Quy trình làm sạch biển diễn ra như thế nào?

Trong tháng 4/2016, tại ven biển 04 tỉnh miền Trung Việt Nam (Hà Tĩnh, Quảng Bình, Quảng Trị, Thừa Thiên Huế) xảy ra sự cố môi trường nghiêm trọng, làm hải sản chết bất thường, gây thiệt hại lớn về kinh tế - xã hội, môi trường biển; ảnh hưởng xấu đến đời sống người dân, an ninh, trật tự an toàn xã hội.

Ngày 28/6/2016, Công ty Formosa Hà Tĩnh đã nhận trách nhiệm về việc gây ra sự cố môi trường, làm hải sản chết hàng loạt tại 04 tỉnh từ Hà Tĩnh đến Thừa Thiên Huế trong thời gian vừa qua; đồng thời cam kết công khai xin lỗi Chính phủ và nhân dân Việt Nam đồng thời thực hiện việc bồi thường thiệt hại kinh tế cho người dân, bồi thường xử lý ô nhiễm và phục hồi môi trường biển với tổng số tiền tương đương trên 11.500 tỷ đồng (500 triệu USD).

Công ty Formosa xả thải độc tại Vũng Áng - Cá chết dọc biển Miền Trung

Chắc chắn rằng vùng biển Việt Nam sẽ mất một khoảng thời gian không nhỏ để có thể phục hồi trở lại. 

Ngoài việc khắc phục ô nhiễm của con người thì tự bản thân đại dương cũng có thể làm sạch nhưng sẽ mất rất nhiều thời gian và phụ thuộc vào nhiều yếu tố. 

Tự làm sạch được hiểu là tập hợp các quá trình vật lý, hóa học, vi sinh học và thủy sinh học gây nên sự phân hủy các chất ô nhiễm và dẫn đến phục hồi các đặc trưng tự nhiên của nước biển vốn có ở trạng thái không ô nhiễm.

Tương tự, theo Tiêu chuẩn Nhà nước của Liên Xô 17403–72, “tự làm sạch” là tập hợp tất cả những quá trình tự nhiên trong nước ô nhiễm hướng tới phục hồi các tính chất và thành phần nguyên sinh của nước.

Khả năng tự làm sạch của nước biển phụ thuộc vào nhiều yếu tố, trước hết là các yếu tố vật lý, lý － hóa, sinh － hóa và sinh học. Các nhân tố thủy động lực về thực chất tuy không phải là các yếu tố tự làm sạch, nhưng có khả năng đẩy nhanh hoặc ngăn cản quá trình tự làm sạch.

Nhân tố chính của quá trình tự làm sạch nước tự nhiên khỏi tập hợp các chất ô nhiễm hữu cơ là hoạt động sống của các vi sinh vật, có khả năng biến đổi các chất hữu cơ và chuyển hóa chúng về trạng thái khoáng.

Sau đây là những cơ chế tự làm sạch nước khỏi một số nhóm chất hữu cơ, khi các tác động sinh hóa biểu lộ rõ nhất.

Sự phân hủy dầu trong biển

Vai trò quan trọng trong quá trình phá hủy các váng dầu thuộc về sự bay hơi. Các hyđrô cacbua với mạch dài các nguyên tử cacbon trong phân tử dưới C15 (nhiệt độ sôi tới 250°C) bốc hơi từ mặt nước trong 10 ngày, các hyđrô cacbua trong dải C15 – C25 (250–400 °C) bị giữ lại lâu hơn nhiều, còn nhóm nặng hơn C25 thực tế không bốc hơi.

Nói chung, riêng sự bay hơi có thể loại trừ tới 50 % các hyđrô cacbua của dầu thô, tới 10 % dầu nặng và tới 75 % dầu nhiên liệu nhẹ (Mikhailov, 1985).

Chúng ta còn chưa biết chính xác về tương quan của tất cả các nhân tố có khả năng loại bỏ dầu từ môi trường biển. Tuy nhiên, đã xác định được rằng chính hoạt động của vi sinh vật quyết định số phận cuối cùng của dầu trong biển.

Những vi sinh vật có khả năng sử dụng các hyđrô cacbua làm nguồn cácbon và năng lượng duy nhất, đóng vai chính trong việc phân hủy các hyđrô cacbua dầu. Sự ôxy hóa các hyđrô cacbua diễn ra do các phản ứng lên men theo sơ đồ:

R . CH2CH3 + coenzim khử →

→ R . CH2CH2OH + coenzim ôxy hóa.

Các vi khuẩn giống Mycobacterium và Arthrobacter (khớp) có khả năng ôxy hóa cao các hyđrô cacbua béo và sản phẩm dầu. Trong điều kiện phòng thí nghiệm, chúng ôxy hóa đến 50–80 % dầu tuỳ theo nòi vi khuẩn và thành phần dầu. Sự tăng độ muối thường không cản trở sự phát triển của các loài vi khuẩn này (Gusev, Coronelli, Sensova, 1985).

Ô nhiễm nguồn nước gây nhiều bệnh nguy hiểm

Ở các vùng nước ô nhiễm, bên cạnh những vi sinh vật ôxy hóa được hyđrô cacbua, còn rất nhiều loài vi khuẩn phân hủy được lipit, protolithic, ôxy hóa phenol, khử nitơ và các loài khác. Và càng có nhiều loài trong quần thể, thì càng có nhiều men làm chất xúc tác cho quá trình ôxy hóa các chất hữu cơ khác nhau.

Những nhân tố môi trường có tác động đẩy nhanh hay làm chậm các quá trình ôxy hóa hyđrô cacbua dầu trong biển bởi vi sinh vật. Người ta tính được rằng, để ôxy hóa hoàn toàn 1 lít dầu cần 3300 gam ôxy. Vì vậy, hyđrô cacbua dầu sẽ bị ôxy hóa nhanh hơn trong điều kiện nước bão hoà ôxy, và điều kiện thuận lợi nhất hình thành tại ranh giới biển － khí quyển.

Để làm tăng quần thể vi thực vật ôxy hóa hyđrô cacbua, cần có nguồn các hợp chất vô cơ của nitơ và photpho, vì vậy, làm giàu nước bằng các dưỡng chất sẽ đẩy nhanh quá trình ôxy hóa vi khuẩn các hyđrô cacbua dầu.

Quy mô tổng quát phân hủy sinh học dầu trong biển được đánh giá từ các dữ liệu sau. Thí dụ, ở biển Caspi, tốc độ tiêu thụ dầu của các vi sinh vật Pseudomonas và Mycobacterium, bị cách biệt khỏi các lớp mặt vi mỏng, bằng 0,7–30 mg/(l.ngày) tại nhiệt độ 22–24 °C. Quần cư vi khuẩn hỗn hợp sau một ngày phá hủy 160 mg dầu chứa trong 1 l. Với chế độ nhiệt và khí tối ưu, tốc độ ôxy hóa hyđrô cacbua dầu bởi vi khuẩn đạt 2,5 mg/m2 trong một ngày, hay 240 mg/m2 một mùa dinh dưỡng. Trong toàn biển sẽ có con số 9000 tấn trong mùa hè. Theo các kết quả nghiên cứu biển Bantich (Shưban, 1976), lượng dầu phân hủy riêng, tính cho các vi khuẩn nổi, bằng (1,2–5).10-10 mg/giờ. Từ đây, sau khi chuyển sang tổng lượng vi khuẩn, có kể đến thời gian sinh ra chúng, ta được, qua một mùa hè, vi khuẩn nổi ở biển Bantich khoáng hóa được 3–12 mg dầu từ 1 m2 mặt biển, hay nói chung từ toàn biển là 1200–5000 tấn.

Sự phân hủy sinh học các chất tẩy tổng hợp

Theo mức bền vững đối với sự ôxy hóa sinh hóa trong nước, tất cả các chất tẩy được chia thành loại mềm và loại cứng. Trong đó, loại mềm bao gồm các alkilsulphat và alkilsulphonat, 50 % chúng bị phân hủy trong vòng một số ngày. Còn loại cứng bao gồm các alkilbenzolsulphonat, các chất không tạo ion và các chất hoạt hóa kation, để phân hủy cần đến hai tháng và hơn nữa.

Giai đoạn thứ nhất của sự phân nhánh các alkilsulphonat là thủy phân đơn giản, tạo thành cồn và axit lưu huỳnh. Cồn dễ bị ôxy hóa bằng nhiều vi khuẩn đến axit cacbon và nước.

Mức ôxy hóa sinh hóa các alkilbenzolsulphonat phụ thuộc vào độ dài và đặc điểm của nhóm alkil nhánh và các tính chất của nguyên tử cacbon, liên kết vòng benzol với nhóm alkil. Các chất alkilbenzol-sulphonat với những mạch alkil dài không rẽ nhánh bị ô xy hóa nhanh hơn so với các mạch ngắn không rẽ nhánh.

Như có thể mong đợi, tốc độ tự làm sạch nước tự nhiên khỏi các chất tẩy được quy định bởi nhiều yếu tố: cấu tạo hóa học của chất tẩy, nồng độ ban đầu của chúng, độ muối, nhiệt độ, pH, hàm lượng ôxy hoà tan và sự có mặt các chất ô nhiễm khác trong nước.

Bãi biển rực sáng vì sinh vật phù du phát quang

Sự phân hủy các chất tẩy trong nước biển chủ yếu là do các vi sinh vật. Những nhân tố quyết định trong quá trình này là nhiệt độ nước và các đặc điểm chế độ thủy hóa. Đồng thời sự tiêu hủy các chất tẩy từ nước tự nhiên cũng diễn ra nhanh hơn nhờ các quá trình hấp phụ, bởi vì gần 20 % khối lượng chất tẩy hoà tan trong nước bị hấp phụ bởi các chất lơ lửng và đi vào bùn trong quá trình lắng đọng trầm tích. Tại các vùng nước nông, các chất tẩy bị hấp phụ có thể là nguồn ô nhiễm thứ sinh của môi trường nước.

Sự tự làm sạch khỏi các chất phenol

Tùy thuộc vào bản chất hóa học của các phenol, quá trình ôxy hóa chúng có thể diễn ra bằng con đường sinh hóa và lý hóa.

Ôxy hóa sinh hóa được thực hiện dưới tác động của các men do các vi sinh vật tiết ra. Trong quá trình tách các phân tử phenol, có sự tham gia của các men loại sinh ôxy và loại chuyển hóa ôxy.

Để tạo ra các men, có tác dụng xúc tác tách vòng thơm (men cảm ứng), thì quá trình thích nghi vi sinh vật với ô nhiễm phenol là rất quan trọng. Những vi thực vật như vậy sẽ xuất hiện ở những nơi nước thường xuyên bị ô nhiễm phenol.

Cá nục thường bị nhiễm chất phenol

Trong điều kiện tự nhiên, tất cả các quá trình ôxy hóa các phenol xảy ra đồng thời, bổ sung và phát triển lẫn nhau. Trong đó sự ôxy hóa phenol đi kèm theo với các phản ứng ngưng tụ và trùng hợp tạo thành axit humin.

Tốc độ phân hủy phenol tăng mạnh khi thêm vào nước các chất dinh dưỡng (các photphat và muối kim loại). Điều này chứng tỏ về sự tăng số lượng vi thực vật tích cực sử dụng phenol trong trường hợp đủ chất dinh dưỡng.

Sự tồn tại ô nhiễm dầu làm chậm quá trình phân hủy phenol, bởi vì trong quá trình phân hủy sinh học các hyđrô cacbua dầu tạo thành các phenol tự tạo, làm tăng mức ô nhiễm chung. Ngược lại, các chất hữu cơ (đạm, mỡ, cacbon), có mặt trong nước thải sinh hoạt và công nghiệp, làm tăng tốc độ phân hủy phenol.

Sự phân hủy sinh học các chất poli-hyđrô cacbua thơm

Phân hủy các chất gây ung thư trong môi trường nước có thể xảy ra dưới tác động của các nhân tố lý hóa của sinh cảnh và các sinh vật.

Những phân tử của các hyđrô cacbua thơm vòng kín (PAH) có độ bền vững lớn đối với sự ôxy hóa nhờ độ vững chắc nâng cao của các mối liên hệ nội phân tử do sự liên hợp π－electron trong các vòng thơm. Do nồng độ PAH trong nước rất thấp, nên quá trình chúng tự ôxy hóa chỉ diễn ra rất chậm, nhưng vì trong nước có ôxy, các vết tích O3 và H2O2, tác động của tia bức xạ cực tím nên xuất hiện quá trình ôxy hóa quang học, tác động hiệu quả hơn khoảng 10 lần so với quá trình tự ôxy hóa.

Trong biển, vai trò của ôxy hóa vi sinh đối với benzapiren (BP) rất quan trọng. Các công trình khảo sát trên biển Baltic đã phát hiện ra sự phong phú về các loài vi sinh vật có khả năng chịu đựng được BP, với số lượng từ vài chục đến hàng nghìn tế bào trong 1 ml nước. Hàm lượng lớn nhất của chúng được xác định ở các lớp sát mặt và lớp nửa mét bên trên của biển.

Trong các thí nghiệm mô hình in situ kèm theo phân tích hóa học sau đó, đã nhận được: tốc độ phá hủy BP bởi vi khuẩn bằng 2,3–5,5 μg/l sau 10 ngày, tức chịu phân hủy sinh học khoảng 10–20 %. Nếu có mặt glucoza, phân hủy BP đạt 45 %. Điều này nói lên khả năng đồng ôxy hóa BP cùng với các chất hữu cơ khác.

Sự kết vón sinh học các chất ô nhiễm

Các quá trình bẫy sinh học, tích tụ sinh học và kết vón sinh học các chất ô nhiễm liên quan mật thiết với cường độ của quá trình quang hợp và truyền thức ăn theo các khâu của mạng dinh dưỡng. Tập hợp các quá trình này đảm bảo sự tích tụ những chất độc hại trong sinh quần, sự lưu chuyển trong các hệ sinh thái và loại bỏ một phần vào trầm tích đáy.

Theo những quan niệm hiện đại, gần 50 % chất hữu cơ tổng hợp cùng với các chất độc bị loại khỏi tầng giàu ánh sáng. Tùy thuộc độ sâu, 2–10% khối lượng vật liệu này đạt tới đáy, phần còn lại khoáng hóa trong các lớp nước và lại bị cuốn hút vào các chu trình sinh địa hóa.

Với tư cách thí dụ, có thể xét sự kết vón sinh học các kim loại nặng. Ước lượng dòng các kim loại với chất lơ lửng dinh dưỡng từ lớp 0–400 m dẫn trong bảng 4.5.

Bảng tốc độ gia nhập và loại bỏ một số kim loại (tấn/năm) tại độ sâu 400 m và tốc độ tích tụ chúng trong trầm tích đáy Đại dương Thế giới (Izrael, Shiban, 1985)

Mặc dù tính chất gần đúng của các dữ liệu hiện có, thấy rằng khối lượng kim loại do chất lơ lửng mang đi khỏi lớp hoạt động đại dương nhỏ hơn nhiều so với khối lượng nhập vào đại dương từ các nguồn tự nhiên và nhân tạo.

Điều này chứng tỏ về xu hướng tích tụ kim loại trong các khối nước đại dương và, như hệ quả, về tăng cường liên tục dòng kim loại cùng với vật liệu trầm tích đi xuống các lớp trầm tích đáy. Thí dụ, ở lòng chảo Santa – Barbara gần bờ Caliphocnia, tại độ sâu 580 m, hàm lượng thủy ngân trong trầm tích đáy tạo thành sau năm 1960 gần hai lần lớn hơn hàm lượng trong trầm tích đáy đã tích lũy được cho đến năm 1920 (Gerlax, 1985).

Minh Minh (TH)