Có thể bạn không phải là một nhà sinh học hay một người nghiên cứu môi trường, nhưng tôi chắc hẳn bạn đã từng nghe về “chỉ số BOD” khi mua các loại máy lọc nước gia đình hay thậm chí là trong các hệ thống xử lý rác thải tiên tiến nhất. Bạn có thắc mắc đây là chỉ số gì? Và có vai trò gì trong đánh giá chất lượng nguồn nước? Ở bài này, tôi sẽ cung cấp cho bạn một cái nhìn sơ lược về lịch sử phát triển của chỉ số này cũng như các giá trị liên quan trong kiểm định chất lượng nước.
Mức độ ô nhiễm môi trường ở các quốc gia công nghiệp tăng mạnh kể từ cuối thế kỷ 19. Ban đầu, nhiều hệ thống được thiết kế và xây dựng chỉ để di chuyển rác thải sinh hoạt và rác thải công nghiệp tới sông hoặc các nguồn nước bề mặt khác như ao, hồ. Nước thải ban đầu được xả thẳng ra môi trường mà không qua bất kỳ phương thức xử lý nào. Bước xử lý cơ bản chỉ có thể loại bỏ các chất thải rắn có kích thước lớn như mảnh gốm, thủy tinh, hay các ống nhựa; tuy nhiên, đa số các vật liệu hữu cơ lại không được xử lý, do đó sự ô nhiễm nguồn nước càng trở nên trầm trọng. Bạn có bao giờ tự hỏi miếng bánh hôm nay bạn vứt đi sẽ được xử lý như thế nào? Nếu không được xử lý tại các nhà máy, mẩu bánh mỳ của bạn sẽ được các vi sinh vật phân hủy, và tất nhiên, quá trình này tiêu thụ rất nhiều oxy, cụ thể là oxy hòa tan trong nước (dissolved oxygen - DO). Ồ, nếu chỉ dừng lại ở đây, bạn sẽ thắc mắc, người ta đo chỉ số BOD- Nhu cầu oxy sinh hóa- trong nước để làm gì nếu nó chỉ là thước đo khả năng tiêu thụ oxy của các vi sinh vật trong nước. Có vẻ như bạn đã quên nồng độ oxy hòa tan trong nước vốn rất thấp, đây là nguồn oxy cung cấp cho toàn thể các sinh vật thủy sinh như cá, tôm, cua,... Cùng với sự gia tăng tiêu thụ oxy của các vi sinh vật khi phân hủy rác thải hữu cơ sẽ tạo nên điều kiện kỵ khí, hay nói cách khác, các loài cá sẽ bị cạnh tranh về lượng oxy hô hấp.
Hãy liên tưởng một chút để hiểu mức độ nghiêm trọng của vấn đề, chắc hẳn bạn thường thấy các bản tin về sự cố tràn dầu trên biển, bạn có tự hỏi các nhà bảo vệ môi trường hay thậm chí là các ngư dân xem đây là một sự kiện nghiêm trọng như thế nào? Chú ý nhé, oxy là một chất khí đặc biệt giúp duy trì sự sống trên Trái Đất, nếu không có nó, rất nhiều loài sinh vật, trong đó có cả con người sẽ chết ngạt trong thời gian ngắn, đặc biệt trong môi trường nước, khi mà tất cả các sinh vật thủy sinh đều sống nhờ vào lượng oxy hòa tan trong nước vốn phụ thuộc rất nhiều vào diện tích nước bề mặt, nếu có một lớp dầu loang trên bề mặt, hay thậm chí là có sự tăng sinh bất thường của các vi sinh vật sử dụng oxy (ví dụ như trong hiện tượng thủy triều đỏ, hay biển nở hoa) sẽ làm suy giảm trầm trọng nồng độ oxy hô hấp của các sinh vật sống và dẫn tới hiện tượng cá, tôm, … chết hàng loạt.
Do đó, ttrong giai đoạn từ 1950 đến 1970, rất nhiều quốc gia đã thông qua các điều khoản góp phần làm giảm ô nhiễm nước bề mặt, quy trình xử lý nước thải cấp hai đã được thiết kế để góp phần loại bỏ rác thải hữu cơ trong nước, chỉ số BOD lúc này trở thành một chỉ số đo lường cơ bản trong đánh giá chất lượng nước môi trường.
Nhu cầu oxy sinh hóa - Biochemical Oxygen Demand - BOD là lượng oxy cần thiết để các vi sinh vật phân hủy hoàn toàn các chất hữu cơ có trong nước. Chỉ số này được các nhà khoa học và các kỹ sư sử dụng để đánh giá hiệu quả xử lý rác thải. Quay trở lại với miếng bánh mà bạn đã vứt đi (như ở trên). Một cách đơn giản, hay coi miếng bánh là một tập hợp các phân tử đường (C6H12O6) với quy mô lớn. Các vi sinh vật sẽ sử dụng oxy để phân giải các phân tử đường thành các phân tử vô cơ, mà cụ thể là khí carbonic và nước, quy trình này thường được tóm lược dưới dạng phương trình hóa học sau:
Vậy một quy trình đầy đủ để xác định chỉ số BOD được thực hiện như thế nào? Hình dưới là đồ thị mô tả nhu cầu oxy sinh hóa của một mẫu nước thải trong thời gian gần một tháng. Trong hình, bạn sẽ chú ý thấy các chỉ số cần được chú ý là BOD5, Nhu cầu oxy phân giải carbon (CBOD), Nhu cầu oxy sinh hóa cực đại (UBOD) và Nhu cầu oxy phân giải nito (NBOD).
BOD5
Chỉ số BOD sau 5 ngày- BOD5 là một chỉ số giúp các nhà khoa học có cái nhìn sơ bộ về tình trạng các chất hữu cơ có trong nước thải. Lượng oxy tiêu thụ trong 5 ngày được đo một cách cẩn thận trong điều kiện được điều khiển và chuẩn hóa. Về lý thuyết, thời gian 5 ngày là không đủ để hoàn thành quá trình oxy hóa, nhưng đây lại là một điểm quan trọng đánh dấu sự kết thúc của pha lag, hay còn gọi là pha lũy thừa (như trong đồ thị minh họa), ở thời điểm này, quá trình oxy hóa mới chỉ hoàn thành khoảng 40 đến 80%. Nồng độ [BOD5] (đơn vị mg L-1 hoặc ppm) được tính bằng công thức:
Trong đó, [DO]final là nồng độ oxy hòa tan cuối cùng và [DO]initial là nồng độ oxy hòa tan ban đầu. Chỉ số này phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng mẫu (độ hòa tan, nồng độ vi sinh vật trong mẫu và các chất dinh dưỡng được bổ sung). Tuy nhiên, không phải lúc nào chúng ta cũng thu được giá trị BOD5, hay nói cách khác, khi đó, giá trị [DO]final và [DO]initial không có sự khác biệt, lúc này, cần phải thay đổi công thức trên một chút để phù hợp.
Nhu cầu oxy sinh hóa cực đại (Ultimate BOD- UBOD)
Nhu cầu oxy sinh hóa cực đại là một trong các tiêu chí giúp định lượng oxy cần thiết để các vi sinh vật trong nước thực hiện quá trình phân hủy hoàn toàn các vật chất hữu cơ. Đây là một chỉ số quan trọng, kết hợp với tiêu chí về khả năng tiêu thụ oxy để dựng mô hình toán về sự ô nhiễm môi trường hồ, sông. Cần lưu ý rằng, chỉ số này không giống nhau giữa hai con đường phân giải carbon và nito.
Nhu cầu oxy phân giải carbon (Carbonaceous Oxygen Demand- CBOD)
CBOD là chỉ số biểu diễn khả năng phân giải các hợp chất carbon của các vi sinh vật thủy sinh để tạo thành khí carbon dioxide và các sản phẩm sau khi oxy hóa khác. Trên thực tế, việc phân giải các hợp chất carbon của sinh vật phải đi qua một chuỗi các phản ứng hóa sinh và có rất nhiều sinh vật tham gia chuỗi xử lý để đưa ra sản phẩm cuối cùng là CO2. Nồng độ [CBOD] được tính dựa trên công thức:
Trong đó k là tốc độ phản ứng đầu tiên, [DO] là nồng độ oxy hòa tan. Ngoài ra, chúng ta cũng có thể tính toán dựa trên công thức sau:
Với [CBOD]0 là nồng độ [CBOD] ban đầu, và kết quả tính toán là giá trị [CBOD] ở thời điểm t.
Trong đồ thị ví dụ ở trên, chúng ta thấy xuất hiện chỉ số CBOD cực đại, giá trị này được lấy tại thời điểm từ sau khi bắt đầu 20-50 ngày và thậm chí có thể lâu hơn. Đây giống như một giá trị ngưỡng tiêu thụ oxy hòa tan lớn nhất mà sinh vật cần để phân giải các hợp chất carbon, giá trị này được tính dựa trên công thức:
Nhu cầu oxy phân giải nito (Nitrogenous Oxygen Demand- NBOD)
Tương tự như CBOD, đây là chỉ số mô tả lượng oxy cần thiết để phân giải các hợp chất nito. Khác với CBOD, chúng ta tạm thời chỉ ghi nhận thấy hai lớp vi sinh vật có khả năng oxy hóa các hợp chất nito, chúng được gọi chung là các nitrifier và thường không có mặt nhiều trong các mẫu nước. Đồ thị ví dụ ở trên là một trường hợp rất cá biệt, ở đây, thông thường chỉ số NBOD ít khi cao hơn CBOD và được lấy làm giá trị BOD cực đại, hơn nữa, tốc độ sinh trưởng của các nitrifier rất chậm nên chúng thường mất rất nhiều thời gian để đạt được giá trị NBOD cực đại.
Về phương pháp đo
Người ta có sử dụng một dụng chuyên dụng để đo nồng độ oxy, hay còn gọi là oxy kế. Bước đầu, người tiến hành thí nghiệm phải lấy mẫu nước ở các hồ hay sông, tất nhiên thể tích mẫu lấy ở các điểm phải bằng nhau và được hòa tan theo một tỷ lệ nhất định. Tiến hành đo giá trị DO tại ngay lúc bắt đầu thí nghiệm và xác định đó là giá trị oxy hòa tan ban đầu trong nước. Sau đó, chúng ta tiến hành để ủ cho vi sinh vật phát triển trong điều kiện 200C, tránh sáng, tiến hành đo nồng độ oxy hòa tan trong nước tại các thời điểm tùy theo mục đích của nghiên cứu. Giá trị BOD được chấp nhận để xem là nước hồ sạch là nhỏ hơn 2ml/L nước. Nếu trị số này lớn hơn 100ml/L thì nước bị ô nhiễm nặng.
Phạm Ngọc Sơn
Điểm 4.7/5 dựa vào 67 đánh giá
EmoticonEmoticon