Bài giảng môn Kỹ thuật môi trường

Nội dung text: Bài giảng môn Kỹ thuật môi trường

1. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải Chương 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ MÔI TRƯỜNG 1.1. Những vấn đề chung về môi trường 1.1.1. Khái niệm môi trường Môi trường là một khái niệm rất rộng và được định nghĩa theo nhiều cách khác nhau. Tuỳ thuộc vào từng đối tượng và mục đích nghiên cứu mà người ta đưa ra các khái niệm cụ thể về môi trường. Đứng ở mọi phương diện, chúng ta thấy rằng môi trường là tập hợp tất cả các thành phần của thế giới (các yếu tố vô sinh và hữu sinh, các dạng vật chất và phi vật chất) tác động đến sự tồn tại và phát triển của sinh vật. Đối với cuộc sống của con người, môi trường bao gồm toàn bộ các hệ thống tự nhiên, các hệ thống do con người tạo ra và các điều kiện kinh tế - xã hội tác động đến sự sống và phát triển của từng cá nhân, từng cộng đồng và toàn bộ loài người trên hành tinh. Luật bảo vệ môi trường (2005), khái niệm môi trường được nêu rõ: Môi trường bao gồm các yếu tố tự nhiên và vật chất nhân tạo bao quanh con người, có ảnh hưởng đến đời sống, sản xuất, sự tồn tại, phát triển của con người và sinh vật. (Điều 3, chương I). Để thống nhất về mặt nhận thức và ngôn từ, chúng ta sử dụng khái niệm môi trường đã được giải thích trong Luật bảo vệ môi trường. 1.1.2. Các thành phần môi trường Theo giải thích trong Luật bảo vệ môi trường (2005: "Thành phần môi trường là yếu tố vật chất tạo thành môi trường như đất, nước, không khí, âm thanh, ánh sáng, sinh vật, hệ sinh thái và các hình thái vật chất khác". Thành phần môi trường cực kỳ phức tạp với sự có mặt của vô số các yếu tố vô sinh và hữu sinh. Dựa trên các đặc trưng cơ bản, các nhà khoa học đã chia thành phần môi trường làm 5 quyển là khí quyển, thạch quyển, thuỷ quyển, sinh quyển và trí quyển. a. Khí quyển Khí quyển là lớp khí bao phủ quanh bề mặt Trái đất với chiều cao từ 0 đến 100 km đóng vai trò duy trì, bảo vệ cuộc sống của con người và sinh vật. Khí Bài giảng Kỹ thuật môi trường 1
2. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải quyển được chia làm 5 tầng phân tách từ mặt đất lên bao gồm: tầng đối lưu, tầng bình lưu, tầng trung gian, tầng nhiệt và tầng điện ly (hình 1.1). Ở tầng đối lưu, thành phần khí quyển gồm Nitơ, Oxi, khí Cacbonic, hơi nước và một số khí khác như Acgon, Heli, Hydro và bụi. Hình 1.1. Cấu trúc khí quyển Khí quyển duy trì sự sống bằng việc cung cấp O2 và CO2 cho quá trình hô hấp, quang hợp của con người và sinh vật. Tham gia vào việc giữ cân bằng nhiệt lượng của Trái đất thông qua quá trình hấp thụ tia tử ngoại từ mặt trời và phản xạ tia nhiệt từ mặt đất. Bên cạnh đó, khí quyển còn ngăn chặn các tia tử ngoại, tia hồng ngoại và các tia nhìn thấy khác có những tác động nguy hại với con người và hệ sinh thái. b. Thạch quyển Thạch quyển (hay còn gọi là địa quyển) là lớp vỏ rắn ngoài trái đất có độ dày thay đổi theo vị trí địa lý từ 0 đến 100 km và có cấu tạo hình thái phức tạp. Thạch quyển là cơ sở cho sự sống trên Trái đất với việc con người đang sống trong một phần rất mỏng manh, có thành phần phức tạp và rất linh động là mặt đất. Thành phần của thạch quyển gồm đất và các khoáng chất, chất hữu cơ, không khí và nước xuất hiện trong quá trình phong hoá lớp vỏ Trái đất (hình 1.2). Lớp đất là thành phần quan trọng nhất và bị biến đổi tự nhiên dưới tác động của nước, không khí, vi sinh vật và các điều kiện khí hậu khác. Bài giảng Kỹ thuật môi trường 2
3. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải Hình 1.2. Thành phần của thạch quyển c. Thuỷ quyển Thuỷ quyển bao gồm các dạng nguồn nước có trên Trái đất như đại dương, biển, sông suối, ao hồ, băng ở hai cực Trái đất, trong không khí, trong đất và trong các cơ thể sinh vật. Tổng lượng nước trên hành tinh ước tính 1,38 tỷ km3 (chiếm khoảng 0,3% tổng khối lượng Trái đất). Khoảng 97% nước của Trái đất là nước biển và đại dương (nước mặn), 2% nước tồn tại ở dạng băng nằm ở hai cực Trái đất và 1% là nước ngọt mà con người có thể sử dụng được (hình 1.3). Nước là thành phần vô cùng quan trọng trong việc duy trì cuộc sống của con người và sinh vật trên Trái đất. Hình 1.3. Thành phần thuỷ quyển trên trái đất d. Sinh quyển Sinh quyển bao gồm tất cả các cơ thể sống tồn tại trong ba môi trường thạch quyển, thuỷ quyển và khí quyển có quan hệ chặt chẽ với nhau và tương tác với các thành phần vô sinh tạo nên môi trường sống của các cơ thể sống. Bài giảng Kỹ thuật môi trường 3
4. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải Khác với ba quyển trước đó, sinh quyển không có giới hạn rõ rệt vì nằm trong cả ba thành phần môi trường kể trên và chỉ tồn tại và phát triển trong những điều kiện nhất định. Đặc trưng cho các hoạt động của sinh quyển là các chu trình trao đổi chất và các chu trình năng lượng. d. Trí quyển Từ khi xuất hiện con người và xã hội loài người, cùng với tiếng nói và chữ viết, con người đã ngày càng phát triển trí tuệ thông qua sự hoàn thiện não bộ. Sự phát triển của tri thức nhân loại đã hình thành những nền văn minh và sản xuất ra những lượng của cải, vật chất to lớn làm thay đổi diện mạo Trái đất. Chính vì vậy, khoa học hiện đại thừa nhận sự tồn tại của môi trường tri thức bao gồm các bộ phận trên trái đất mà tại đó có tác động của trí tuệ con người. Môi trường tri thức này được gọi là trí quyển. Sự phân chia thành phần của môi trường thành các quyển như trên cũng chỉ có tính chất tương đối. Các yếu tố, thành phần trong môi trường luôn liên quan đến nhau, tác động lẫn nhau và bổ xung cho nhau một cách chặt chẽ. Chính vì vậy, các tiêu chí phân loại cần được xác lập cho từng đối tượng nghiên cứu trong từng hoàn cảnh cụ thể. Mối quan hệ giữa các quyển trong môi trường được khái quát tại hình 1.4. Hình 1.4. Mối quan hệ giữa các quyển trong môi trường 1.1.3. Phân loại môi trường Tuỳ theo đối tượng và mục đích nghiên cứu cụ thể mà người ta phân loại môi trường. Có thể nêu ra một số phương cách phân loại theo các dấu hiệu đặc trưng như sau: Bài giảng Kỹ thuật môi trường 4
5. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải - Theo nguồn gốc, môi trường có thể được chia thành: Môi trường tự nhiên; Môi trường nhân tạo. - Theo tính chất địa lý, môi trường có thể được chia thành: Môi trường thành thị; Môi trường nông thôn. - Theo theo thành phần, môi trường có thể được chia thành: Môi trường không khí; Môi trường đất; Môi trường nước. - Theo qui mô, môi trường có thể được chia thành: Môi trường quốc gia; Môi trường vùng; Môi trường địa phương. Dựa trên các cách phân loại trên, có thể phân chia môi trường thành 3 loại dựa theo chức năng hoạt động của nó, bao gồm: - Môi trường tự nhiên: Bao gồm các yếu tố tự nhiên tồn tại khách quan bao quanh con người như: đất đai, không khí, nước, động thực vật Môi trường tự nhiên cung cấp các nguồn tài nguyên thiên nhiên cho quá trình sản xuất nhằm tạo ra của cải, vật chất cho xã hội và tiếp nhận, đồng hoá các loại phế thải phát sinh trong quá trình sản xuất và tiêu thụ. - Môi trường xã hội: Là tổng thể các quan hệ giữa con người với con người, tạo nên sự thuận lợi hoặc trở ngại cho sự phát triển của các cá nhân hoặc từng cộng đồng dân cư. Đó là các luật lệ, thể chế, cam kết, qui định nhằm hướng con người tuân theo một khuôn khổ nhất định tạo ra sự phát triển của xã hội và làm cho cuộc sống của con người khác với các sinh vật khác. - Môi trường nhân tạo: là tập hợp các yếu tố tự nhiên và xã hội do con người tạo nên và chịu sự chi phối của con người như nhà ở, môi trường đô thị, môi trường, môi trường nông thôn, công viên, trường học, khu giải trí 1.1.4. Các chức năng của môi trường Đối với con người và sinh giới, môi trường có năm chức năng cơ bản sau: - Môi trường là không gian sống của con người và thế giới sinh vật Con người và thế giới sinh vật chỉ có thể tồn tại và phát triển trong một không gian môi trường. Trong quá trình hình thành và phát triển của sinh giới, không gian sống không thay đổi về độ lớn. Sự xuất hiện, phát triển hay tuyệt chủng của các loài đều nằm trong phạm vi không gian hữu hạn của Trái đất. Đối với con người, không gian sống có những đặc thù riêng vì con người có khả năng tạo dựng, thay đổi không gian sống của mình theo nhu cầu phát Bài giảng Kỹ thuật môi trường 5
6. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải triển. Càng phát triển, con người càng đòi hỏi không gian sống có chất lượng cao đáp ứng nhu cầu về tiện nghi sinh hoạt, sức khoẻ, thẩm mỹ và trạng thái tâm sinh lý của con người. Mỗi ngày, con người cần tối thiểu 4m3 không khí sạch để thở, 2,5 lít nước để uống và một lượng lương thực tương ứng với 20002500 calo. Tuỳ thuộc nhu cầu tồn tại và phát triển mà không gian sống của con người được phân chia thành các chức năng như: xây dựng, giao thông vận tải, các quá trình sản xuất, khu vực thương mại - dịch vụ, khu vực lưu trữ và cung cấp tài nguyên thiên nhiên, tài nguyên tri thức và khu vực sống của con người. Con người có thể gia tăng không gian sống cần thiết cho mình bằng việc khai thác và chuyển đổi chức năng sử dụng của các loại không gian khác như khai hoang, phá rừng, cải tạo các vùng đất và nước mới. Cũng như con người, các loài động thực vật trên Trái đất cũng cần những không gian để tồn tại và phát triển. Tuỳ thuộc vào đặc điểm, tính chất và điều kiện sinh lý của các loài mà cần những môi trường và không gian sống cụ thể. Ví dụ: Cá chỉ sống ở trong môi trường nước, tuy nhiên cá nước ngọt chỉ sống trong môi trường nước ngọt mà không thể sống trong biển, đại dương và ngược lại; các loại cây lá kim chỉ sống trong khu vực có điều kiện khí hậu lạnh giá; sự di cư của các loài chim để tìm điều kiện khí hậu sống phù hợp; sự khác biệt giữa những khu vực khí hậu dẫn đến các điều kiện sống cũng thay đổi như cùng một loài gấu mà sống ở những điều kiện khác nhau từ nhiệt đới nóng ẩm đến những vùng khí hậu ôn đới và cả ở Nam cực thì điều kiện và phương thức sống khác nhau - Môi trường là nơi cung cấp tài nguyên Môi trường là nơi cung cấp cho con người và các sinh vật khác nguồn tài nguyên thiên nhiên bao gồm tài nguyên tái tạo và tài nguyên không có khả năng tái tạo. Bên cạnh đó, môi trường còn chứa đựng các dạng thông tin trong tự nhiên mà con người cần khai thác. Các nguồn tài nguyên thiên nhiên có trong khí quyển, thạch quyển, địa quyển và sinh quyển, còn nguồn tài nguyên tri thức được hình thành và phát triển từ trí quyển. Con người khai thác các nguồn tài nguyên thiên nhiên phục vụ cho các hoạt động sản xuất và đời sống. Tài nguyên thiên nhiên là đầu vào trong hệ thống sản xuất - tiêu dùng (hệ thống kinh tế) của xã hội loài người (hình 1.5). Từ thực tiễn sinh hoạt, sản xuất và phát triển, con người đã thăm dò, phát hiện và khai thác tài nguyên trong lòng đất, dưới biển cả Bài giảng Kỹ thuật môi trường 6
7. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải MÔI TRƯỜNG Chất thải trong Tài nguyên quá trình sản thiên nhiên xuất và tiêu dùng Đầu vào Đầu ra HỆ THỐNG KINH TẾ Hình 1.5. Mối quan hệ giữa môi trường và hệ thống kinh tế Việc khai thác nguồn tài nguyên của con người đang có xu hướng làm tài nguyên không tái tạo bị cạn kiệt, tài nguyên tái tạo không phục hồi, dẫn đến cạn kiệt tài nguyên và suy thoái môi trường. Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của nền kinh tế thế giới, con người ngày càng tăng cường khai thác các dạng tài nguyên mới và gia tăng số lượng khai thác và tác động mạnh mẽ tới chất lượng môi trường sống. Tuy nhiên, sự phát triển của khoa học kỹ thuật cũng giúp con người có những thành tựu to lớn trong việc nghiên cứu những vật chất nhân tạo thay thế tài nguyên thiên nhiên. Ví dụ: con người đã phát minh ra các loại nguyên vật liệu nhân tạo mới thay thế các vật liệu khai thác trong tự nhiên, sử dụng các dạng năng lượng mới nhằm mục đích thay thế những loại tài nguyên không tái tạo như than đá, dầu mỏ, khí đốt và thực hiện mục tiêu phát triển bền vững. Hình 1.6. Chuỗi thức ăn - sinh vật sản xuất là tài nguyên của sinh vật tiêu thụ Bài giảng Kỹ thuật môi trường 7
8. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải Đối với các sinh vật khác, nguồn tài nguyên có thể là thức ăn, điều kiện sống để sinh vật tồn tại và phát triển. Ví dụ: thực vật cần ánh sáng mặt trời để quang hợp, nước và muối khoáng để phát triển. Các sinh vật sản xuất trong chuỗi thức ăn trở thành nguồn tài nguyên cho các sinh vật tiêu thụ (hình 1.6.). - Môi trường là nơi chứa đựng chất thải Bên cạnh chức năng cung cấp tài nguyên thiên nhiên, môi trường còn là nơi tiếp nhận và chứa đựng những chất thải trong quá trình hoạt động của con người và các sinh vật khác. Trong các hoạt động của con người, từ việc khai thác tài nguyên cho quá trình sản xuất đến việc tiêu dùng sản phẩm đều sinh ra phế thải. Có nhiều loại hình chất thải nhưng đều tập trung ở ba dạng chính là chất thải rắn, khí thải và chất thải lỏng. Các chất thải do con người tạo ra được đưa trở lại môi trường, nơi cung cấp nguồn tài nguyên (hình 1.7). Nhờ hoạt động của các vi sinh vật và các yếu tố môi trường khác, chất thải sẽ biến đổi trở thành các dạng ban đầu trong một chu trình sinh địa hoá phức tạp. Khả năng tiếp nhận và phân huỷ chất thải của môi trường (trong điều kiện chất lượng môi trường khu vực tiếp nhận không thay đổi) được gọi là khả năng nền của môi trường. Khi lượng chất thải lớn hơn khả năng nền hoặc thành phần của chất thải khó phân huỷ và xa lạ, thậm chí có hại với sinh vật, thì chất lượng môi trường sẽ bị suy giảm và môi trường bị ô nhiễm. Tài nguyên Quá trình sản Quá trình tiêu xuất dùng Chất thải Tái sử dụng Môi trường Hình 1.7. Môi trường - nơi chứa đựng các chất thải Đối với các loài sinh vật khác, các chất thải trong quá trình sinh trưởng và phát triển như gỗ, lá của các loài thực vật; phân, nước tiểu, thức ăn dư thừa của các loài động vật được thải trực tiếp vào môi trường và được phân huỷ trong Bài giảng Kỹ thuật môi trường 8
9. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải môi trường. Sản phẩm của quá trình phân huỷ này lại là nguồn dinh dưỡng cho quá trình sinh trưởng của nhiều loài động, thực vật khác. Ví dụ: phân của động vật vừa là nguồn dinh dưỡng cho cây cối, môi trường sống của bọ hung và giúp làm tăng độ xốp của đất. - Môi trường là nơi giảm nhẹ các tác động có hại của thiên nhiên tới con người và sinh vật trên Trái đất Sự phát sinh và phát triển trên Trái đất phụ thuộc vào các thành phần môi trường như khí quyển, sinh quyển, thạch quyển, thuỷ quyển, trí quyển và các chức năng của chúng. Ví dụ: Khí quyển giữ cho nhiệt độ Trái Đất ổn định, tránh khỏi các bức xạ quá cao làm tăng nhiệt độ ngoài khả năng chịu đựng của con người, ngăn cản các tia nguy hại đến từ mặt trời ; Thuỷ quyển thực hiện chu trình tuần hoàn nước, giữ cân bằng nhiệt độ, giảm nhẹ tác động có hại của thiên nhiên; Thạch quyển cung cấp năng lượng, vật chất cho các quyển khác trên Trái Đất, giảm nhẹ các tác động tiêu cực của thiên tai tới con người và sinh vật - Môi trường là nơi lưu trữ và cung cấp thông tin cho con người Môi trường là nơi cung cấp sự ghi chép và lưu trữ lịch sử địa chất, lịch sử tiến hoá của vật chất và sinh vật, lịch sử phát triển và văn hoá của con người. Môi trường cung cấp các chỉ thị không gian và tạm thời mang tính chất báo động sớm các nguy hiểm đối với con người và sinh vật sống trên Trái Đất như các tai biến, hiểm hoạ của thiên nhiên. Ví dụ: bão, động đất, núi lửa, Bên cạnh đó. môi trường là nơi lưu trữ và cung cấp cho con người sự đa dạng các nguồn gien các loài động thực vật, các hệ sinh thái tự nhiên và nhân tạo, các vẻ đẹp và cảnh quan có giá trị thẩm mỹ, tôn giáo và văn hoá khác. 1.2. Hệ sinh thái và cân bằng sinh thái 1.2.1. Khái niệm hệ sinh thái Hệ sinh thái là một hệ thống bao gồm các quần xã sinh vật (thành phần hữu sinh) cùng các điều kiện môi trường bao quanh nó (thành phần vô sinh), tương tác với nhau và với môi trường bằng các dòng năng lượng tạo nên cấu trúc dinh dưỡng nhất định, sự đa dạng về loài và chu trình tuần hoàn vật chất. Giữa chúng luôn xảy ra quá trình trao đổi vật chất, năng lượng và thông tin liên tục không ngừng mà kết quả của sự tác động đó quyết định chiều hướng phát triển của quần xã và sinh cảnh của toàn hệ. Bài giảng Kỹ thuật môi trường 9
10. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải Hay nói một cách đơn giản hơn: “Hệ sinh thái là tổ hợp các quần xã sinh vật với môi trường vật lý mà quần xã đó tồn tại. Ở đấy, các sinh vật tương tác với nhau và với môi trường để tạo nên chu trình vật chất và sự chuyển hoá năng lượng”. Có thể minh hoạ hệ sinh thái bằng công thức đơn giản sau: Quần xã Môi trường Năng lượng HỆ SINH THÁI sinh vật + xung quanh + mặt trời = Hình 1.8 dưới đây mô tả cấu trúc của một hệ sinh thái với mối quan hệ giữa các yếu tố trong quần xã sinh vật, giữa quần xã sinh vật với các yếu tố vật lý của môi trường xung quanh. HỆ SINH THÁI Mặt trời - Các chất vô cơ: (C, N, CO2, Sinh vật sản xuất H2O, O2 ) tham gia vào chu (sinh vật tự dưỡng): trình tuần hoàn vật chất Cây xanh, tảo - Các chất hữu cơ: (Protein, Lipid, Glucid ) liên kết giới vô sinh với giới hữu sinh - Chế độ khí hậu: (ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm và Sinh vật tiêu thụ Sinh vật phân huỷ: các yếu tố vật lý khác) (sinh vật dị dưỡng): Vi sinh vật, đất, Động vật, vật kí sinh nấm Môi trường vật lý Quần xã sinh vật Hình 1.8. Minh hoạ cấu trúc một hệ sinh thái 1.2.2. Phân loại hệ sinh thái Có nhiều tiêu chí khác nhau để phân loại hệ sinh thái theo mục dích nghiên cứu, đặc điểm của đối tượng khác nhau. Tuy nhiên, đứng ở mức độ vĩ mô, hệ sinh thái được phân loại gồm hệ tự nhiên và hệ nhân tạo. - Hệ sinh thái tự nhiên bao gồm hệ các sinh thái nguyên sinh như rừng nguyên sinh, sông, hồ hay hệ sinh thái tự nhiên đã được cải tạo. Ví dụ: Một hệ Bài giảng Kỹ thuật môi trường 10
11. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải sinh thái vùng hồ bao gồm các quần thể sinh vật: thực vật nước, động vật phù du, các động vật không xương sống, các loài cá, các động vật lưỡng cư, các hệ thực vật quanh hồ (xem hình 1.10) Môi trường sống trong hệ sinh thái hồ là nước, bùn trong hồ, khu vực đất quanh hồ, môi trường không khí bao quanh khu vực hồ, ánh sáng mặt trời, thức ăn đã hình thành nên các hoạt động sống của các quần xã sinh vật trong hệ sinh thái hồ. - Hệ sinh thái nhân tạo: là hệ sinh thái do con người tạo ra và phục vụ các hoạt động sống của con người và bảo tồn tài nguyên thiên nhiên. Ví dụ: Một hệ sinh thái đô thị bao gồm nhà cửa, nhà máy, khu vui chơi giải trí, truờng học, bệnh viện và các hoạt động sản xuất, dịch vụ, du lịch đi cùng sự phát triển hoặc suy thoái cuả đô thị đó. 1.2.3. Cấu trúc hệ sinh thái Trong mỗi hệ sinh thái đều có các thành phần sau: - Sinh vật sản xuất (Producer): Là những sinh vật tự dưỡng (autotrophy) bao gồm các loài thực vật có màu và một số nấm, vi khuẩn có khả năng quang hợp hoặc hoá tổng hợp. Chúng là thành phần không thể thiếu được trong bất kỳ hệ sinh thái nào, là nguồn thức ăn ban đầu được tạo thành để nuôi sống chính những sinh vật sản xuất sau đó nuôi sống cả thế giới sinh vật còn lại kể cả con người. - Sinh vật tiêu thụ (Consumer): là những sinh vật dị dưỡng (heterotrophy) bao gồm các động vật và vi sinh vật sử dụng các hợp chất hữu cơ lấy trực tiếp hay gián tiếp từ sinh vật sản xuất. - Sinh vật phân huỷ (Reducer): bao gồm các vi khuẩn và nấm. Chúng phân huỷ các phế thải và xác chết của các vật sản xuất và sinh vật tiêu thụ. - Môi trường (Environment): Bao gồm tất cả các nhân tố sinh thái của sinh cảnh như đất, nước, không khí, tiếng ồn. Môi trường đáp ứng tất cả các yêu cầu của sinh vật trong hệ sinh thái. Trong môi trường cói các thành phần cơ bản sau: + Các chất vô cơ: C, N, H2O, CO2 tham gia vào chu trình vật chất + Các chất hữu cơ: chất đạm, bột đưòng, chất béo, chất mùn, liên kết các phần tử hữu sinh và vô sinh + Chế độ khí hậu: ánh sáng, nhiệt độ, độ ẩm, Mối liên hệ giữa các yếu tố (thành phần) trong cấu trúc hệ sinh thái được mô tả tại hình 1.9 dưới đây: Bài giảng Kỹ thuật môi trường 11
12. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải AS mặt trời SV sản xuất: Cây xanh, tảo O2, CO2, H2O, SV tiêu thụ: Động vật, vật kí sinh Chất mùn, SV phân huỷ khoáng Vi khuẩn, Môi trường vật lý Quần xã sinh vật Hình 1.9. Mối liên hệ giữa các yếu tố (thành phần) trong cấu trúc hệ sinh thái Ví dụ: Xét một hệ sinh thái ao hồ (hình 1.10) Các thành phần cơ bản trong hệ sinh thái ao hồ như sau: - Các chất vô sinh: Là các thành phần hữu cơ và vô cơ như H2O, CO2, O2 , muối, N2, acid amin và các chất dinh dưỡng khác như Ca, P, K - Sinh vật sản xuất: Thực vật lớn thủy sinh và phiêu sinh thực vật phân bố nơi tầng mặt nơi có nhiều ánh sáng. Thực vật sống nổi như tảo hay thực vật phù du thường giữ vai trò quan trọng hơn thực vật lớn trong việc sản xuất thức ăn. - Sinh vật tiêu thụ: gồm các động vật (ấu trùng côn trùng, tôm, cua, cá, ) ăn trực tiếp thực vật hoặc xác bã thực vật và ăn thịt lẫn nhau, được chia làm 3 nhóm: phiêu sinh động vật, bơi lội và trầm sinh. Sinh vật tiêu thụ bậc I như phiêu sinh động vật, bậc II như côn trùng ăn thịt, cá ăn thịt; bậc III như cá lớn ăn các loài tiêu thụ bậc II. - Sinh vật phân huỷ: như vi khuẩn nước, trùn chỉ, nấm, phân bố đều trong ao, nơi tích lũy xác động vật và thực vật. Các sinh vật chết được phân huỷ nhanh nhờ hoạt động của các sinh vật hoại sinh, các chất dinh dưỡng được giải phóng và được thực vật sử dụng lại. Bài giảng Kỹ thuật môi trường 12
13. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải Ngoài ra người ta còn xem xét cấu trúc hệ sinh thái này trên chức năng và hoạt động như phân bố không gian, phát triển và tiến hoá Hình 1.10. Cấu trúc hệ sinh thái ao hồ Nguồn năng lượng đầu tiên được sử dụng trong hệ sinh thái là năng lượng mặt trời. Các cây xanh sử dụng nguồn năng lượng mặt trời trong quá trình quang hợp và tích trữ dưới dạng hoá năng để sinh trưởng và phát triển, đồng thời cũng là nguồn năng lượng cung cấp cho các sinh vật tiêu thụ khác. Các cây xanh được gọi là sinh vật sản xuất hay sinh vật tự dưỡng. Còn các loài động vật ăn cây xanh hoặc ăn các loài khác được gọi là các sinh vật tiêu thụ hay sinh vật dị dưỡng. Mối quan hệ sinh trưởng và phát triển của các sinh vật sản xuất và sinh vật tiêu thụ được thông qua cấu trúc dinh dưỡng của hệ sinh thái và thể hiện trong chuỗi thức ăn và lưới thức ăn trong một hệ sinh thái. * Chuỗi thức ăn: Là một dãy các loài sinh vật có quan hệ dinh dưỡng với nhau. Mỗi loài là một mắt xích vừa là sinh vật tiêu thụ mắt xích phía trước vừa là sinh vật bị mắt xích phía sau tiêu thụ (hình 1.6.). Ví dụ: Thực vật > sâu ăn lá > chuột > rắn > vi sinh vật phân huỷ hoặc Thực vật > hươu, nai > hổ > vi sinh vật phân huỷ hoặc Thực vật > chuột > rắn > đại bàng > vi sinh vật phân huỷ Chuỗi thức ăn làm cho năng lượng trong hệ sinh thái vận chuyển trong hệ sinh thái từ sinh vật sản xuất ( thực vật) đến các nhóm sinh vật khác theo thứ tự: Bài giảng Kỹ thuật môi trường 13
14. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải Sinh vật sản xuất > Sinh vật tiêu thụ > Sinh vật phân hủy, với các thành phần sinh học trong chuỗi thức ăn như sau: - Sinh vật sản xuất là những sinh vật tự dưỡng trong quần xã sinh vật (cây xanh, tảo). - Sinh vật tiêu thụ là những sinh vật dị dưỡng ăn thực vật và các loài sinh vật dị dưỡng khác. Sinh vật tiêu thụ được chia ra thành: + Sinh vật tiêu thụ bậc 1: ăn thực vật hoăc kí sinh thực vật . + Sinh vật tiêu thụ bậc 2: ăn thực vật hoặc kí sinh trên sinh vật tiêu thụ bậc 1. + Trong chuỗi thức ăn còn có thể có sinh vật tiêu thu bậc 3, 4 - Sinh vật phân huỷ: là những vi khuẩn dị dưỡng, nấm có khả năng phân huỷ các chất hữu cơ thành các vô cơ. Có 2 cách phân loại chuỗi thức ăn: Chuỗi thức ăn bắt đầu bằng sinh vật sản xuất, (ví dụ: cỏ > thỏ > cáo > vi sinh vật phân huỷ) và chuỗi thức ăn bắt đầu bằng sản phẩm phân giải hữu cơ (ví dụ: mùn > giun đất > gà > vi sinh vật phân huỷ). Trong thực tế, ít khi người ta thể hiện sinh vật phân hủy trên các minh họa trong chuỗi thức ăn, vì chúng quá nhỏ và tác động ở mọi bậc dinh dưỡng. Cho nên chuỗi thức ăn thường được biểu diễn từ sinh vật sản xuất và các sinh vật tiêu thụ bậc 1, bậc 2, bậc 3 Các chuỗi thức ăn trong một hệ sinh thái thường đan xen nhau, liên kết với nhau một cách chặt chẽ tạo thành mạng lưới thức ăn trong hệ sinh thái. * Lưới thức ăn: Mỗi loài sinh vật trong quần xã sinh vật thường là mắt xích của nhiều chuỗi thức ăn. Các chuỗi thức ăn thường có nhiều mắt xích chung tạo nên một lưới thức ăn. Trong môi trường, mỗi sinh vật thường ăn các loại thức ăn khác nhau, đến phiên chúng lại làm thức ăn cho nhiều nhóm sinh vật khác. Chính vì thế mạng lưới thức ăn trong một môi trường thường rất phức tạp và góp phần tạo nên sự ổn định của hệ sinh thái (hình 1.11). Lưới thức ăn là một đặc điểm cuả một hệ sinh thái nhất định. Lưới thức ăn có thể có ít hoặc nhiều chuỗi thức ăn khác nhau. Các chuỗi thức ăn kết hợp với nhau thành mạng lưới thức ăn vì mỗi kiểu động vật và loài đều có chuỗi thức ăn riêng của chúng. Bài giảng Kỹ thuật môi trường 14
15. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải Hình 1.11. Lưới thức ăn của một hệ sinh thái rừng Tính chất phức tạp của lưới thức ăn là do khả năng tham gia của các loài vào nhiều bậc dinh dưỡng hay nhiều loài có phổ thức ăn rộng. Con người có thể coi là sinh vật tiêu thụ nằm cuối cùng của chuỗi thức ăn, song con người có thể sử dụng nhiều loại thức ăn khác, bắt đầu từ thực vật đến các nhóm sinh vật tiêu thụ khác nhau. 1.2.4. Tính cân bằng của hệ sinh thái Cân bằng sinh thái là trạng thái ổn định tự nhiên của hệ sinh thái, hướng tới sự thích nghi cao nhất với điều kiện sống. Trong một hệ sinh thái, vật chất luân chuyển từ thành phần này sang thành phần khác. Ðây là một chu trình tương đối khép kín. Trong điều kiện bình thường, tương quan giữa các thành phần của hệ sinh thái tự nhiên là cân bằng. Ví dụ: Trong một hệ sinh thái rừng, thực vật lấy dinh dưỡng từ đất tổng hợp thành chất hữu cơ. Chất hữu cơ này đủ để một phần nuôi dưỡng phát triển cây, một phần nuôi động vật ăn thực vật trong rừng, một phần rơi rụng, trả lại màu cho đất. Ðộng vật ăn thực vật phát triển vừa đủ để tiêu thụ hết phần thức ăn Bài giảng Kỹ thuật môi trường 15
16. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải thiên nhiên dành cho nó. Phân, xác động vật và lá rụng, cành rơi trên mặt đất được vi sinh vật phân huỷ hết để trả lại cho đất chất dinh dưỡng nuôi cây. Do vậy đất rừng luôn màu mỡ, giàu chất hữu cơ, nhiều vi sinh vật và côn trùng, cây rừng đa dạng và tươi tốt, động vật phong phú. Ðó chính là cân bằng sinh thái. Hệ sinh thái tự nhiên có đặc trưng là khả năng tự cân bằng, có nghĩa là mỗi khi bị ảnh hưởng vì một nguyên nhân nào đó thì lại có thể phục hồi để trở về trạng thái ban đầu. Đặc trưng này được coi là khả năng thích nghi của hệ sinh thái. Khả năng tự cân bằng này phụ thuộc vào cấu trúc - chức năng của hệ sinh thái trong mỗi giai đoạn phát triển. Những hệ sinh thái trẻ thường ít ổn định hơn hệ sinh thái đã trưởng thành. Cấu trúc của một hệ sinh thái trẻ bao giờ cũng giản đơn, số lượng các loài ít và số lượng cá thể trong mỗi loài cũng không nhiều. Cân bằng sinh thái không phải là một trạng thái tĩnh của hệ sinh thái. Khi có một nhân tố nào đó của môi trường bên ngoài tác động tới bất kỳ một thành phần nào đó của hệ sinh thái, nó sẽ biến đổi. Sự biến đổi của một thành phần trong hệ sinh thái sẽ kéo theo sự biến đổi của các thành phần kế tiếp, dẫn đến sự biến đổi của cả hệ sinh thái. Sau một thời gian, hệ sinh thái sẽ thiết lập được một cân bằng mới, khác với tình trạng cân bằng trước khi bị tác động. Bằng cách đó hệ sinh thái biến đổi nhưng vẫn cân bằng. Ví dụ: Xét mối tương quan giữa hai loài: A B Prey (con mồi) Predator (thú ăn mồi) Nếu như dân số của loài A bắt đầu bị giảm sẽ gây ra sự khan hiếm nguồn thức ăn cho B và như vậy sẽ làm cho dân cư của loài B giảm theo. Và do B giảm nên A lại có xu thế tăng lên. Xét một mạng lưới thức ăn phức tạp hơn: A C B (con mồi) (thú ăn mồi) Cả hai loài A và B đều là con mồi của loài C trong lưới thức ăn, tuy nhiên loài A là thức ăn yêu thích của loài C. Nếu dân cư của loài A giảm thì C phải tập trung vào thói quen ăn B và do đó sẽ tạo điều kiện cho loài A được phục hồi. Bài giảng Kỹ thuật môi trường 16
17. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải Đến một lúc nào đó dân cư của loài B lại bị giảm dần và C lại phải tập trung sang A. Chính vì vậy, sự cân bằng sinh thái thông qua chuỗi thức ăn và lưới thức ăn luôn luôn được bảo tồn. Tuy nhiên, khả năng tự thiết lập cân bằng mới của hệ sinh thái là có hạn. Mỗi cá thể, quần thể có một giới hạn sinh thái nhất định đối với từng yếu tố sinh thái (hình 1.12.). Giới hạn này phụ thuộc vào khả năng thích nghi và tiến hoá của cơ thể, của quần thể và các yếu tố sinh thái khác. Nếu một thành phần nào đó của hệ sinh thái bị tác động quá mạnh và vượt quá giới hạn tự điều chỉnh của hệ sinh thái, nó sẽ không khôi phục lại được, kéo theo sự suy thoái của các thành phần kế tiếp, làm cho toàn hệ sinh thái mất cân bằng, suy thoái. Những hệ sinh thái, đặc biệt là các hệ sinh thái tự nhiên thường phức tạp về thành phần loài, tính đa dạng sinh học cao, có nhiều mức tiêu thụ trong chuỗi thức ăn, nếu có một sự tắc nghẽn ở một khâu nào đó dẫn đến làm mất cân bằng sinh thái thì nó sẽ dễ dàng tự điều chỉnh, giữ cho hệ sinh thái luôn luôn ổn định và không bị đe doạ. n ê ịnh đ Tối ưu ịnh tr ịnh đ ổn ới thái ư ổn ạn d h ạn h ới ới Gi Gi ổn ạng của hệ thái định sinh Tr Ranh giới ổn định Cường độ tác động của các yếu tố sinh thái Hình 1.12. Biểu đồ ổn định của hệ sinh thái Ví dụ: trên các cánh đồng cỏ, chuột thường xuyên bị rắn, chó sói, cáo, chim ưng, cú mèo săn bắt. Bình thường số lượng chim, trăn, thú, chuột cân bằng với nhau. Khi con người tìm cách bắt rắn và chim thì là cơ hội tốt cho chuột phát triển. Điều này con người chúng ta cần phải hiểu rõ các hệ sinh thái Bài giảng Kỹ thuật môi trường 17
18. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải và cân nhắc kỹ trước khi tác động lên một thành phần nào đó của hệ, để không gây suy thoái, mất cân bằng cho hệ sinh thái. 1.2.5. Tác động của con người đến tính bền vững của hệ sinh thái Loài người là một sinh vật tiêu thụ, nhưng là sinh vật hết sức đặc biệt với các nhu cầu như ăn, mặc, ở, đi lại, học hành, chăm sóc sức khỏe, giải trí Ðể đáp ứng các nhu cầu này, con người không ngừng khai thác tài nguyên thiên nhiên. Các hành động này đã và đang gây nhiều bất lợi cho hệ sinh thái và đe dọa cả sự sống trên trái đất. Trong các chuỗi thức ăn, con người thường đứng ở vị trí cuối của chuỗi nên thường tích lũy một lượng lớn các chất khó hoặc không bị phân hủy sinh học. Ðiều này thường dẫn đến những vấn đề sức khỏe của con người như đột biến, ung thư và các bệnh tật khác. Một trong những đặc tính của con người là có một biên độ sinh thái lớn, khả năng sống trong các điều kiện khác nhau, kể cả điều kiện khắc nghiệt. Do đó, con người cư trú khắp nơi, từ sa mạc khô cằn cho đến Bắc cực băng giá. Con người luôn chịu ảnh hưởng cuả các nhân tố sinh thái, nhưng ngược lại con người tác động nhiều nhất lên các hệ sinh thái trên hành tinh. Ngay từ khi xuất hiện, con người đã tác động vào môi trường thiên nhiên, mức độ tác động ngày càng gia tăng theo sự phát triển của xã hội loài người. Con người thời kỳ nguyên thủy là thành viên hoàn toàn của hệ sinh thái và chỉ là một trong vô số sinh vật tạo nên quần lạc sinh vật, hoà nhập vào chu trình vật chất và dòng năng lượng trong sinh quyển trên Trái đất. Nhưng từ khi con người biết khai thác và sử dụng lửa, họ bắt đầu tác động lên môi trường thiên nhiên bằng hành động phá hủy không tương ứng với số lượng ít ỏi của họ. Việc dùng lửa để săn bắt thú đã gây nên một sự xáo trộn các quần xã thực vật nhiều vùng trên thế giới. Lửa đã tạo ra những đám cháy khổng lồ đã tàn phá thảm thực vật Trung Âu vào thời đồ đá mới. Hỏa hoạn đã tàn phá nhiều diện tích rừng nguyên sinh và ngăn chặn sự phục hồi tại vùng nhiệt đới và ôn đới. Các đám cháy cố ý cũng đã tạo ra các savanes ở Tây Phi và Ðông Nam Á Lửa đã gây nên nhiều thảm hoạ cho các hệ sinh thái trên Trái đất, làm tuyệt chủng nhiều loài động, thực vật trong suốt thời kỳ phát triển của loài người và sinh giới. Các hoạt động nông nghiệp của con người cũng là một trong những nguyên nhân chủ yếu của sự mất cân bằng các hệ sinh thái trên hành tinh này. Nông nghiệp tạo nên cuộc cách mạng công nghệ thứ hai của nhân loại và chi Bài giảng Kỹ thuật môi trường 18
19. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải phối tất cả các cấu trúc xã hội cho đến khi cuộc cách mạng về công nghiệp với những phát minh đột phá về kỹ thuật và công nghệ. Sự phát triển của nông nghiệp đã gây ra một sự xáo trộn lớn của sinh quyển bởi con người. Nó đẩy mạnh các biến đổi hệ động vật kể trên bằng cách gia tăng tốc độ tiêu diệt các động vật lớn mà các nhà chăn thả xem như là các loài cạnh tranh với gia súc. Sự mở rộng nông nghiệp được đặc trưng bởi sự thay thế các hệ sinh thái được thể hiện bởi sự thay thế từ hệ sinh thái rừng cao đỉnh bằng đồng cỏ chăn thả rồi tới đất trồng trọt. Nông nghiệp vì thế đặc trưng bởi sự tiêu diệt thảm thực vật nguyên thủy trên các diện tích rộng lớn, nhường chỗ cho một số ít loài cây trồng mà con người chọn lựa phù hợp với nhu cầu thức ăn của mình. Sự mở rộng nông nghiệp có ảnh hưởng tai họa cho nhiều hệ sinh thái đất liền. Sự phá rừng ồ ạt, sự sử dụng đất cẩu thả đã làm kiệt quệ các vùng đất rộng. Sự đa dạng về loài trong các hệ sinh thái nông nghiệp là thấp nhất vì con người loại bỏ các vật canh tranh với cây trồng, vật nuôi do con người chon lựa phục vụ cuộc sống của họ. Do đó con người làm gia tăng khối lượng thực phẩm trên một đơn vị diện tích và một lượng năng lượng cơ học cần thiết. Và hậu quả của sự hủy hoại các quần xã thực vật tự nhiên là khởi đầu cho sự khô hạn hay sự sa mạc hóa toàn bộ các vùng đất dùng cho trồng trọt hay chăn thả. Tuy vậy, nền văn minh nông nghiệp không làm biến đổi chu trình vật chất và dòng năng lượng trong sinh quyển. Thậm chí người ta còn có thể nói rằng hệ sinh thái con người trong hình thái xã hội như vậy hoà nhập vào toàn bộ các hiện tượng sinh thái học tự nhiên. Hệ sinh thái này gồm các sinh vật sản xuất sơ cấp (cây trồng hay tự nhiên) được con người ăn trực tiếp hay qua trung gian các sinh vật sản xuất thứ cấp (thú nuôi, thú rừng ) hay dùng làm nguyên liệu (gỗ, sợi ). Con người là sinh vật tiêu thụ chính cuả hệ sinh thái. Tất cả sản lượng tiêu thụ bởi con người đều được biến thành chất thải phân hủy sinh học được sử dụng bởi các sinh vật phân hủy. Các sinh vật này phân hủy hoàn toàn các chất thải trên và khoáng hoá thành các hợp chất đơn giản (phosphat, nitrat và các muối khoáng khác) được sử dụng bởi các sinh vật tự dưỡng. Do đó nước và đất có đầy đủ khả năng tự làm sạch và chu trình vật chất không bị xáo trộn. Tóm lại, sự phát triển mạnh mẽ của nền nông nghiệp hiện đại đã kéo theo một loạt ảnh hưởng tới hệ sinh thái tự nhiên, tác động mạnh mẽ đến tính cân bằng của hệ sinh thái. Đặc biệt là vai trò của con người với việc tập trung trồng trọt và chăn nuôi có chọn lọc phục vụ mục đích sinh sống và phát triển của loài Bài giảng Kỹ thuật môi trường 19
20. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải người đã và đang là là nguyên nhân chính phát vỡ tính cân bằng trong hệ sinh thái nông nghiệp nói riêng và hệ sinh thái tự nhiên trên trái đất. Một nguyên nhân quan trọng khác phá vỡ tính cân bằng của hệ sinh thái tự nhiên đã tồn tại hàng triệu năm trên trái đất là xã hội công nghệ đương đại. Sự đô thị hóa và công nghiệp hóa đã biến các đô thị và khu công nghiệp thành các trung tâm càng ngày lệ thuộc vào các vùng sản xuất nông nghiệp xung quanh. Hơn nữa, các chất thải ngày càng nhiều và đa dạng, gây nên sự xáo trộn lớn cho hệ sinh thái. Xem xét hệ sinh thái con người trong xã hội công nghệ hiện đại, người ta thấy ba nguồn xáo trộn chủ yếu gây mất ổn định cho hệ sinh thái tự nhiên. Ðó là sự giảm thiểu sự đa dạng của sinh giới, sự gián đọan các chu trình vật chất và sự biến đổi hoàn toàn các chu trình vật chất. Một số hành động chủ yếu gây thay đổi hệ sinh thái tự nhiên do con người như sau: - Tác động đến các yếu tố sinh học: + Gây ra sự cạnh tranh: Một ví dụ điển hình nhất là sự cạnh tranh của thỏ hoang với cừu của châu Úc. Năm 1859 người ta đem 12 đôi thỏ từ châu Âu sang châu Úc. Sau vài năm, chúng phát triển nhanh chóng và bắt đầu ăn quá nhiều cỏ lẽ ra phải dành cho cừu, lượng cỏ do 5 con thỏ tiêu thụ bằng lượng cỏ cho 1 con cừu. Do vậy xuất hiện sự thiếu thức ăn cho bầy cừu nuôi. Ngoài ra bầy thỏ còn chiếm 1 khu vực đất rất rộng lớn ở châu Úc làm cho diện tích chăn nuôi cừu ở đây bị thu hẹp. Các nông dân ở đây phải ngăn thỏ xâm nhập nông trại của mình bằng các hàng rào. + Làm tăng hoặc giảm số loài ăn thịt: Một số loài vật ăn thịt như gấu, cọp, cáo sói, chim vừa cạnh tranh với con người về nguồn thức ăn, vừa trở thành thực phẩm của con người. Hàng loạt thú ăn thịt đã bị chết trong suốt lịch sử của con người. Một ví dụ vào năm 1900, người ta đã giết rất nhiều sói ở vùng đồng cỏ Arizona, Hoa Kỳ. Việc này khiến cho bầy hươu ở đây nhanh chóng tăng số lượng, gần như chúng đã gặm sạch cỏ ở đây, việc này đã gây ra sự suy thoái môi trường trầm trọng. + Đem các cá thể mang mầm bệnh đến: Các cá thể mang mầm bệnh luôn có trong tự nhiên. Con người đã vô tình đem các cá thể mang mầm bệnh đến các môi trường khác vốn chưa có kiểm soát tự nhiên về bệnh đó. Tại nơi mới này mầm bệnh phát triển nhanh chóng và đã gây ra tác hại trầm trọng. Vào đầu năm 1800, người ta đã vô tình đem một vài cây hạt dẻ có mang nấm bệnh từ Trung Quốc sang Mỹ. Cây hạt dẻ của Trung Quốc đã quen và sống chung với loài nấm Bài giảng Kỹ thuật môi trường 20
21. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải này, còn cây hạt dẻ của Mỹ đã không quen và do đó chúng đã bị mắc bệnh và chết hàng loạt. Ngày nay không còn cây hạt dẻ nào sống ở Mỹ. - Tác động đến các yếu tố vô sinh: Các hoạt động của con người đã gây ra ô nhiễm nước, không khí, đất, làm suy giảm các nguồn tài nguyên Các tác động này khiến cho cuộc sống của con người cũng ngày càng khó khăn hơn. + Gây ô nhiễm: Ô nhiễm nước và không khí tạo ra môi trường bất lợi cho các vi sinh vật phát triển. Chlo, thuốc trừ sâu, hóa chất độc hại nhiễm vào nước sẽ làm chết cá và các thủy sinh vật khác. Hóa chất sát trùng và thuốc diệt cỏ làm chết các côn trùng và chim, cá ăn côn trùng. Việc sử dụng CFC làm mỏng tầng ôzôn của khí quyển khiến cho con người dễ mắc bệnh ung thư hơn. Rò rỉ dầu trên sông, hồ, biển trong quá trình vận chuyển, khai thác, sử dụng làm chết cá và các thủy sinh vật. Việc tiêu dùng các nhiên liệu thông thường (dầu, khí, than, củi ) làm tăng nồng độ khí CO2, gây ra hiệu ứng nhà kính, làm biến đổi khí hậu một số vùng và trên toàn cầu, ảnh hưởng đến sự sống của các loài trên trái đất. + Làm hỏng các nguồn tài nguyên: Nguồn nước ngầm được khai thác, sử dụng một cách vô thức có thể bị cạn kiệt, ô nhiễm và gây sụt lún và không thể nào khôi phục lại được. Các mỏ dầu khí, kim loại do sự phát triển của công nghiệp đã và đang bị khai thác triệt để. Việc làm thay đổi dòng chảy của sông để phục vụ cho con người cũng làm thay đổi toàn bộ hệ sinh thái của lưu vực sông. + Làm đơn giản hóa hệ sinh thái: Con người do nhu cầu của mình đã làm đơn giản hóa hệ sinh thái ở một số vùng thông qua việc làm giảm sự đa dạng sinh học gây ra sự mất cân bằng sinh thái và làm hỏng hệ sinh thái đó. Có thể lấy một ví dụ về quá trình làm đơn giản hóa hệ sinh thái là quá trình độc canh, tức chỉ trồng một loại cây trên một vùng đất. Quá trình này khiến cho khu vực đó bị đơn giản hóa và dễ bị tổn thương do sâu rầy, bệnh hại, gió, mưa và thời tiết, khí hậu bất thường khác . 1.3. Tài nguyên 1.3.1. Khái niệm về tài nguyên Tài nguyên có thể hiểu bao gồm tất cả các nguồn nguyên liệu, nhiên liệu - năng lượng, thông tin có trên Trái đất mà con người và sinh vật có thể sử dụng để đáp ứng các nhu cầu tồn tại và phát triển. Tài nguyên thiên nhiên được phân bố trong thành phần môi trường như khí quyển, thạch quyển, thuỷ quyển và sinh quyển. Tài nguyên phân bố không Bài giảng Kỹ thuật môi trường 21
22. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải đồng đều giữa các vùng trên Trái đất, trên một vùng lãnh thổ hay một khu vực có nhiều loại hình tài nguyên khác nhau. Tuỳ thuộc vào nhu cầu phát triển của con người mà các nguồn tài nguyên được khai thác ở các mức độ khác nhau. Xã hội loài người càng phát triển, số loại hình tài nguyên và số lượng mỗi loại tài nguyên được khai thác ngày càng tăng. Tài nguyên phi vật chất được tạo ra do con người và quay lại phục vụ cuộc sống của con người. Như vậy, khái niệm tài nguyên được khái quát như sau: "Tài nguyên là tất cả các dạng vật chất, phi vật chất và tri thức được sử dụng để tạo ra của cải vật chất cho con người, là cơ sở tồn tại và phát triển của sinh vật trên Trái đất". 1.3.2. Phân loại tài nguyên Có nhiều quan điểm và tiêu chí khác nhau để phân loại tài nguyên. Sự phân loại cũng chỉ có tính tương đối vì sự đa dạng của tài nguyên và tuỳ thuộc mục đích khai thác, sử dụng tài nguyên của con người. Tuỳ thuộc vào bản chất của tài nguyên có thể phân loại thành hai dạng cơ bản là tài nguyên thiên nhiên và tài nguyên con người. - Tài nguyên thiên nhiên: là loại hình tài nguyên gắn liền với các yếu tố tự nhiên. Tài nguyên thiên nhiên được phân theo dạng vật chất như tài nguyên đất, tài nguyên nước, tài nguyên biển, tài nguyên rừng, tài nguyên sinh học - Tài nguyên con người: hay tài nguyên nhân văn gắn liền với các nhân tố con người, xã hội và các giá trị văn hoá - lịch sử (vật thể, phi vật thể) do con người tạo ra trong quá trình tồn tại và phát triển. Tài nguyên con người có thể được phân thành tài nguyên lao động, tài nguyên tri thức, tài nguyên thông tin Đối với tài nguyên thiên nhiên có thể phân loại theo đặc tính hoá học (tài nguyên vô cơ và tài nguyên hữu cơ) hoặc theo mức độ sử dụng và bản chất của tài nguyên (tài nguyên tái sinh và tài nguyên không tái sinh). Từ các loại tài nguyên này, tuỳ thuộc vào bản chất, mục đích khai thác sử dụng mà phân loại thành các loại hình nhỏ hơn (hình 1.13). 1.3.3. Một số loại tài nguyên chính a. Tài nguyên đất Đất đai là nguồn tài nguyên thiên nhiên vô giá, là tư liệu sản xuất không thể thay thế của con người, là môi trường sống quan trọng con người và các loài sinh vật khác trên Trái đất. Bài giảng Kỹ thuật môi trường 22
23. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN Tài nguyên tái sinh Tài nguyên không tái sinh Tạo tiền đề tái sinh Không thể tái sinh ật ực ực vật ợng ộng vật ớc ất Th Đ Vi sinh v ạo: kim Đ ặt trời ỷ tinh Nư ại, ni lon, m Không khí ỏ, than đá lo thu ạn kiệt: dầu Năng lư Tái Tái t C m Hình 1.13. Phân loại các nguồn tài nguyên thiên nhiên Theo thống kê của UNEP (1987), diện tích đất trên thế giới vào khoảng 15.000 triệu ha. Trong đó, đất hoàn toàn không phủ băng là 13.251 triệu ha. Trong diện tích đất không bị phủ băng, chỉ có khoảng 11% diện tích canh tác được, 24% được dùng làm đồng cỏ chăn nuôi, 32% là rừng và đất rừng, 33% còn lại được sử dụng với mục đích khác như khu vực dân cư (đất ở), đất chuyên dùng (đất xây dựng, giao thông, thuỷ lợi ), vùng đầm lầy, đất ngập mặn và các loại đất chưa sử dụng khác. Theo đánh giá của các nhà khoa học, diện tích đất có khả năng khai thác đưa vào canh tác khoảng 3.200 triệu ha. Về mặt chất lượng đất canh tác thì chỉ có 14% đất có năng suất cao, 28% đất có năng suất trung bình và có tới 58% đất có năng suất thấp. Ðiều này cho thấy đất có khả năng canh tác nông nghiệp trên toàn thế giới có hạn, diện tích đất có năng suất cao lại quá ít. Thêm vào đó, mỗi năm trên thế giới có khoảng 12 triệu hecta đất trồng trọt cho năng suất cao bị chuyển thành đất phi nông nghiệp và khoảng 100 triệu hecta đất trồng trọt bị nhiễm độc do việc sử dụng phân bón và các loại thuốc bảo vệ thực vật. Việc sử dụng đất canh tác không đồng đều ở các khu vực, quốc gia và vùng lãnh thổ. Tuỳ thuộc vào điều kiện địa lý - khí hậu, trình độ canh tác và đặc trưng của các tập đoàn cây trồng mà việc sử dụng và hiệu quả sử dụng đất ở mỗi nơi khác nhau. Bài giảng Kỹ thuật môi trường 23
24. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải Như vậy, diện tích đất canh tác được trên thế giới ngày càng giảm dần trong khi dân số càng ngày càng tăng. Vì vậy, để có đủ lương thực và thực phẩm cung cấp cho nhân loại trong tương lai thì việc khai thác số đất có khả năng canh tác còn lại để sử dụng là vấn đề rất quan trọng. Theo đánh giá của các chuyên gia trong lĩnh vực trồng trọt thì đến năm 2075 thì con người mới có thể khai phá hết diện tích đất có khả năng canh tác còn lại đó. Đối với nước ta, diện tích đất tự nhiên là 33 triệu hecta trong đó đất có khả năng canh tác chỉ có 6,9 triệu hecta (chiếm 21% diện tích đất tự nhiên) và phân bố không đồng đều ở các vùng sinh thái khác nhau. Các loại đất còn lại bao gồm đất lâm nghiệp (11,8 triệu ha), đất chuyên dùng (1,4 triệu ha) và các loại đất chưa sử dụng khác (13 triệu ha). Trong diện tích đất canh tác nông nghiệp, đất trồng lúa có diện tích 4,144 triệu ha, đất trồng màu và cây công nghiệp ngắn ngày có diện tích là 1,245 triệu ha và đất trồng cây ăn quả và cây lâu năm có diện tích là 1,3 triệu ha. Một thực tế đáng quan tâm là việc suy thoái tài nguyên đất trên thế giới. Có nhiều nguyên nhân khác nhau dẫn đến những tổn thất và suy thoái đất đai trong thời gian quan như: - Sự mất rừng và khai thác rừng đến cạn kiệt dẫn đến hiện tượng xói mòn đất, đá ong hoá đất, làm mất nguồn nước ngầm trong đất - Quá trình chăn thả quá mức làm đất bị nén chặt, giảm độ che phủ của cây cỏ trên bề mặt đất - Các chất ô nhiễm trong hoạt động sản xuất công nghiệp như sử dụng đất làm nơi chứa đựng chất thải, xả các chất độc hại vào đất - Việc sử dụng quá mức phân bón, hoá chất, thuốc trừ sâu trong sản xuất nông nghiệp cũng làm cho đất bị ô nhiễm và suy thoái. Một số con số dưới đây cho thấy mức độ xói mòn đất trên thế giới và Việt Nam: Ở Trung Quốc, hàng năm mặt đất bị bào mòn trung bình 40 tấn/ha, trong cả nước có 34% diện tích đất bị bào mòn khốc liệt và làm cho các con sông chứa đầy phù sa. Ở Ấn Ðộ, sự xói mòn đất làm sông bị lấp đầy bùn đã và đang là một vấn đề nghiêm trọng, ước tính khoảng 25% diện tích đất bị bào mòn mạnh trên toàn Ấn Độ. Ở Hoa Kỳ, ước tính có khoảng 1/3 tầng đất mặt canh tác bị rửa trôi vào sông, hồ, biển, tỉ lệ xói mòn trung bình là 18 tấn/ha. Còn tại Việt Nam, hàng năm nước của các con sông mang phù sa đổ vào biển Ðông khoảng 200 triệu tấn, ước tính trung bình 1m3 nước chứa từ 50g - 400g phù sa, riêng đồng bằng sông Hồng 1.000g/m3 và có khi đạt đến 2.000g/m3. Bài giảng Kỹ thuật môi trường 24
25. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải Việc bảo vệ và khai thác hợp lý tài nguyên đất trên thế giới nói chung và Việt Nam nói riêng là nhiệm vụ quan trọng của các nhà quản lý, các nhà khoa học và những người canh tác nông nghiệp. Không những giúp cho việc sản xuất lương thực, thực phẩm đáp ứng nhu cầu của con người hiện tại mà còn gìn giữ tài nguyên đất cho các thế hệ tương lai. b. Tài nguyên nước Nước là nguồn tài nguyên vô cùng quan trọng cho tất cả các sinh vật trên Trái đất, là một thành phần cơ bản cấu thành nên vật chất. Nếu không có nước thì sự sống cũng không xuất hiện và không tồn tại một thế giới phát triển văn minh, hiện đại ngày nay. Những nền văn minh lớn của nhân loại đều xuất hiện và phát triển trên lưu vực của các con sông lớn như nền văn minh Lưỡng Hà ở Tây Á, nền văn minh Ai Cập ở hạ lưu sông Nil, nền văn minh sông Hằng ở Ấn Ðộ, nền văn minh Hoàng Hà ở Trung Quốc, nền văn minh sông Hồng ở Việt Nam Từ xa xưa, con người đã biết dùng nước để trồng trọt và nuôi trồng thuỷ sản. Cùng với quá trình phát triển, con người đã khám phá thêm nhiều khả năng của nước để phục vụ các hoạt động sản xuất và nhu cầu sinh hoạt của con người. Nước bao phủ 71% diện tích của Trái đất, bao gồm 97% là nước mặn và 3% là nước ngọt với trữ lượng ước tính khoảng 1,4 tỷ km3. Nước có vai trò giữ cho khí hậu Trái đất tương đối ổn định và pha loãng các yếu tố gây ô nhiễm môi trường. Nước còn là thành phần chính trong cơ thể sinh vật, chiếm từ 50% - 97% trọng lượng của cơ thể sống. Trong 3% lượng nước ngọt có trên quả đất thì có khoảng hơn 3/4 lượng nước mà con người không sử dụng được vì nó nằm quá sâu trong lòng đất, bị đóng băng, ở dạng hơi trong khí quyển và ở dạng tuyết trên lục địa chỉ có 0, 5% nước ngọt hiện diện trong sông, suối, ao, hồ mà con người đã và đang sử dụng. Theo các nhà khoa học, ước tính khoảng 105.000 km3 nước mưa mỗi năm cung cấp nước ngọt rơi xuống bề mặt Trái đất. Khoảng 1/3 lượng nước này theo sông suối đổ ra biển, 2/3 còn lại quay trở lại khí quyển do bốc hơi bề mặt và sự thoát hơi nước của thực vật. Vòng tuần hoàn của nước trong tự nhiên được thể hiện ở hình 1.20 dưới đây. Nhu cầu về nước càng ngày càng tăng theo quá trình phát triển của xã hội. Theo ước tính, bình quân trên toàn thế giới có chừng khoảng 40% lượng nước cung cấp được sử dụng cho công nghiệp, 50% cho nông nghiệp và 10%cho sinh hoạt. Tuy nhiên, nhu cầu nước sử dụng lại thay đổi tùy thuộc vào sự phát triển Bài giảng Kỹ thuật môi trường 25
26. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải của mỗi quốc gia. Ví dụ: Ở Hoa Kỳ, khoảng 44% nước được sử dụng cho công nghiệp, 47% sử dụng cho nông nghiệp và 9% cho sinh hoạt và giải trí. Ở Trung Quốc thì 7% nước được dùng cho công nghiệp, 87% cho công nghiệp, 6% sử dụng cho sinh hoạt và giải trí Do nhu cầu nước cho sinh hoạt và sản xuất của con người ngày một cao, đi kèm với việc khai thác lượng nước quá mức đã làm nguồn nước cung cấp cho con người bị suy giảm. Bên cạnh đó, vấn đề ô nhiễm nguồn nước đã và sẽ là những nguyên nhân gây nên tình trạng thiếu nước đặc biệt là nước sạch cho con người. Nhiều hiện tượng thiên nhiên phát sinh do lượng nước ngọt cung cấp không đáp ứng nhu cầu phát triển như hạn hán, xâm nhập mặn từ biển, ô nhiễm nguồn nước do khai thác quá mức như ô nhiễm Asen trong nước ngầm Ở Việt Nam, do nền công nghiệp mới phát triển, số đô thị và các khu công nghiệp chưa nhiều nên lượng nước dùng cho công nghiệp và sinh hoạt còn quá ít so với trữ lượng trong tự nhiên. Tuy vậy, sự nhiễm bẩn nguồn nước đã bắt đầu xuất hiện do việc sử dụng thuốc trừ sâu trong nông nghiệp, lượng nước thải ra môi trường của các nhà máy luyện kim, nhiệt điện, hóa chất, thực phẩm, cùng với lượng nước thải do sinh hoạt đã trở thành một vấn đề cấp bách cần phải được quan tâm. Ví dụ: sự ô nhiễm cục bộ các lưu vực sông Đồng Nai, sông Sài Gòn, sông Cầu, sông Nhuệ trong thời gian qua gây thiệt hại cho sản xuất nông nghiệp và ảnh hưởng đến đời sống của người dân. c. Tài nguyên khoáng sản và năng lượng Khoáng sản và năng lượng là nguồn nguyên liệu tự nhiên có nguồn gốc vô cơ hoặc hữu cơ, phần lớn được nằm trong lòng đất, quá trình hình thành có liên quan mật thiết đến lịch sử phát triển của vỏ trái đất trong một thời gian dài. Từ khi hình thành xã hội loài người, con người đã biết khai thác và sử dụng khoáng sản và năng lượng, ngày nay sự hiểu biết và sử dụng khoáng sản, năng lượng càng nhiều hơn và đa dạng hơn. Tùy theo đặc điểm và tính chất của mỗi loại khoáng sản, người ta phân chúng ra làm hai loại là khoáng sản kim loại và khoáng sản phi kim loại. Mỗi loại lại được phân thành nhiều nhóm khác nhau tùy theo tính chất và công dụng của chúng. - Khoáng sản kim loại: bao gồm tất cả các kim loại được biết hiện nay, những kim loại thường gặp như nhôm, sắt, mangan, magie, crom và các kim Bài giảng Kỹ thuật môi trường 26
27. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải loại hiếm như đồng, chì, kẻm, thiếc, vàng, bạc, bạch kim, uranium, thủy ngân, molypden - Khoáng sản phi kim loại: gồm các loại quặng như photphat, sunphat, clorit, sodium , các nguyên liệu dạng khoáng như cát, sỏi, thạch anh, đá vôi , các nhiên liệu hoá thạch như than đá, dầu moẻ, khí đốt Các loại nước chứa khoáng cũng được coi là khoáng sản phi kim. Tài nguyên khoáng sản không phải là vô tận, cùng với sự phát triển của nền công nghiệp hiện đại thì sự cạn kiệt nguồn tài nguyên khoáng sản đang là mối đe dọa đối với nhiều quốc gia nói riêng và nhân loại nói chung. Theo đánh giá về trữ lượng một số loại khoáng sản cho thấy các loại khoáng sản như sắt, nhôm, titan, crom, magie, platin , trữ lượng còn khá nhiều và chưa có nguy cơ cạn kiệt. Các loại khác như bạc, thủy ngân, đồng, chì, kẽm, thiếc, molypden còn lại không nhiều và đang báo động nguy cơ cạn kiệt. Còn một số loại khoáng sản khác như fluorit, grafit, barit, mica trữ lượng còn rất ít, đang đứng trước nguy cơ cạn kiệt. Trong quá trình phát triển của xã hội hiện đại, khoáng sản là cơ sở cho sự phát triển các ngành công nghiệp. Ở các quốc gia có nền công nghiệp phát triển, nhu cầu về các khoáng sản kim loại chiếm tỉ lệ 80% - 90% tổng lượng kim loại sử dụng trên thế giới. Ví dụ: nhu cầu sử dụng sắt tăng từ 900 triệu tấn năm 1980 lên đến 1.400 triệu tấn năm 1990 và 2.250 triệu tấn năm 2000, nhu cầu sử dụng các kim loại thông dụng khác như đồng, nhôm cũng tăng rất cao. Ngoài ra nhu cầu về khoáng sản phi kim loại cũng tăng lên, chủ yếu được sử dụng để làm phân bón, sử dụng trong xây dựng và dùng làm nguyên liệu cho một số ngành công nghiệp. Chỉ tính trong thế kỷ 20, con người đã khai thác từ lòng đất 130 tỷ tấn than, 35 tỷ tấn dầu và hơn 1 tỷ tấn hơi đốt. Ở nước ta, có nhiều loại khoáng sản với trữ lượng lớn. Các loại khoáng sản kim loại có sắt với trữ lượng 700 triệu tấn, đồng với trữ lượng 0,6 triệu tấn, nhôm với trữ lượng 4 tỷ tấn, thiếc với trữ lượng 0,07 triệu tấn và nhiều loại khác như crom, vàng, titan, kẽm, nikel, mangan phân bố rộng rải nhiều nơi từ vùng núi đến các miền trung du và đồng bằng theo suốt chiều dài đất nước. Các loại khoáng sản phi kim cũng có trữ lượng dồi dào như apatit có trữ lượng trên 1 tỷ tấn, các loại đá vôi với trữ lượng lớn cung cấp nguyên liệu cho ngành xây dựng, sản xuất xi măng và các vật liệu khác Đi cùng với tài nguyên khoáng sản là tài nguyên năng lượng, năng lượng là nền tảng của sự văn minh và phát triển xã hội, con người cần năng lượng cho sự tồn tại của bản thân đồng thời sản sinh ra công để thực hiện các công việc. Từ Bài giảng Kỹ thuật môi trường 27
28. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải xa xưa, con người đã biết lợi dụng sức nước, sức gió để tạo ra năng lượng. Sự xuất hiện của lửa mở đầu cho giai đoạn khai thác những nguồn năng lượng cổ điển (đốt gỗ, đốt than ) trong thiên nhiên. Các nguồn năng lượng được tạo thành bao gồm năng lượng truyền thống khai thác từ các khoáng sản (năng lượng từ dầu mỏ, than đá, khí đốt ), năng lượng tự nhiên (năng lượng gió, nước, mặt trời ) và năng lượng hạt nhân. Vấn đề an ninh năng lượng đã trở nên nghiêm trọng đối với các quốc gia trên thế giới. Dưới đây là một số chất tạo thành năng lượng chủ yếu phục vụ mục đích phát triển kinh tế - xã hội trong thời ký phát triển công nghiệp cao độ trên thế giới. - Than đá: được sử dụng rộng rãi phục vụ công nghiệp luyện kim, các nhà máy nhiệt điện Trữ lượng than đá trên thế giới vào khoảng 23.000 tỷ tấn, các nước có trữ lượng than đá lớn như Liên Xô cũ (4.122 tỉ tấn), Hoa Kỳ (1.100 tỉ tấn), Trung Quốc (1.011 tỉ tấn), Ðức (70 tỉ tấn), Canada (61 tỉ tấn), Ba Lan (46 tỉ tấn), Nam Phi (26 tỉ tấn), Nhật Bản (20 tỉ tấn). Với nhịp độ khai thác như hiện nay thì ước tính 250 năm nữa, than đá sẽ không còn để khai thác. Trữ lượng than đá của Việt Nam được xác định là từ 3 đến 3,5 tỉ tấn, chủ yếu tập trung ở vùng Quảng Ninh, ngoài ra còn có ở một số nơi khác. Hiện nay sản lượng khai thác ngày càng nhiều đáp ứng nhu cầu trong nước và xuất khẩu sang các nước khác. - Dầu mỏ: là năng lượng chủ yếu sử dụng cho nhu cầu công nghiệp, giao thông và đời sống dân sinh. Trữ lượng ước tính trên 80 tỷ tấn, tập trung chủ yếu ở các nước khối Ả Rập và khu vực bờ biển của nước Nga. Nhu cầu về dầu mỏ ngày càng tăng và lượng dầu khai thác cũng tăng lên, ước tính với nhịp độ khai thác hiện nay thì trử lượng dầu sẽ cạn trong vòng 30 -35 năm nữa. - Khí đốt thiên nhiên: Cũng là một nguồn cung cấp năng lượng quan trọng cho các hoạt động trên trái đất, trữ lượng khí đốt tính ở độ sau 5.000 m là 86.000 tỷ m3. Nhu cầu và mức độ khai thác khí đốt cũng khác nhau tùy theo nhu cầu phát triển kinh tế - xã hội của mỗi quốc gia. Trữ lượng của các nguồn sinh năng lượng như trên là hữu hạn, với tốc độ khai thác như hiện nay thì chỉ trong một thời gian ngắn các nguồn tài nguyên thiên nhiên này sẽ bị cạn kiệt dẫn tới sự thiếu hụt nguyên, nhiên liệu cho quá trình sản xuất, làm mất cân đối hệ sinh thái của các vùng, khu vực bị khai thác quá mức. Hiện tại, các nước phát triển về khoa học - công nghệ đã và đang cố gắng nghiên cứu sử dụng các loại năng lượng thiên nhiên như gió, nước, mặt trời hay nghiên cứu năng lượng hạt nhân nhằm thay thế cho các loại hình năng lượng truyền thống nhằm bảo vệ nguồn tài nguyên thiên nhiên trên thế giới và đảm bảo nhu cầu năng lượng cho quá trình phát triển. Bài giảng Kỹ thuật môi trường 28
29. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải d. Tài nguyên rừng Rừng là một hệ thống phức tạp bao gồm các yếu tố vật lý, hóa học và sinh học tác động qua lại với nhau, là một tổng thể của khí hậu, đất đai, động vật, thực vật và vi sinh vật với sự tham gia cảu các chu trình Cacbon, Nitơ, Oxy và nhiều loại khoáng chất khác. Ngoài ra rừng còn có vai trò quan trọng trong việc điều hòa khí hậu, giữ nước chống xói mòn đất, chống lũ lụt, chống sa mạc hóa, chắn gió và bảo vệ mùa màng Rừng phân bố không đồng đều trên các Châu lục cả về diện tích cũng như thể loại. Rừng trên thế giới chiếm 29% diện tích của các đại lục tương ứng với 3.837 triệu ha bao gồm 1.280 triệu ha rừng thông ở vùng ôn đới và hàn đới, 2.557 triệu ha rừng rậm ở vùng nhiệt đới và xích đạo. Theo WWF (1998), trong thời gian từ năm 1960 đến năm 1990, độ che phủ của rừng trên toàn thế giới đã giảm đi gần 13% (tương đương gần 5 triệu km2), tốc độ giảm trung bình 160.000 km2 mỗi năm (bảng 1.1). Bảng 1.1 Diện tích rừng tự nhiên toàn thế giới 1960 - 1990 (WWF, 1998) Đơn vị tính: Triệu km2 Năm TT Các khu vực 1960 1965 1970 1975 1980 1985 1990 1 Châu Phi 5,906 5,720 5,533 5,321 5,110 4,898 4,686 2 Châu Á/TBD 5,301 5,066 4,830 4,549 4,358 4,140 3,921 Châu Mỹ la 3 9,688 9,361 9,034 8,676 8,318 7,934 7,550 tinh và Caribê 4 Bắc Mỹ 6,705 6,705 6,705 6,705 6,705 6,689 6,673 5 Châu Âu 1,139 1,171 1,202 1,219 1,236 1,244 1.252 6 Liên bang Nga 7,983 7,983 7,983 7,983 7,983 7,983 7,983 7 Tổng số 36,723 36,005 35,287 34,498 32,709 33,887 32,066 Tại Việt Nam, theo tài liệu của Maurand thì trước năm 1945, nước ta có 14 triệu ha rừng chiếm hơn 42% diện tích tự nhiên của cả nước, năm 1975 diện tích rừng chỉ còn 9,5 triệu ha (chiếm 29% diện tích tự nhiên), năm 1985 còn 7,8 triệu ha (23,6%) đến năm 1989 chỉ còn 6, 5 triệu ha (19,7%) (Viện điều tra qui hoạch rừng, 1989). Bài giảng Kỹ thuật môi trường 29
30. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải Do nước ta trải dài từ bắc xuống nam và điạ hình với nhiều cao độ khác nhau so với mực nước biển nên rừng phân bố trên khắp các dạng địa hình, với nét độc đáo của vùng nhiệt đới và rất đa dạng như có nhiều rừng xanh quanh năm, rừng già nguyên thủy, rừng cây lá rộng, rừng cây lá kim, rừng thứ cấp, truông cây bụi và đặc biệt là rừng ngập mặn Rừng Việt Nam có nguồn tài nguyên sinh vật đa dạng. Có nhiều loại rừng với nhiều loại động, thực vật quý hiếm và độc đáo: - Về thực vật: theo số liệu thống kê gần đây thì có khoảng 12.000 loài thực vật, trong đó có khoảng 10% là loài đặc hữu; 800 loài rêu; 600 loài nấm; khoảng 2.300 loài cây có mạch; 41 loài cho gỗ quí (nhóm 1), 20 loài cho gỗ bền chắc (nhóm 2), 24 loài cho gỗ đồ mộc và xây dựng (nhóm 3) ; 25 loài cây tre, trúc; khoảng 1.500 loài có thể sử dụng làm dược liệu - Về động vật: cũng rất đa dạng, ngoài các loài động vật đặc hữu còn có những loài mang tính chất tổng hợp của khu hệ động vật miền nam Trung Hoa, Ấn Ðộ, Malaixia, Myanma. Hiện tại đã thống kê được khoảng 774 loài chim, 273 loài thú, 180 loài bò sát, 80 loài lưỡng cư, 475 loài cá nước ngọt và 1.650 loài cá ở rừng ngập mặn và cá biển; chúng phân bố trên những sinh cảnh khác nhau, trong đó có nhiều loài có giá trị kinh tế cao, có ý nghĩa khoa học. Nhiều loài quý hiếm có tên trong Sách đỏ của thế giới và Việt Nam. * Suy giảm tài nguyên rừng trên thế giới và Việt Nam: Sự tàn phá rừng trên thế giới đã và đang xảy ra mạnh mẽ. Ở châu Âu, do sự phát triển của các đô thị, các ngành công nghiệp, nông nghiệp và dịch vụ mà lượng gỗ tiêu thụ rất lớn dẫn đến sự khai phá rừng làm thu hẹp diện tích rừng một cách đáng kể. Ở Trung Cận Ðông và Bắc Phi thì rừng bị tàn phá nặng nề chủ yếu là do việc chăn nuôi thả dê, cừu gây nên và cũng do tăng dân số. Ở Bắc Mỹ, nguyên nhân tàn phá là do lợi nhuận trong việc xuất khẩu gỗ đưa sang bán cho châu Âu, nhịp độ khai thác tăng nhanh kể từ nửa sau thế kỷ 19 đã đưa rừng vào tình trạng báo động. Ở nước ta, năm 1945 diện tích rừng là 14 triệu ha đến hiện nay chỉ còn lại khoảng 6, 5 triệu ha, như vậy trung bình mỗi năm rừng Việt Nam bị thu hẹp từ 160.000 đến 200.000 ha. Nguyên nhân dẫn đến sự giảm sút nghiêm trọng về diện tích là do khai hoang, do cháy rừng, do sự khai phá rừng bừa bãi lấy gỗ lấy đất canh tác Nguồn tài nguyên động vật đa dạng của rừng Việt Nam cũng bị giảm sút nghiêm trọng do sự săn bắt thú, khai thác các sản phẩm của rừng bừa bãi và buôn lậu thú quý hiếm ra nước ngoài. Trong 4 thập kỷ qua theo ước tính sơ bộ đã Bài giảng Kỹ thuật môi trường 30
31. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải có 200 loài chim đã bị tuyệt chủng và 120 loài thú đã bị diệt vong. Việc tàn phá các rừng ngập mặn để lấy chất đốt và làm hồ nuôi các loài thủy hải sản có giá trị kinh tế tại vùng đồng bằng sông Cửu long, sông Hồng và một số các tỉnh ven biển đã gây ra hậu quả nghiêm trọng như phá vỡ sự cân bằng hệ sinh thái rừng ngập mặn, làm mất đi nơi sinh sản của một số loài tôm cá nước ngọt và biển, đồng thời gây nên hiện tượng xói mòn bờ biển do sóng và do gió. Sự tàn phá rừng ở các nơi trên thế giới đã gây hậu quả nghiêm trọng cho con người môi trường. Sự biến đổi khí hậu trên trái đất, sự hoang mạc hoá đã và đang xảy ra và đe doạ cuộc sống của Trái đất. Ðáng lo ngại nhất hiện nay là các khu rừng nhiệt đới, do sự gia tăng dân số, do việc xuất khẩu gỗ mang lại nguồn lợi nhuận cao nên nạn khai thác các khu rừng nhiệt đới diễn ra với tốc độ rất nhanh. Ví dụ rừng Amazone là khu rừng nguyên sinh lớn nhất hành tinh đang bị khai phá nghiêm trọng, theo các nhà chuyên môn thì chỉ trong vòng vài chục năm nữa thì khu rừng nầy sẽ bị hủy diệt hoàn toàn và con người sẽ nhận những hậu quả khó lường xảy ra do sự biến đổi về khí hậu trên trái đất. Mặc dù con người đã nhận thức được điều này, chính phủ các quốc gia đã có nhiều biện pháp tích cực để bảo vệ tài nguyên rừng nhưng cho nên đến nay tình trạng khai phá rừng vẫn còn xảy ra nghiêm trọng. Cần phải có nhiều biện pháp, chính sách quyết liệt hơn để bảo vệ và gìn giữ nguồn tài nguyên rừng quí giá trên hành tinh chúng ta. Bài giảng Kỹ thuật môi trường 31
32. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải Chương 2. Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC 2.1. Nước trong tự nhiên và sự ô nhiễm nước 2.1.1 Nước trong tự nhiên Nước trong tự nhiên bao gồm các dạng nguồn nước có trên Trái đất như đại dương, biển, sông suối, ao hồ, băng ở hai cực Trái đất, trong không khí, trong đất và trong các cơ thể sinh vật. Khoảng 97% nước tự nhiên là nước biển và đại dương (nước mặn), 2% nước tồn tại ở dạng băng nằm ở hai cực Trái đất và 1% là nước ngọt mà con người có thể sử dụng được. Nước là thành phần vô cùng quan trọng trong việc duy trì cuộc sống của con người và sinh vật trên Trái đất. Mây Gió Mây Mư a Mư Bốc hơi a Xử lý nước cấp Tuyết Sử dụng nước Hồ, ao Sông, suối Xử lý nước thải Nước Bốc hơi ngầm Biển, đại dương Hình 2.1: Chu trình của nước trong tự nhiên Các nguồn nước trong tự nhiên mà con người có thể sử dụng được tồn tại dưới các dạng sau: Bài giảng Kỹ thuật môi trường 32
33. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải - Nước mặt: Bao gồm nước ở các ao hồ, sông suối, biển và đại dương - Nước ngầm: Bao gồm các dạng nước tồn tại trong lòng đất, đá - Nước mưa: Là nguồn nước do quá trình bay hơi nước, tích tụ thành những đám mây và tạo mưa khi có sự thay đổi đột ngột về nhiệt độ. Nước mưa rơi xuống mặt đất được lưu giữ dưới dạng nước mặt khi rơi xuống các thuỷ vực như ao, hồ, sông, suối, biển, đại dương và dưới dạng nước ngầm khi ngấm xuống lòng đất. Chu trình của nước trong tự nhiên được mô tả tại hình 2.1. 2.1.2. Sự ô nhiễm nước Con người sử dụng nước phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau. Trong quá trình sinh hoạt, sản xuất cũng như quá trình sử dụng nước đã đem một lượng chất ô nhiễm thải vào nguồn nước và gây ô nhiễm nước. Có thể khái quát sự ô nhiễm của nước như sau: Trong quá trình sản xuất và sinh hoạt của con người và các hoạt động của tự nhiên đã đưa một lượng chất thải vào nước quá nhiều làm thay đổi tính chất và thành phần của nước, làm ảnh hưởng xấu đến hệ sinh thái môi trường nước và sức khoẻ của đối tượng sử dụng nước thì được coi là sự ô nhiễm nước. 2.1.3. Các đặc trưng của ô nhiễm nước Các khuynh hướng thay đổi chất lượng nước do các hoạt động của con người bao gồm: 2- - - Giảm độ pH của nước ngọt do việc gia tăng hàm lượng SO3 , NO3 trong nước do ô nhiễm H2SO4 và HNO3 từ khí quyển và nước thải công nghiệp. - Tăng hàm lượng các ion Ca, Mg, Si trong nước ngầm và nước sông do nước mưa hoà tan, phong hoá các quặng Cacbonat - Tăng hàm lượng các ion kim loại nặng trong nước tự nhiên như Pb, Cd, Hg, As, Zn 3- 3- 2- - Tăng hàm lượng các anion như PO4 , NO , NO trong nước tự nhiên - Tăng hàm lượng các muối trong nước mặt và nước ngầm. - Tăng khả năng ô nhiễm nguồn nước tự nhiên do các nguyên tố phóng xạ. - Giảm nồng độ ôxy hoà tan trong nước tự nhiên do các quá trình ôxy hoá liên quan tới các quá trình phù dưỡng các nguồn nước giàu các chất hữu cơ. - Giảm độ trong của nước. Bài giảng Kỹ thuật môi trường 33
34. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải Các đặc trưng của mức độ ô nhiễm nguồn nước được thể hiện ở các chỉ tiêu như pH, hàm lượng chất rắn, nhu câu ôxy sinh học (BOD), nhu cầu ôxy hoá học (COD), các dạng nitơ, phôtpho, dầu mỡ, mùi, màu, các kim loại nặng 2.2. Các nguồn gây ô nhiễm môi trường nước 2.2.1. Sinh hoạt của con người Trong hoạt động sống của mình, con người cần một lượng nước rất lớn. Xã hội càng phát triển nhu cầu dùng nước càng tăng. Cư dân sống trong điều kiện nguyên thủy chỉ cần 5÷10 lít nước/người/ngày. Xã hội càng hiện đại thì nhu cầu sử dụng nước tăng gấp hàng chục lần so với trước đây. Ví dụ: Tiêu chuẩn cấp nước của Singapore là 250÷400 lít/người/ngày, của Pháp 200÷500 lít/người/ngày, của Mỹ là 380÷500 lít/người/ngày , Ở nước ta tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt đối với khu đô thị là 150÷200 lít/người/ngày, đối với khu vực nông thôn là 50÷100lít/người/ngày. Đặc điểm của nước thải sinh hoạt là hàm lượng các chất hữu cơ không bền vững (dễ bị phân huỷ) cao như hydrat cacbon, protein, chất béo , các chất khoáng dinh dưỡng (photphat, nitơ, magie ), các chất rắn huyền phù và các vi sinh vật. Nước thải sinh hoạt có nguồn gốc từ những khu vực sau: - Khu vực dân cư: bao gồm cả đô thị và nông thôn - Khu vực thương mại: như chợ, bến xe, trung tâm buôn bán - Khu vực cơ quan: như công sở, trường học, bệnh viện - Khu vực vui chơi giải trí: như quán cà phê, câu lạc bộ, bể bơi 2.2.2. Các hoạt động công nghiệp Các hoạt động sản xuất công nghiệp có một ảnh hưởng rõ rệt đến quá trình gây ô nhiễm nước. Sự phát triển ngày một mạnh mẽ nền công nghiệp hiện đại làm tăng nhu cầu về nước, nhất là các ngành sản xuất như chế biến thực phẩm, giấy, hóa chất, luyện kim, dầu mỏ Và do đó, lượng nước thải ô nhiễm và các chất ô nhiễm trong hoạt động công nghiệp đang ngày một nhiều và nguy hiểm. Nước thải công nghiệp bao gồm nước thải trong quá trình sản xuất, nước thải từ quá trình vệ sinh máy móc thiết bị, nước thải từ quá trình sinh hoạt của cán bộ công nhân trong nhà máy, xí nghiệp. Nước thải sản xuất trong các nhà máy, xí nghiệp công nghiệp thường chia làm hai loại nước thải bẩn và nước thải qui ước sạch. Bài giảng Kỹ thuật môi trường 34
35. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải - Nước thải qui ước sạch chủ yếu là nước làm nguội máy móc thiết bị. Các loại nước này có thể dùng lại trong hệ thống cấp nước tuần hoàn cho nhà máy . - Nước thải bẩn thường được tạo thành trong quá trình sản xuất. Tuỳ thuộc vào loại hình sản xuất công nghiệp, dây chuyền công nghệ, thành phần nguyên vật liệu, chất lượng sản phẩm mà đặc điểm và thành phần của nước thải sản xuất của các nhà máy, xí nghiệp rất đa dạng, phức tạp và có thành phần khác nhau. Có thể kể đến các đặc trưng chủ yếu của nước thải do hoạt động công nghiệp như: Các loại cặn lơ lửng, các hợp chất hữu cơ (acid, este, phenol, dầu mỡ, các chất hoạt động bề mặt ), các chất độc (xianua, arsen, thủy ngân, muối đồng ), các chất gây mùi, các ion kim loại nặng, dầu mỡ, các muối khoáng và một số đồng vị phóng xạ. 2.2.3. Các hoạt động nông nghiệp Việc sử dụng nước cho các hoạt động nông nghiệp có tác động to lớn đến sự thay đổi chế độ và sự cân bằng nước lục địa. Sản xuất nông nghiệp đòi hỏi một lượng nước lớn, phần lớn nước sử dụng trong nông nghiệp bị tiêu hao mà không được hoàn lại. Sử dụng nước trong nông nghiệp đã dẫn đến việc suy giảm chất lượng nước nguồn. Các hoạt động nông nghiệp gây ô nhiễm nguồn nước bao gồm chế độ tưới tiêu nông nghiệp, chất thải từ quá trình chăn nuôi và việc sử dụng phân hoá học, thuốc bảo vệ thực vật trong canh tác. Các chất thải này hoà tan trong nước và gây ô nhiễm nguồn nước. Đặc điểm của nước thải từ các hoạt động nông nghiệp là hàm lượng các chất mùn, các chất lơ lửng cao, hàm lượng các chất dinh dưỡng vô cơ cao như các gốc của nitơ, photpho Trong nước thải nông nghiệp có một lượng lớn các chất hữu cơ khó phân huỷ và có độc tính cao. Các hợp chất hữu cơ có chứa Chlor như các loại thuốc trừ sâu DDT, Andrin, Endosunphan. Các loại thuốc diệt cỏ như Acid phenoxiaxetic, các loại thuốc diệt nấm như Hexaclorobenzen là các chất bền vững, tốc độ phân hủy trong nước rất chậm. Chúng có thể tích tụ trong bùn, trong cơ thể sinh vật, tan trong mỡ động vật nước theo chuỗi thức ăn gây độc đối với con người và sinh vật tiêu thụ chúng. Bài giảng Kỹ thuật môi trường 35
36. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải 2.2.4. Nước chảy tràn Nước chảy tràn trên mặt đất do nước mưa, nước rửa đường xá gây ô nhiễm các nguồn nước mặt. Nồng độ chất bẩn trong nước mưa phụ thuộc vào hàng loạt yếu tố như cường độ mưa, thời gian mưa, thời gian không mưa, đặc điểm mặt phủ, độ bẩn đô thị và không khí Nước mưa của trận đầu tiên trong mùa mưa thường có nồng độ chất bẩn rất cao. Hàm lượng cặn lơ lửng có thể từ 400÷1800 mg/l, BOD5 từ 40÷120 mg/l. 2.2.5. Hoạt động của tàu thuyền Do hoạt động của tàu thuyền trên sông biển đã đưa một lượng dầu mỡ vào nước và gây ô nhiễm nước. Nguyên nhân là do va chạm khi tham gia giao thông, do rửa tàu, bơm dầu và rơi vãi, các sự cố đắm tàu chở dầu Ô nhiễm nước do dầu mỏ và sản phẩm của chúng làm giảm tính chất hóa lý của nước (thay đổi màu, mùi, vị), tạo lớp váng mỏng phủ đều mặt nước, ngăn cách nước và khí quyển, ngăn cản sự trao đổi ôxy giữa nước và khí quyển, ngăn cản sự trao đổi nhiệt cũng như sự tạo lớp cặn ở đó. Ví dụ: chỉ một tấn dầu thô đã có khả năng loang phủ trên một diện tích 12 km2 mặt nước, chỉ một gam dầu mỏ có thể gây bẩn 2 tấn nước hoặc một giọt dầu cũng có khả năng tạo ra một màng dầu dày 0,001 mm trên diện tích 20 m2. 2.3. Các tác nhân gây ô nhiễm nguồn nước 2.3.1. Các hợp chất hữu cơ Theo khả năng chịu tác động của các yếu tố môi trường: ánh sáng, độ ẩm, nhiệt độ và các nhân tố vi sinh vật có thể phân loại các hợp chất hữu cơ thành hai loại chính sau đây: a. Các chất hữu cơ không bền vững Bao gồm các loại cacbonhydrat, protein, chất béo Đây là các chất ô nhiễm phổ biến nhất trong nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp chế biến thực phẩm. + Các cacbonhyđrat: các chất đường có chứa các nguyên tố C, N và O, một số đường đơn và đường kép. Riêng Polysacharit được chia làm hai loại dễ bị phân hủy sinh học như tinh bột và khó bị phân hủy sinh học như Celluloz + Các loại protein: acid amin mạch dài. + Các chất béo: khả năng phân hủy vi sinh chậm. Bài giảng Kỹ thuật môi trường 36
37. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải Nhìn chung các hợp chất hữu cơ có phân tử lớn không thể thấm qua các màng tế bào do đó cần có giai đoạn thủy phân sơ bộ (phân rã) thành các mạch ngắn hơn (quá trình phân hủy yếm khí). Sơ đồ sự phân hủy sinh học các hợp chất hữu cơ : * Tác động của sự ô nhiễm các chất hữu cơ không bền vững: Khi các chất hữu cơ không bền vững xâm nhập vào môi trường nước, dưới tác động của các yếu tố vật lý của môi trường và các tác nhân vi sinh vật, các hợp chất hữu cơ không bền vững sẽ bị phân hủy. Quá trình phân huỷ làm suy giảm nồng độ ôxy hòa tan, tồn trữ và lưu đọng trong các lưu vực ít xáo trộn sẽ tạo điều kiện cho các vi sinh vật yếm khí phát triển gây mùi khó chịu làm giảm giá trị sử dụng của nguồn nước. Nếu nồng độ cao sẽ làm cạn kiệt nồng độ ôxy hòa tan gây ảnh hưởng xấu đến sự phát triển của hệ thủy sinh và gây ra hiện tượng phú dưỡng, quá trình này tạo điều kiện cho hệ thực vật nước phát triển mạnh gây ảnh hưởng xấu đến sự phát triển của hệ động, thực vật nước b. Các chất hữu cơ bền vững Các chất hữu cơ bền vững thường là các hợp chất hữu cơ có độc tính sinh học cao, khó bị phân hủy bởi các tác nhân vi sinh vật. Một số có tác dụng tích lũy và tồn lưu lâu dài trong môi trường và trong cơ thể các loài thủy sinh vật. Các chất này gây ô nhiễm lâu dài, đồng thời có những tác động xấu đến hệ sinh thái nước và thậm chí đến sức khỏe của con người. Các chất Polyclorophenol (PCP), Polyclorinad Biphenyl (PCB), các loại hyđrocacbon đa vòng ngưng tụ, hợp chất dị vòng N hoặc O là các chất thuộc loại này. Dưới tác động của các yếu tố của môi trường vật lý và môi trường sinh học có thể phân loại thành các dạng có độc tính sinh thái cao và ít độc. Các hợp Bài giảng Kỹ thuật môi trường 37
38. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải chất hữu cơ loại này như dầu mỡ, các chất hoạt động bề mặt, các loại thuốc trừ sâu và diệt cỏ Các chất này tác động mạnh đến hệ thủy sinh, ở nồng độ cao có thể gây hủy diệt các sinh vật trong môi trường. Các hợp chất hữu cơ bền vững tích tụ thông qua mối quan hệ dinh dưỡng gây ngộ độc đối với con người hoặc diệt chủng một số loài như cá, chim và các loại côn trùng Dưới đây là một số hợp chất hữu cơ bền vững có độc tính sinh thái cao: + Các hợp chất phenol: phenol và các dẫn xuất của phenol. + Các loại hóa chất bảo vệ thực vật hữu cơ: bao gồm các loại photpho hữu cơ, chlo hữu cơ, cacbonat, phenoxyaxetic, pyrethroid tổng hợp. + Tanin và lignin: các hóa chất có nguồn gốc từ thực vật . + Các hyđrocacbon đa vòng và ngưng tụ. 2.3.2. Các ion Trong nước thải có các ion kim loại và muối, các ion trong môi trường nước có vai trò quan trọng trong việc cung cấp các chất dinh dưỡng cho quá trình sinh trưởng và phát triển của hệ sinh thái môi trường nước. Khi nồng độ các ion này cao hơn ngưỡng chấp nhận của sinh vật trong môi trường nước thì các ion này sẽ gây ô nhiễm môi trường nước. Dưới đây là một số ion đặc trưng trong môi trường nước. + - Amon (NH4 ): Trong tự nhiên, nồng độ của amon vào nhỏ hơn 0,05ppm. Đối với các nguồn nước bị ô nhiễm amon, nồng độ thường cao hơn trong tự nhiên rất nhiều. Ví dụ trong nước thải sinh hoạt, nước thải chế biến thực phẩm, hàm lượng amon lên tới 10÷100 mg/l. - - Nitrat (NO3 ): Có vai trò quan trọng trong việc đánh giá nguồn nước. Nếu trong nước hàm lượng nitrat cao sẽ gây ra hiện tượng phù dưỡng, nếu nước uống bị nhiễm nitrat sẽ ảnh hưởng xấu đến máu. Theo WHO, nước uống nên có hàm lượng nitrat nhỏ hơn 10 mg/l. 3- - Phosphat (PO4 ): Có nhiều trong phân người, súc vật, nơi có các nhà 3- máy sản xuất phân lân. Nước không bị ô nhiễm phosphat nếu nồng độ PO4 trong nước nhỏ hơn 0,01 mg/l. 2- - Sunfat (SO4 ): Nếu nguồn nước có nồng độ các ion sunfat cao sẽ gây ăn mòn, phá huỷ các công trình, hại cây cối, mùa màng Bài giảng Kỹ thuật môi trường 38
39. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải - Clorua (Cl-): Tạo ra độ mặn trong nước gây tác hại đến cây trồng, ăn mòn công trình 2.3.3. Các kim loại nặng Các kim loại nặng cũng là những tác nhân gây ô nhiễm nước, gây nguy hại đến sức khoẻ của đối tượng sử dụng nước. Dưới đây là một số kim loại nặng gây ô nhiễm nước điển hình: - Chì (Pb): là kim loại có độc tính rất mạnh đối với não, có thể gây chết người nếu bị nhiễm độc nặng. Chì có khả năng tích lũy lâu dài trong cơ thể. Trong nước sông hồ có lượng vết chì (độ 0,05-40 mg/l), nước biển không bị ô nhiễm nồng độ chì 0,03 mg/l. - Thủy ngân (Hg): rất độc đối với người và thủy sinh. Nồng độ cho phép của thủy ngân trong nước uống là 0,001 mg/l. Thủy ngân gây rối loạn thần kinh, giảm trí nhớ, viêm răng lợi, rối loạn tiêu hóa. Đối với nữ gây rối loạn kinh nguyệt, nếu mang thai dễ bị sẩy thai. - Asen (As): có trong nguồn nước thải công nghiệp khai thác quặng mỏ, sản xuất thuốc trừ sâu, thuộc da và từ quá trình xói mòn đất. Asen rất độc, dễ dàng hấp thụ vào cơ thể qua ăn uống, hô hấp, qua da. Asen có khả năng gây ung thư da, phổi, xương và làm sai lệch nhiễm sắc thể gây đột biến gen Ngoài các kim loại nặng kể trên còn có các nguyên tố khác có độc tính rất cao như Cadimi, Selen, Crôm, Niken là các tác nhân gây hại cho người và thủy sinh ngay ở nồng độ thấp. 2.3.4. Các chất rắn Các chất rắn có trong nước tự nhiên là do quá trình xói mòn, do nước chảy tràn từ đồng ruộng, do nước thải sinh hoạt và công nghiệp. Chất rắn có thể gây trở ngại cho việc nuôi trồng thủy sản, cấp nước sinh hoạt 2.3.5. Các chất màu Màu nước trong tự nhiên và nước thải thường có nguồn gốc từ các chất hữu cơ dễ phân hủy bởi các tác nhân vi sinh vật, sự phát triển của một số loài thực vật nước như tảo, rong rêu, các hợp chất sắt, mangan ở dạng keo gây màu và các tác nhân gây màu khác như kim loại (Cr, Fe, ), các hợp chất hữu cơ như tanin, lignin Màu thực của nước là màu do các chất hòa tan hoặc các chất ở dạng keo, màu bên ngoài (màu biểu kiến) do các chất lơ lửng của nước tạo nên. Bài giảng Kỹ thuật môi trường 39
40. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải 2.3.6. Mùi Mùi có trong nước thải là do các nguyên nhân sau: - Quá trình lên men và sinh mùi từ các chất hữu cơ trong nước thải tại các cống rãnh khu dân cư, các xí nghiệp chế biến thực phẩm - Mùi sinh ra từ sự phân hủy các xác chết động, thực vật trong nước thải. - Mùi có trong nước thải công nghiệp hóa chất, chế biến dầu mỡ - Mùi tạo thành do các vi sinh vật gây mùi có trong nước thải. 2.3.7. Các vi sinh vật Các vi sinh vật trong nước cũng là những tác nhân gây ô nhiễm nguồn nước. Quá trình sinh trưởng và phát triển của các chủng hệ vi sinh vật trong nước gây ra các hiện tượng thiếu hụt lượng ôxy hoà tan trong nước, quá trình sinh tổng hợp của vi sinh vật gây nên hiện tượng thừa dinh dưỡng trong nước. Ngoài ra, một số vi sinh vật còn gây mùi trong nước, làm giảm độ trong của nước Có thể kể tên một số loại hình vi sinh vật trong nước: - Vi khuẩn dị dưỡng: Sử dụng các chất hữu cơ làm nguồn cơ chất cacbon và năng lượng trong quá trình sinh tổng hợp. Nhóm này bao gồm vi khuẩn hiếu khí hoạt động trong môi trường có ôxy và vi khuẩn kỵ khí hoạt động trong môi trường không có ôxy. - Vi khuẩn tự dưỡng: Có khả năng ôxy hoá chất vô cơ để thu năng lượng và sử dụng CO2 làm nguồn cacbon cho quá trình sinh tổng hợp. - Ngoài ra còn có các loại nấm, nấm mốc, nấm men, virut 2. 4. Các nguồn nuớc bị ô nhiễm 2.4.1. Ô nhiễm các thuỷ vực nước ngọt Các thuỷ vực nước mặt bao gồm nước mưa, ao hồ, đồng ruộng và nước các sông suối, kênh mương. Trong đó, các sông và kênh tải nước thải, các hồ đô thị và đất trồng lúa nước là các đối tượng thường có mức độ ô nhiễm trầm trọng. Một trong những tác động chủ yếu của nước thải lên hệ sinh thái thuỷ vực nước ngọt là làm thay đổi nồng độ ôxy trong nước. Khi xả vào sông hồ, các loại nước thải có chứa các chất hữu cơ dễ bị vi sinh vật ôxy hoá, quá trình này tiêu thụ một lượng ôxy rất lớn, làm cho hàm lượng ôxy hoà tan trong sông hồ giảm mạnh. Bài giảng Kỹ thuật môi trường 40
41. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải Do sự thiếu hụt ôxy trong nguồn nước, nhiều loài thuỷ sinh như cá, tôm, động vật nguyên sinh, không sống được. Trong nước và trong lớp cặn lắng ở đáy sẽ diễn ra quá trình phân huỷ yếm khí chất hữu cơ, giải phóng nhiều khí độc hại như H2S, CH4 gây ô nhiễm cho nguồn nước và môi trường không khí. Các thuỷ vực gần các khu công nghiệp, các thành phố lớn và các khu vực khai thác khoáng sản thường bị ô nhiễm kim loại nặng và các hoá chất độc hại. Nguyên nhân chủ yếu do xả nước thải công nghiệp, sinh hoạt, dịch vụ không được xử lý hoặc xử lý chưa đạt yêu cầu vào môi trường. Các chất độc hại này tác động xấu đến các sinh vật và môi trường, tích luỹ theo chuỗi thức ăn xâm nhập vào cơ thể con người gây các bệnh như ung thư Ô nhiễm vi sinh vật nguồn nước mặt thường gặp trong các thuỷ vực tiếp nhận nước thải sinh hoạt, nước thải ngành công nghiệp chế biến thực phẩm, đặc biệt là nước thải bệnh viện. Các loại vi sinh vật lan truyền trong môi trường nước, gây ra các loại dịch bệnh cho dân cư sử dụng nguồn nước trong sinh hoạt. Các loại thuốc bảo vệ thực vật và phân bón hoá học sử dụng trong nông nghiệp cũng là nguyên nhân gây ô nhiễm các thuỷ vực nước ngọt. Chúng lan truyền trong đất, nước và các sản phẩm nông nghiệp dưới dạng dư lượng thuốc - bảo vệ thực vật, nitrat (NO3 ) gây suy thoái chất lượng môi trường đất canh tác nông nghiệp, giảm tính đa dạng sinh học của khu vực nông thôn Để hạn chế các tác động tiêu cực của ô nhiễm cần phải tăng cường biện pháp xử lý nước thải công nghiệp và sinh hoạt, quản lý tốt thực phẩm nuôi trồng trong môi trường có nguy cơ bị ô nhiễm như nuôi cá, trồng rau bằng nguồn nước thải đồng thời cải thiện tình trạng môi trường sống của dân cư, tổ chức tốt hoạt động y tế và dịch vụ công cộng Dưới đây là một số hiện tượng ô nhiễm các thuỷ vực nước ngọt do tác động của con người và tự nhiên: a. Ô nhiễm dòng sông và khả năng tự làm sạch Khi một lượng chất thải đổ vào dòng sông tại một điểm thải có hàm lượng lớn hơn khả năng tự hoà tan của dòng sông thì xảy ra hiện tượng ô nhiễm nước sông. Các chất thải hữu cơ trong dòng sông bị ô nhiễm sẽ bị vi sinh vật phân huỷ và xảy ra quá trình tự làm sạch. Dòng sông bị nhiễm bẩn do các chất thải hữu cơ được chia làm bốn vùng theo dòng chảy (hình 2.2). + Vùng phân rã: Là vùng ngay sau điểm thải. Ở đây, nồng độ ôxy hoà tan giảm rất nhanh do các vi khuẩn đã sử dụng để phân huỷ các hợp chất hữu cơ trong nước. Nhu cầu ôxy sinh học (BOD) cũng giảm theo trong quá trình phân rã các chất hữu cơ. Bài giảng Kỹ thuật môi trường 41
42. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải Điểm, nguồn thải Dòng sông Nồng độ Vùng Vùng Vùng tái Vùng nước BOD, DO phân rã phân huỷ sinh sạch DO BOD Chiều dài dòng sông Hình 2.2. Ô nhiễm dòng sông và khả năng tự làm sạch + Vùng phân huỷ: Tại vùng này, các chất hữu cơ bị phân huỷ mạnh mẽ, nồng độ ôxy hoà tan giảm tới mức thấp nhất. Trong vùng này thường xảy ra quá trình phân huỷ kỵ khí bùn ở đáy sông, làm cho môi trường sống của các sinh vật trong nước như cá, tôm, thuỷ sinh động vật bị ảnh hưởng nhưng lại là điều kiện tốt cho nấm và vi khuẩn phát triển nhờ quá trình phân huỷ các chất hữu cơ làm giảm BOD và tăng hàm lượng amoniac. + Vùng tái sinh: Ở vùng này tốc độ hấp thụ ôxy lớn hơn tốc độ sử dụng ôxy nên nồng độ ôxy hoà tan tăng dần. Ở đây amoniac được các sinh vật nitrat hoá, các loài động vật nước tái xuất hiện và tảo phát triển mạnh do hàm lượng các chất dinh dưỡng vô cơ từ quá trình phân huỷ các chất hữu cơ tăng lên. + Vùng nước sạch: Ở vùng này, nồng độ ôxy hoà tan phục hồi trở lại bằng mức ban đầu, các chất thải hữu cơ hầu như đã được phân huỷ hết. Môi trường nước trở lại trạng thái ban đầu đảm bảo cho sự sống bình thường của các loài động vật và thực vật trong khu vực dòng sông. b. Ô nhiễm hồ ao và hiện tượng phù dưỡng Ảnh hưởng của ô nhiễm nước hồ khác với ảnh hưởng của ô nhiễm nước sông. Khi hồ chưa bị ô nhiễm, các nguồn dinh dưỡng chứa C, P, N tổng hợp nên các hợp chất hữu cơ có năng lượng cao cùng với năng lượng tổng hợp từ thực Bài giảng Kỹ thuật môi trường 42
43. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải vật, tảo thông qua quá trình quang hợp đảm bảo duy trì và cân bằng hệ sinh thái hồ. Khi các nguồn thải chứa nhiều C, P, N được cấp vào hồ với lượng lớn và dư thừa so với nhu cầu trong lưới thức ăn của hệ sinh thái hồ sẽ dẫn đến sự phát triển bùng nổ không kiểm soát được của chúng và người ta gọi là “sự nở hoa của nước” do tảo. Hiện tượng ô nhiễm do dư thừa các chất dinh dưỡng gây ra trong hồ được gọi là hiện tượng phù dưỡng. Hiện tượng này có thể được mô tả như sau: Một hồ trẻ thường đặc trưng bởi hàm lượng các chất dinh dưỡng trong nước và năng suất thực vật thấp. Do các dòng chảy khác nhau về hồ mang theo các chất dinh dưỡng dần dần lớn lên. Trong điều kiện bình thường, lượng dinh dưỡng cung cấp cho chuỗi thức ăn cân bằng với sự phát triển của động, thực vật trong hệ sinh thái hồ. Khi lượng chất dinh dưỡng được đưa vào hồ quá nhiều đã dẫn tới sự phát triển các sinh vật dưới nước và hồ trở nên giàu dinh dưỡng. Do các chất rắn và bùn lắng xuống đáy hồ và sự phát triển mạnh của hệ thực vật ven hồ theo thời gian làm cho hồ ngày càng nông hơn và mặt nước bị thu hẹp dần. Cứ như vậy, theo thời gian hồ sẽ dần dần bị lấp thành đầm lầy và trở thành bãi đất khô, hệ sinh thái vùng đất mới sẽ thay thế hệ sinh thái hồ và hồ bị lấp hoàn toàn. Quá trình này được mô tả ở hình 2.3. Chất thải Chất thải Chất thải Hồ trẻ ít dinh dưỡng Chất thải Hồ giàu dinh dưỡng Hồ cạn hoặc đầm lầy Hồ bị lấp Hình 2.3. Hiện tượng phù dưỡng do ô nhiễm hồ Bài giảng Kỹ thuật môi trường 43
44. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải 2.4.2. Ô nhiễm nước ngầm Nước ngầm là nguồn cung cấp nước sinh hoạt chủ yếu ở nhiều quốc gia và vùng dân cư trên thế giới. Do vậy ô nhiễm nước ngầm có ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng môi trường sống của con người. Các tác nhân gây ô nhiễm và suy thoái nước ngầm gồm: - Các tác nhân tự nhiên như nhiễm mặn, nhiễm phèn, hàm lượng sắt, mangan và một số kim loại cao. - - Các tác nhân nhân tạo như nồng độ kim loại nặng cao, hàm lượng NO3 , - + 3- NO2 , NH4 , PO4 , vượt tiêu chuẩn cho phép, ô nhiễm bởi vi sinh vật. Suy thoái trữ lượng nước ngầm biểu hiện bởi giảm công suất khai thác, hạ thấp mực nước ngầm, lún đất. Để hạn chế tác động ô nhiễm và suy thoái nước ngầm cần phải tiến hành đồng bộ các công tác điều tra, thăm dò trữ lượng và chất lượng nguồn nước ngầm, xử lý nước thải và chống ô nhiễm các nguồn nước mặt, quan trắc thường xuyên trữ lượng và chất lượng nước ngầm. 2.4.3. Ô nhiễm biển và đại dương Biển và đại dương là nơi tiếp nhận phần lớn các chất thải từ lục địa theo các dòng chảy sông suối, các chất thải từ các hoạt động của con người trên biển như khai thác khoáng sản, giao thông vận tải biển. Trong nhiều năm, biển và đại dương còn là nơi đổ các chất thải phóng xạ của nhiều nước trên trế giới. Các biểu hiện của sự ô nhiễm biển và đại dương khá đa dạng, có thể chia ra thành một số dạng sau: - Gia tăng nồng độ các chất ô nhiễm trong nước biển như: dầu, kim loại nặng, các hoá chất độc hại. - Gia tăng nồng độ các chất ô nhiễm tích tụ trong trầm tích biển ven bờ. - Suy thoái các hệ sinh thái biển như san hô, hệ sinh thái rừng ngập mặn - Suy giảm trữ lượng các loài sinh vật biển và giảm tính đa dạng sinh học biển. - Xuất hiện các hiện tượng như thuỷ triều đỏ, tích tụ các chất ô nhiễm trong thực phẩm lấy từ biển. Ô nhiễm không khí cũng có tác động mạnh mẽ tới ô nhiễm biển. Nồng độ CO2 cao trong không khí sẽ làm cho lượng CO2 hoà tan trong nước biển tăng. Nhiều các chất độc hại và bụi kim loại nặng được không khí mang ra biển. Sự gia tăng nhiệt độ của khí quyển Trái Đất do hiệu ứng nhà kính sẽ kéo theo sự dâng cao mực nước biển và thay đổi môi trường sinh thái biển. Bên cạnh các Bài giảng Kỹ thuật môi trường 44
45. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải nguồn ô nhiễm nhân tạo trên, biển có thể bị ô nhiễm bởi các quá trình tự nhiên như núi lửa phun, tai biến bão lụt, sự cố rò rỉ dầu tự nhiên, 2.5. Các biện pháp kỹ thuật xử lý nước thải (Đang biên soạn) Bài giảng Kỹ thuật môi trường 45
46. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải Chương 3: Ô NHIỄM KHÔNG KHÍ VÀ TIẾNG ỒN 3.1. Khái niệm ô nhiễm không khí Ô nhiễm không khí là hiện tượng làm cho không khí sạch thay đổi thành phần và tính chất do nhiều nguyên nhân, có nguy cơ gây tác hại tới thực vật và động vật, đến môi trường xung quanh, đến sức khỏe con người. Ô nhiễm không khí là sự có mặt một chất lạ hoặc một sự biến đổi quan trọng trong thành phần không khí, làm cho không khí không sạch hoặc gây ra sự toả mùi, có mùi khó chịu, giảm tầm nhìn xa 3.2. Các nguồn gây ô nhiễm không khí Nguồn gây ô nhiễm không khí có thể phân thành hai loại: nguồn ô nhiễm tự nhiên và nguồn ô nhiễm nhân tạo. 3.2.1. Nguồn ô nhiễm tự nhiên Các nguồn tự nhiên gây ô nhiễm môi trường không khí gồm: Ô nhiễm do hoạt động của núi lửa: Núi lửa phun ra những nham thạch nóng và nhiều chất ô nhiễm như tro bụi, các khí sunfua (SO2, H2S ), mêtan (CH4) và những loại khí khác. Các chất này lan toả đi rất xa và tác động mạnh mẽ đến môi trường. Ô nhiễm do cháy rừng: Các đám cháy rừng và đồng cỏ bởi các quá trình tự nhiên xảy ra do sấm chớp, sự cọ sát giữa thảm thực vật khô Các đám cháy này thường lan truyền rộng, vượt khỏi tầm kiểm soát của con người và phát thải nhiều khí độc hại như khói, tro bụi, hydrocacbon (HC), cacbon dioxit (CO2), cacbon monoxit (CO), sunfua dioxit (SO2) và nitơ oxit (NOx). Ô nhiễm do bão cát: Hiện tượng bão cát thường xảy ra ở những vùng đất khô, không được che phủ bởi thảm thực vật, đặc biệt là các sa mạc. Gió bão đã cuốn cát bụi bay lên và gây ô nhiễm không khí trong một khu vực rộng lớn. Ô nhiễm do đại dương: Nước biển bốc hơi và bụi nước do va đập từ biển mang theo bụi muối (NaCl, MgCl2, CaCl2 ), lan truyền vào không khí gây ô nhiễm. Ô nhiễm do thực vật: Các chất ô nhiễm do thực vật sản sinh và phát tán vào không khí gây ô nhiễm như các hợp chất hữu cơ dễ bay hơi (VOCs), hydrocacbon, các bào tử nấm và thực vật, phấn hoa Bài giảng Kỹ thuật môi trường 46
47. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải Ô nhiễm do vi khuẩn - vi sinh vật: Trong không khí có rất nhiều vi khuẩn, vi sinhh vật bám vào các hạt bụi, sol khí được gọi là bụi vi sinh vật. Bên cạnh đó chúng còn tham gia quá trình phân huỷ các chất hữu cơ tạo ra các khí có mùi gây ô nhiễm như NH3, CO2, CH4, SO2 Ô nhiễm do các chất phóng xạ: Trong lòng đất có một số khoáng sản và kim loại có khả năng phóng xạ gây ô nhiễm môi trường không khí xung quanh. Ô nhiễm có nguồn gốc từ vũ trụ: Trong quá trình vận động của vũ trụ có một lượng lớn các hạt vật chất nhỏ bé thâm nhập vào Trái đất gây ô nhiễm môi trường không khí được gọi là bụi vũ trụ. Nguồn gốc của loại bụi này là từ các thiên thạch, các đám mây ngũ sắc, mặt trời 3.2.2. Nguồn ô nhiễm nhân tạo Các nguồn nhân tạo gây ô nhiễm môi trường không khí bao gồm: - Nguồn ô nhiễm di động từ các hoạt động giao thông vận tải bao gồm giao thông đường bộ, đường sắt, đường thuỷ và hàng không. - Các nguồn thải cố định từ các hoạt động công nghiệp đốt nhiên liệu như than đá, dầu mỏ, khí đốt - Các quá trình sản xuất công nghiệp như sản xuất hoá chất, sản xuất vật liệu xây dựng, luyện kim và khai thác mỏ - Các nguồn ô nhiễm khác như chất đột trong sinh hoạt của con người (củi, rơm rạ, dầu, gas ), đốt chất thải, sản xuất nông nghiệp, bốc hơi từ ô nhiễm nước mặt, xây dựng công trình, gây ra cháy rừng Các nguồn ô nhiễm nhân tạo lớn nhất là do quá trình đốt nhiên liệu sinh ra và thường tập trung ở các khu đô thị, khu công nghiệp a. Nguồn ô nhiễm do các hoạt động công nghiệp Sản xuất công nghiệp hàng ngày thải ra một lượng lớn và đa dạng các khí độc hại và bụi do đốt nhiên liệu, bốc hơi, rò rỉ, tổn hao trên dây chuyền sản xuất, trên các phương tiện dẫn tải gây ô nhiễm môi trường không khí. Đặc điểm của nguồn thải này là nồng độ chất độc hại rất cao và tập trung trong khoảng không gian nhỏ dưới dạng hỗn hợp khí và hơi độc hại. Ở mỗi ngành công nghiệp, tuỳ theo qui trình công nghệ, loại nhiên liệu sử dụng, đặc điểm sản xuất, qui mô sản xuất, loại nguyên liệu và sản phẩm tạo thành mà thành phần, nồng độ các chất thải ra môi trường khác nhau. Bài giảng Kỹ thuật môi trường 47
48. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải Đối với ngành công nghiệp năng lượng, các nhà máy nhiệt điện thường sử dụng nhiên liệu là than hoặc dầu. Các ống khói, bãi than, băng tải trong nhà máy đều là nguồn gây ô nhiễm nặng cho môi trường không khí. Ví dụ: năm 1993 lượng than sử dụng cho 3 nhà máy nhiệt điện của miền Bắc của nước ta là 479.520 tấn, như vậy sẽ thải ra khí quyển 6.713 tấn khí SO2, 2.724 tấn NOx, 2.779.000 tấn CO2, 1.490,8 tấn bụi và 203.500 tấn xỉ. Hình 3.1. Các nguồn nhân tạo gây ô nhiễm môi trường không khí Ngành công nghiệp luyện kim thường thải ra nhiều bụi và các chất khí độc hại. Bụi thường có ở các công đoạn khai thác quặng, tuyển quặng, nghiền quặng, trong lò nhiệt luyện, các băng chuyền Quá trình đốt nhiên liệu, luyện gang thép, luyện đồng kẽm sinh ra các chất độc hại như CO, SO2, NOx, CuO, As và các loại bụi bẩn khác. Ngành công nghiệp hoá chất thường thải ra nhiều chất độc hại ở thể khí, đây là ngành công nghiệp để lại nhiều hậu quả xấu tới môi trường hiện nay. Các hoá chất độc hại bị rò rỉ, bay hơi, rơi vãi trong quá trình sản xuất, vận chuyển gây ô nhiễm môi trường, các nhà máy sản xuất phân bón (urê, phân lân) thải ra các loại khí độc hại như CO, CO2, NH3, SO2, hơi axit, bụi Ngành công nghiệp vật liệu xây dựng sản xuất xi măng, vôi, gạch, ngói, thuỷ tinh là nguồn gây ô nhiễm nghiêm trọng cho môi trường không khí. Khói, bụi, CO2, CO, SO2, NOx là các khí thải chủ yếu của ngành này. Ước tính hàng 3 6 3 năm, lượng khí thải phát thải: 24.10 tấn SO2; 3,5.10 tấn CO2; 3,87.10 tấn CO; 3 3 9,026.10 tấn NOx; 125.10 tấn bụi. Bài giảng Kỹ thuật môi trường 48
49. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải Ngành công nghiệp chế biến thực phẩm với đặc trưng ô nhiễm là các chất hữu cơ, hơi các chất tẩy rửa, hoá chất độc hại gây ô nhiễm môi trường không khí. Ngành cơ khí cũng gây ô nhiễm môi trường không khí nghiêm trọng với các khí thải độc hại từ sơn và đúc kim loại. Bên cạnh đó, ô nhiễm nhiệt và các khí độc hại khác do quá trình nhiệt luyện, gia công cơ khí, hàn, đúc cũng gây ô nhiễm không khí trong phân xưởng làm việc và môi trường xung quanh. b. Nguồn ô nhiễm do giao thông vận tải Ô nhiễm do giao thông vận tải gây ra cũng là một nguồn lớn. Đây là nguồn ô nhiễm rất thấp, di động phụ thuộc vào cường độ giao thông và địa hình đường đi. Bên cạnh việc đốt cháy nhiên liệu (xăng, dầu madút, than đá ) và sản sinh các khí độc hại như CO, SO2, NOx, hơi chì, tàn khói Bảng 3.1. cho thấy lượng khí độc hại do ô tô thải ra trong quá trinh vận hành. Quá trình vận hành các phương tiện giao thông đường bộ (ô tô, xe máy, máy xây dựng ) còn gây ô nhiễm bụi đất đá đối với môi trường không khí. Tàu hoả, tàu thuỷ sử dụng nhiên liệu bằng than hay xăng dầu cũng gây ô nhiễm tương tự như ô tô. Giao thông hàng không (máy bay) cũng là nguồn gây ra ô nhiễm bụi, hơi độc hại và tiếng ồn cho môi trường không khí. Bảng 3.1. Lượng khí độc hại do ô tô thải ra qui cho 1 tấn nhiên liệu tiêu thụ Lượng khí độc hại (kg/tấn nhiên liệu) Khí độc hại Động cơ máy nổ chạy xăng Động cơ diezen Cacbon dioxit CO 465,59 20,81 Hydrocacbon HC 23,28 4,16 Nitơ oxit NOx 15,83 13,01 Sunfua dioxit SO2 1,86 7,80 Aldehyt 0,93 0,78 Tổng cộng 507,49 46,56 c. Nguồn ô nhiễm do sinh hoạt của con người Nguồn ô nhiễm do sinh hoạt của con người chủ yếu là quá trình đốt nhiên liệu (củi, rơm rạ, dầu hoả, than đá, gas ) phục vụ sinh hoạt. Nguồn ô nhiễm này không lớn nhưng lại xảy ra liên tục và có thể gây ô nhiễm cục bộ trong một Bài giảng Kỹ thuật môi trường 49
50. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải không gian hẹp. Việc sử dụng than trong đun nấu phát sinh khí CO có thể gây ngộ độc đối với con người. Môi trường nước mặt quanh khu vực dân cư và đô thị bị ô nhiễm sẽ sinh ra các khí độc hại, sự phân huỷ các chất hữu cơ trong các khu vực chôn lấp rác thải sinh hoạt cũng là nguồn gây ô nhiễm môi trường không khí. Các khí ô nhiễm sinh ra từ các hoạt động trên chủ yếu là CO2, CO, CH4, H2S, urê và mùi hôi thối. Ngoài ra, nhà vệ sinh và việc sử dụng chất thải của người và động vật trong trồng trọt, chăn nuôi cũng góp phần gây ô nhiễm môi trường không khí. 3.3. Các tác nhân gây ô nhiễm không khí và tác hại của chúng Các chất gây ô nhiễm không khí thường để chỉ các phần tử bị thải vào không khí do kết quả hoạt động của con người và gây tác hại đến sức khoẻ tới con người, các hệ sinh thái và các vật liệu khác nhau. Các chất ô nhiễm nhân tạo chính trong môi trường không khí bao gồm: - Các loại oxit như: nitơ oxit (NO, NO2, NO2), SO2, CO, H2S và các loại khí halogen (clo, brom, iôt) - Các hợp chất flo. - Các chất tổng hợp (ete, benzen, acetic ). - Các chất lơ lửng (bụi rắn, bụi lỏng, bụi vi sinh vật), nitrat, sunfat, các phân tử cacbon, sol khí, muội, khói, sương mù, phấn hoa - Các loại bụi nặng, bụi đất, đá, bụi kim loại như đồng, chì, sắt, kẽm, niken, thiếc, cađimi - Khí quang hoá như ozôn, FAN, FB2N, NOX, andehyt, etylen - Các chất ô nhiễm phóng xạ, ô nhiễm nhiệt, ô nhiễm tiếng ồn. Các chất ô nhiễm sinh ra chủ yếu do quá trình đốt cháy nhiên liệu và sản xuất công nghiệp. Các tác nhân ô nhiễm không khí có thể phân thành hai dạng: dạng hơi khí và dạng phần tử nhỏ. Tuy nhiên, phần lớn các tác nhân ô nhiễm đều gây tác hại đối với sức khỏe con người (bảng 3.2.). Các chất ô nhiễm môi trường không khí được chia làm hai loại: ô nhiễm sơ cấp và ô nhiễm thứ cấp. Ví dụ: Sunfua dioxit sinh ra do đốt cháy than đó là chất ô nhiễm sơ cấp. Nó tác động trực tiếp tới đối tượng tiếp nhận. Khi nó liên kết với ôxy và nước của không khí sạch để tạo thành axit sunfuric (H2SO4) rơi Bài giảng Kỹ thuật môi trường 50
51. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải xuống đất cùng với nước mưa, làm thay đổi pH của đất và nước, tác động xấu tới nhiều động thực vật và vi sinh vật thì trở thành chất nhân ô nhiễm thứ cấp. Bảng 3.2. Tác dụng bệnh lý của một số chất khí độc hại đối với con người TT Chất khí ô nhiễm Nguồn phát sinh Tác dụng bệnh lý đối với con người 1 Andehyt Phân ly dầu, mỡ và Gây buồn phiền, cáu gắt, làm ảnh glyxerin bằng nhiệt hưởng đến bộ máy hô hấp 2 Amoniac (NH3) Sản xuất phân đạm, Gây viêm tấy đường hô hấp sơn hay thuốc nổ 3 Asen Hydrua Hàn hoặc sản xuất que Làm giảm hồng cầu trong máu, hại (AsH3) hàn có chứa asen thận, gây bệnh vàng da 4 Cacbon monoxit Ống xả ô tô, xe máy, Giảm bớt khả năng lưu chuyển ôxy (CO) khói đốt than trong máu 5 Clo (Cl) Tẩy vải sợi Gây nguy hại đến hô hấp và mắt 6 Hydro Xyanit Khói của lò sản xuất Gây tác hại đối với tế bào thần kinh, hoá chất, mạ kim loại gây đau đầu, khô họng, mờ mắt 7 Hydro Florua (HF) Tinh luyện dầu khí, Gây mệt mỏi toàn thân, viêm da, gây sản xuất phân bón, bệnh về thận và xương gốm, sứ, thuỷ tinh 8 Nitơ oxit (NOx) Ống xả ô tô, xe máy, Gây ảnh hưởng đến phổi và bộ máy hoá than hô hấp 9 Hydro sulfua (H2S) Công nghiệp hoá chất Gây mùi trứng thối gây buồn nôn, và tinh luyện nhiên gây kích thích mắt và họng liệu có nhựa đường 10 Sunfua dioxyt Quá trình đốt than và Gây tức ngực, đau đầu, nôn mửa (SO2) dầu khí 11 Tro, muội, khói Từ lò đốt của các Đau mắt và có thể gây bệnh ung thư ngành công nghiệp Cũng có những trường hợp các chất không gây ô nhiễm liên kết quang hoá với nhau để tạo thành tác nhân ô nhiễm thứ cấp mới, gây tác động xấu. Cơ thể sinh vật phản ứng đối với các tác nhân ô nhiễm phụ thuộc vào nồng độ ô nhiễm và thời gian tiếp xúc với chất ô nhiễm. Các khí ô nhiễm nhân tạo nguy hiểm đối với sức khoẻ con người và khí quyển trái đất, dưới đây là một số chất điển hình: Bài giảng Kỹ thuật môi trường 51
52. Lương Sỹ Nam Trường Đại học Giao thông vận tải a. Cacbon dioxit (CO2): với hàm lượng 0,03% trong khí quyển là nguyên liệu cho quá trình quang hợp để sản xuất năng suất sinh học sơ cấp ở thực vật. Lượng CO2 sản sinh một cách tự nhiên cân bằng với lượng CO2 được sử dụng cho quang hợp. Việc đốt quá nhiều nhiên liệu hoá thạch và phá rừng đã làm tăng lượng CO2 trên trái đất, gây tác động xấu tới khí hậu toàn cầu. b. Sunfua dioxit (SO2): là chất gây ô nhiễm không khí có nồng độ thấp trong khí quyển, tập trung chủ yếu ở tầng đối lưu. SO2 sinh ra do hoạt động của núi lửa, do đốt nhiên liệu than, dầu, khí đốt, sinh khối thực vật, quặng sunfua, SO2 rất độc hại đối với sức khoẻ của người và sinh vật, gây ra các bệnh về phổi khí phế quản. SO2 trong không khí khi gặp oxy và nước tạo thành axit, tập trung trong nước mưa gây ra hiện tượng mưa axit. Mưa axit có tác động xấu tới hệ sinh thái rừng và các thảm thực vật khác, ăn mòn kim loại, tác động xấu tới các vật liệu, công trình xây dựng c. Cacbon monoxit (CO): được hình thành do việc đốt cháy không hết nhiên liệu hoá thạch như than, dầu, một số chất hữu cơ và khí thải từ các động cơ xe máy. Hàng năm trên toàn cầu sản sinh khoảng 600 triệu tấn CO. Đây là chất khí không độc với thực vật nhưng lại rất độc hại với người và động vật, nó tác dụng mạnh với Hemoglobin, tạo thành cacboxyhemoglobin và ngăn ôxy kết hợp với Hemoglobin, làm mất khả năng vận chuyển oxy của máu. Ở nồng độ thấp, thường gây đau đầu, chóng mặt và rối loạn cảm giác, ở nồng độ khoảng 250 ppm sẽ gây tử vong đối với con người. d. Nitơ oxit (NOx): phát sinh chủ yếu từ việc đốt nhiên liệu than, dầu, khí đốt, sinh khối thực vật. Các Nitơ oxit gây các tác hại đối với hệ hô hấp của con người. Ví dụ: ở nồng độ 500 ppm, NO2 có thể gây chết người trong vòng 48 giờ. Các Nitơ oxit cũng là nguyên nhân của các trận "mưa axít", gây ra các tác hại tới đời sống, sinh hoạt của các động thực vật và con người. e. Clorofluorocacbon (CFC): là những hoá chất do con người tổng hợp để sử dụng trong nhiều ngành công nghiệp và từ đó xâm nhập vào khí quyển. Chúng tồn tại cả ở dạng sol khí và không sol khí làm tổn hại tầng ôzôn bảo vệ trái đất. Khi CFC đạt tới thượng tầng khí quyển chúng sẽ được các tia cực tím phân huỷ. Tốc độ phân huỷ CFC sẽ rất nhanh nếu tầng ôzôn bị tổn thương và các bức xạ cực tím tới được những tầng khí quyển thấp hơn. f. Metan (CH4): Metan là một loại khí gây hiệu ứng nhà kính. Nó được sinh ra từ các quá trình sinh học như sự men, sự phân giải kỵ khí ở đất ngập nước, ruộng lúa, cháy rừng và đốt nhiên liệu hoá thạch. CH4 thúc đẩy sự ôxy hoá hơi nước ở tầng bình lưu. Sự gia tăng hơi nước gây hiệu ứng nhà kính mạnh hơn Bài giảng Kỹ thuật môi trường 52