Nó vừa liên quan đến việc bảo vệ môi trường, tạo cân bằng sinh thái, đồng thời lại giúp tiết kiệm lương thực, nguyên liệu và tạo ra nguồn năng lượng mới. Trong phần này, đề cập chủ yếu đến vấn đề xử lý ô nhiễm nguồn nước thải mà cụ thể là quan tâm đến vi sinh vật và quá trình xử lý nước thải. 7.5.1. Các loại nước thải: Có rất nhiều loại nước thải khác nhau, thông thường người ta phân làm 2 loại chính: a. Nước thải sinh hoạt: Là nước thải từ các khu tập trung dân cư. Nước thải này được sinh ra từ sinh hoạt như ăn uống, tắm giặt cũng như phân, nước tiểu con người hàng ngày thải ra được xả 247
38. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG vào hệ thống cống rãnh của thành phố. Trong nước thải loại này có chứa nhiều phân, rác, các hợp chất hữu cơ và muối hoà tan, đặc biệt là chứa nhiều loại vi sinh vật gây bệnh , các loại trứng giun, sán Đây là loại nước thải phổ biến và có số lượng nhiều nhất. Mức độ ô nhiễm của loại nước thải này phụ thuộc vào nếp sống văn minh, trình độ dân trí của từng đô thị, của từng quốc gia. b. Nước thải công nghiệp: Là loại nước thải của một nhà máy hay khu công nghiệp tập trung với các loại hình sản xuất khác nhau : - Các nhà máy chế biến thực phẩm như đường, rượu bia, đồ hộp, sữa, giết mổ gia súc - Các nhà máy sản xuất nguyên vật liệu như giấy, xà phòng, công nghiệp dệt, công nghiệp hoá dầu, sản xuất các loại hoá chất Ở nước thải công nghiệp, ngoài việc chứa hàm lượng cao các hợp chất hữu cơ như protein, các dạng carbohydrate, dầu mỡ (từ công nghệ chế biến thực phẩm), hemicellulose, liginin (công nghiệp sản xuất giấy), còn có các hợp chất hoá học khó phân huỷ như các hợp chất vòng thơm có N, các alkyl benzensufonate (công nghiệp sản xuất bột giặt), các loại dung môi, các kim loại nặng như chì, thuỷ ngân Nói chung, so với nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp có các chỉ số BOD (nhu cầu oxygen sinh hoá) và COD (nhu cầu oxygen hoá học) cao hơn nhiều. Nước thải công nghiệp có độ ô nhiễm cao hơn so với nước thải sinh hoạt. Theo các quy phạm, luật về bảo vệ môi trường, mỗi nhà máy phải có công trình xử lý nước thải của mình trước khi thải ra hệ thống thoát nước của thành phố. Nhưng thực tế cho thấy hiện nay quy định nói trên ít được quan tâm thực hiện nghiêm túc. Nhiều nhà máy còn tuỳ tiện xả trực tiếp nước thải qua xử lý ra hệ thống cống thoát nước của thành phố. Thậm chí có nơi, có lúc còn xả trực tiếp ra đồng ruộng hay khu vực dân cư, sông, rạch gần đó. Kết quả là hiện nay ở các đô thị, tình trạng ô nhiễm sông, rạch, kênh, hồ trở nên phổ biến và nhiều nơi đang ở mức báo động. 7.5.2. Khu hệ vi sinh vật và các tác nhân gây bệnh trong nước thải: 7.5.2.1. Khu hệ vi sinh vật trong nước thải: Trong nhiều trường hợp, mỗi loại nước thải có một khu hệ vi sinh vật đặc trưng. Nước thải sinh hoạt chứa phân, nước rửa, tắm giặt, thức ăn thừa chứa rất nhiều vi khuẩn , trung bình từ vài triệu đến vài chục triệu cá thể trong 1ml. Trong đó chủ yếu là: - Vi khuẩn gây thối như Pseudomonas fluorescens, P. aeruginosa, Proteur vulgaris, Bac.cereur, Bac.subtilis, Enterobacter cloacae - Đại diện của các nhóm khác như vi khuẩn phân giải đường, tinh bột, cellulose, urea Các vi khuẩn thuộc nhóm Corliform, là vi sinh vật chỉ thị cho mức độ ô nhiễm phân trong nước ở mức độ cao, có thể dao động từ vài nghìn đến vài trăm nghìn cá thể trong 1ml nước thải. 248
39. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG Trong nước thải giàu chất hữu cơ, các vi khuẩn có dạng hình ống giữ vai trò rất quan trọng, trước hết phải kẻ đến một đại diện là vi khuẩn Sphaerotilus natans, thường hay bị nhầm là "nấm nước thải". Nó phủ lên mặt đáy của vùng nước cực bẩn một lớp khối tế bào dày đặc, bằng mắt thường cũng có thể quan sát được. Trên sông nó tạo thành các sợi và các búi. Khi bị đứt ra sẽ trôi nổi đầy trên mặt nước. Bọn này thường phát triển mạnh ở vùng nước có đủ oxygen. Ngoài việc xuất hiện ở nước thải sinh hoạt, Sphaerotilus natans thường được thấy có trong nước thải của các nhà máy cellulose và thực phẩm. Do sự phát triển mạnh của Sphaerotilus, oxygen bị tiêu thụ nhiều. Khi một lượng lớn Sphaerotilus natans tích tụ ở những vùng nước lặn sẽ xuất hiện tình trạng báo động về oxygen. Nó sẽ nhanh chónh làm cho oxygen trong nước biến mất hoàn toàn. Cuối cùng rồi cả khối Sphaerotilus natans cũng chết vì bị thối rửa, H2S sẽ xuất hiện cùng một lúc với một số chất khác.Trong môi trường lúc này khí H2S được tạo thành còn do quá trình phản ứng sulfate hoá của vi khuẩn phản sulfate như Desufovibri desufuricans. Bên cạnh vi khuẩn, trong nước thải giàu chất hữu cơ cũng có chứa nhiều loại nấm men. Có thể dao động từ vài ngàn đến vài chục ngàn tế bào nấm men trong 1ml. Phổ biến nhất là đại diện của Saccharomyces, kế là Candida, Cryptococcus, Rhodotorula. Trong nước thải sinh hoạt cũng chứa nhiều bào tử cà sợi nấm mốc. Nấm mốc tiêu biểu là Leptomitus lacteus, Fusarium aquaeducteum. Giống như Sphaerotilus natans, ở những nơi ô nhiễm mạnh (như nhiễm dịch kiềm fulite của công nghiệp chế biến gỗ), cácc giống nấm này phát triển rộ lên và tạo thành những đám nấm đáng sợ. Một số nước thải cũng phát hiện nhiều vi khuẩn phản nitrat hoá như Thiobacillus denitrificans, Micrococcus denitrificans; vi khuẩn sinh methane (CH4) Trong nước thải chứa dầu, người ta cũng tìm thấy các vi khuẩn phân giải hydrocarbon như Pseudomonas, Nocardia Trong nước thải có thể còn có một tập hợp khá đông đúc các loài tảo (Alage), gồm khoảng 15.000 loài. Chúng thuộc Tảo silic (Bacillariophyta), Tảo lục (Chlorophyta), Tảo giáp (Pyrrophyta) 7.5.2.2. Các tác nhân gây bệnh trong nước thải: Ngoài những nhóm sinh lý khác nhau của vi sinh vật có trong nước thải đã nói trên, người ta còn đặc biệt quan tâm đến sự có mặt của các vi sinh vật gây bệnh , đặc biệt là ở những địa phương còn tệ nạn phóng uế bừa bãi trên sông rạch hoặc hệ thống nhà vệ sinh chưa hợp lý. Các vi sinh vật gây bệnh thường không sống lâu trong nước thải vì đây không phải là môi trường thích hợp, nhưng chúng cũng có thể tồn tại trong một thời gian nào đó tuỳ từng loại vi khuẩn. Trong thời gian này nếu gặp điều kiện thuận lợi, tiếp xúc với người, gia súc, chúng sẽ gây các bệnh truyền nhiễm. Trong số các đối tượng gây bệnh sống trong nước, phải kể đến một số đại diện gây các bệnh rất nguy hiểm và rất phổ biến là: 249
40. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG - Vi khuẩn gây bệnh thương hàn (Salmonella dysenteria) : Vi khuẩn này sống được trong nước tuỳ thuộc vào chất dinh dưỡng và nhiệt độ của nguồn nước. Thông thường sống được trong vòng 20 ngày vào mùa hè và 60 ngày vào mùa đông. - Vi khuẩn gây bệnh kiết lỵ (Shigella) : Sống tối đa 12 ngày ở 200C trong nước cống, và nhiệt độ càng thấp chúng càng sống lâu hơn. - Xoắn khuẩn (Leptospira) : Gây nên các chứng sưng gan, sưng thận và tê liệt hệ thần kinh trung ương. Chúng có thể sống tối đa 33 ngày ở 250C. - Trực trùng đường ruột (E. Coli): Có thể sống tối đa trong nước thải từ 9 đến 14 ngày ở 200C. - Vi khuẩn lao (Mycobacterium tuberculosis) : Cũng sống tối đa được 3 tuần trong nước thải. - Phẩy khuẩn tả (Vibrio cholcra) : Sống tối đa 13 ngày trong nước thải. - Các virus (Adenovirus, Echo, Coxsackie ) cũng có chu kỳ sống ngắn như các vi khuẩn. Các vi khuẩn gây bệnh nói trên phân tán tương đối chậm trong đất khô, trong đó nước phân tán theo chiều ngang cũng ít (khoảng 1m), trong khi đó ảnh hưởng theo chiều sâu khá nhiều (khoảng 3m). 7.5.2.3. Vai trò của vi sinh vật trong sự tự làm sạch của các nguồn nước Trước khi đề cập đến các biện pháp tích cực của con người nhằm xử lý ô nhiễm môi trường nước, chúng ta cần xem xét một hiện tượng rất đáng được quan tâm trong tự nhiên. Đó là quá trình tự làm sạch các nguồn nước do các yếu tố sinh học mà trong đó vi sinh vật đóng một vai trò rất quan trọng. Các ao hồ, dòng sông cũng như một số vùng bờ biển luôn bị làm bẩn với các mức độ khác nhau do rác và nước thải của con người. Việc làm sạch các nguồn nước này có một ý nghĩa rất to lớn. Nhờ các quá trình này, các chất bẩn thường xuyên loại khỏi môi trường nước. Ta sẽ xem xét quá trình tự làm sạch các nguồn nước xảy ra như thế nào. Ở đây các quá trình vật lý, hoá học như các hiện tượng sa lắng và oxy hoá giữ một vai trò quan trọng, song đóng vai trò quyết định vẫn là các quá trình sinh học. Tham gia vào các quá trình tự làm sạch này có rất nhiều loại sinh vật, từ các loại cá, chim đến nguyên sinh động vật và vi sinh vật. Ở chỗ nước thải đổ ra, nước còn đục, có rất nhiều rác cặn bẩn của thức ăn, thường tụ tập nhiều loài chim khác nhau và cả cá nữa. Chúng sẽ nhặt nhạn các mẫu thức ăn lớn và rác thải. Tuy vệy, chúng chỉ có thể sử dụng một phần rất nhỏ của các chất bẩn làm thức ăn. Các động vật bậc thấp mà trước hết là các ấu trùng củau côn trùng, giun và nguyên sinh động vật có vai trò lớn hơn một chút, chúng có thể sử dụng các hạt nhỏ avà cực nhỏ của thức ăn. Song vi khuẩn và nấm giữ vai trò quyết định hơn cả. Chúng có thể sử dụng các hợp chất hữu cơ tồn tại ở thể rắn cũng như hoà tan trong dung dịch nước, và phân giải chúng đến muối vô cơ, CO2 và H2O trong những trường hợp thuận lợi nhất của môi trường. Nói cách khác, trong những điều kiện thuận lợi của 250
41. Lã Xuán Phæång VI SINH VẬT HỌC MÔI TRƯỜNG môi trường vi sinh vật có khả năng khoáng hoá một cách hoàn toàn nhiều chất bẩn hữu cơ. Bên cạnh vai trò tích cực của các nhóm vi khuẩn, nấm mốc, trong nước thải còn có các loại tảo cũng đóng góp một phần quan trọng trong quá trình chuyển hoá các chất gây ô nhiễm môi trường khác. Trong nước thải, thông qua hoạt động sống của mình tảo cung cấp oxygen cho môi trường. Chúng còn tiết vào môi trường các chất kháng sinh, những chất này là vũ khí lợi hại diệt các mầm bệnh trong nước thải (đặc biệt là khu hệ vi sinh vật gây bệnh đường ruột). Đối với các vi sinh vật gây bệnh, tảo còn gây cản trở sự phát triển của chúng bằng cách gây kiềm hoá môi trường sống của một số vi khuẩn, cạnh tranh nguồn thức ăn đối với các nhóm vi khuẩn này. Ngoài ra tảo còn tiết một số chất có hoạt tính sinh học, giúp kích thích sự phát triển của một số vi sinh vật có lợi trong môi trường nước thải. Một đóng góp không thể không nhắc tới của tảo là một số trong chúng có khả năng hấp thụ mạnh các kim loại nặng (chì, cadimi ) và các tia phóng xạ. Thông thường, protein, đường và tinh bột được phân giải nhanh nhất. Cellulose, lignin, mở, sáp bị phân giải chậm hơn nhiều, và sự phân giải xảy ra không hoàn toàn. Do vậy quần thể vi sinh vật cũng thay đổi tuỳ theo tiến độ của sự tự làm sạch và thành phần của chất thải có trong nước thải. Trong thực tế cho thấy lực tự làm sạch các nguồn nước luôn thay đổi và phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố sau làm ví dụ : - Lực tự làm sạch đạt trị số cực đại ở những vùng nước có sự chuyển động mạnh, tạo dòng chảy, làm chia đều nước thải và giúp trao đổi khí giữa nước và không khí xảy ra mạnh. Người ta nhận thấy sự phân giải mạnh các chất bẩn chỉ xảy ra khi có mặt của oxygen. Khi có dòng chảy của nước, oxygen hoà tan được cung cấp nhiều hơn. Ngược lại ở những thuỷ vực thiếu sự chuyển động của nước như ao tù, nơi nước đọng, nước thải đổ vào sẽ bị ứ đọng, thiếu oxygen, sự phân giải các chất bẩn kém. Quá trình tự làm sạch bị cản trở. - Lực tự làm sạch cũng thay đổi theo mùa. Ở những nước có mùa hè, đông cách biệt về nhiệt độ rõ rệt thì lực tự làm sạch ở mùa hè lớn hơn ở mùa đông. Điều này xảy ra do hai nguyên nhân: vào mùa hè, nhiệt độ cao, có ánh nắng chiếu nhiều sẽ kích thích vi khuẩn phát triển nhanh và các thực vật nổi sẽ cung cấp thêm nhiều oxygen cho nước. Khi nói đến ảnh hưởng của yếu tố khí hậu, người ta cũng nhận thấy ở vùng nhiệt đới quá trình tự làm sạch xảy ra nhanh hơn nhiều so với vùng ôn đới Quá trình tự làm sạch nguồn nước một cách tự nhiên nói trên chỉ xảy ra ở những địa điểm mà thành phần và số lượng các chất bẩn phù hợp với lực tự làm sạch của các thuỷ vực. Thực tế hiện nay, các thuỷ vực bị chứa quá nhiều nước thải và rác so với khả năng tự làm sạch của nó, ngay cả ở những điều kiện môi trường thuận lợi nhất. Tóm lại, quá trình tự làm sạch các nguồn nước gây ra do các tác nhân sinh học là một hiện tượng rất quý trong tự nhiên. Hiểu và nắm được quy luật hoạt động của nó, con người đã lợi dụng nó để làm sạch các nguồn nước thải có độ ô nhiễm vừa phải hoặc nước thải qua xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo. 251