Bài giảng Sinh thái học công nghiệp - Chương 2: Các chu trình sinh địa hóa học

các ngành và trong đời sống hàng ngày (Hình 2.14 ). Sản xuất, sử dụng, thải bỏ tất cả những hợp chất đó đều gây ô nhiễm hoặc cho đất, hoặc cho môi tr−ờng n−ớc, và không khí cũng nh− cho động, thực vật. Hình 2.14. Các sản phẩm dẫn xuất của dầu mỏ Những hợp chất hữu cơ bay hơi: Nói một cách đơn giản, những hợp chất hữu cơ bay hơi là những chất gây ô nhiễm thu hút sự chú ý của nhà lập pháp. Các chất này đ−ợc dùng chủ yếu làm nhiên liệu, dung môi hòa tan các sản phẩm để khuyếch tán ra môi tr−ờng (nh− trong công việc in) những chất dẫn xuất cacbua hydro. Hoá học dầu mỏ và khí thiên nhiên Etyle Propylen Các hợp chất trung gian Butadien Benzen Toluen Xylennyle n Amoniac Các phản ứng chính - - Sợi tổng hợp - - Cao su - - Chất dẻo - - Các dung môi - - Phân bón Các sản phẩm khác - - Thuốc trừ sâu, diệt nấm, diệt côn trùng - - Chắt mầu - - D−ợc phẩm - - Chất thơm - - Chất chống keo tụ Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp Ch−ơng 2: Các chu trình sinh địa hoá học ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−ời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái – Viện Khoa học &KTMT - Đại học Xây dựng 29 Các ph−ơng tiện giao thông vận tải sản sinh ra ở Pháp khoảng 1 triệu tấn chất hữu cơ bay hơi hàng năm, phân bố nh− sau: - Khí xả (khoảng 82%) - Khí bay hơi (các bồn chứa và chế hòa khí) khoảng 14% - Nạp các bồn chứa, khoảng 3%. - Các ph−ơng tiện vận tải ngoài đ−ờng bộ khoảng 1%. Các dung môi có trong các loại sơn và vecni đều bay hơi ngay trong khi sử dụng, chiếm gần nửa tổng l−ợng các dung môi bay hơi. Các loại sơn mỗi năm sinh ra khoảng 300.000 tấn dung môi tỏa vào khí quyển. Vì vậy ng−ời ta hiểu rất rõ lợi ích của việc dùng các loại sơn không dung môi hữu cơ (sơn n−ớc) và tầm quan trọng, về ph−ơng diện sinh thái, của những thiết bị hút, tái sinh dung môi trong các xí nghiệp sơn. Cùng tồn tại những nguồn chất hữu cơ bay hơi quan trọng khác. Những nhà máy in sinh ra khoảng 30.000 tấn/năm; việc tinh chế và cất trữ cacbuahydro 45.000 tấn/năm và sự cháy không hết ở các lò s−ởi gia dụng hay công cộng ở đô thị. Những chất cacbua hydro gây hậu quả đối với môi tr−ờng, thuộc về các hợp chất cacbua hydro thơm và cacbua hydro thơm nhiều vòng, bao gồm tất cả những hợp chất bay hơi chứa một vòng trong phân tử (benzen, phenol, naphtalin...). Có hai hậu quả đối với môi tr−ờng là: - Nh−ng hậu quả gây độc hại (rối loạn di truyền, ung th−) đối với ng−ời và động vật. - Giữ vai trò quan trọng trong sự hình thành s−ơng mù gây oxy hóa. Những chất này can thiệp vào chuỗi phản ứng hóa học dẫn tới sự tạo thành s−ơng mù d−ới dạng peroxyaxetyl nitrat (PAN). Những sản phẩm khác của Hóa dầu: Cùng với những hợp chất hữu cơ bay hơi, các sản phẩm dầu mỏ khác cũng có một tác động quan trọng lên môi tr−ờng. Đó là các loại chất dẻo, PCB, các chất tẩy rửa, các loại thuốc trừ sâu, các loại phenol... Ta hãy xem xét tr−ờng hợp các loại thuốc trừ sâu làm ví dụ. Thuốc trừ sâu chiếm một vị trí độc đáo trong số những chất gây ô nhiễm môi tr−ờng. Ng−ợc lại với những chất gây ô nhiễm khác nh− thuốc trừ sâu đ−ợc con ng−ời sử dụng để diệt một số loài sâu hại. Diện tích đất bị các loại hoá chất này rải lên trên trái đất là khá lớn (ở n−ớc Pháp 39% lãnh thổ bị rải). 2.3. Chu trình nitơ và những rối loạn vận hành 2.3.1. Sự chuyển hoá của Nitơ Khí nitơ (N2) là một loại khí không màu, không mùi, là thành phần cấu tạo chủ yếu của khí quyển, chiếm tới 3/4 thể tích. Về phía địa quyển và thuỷ quyển: tầm quan trọng đính tính không đáng kể. Vai trò của N ở đây luôn luôn là chủ yếu, bởi vì nó là thành phần cấu tạo cơ bản của vật chất sống: các prôtêin, axit nuclêic,v.v.. Những sự trao đổi phức tạp và thuận nghịch xảy ra liên tục giữa thể khí (N2), thể vô cơ (ion ammon NH4 +, nitrit NO2 - và nitrat (NO3 -) và những thể hữu cơ (protein) phân tử lớn và vi phân tử. Chu trình sinh-địa-hóa học của N là tập hợp của những sự chuyển hóa đó. Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp Ch−ơng 2: Các chu trình sinh địa hoá học ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−ời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái – Viện Khoa học &KTMT - Đại học Xây dựng 30 Khí Nitơ của khí quyển chỉ có thể bị đồng hóa trực tiếp bởi một số hạn chế sinh vật. Do đó, sự can thiệp của những sinh vật này trong chu trình N là cơ bản. Chu trình đó đ−ợc đặc tr−ng bởi một sự phân biệt thứ bậc rất cao. Hoạt động của các sinh vật chủ yếu là chuyển hóa nitơ khí quyển thành dạng NH4 + và NO3 -, những chất này ở trong đất sẽ bị thực vật (có diệp lục hay không) hấp thu và sau đó sẽ kết hợp thành N trong các phân tử hữu cơ (protein chẳng hạn). Động vật không thể tổng hợp, nh−ng ăn các loài thực vật có đạm hữu cơ, chủ yếu là d−ới dạng protein. Quá trình vô cơ hoá các chất phế thải ( dây chuyền của các nhân tố phân giải): Các sinh vật chết hay không đ−ợc dùng đến (thực vật và động vật) và cả những chất thải của chúng đều là đối t−ợng của một quá trình phức tạp làm cho nitơ hữu cơ trở lại khí quyển d−ới dạng khí N2. Quá trình này đ−ợc gọi là quá trình vô cơ hoá. Đôi khi một l−ợng không nhỏ N có thể bị rửa trôi d−ới dạng nitrat hoặc chất hữu cơ hoà tan. Những hợp chất đó bị các dòng sông cuốn đi, ra các đại d−ơng sẽ bị tụ lại trong lớp trầm tích sâu (sự hình thành của các mỏ) và một phần bị lấy đi do những dây chuyền thực phẩm của thực vật thuỷ sinh và các loài chim ( tr−ờng hợp phân bón gốc động vật, phân động vật đã từ lâu đ−ợc coi là nguồn phân bón có đạm duy nhất). Quá trình rửa trôi đó cũng là nguồn gốc của quá trình ô nhiễm làm chúng ta phải quan tâm nhiều trong thời gian hiện tại, do quá trình tích tụ các nitrat, chủ yếu là nitrat trong n−ớc dùng để sinh hoạt và trong một số thức ăn (đặc biệt là rau). 2.3.2. Những rối loạn chức năng của chu trình Ni tơ Rối loạn do các quá trình sản xuất các sản phẩm ch−úa ni tơ Sự rối loạn chính liên quan trực tiếp với sự tăng lên của các dạng ammon, nitrat và nitrit trong những môi tr−ờng thuỷ sinh, đều đ−ợc thể hiện bằng những rối loạn sinh thái xảy ra ở nơi tiếp nhận các chất đó và bằng những sự cố độc hại đối với ng−ời và độc vật qua n−ớc uống. Đầu vào của nitơ ở Pháp (Mt/năm) đ−ợc thể hiện ở Hình 2.15. Sự rối loạn vận hành thứ hai không liên quan trực tiếp với chu trình trong bộ phận sống nh−ng cũng không kém phần rất quan trọng. Đó là sự nảy sinh khối l−ợng lớn, d−ới dạng khí, những oxyt nitric (những khí kiểu NOx), gắn liền với quá trình đốt cháy (s−ởi, giao thông bằng ô tô và đ−ờng không, sản xuất năng l−ợng, thiêu huỷ rác v.v..) và một số sản xuất công nghiệp. Trong mọi tr−ờng hợp, chính việc sử dụng không khí (80% là N) nh− một chất đốt (20% oxy) là nguyên nhân sản sinh ra oxyt nitric ở nhiệt độ cao. Hiện t−ợng đó tham gia vào các trận m−a axit, sản sinh ra các chất gây oxy hoá quang hoá học độc hại và là một trong những nguyên nhân làm biến mất ôzôn của khí quyển. 1 Chất thải của ng−ời 0,25 – 0,3 Mt/năm Từ khí quyển 0,5 Mt/năm Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp Ch−ơng 2: Các chu trình sinh địa hoá học ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−ời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái – Viện Khoa học &KTMT - Đại học Xây dựng 31 2 3 Cố định bởi vi khuẩn họ đậu 1,3 Mt/năm 4 Phânđộng vật 2,0 Mt/năm 5 Phân bón công nghiệp 2,6 Mt/năm 6 Vô cơ hoá các chất hữu cơ trong đất 3,0 Mt/năm Tổng số : 9,7 Mt/năm Hình 2.15. Đầu vào của nitơ ở Pháp (Mt/năm) Ng−ời ta đã −ớc l−ợng đầu vào hàng năm của nitơ ở Pháp, với những con số (tính bằng tấn/năm) sau đây: 1. Những chất thải của ng−ời: 0,25 - 0,3 Mt/năm 2. Từ khí quyển trở lại: 0,5 Mt/năm 3. Do thực vật cố định: 1,3 Mt/năm 4. Chất thải động vật: 2,0 Mt/năm 5. Phân bón công nghiệp: 2,6 Mt/năm 6. Vô cơ hoá của các chất hữu cơ trong đất: 3,0 Mt/năm Tổng cộng: 9,7 Mt/năm Nitơ chiếm một vị trí quan trọng trong số những phần tử làm tốt đất cần thiết cho sự tăng tr−ởng của thực vật. Nitơ chiếm 2% khối l−ợng trong vật chất khô của một cây, sau khi đã loại bỏ những phần tử có nguồn gốc từ n−ớc vá không khí (C: 42%; H: 6%; O: 44%). Phân đạm là loại phân đ−ợc sản xuất nhiều trong công nghiệp: - Sản l−ợng toàn cầu hàng năm phân đạm, photphat và kali: 140 triệu tấn (tính bằng phần tử hiệu dụng), tức là 340 triệu tân sản phẩm hoá học (nếu tính cả các phụ gia và tạp chất kèm theo). - Sản l−ợng toàn cầu hàng năm riêng phân bón đạm: 80 triệu tấn (tính bằng hàm l−ợng đạm); - Những loại phân đạm chính (theo thứ tự tầm quan trọng giảm dần) bao gồm : Ammnonitrat ( NH4NO3) ; Dung dịch urê, nitrat ammon; Sunphat ammon -(NH4)2SO4; Ammoniac d−ới dạng dung dịch lỏng. Hoạt động sản xuất công nghiệp các sản phẩm của Ni tơ gây hậu quả môi tr−ờng sau: Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp Ch−ơng 2: Các chu trình sinh địa hoá học ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−ời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái – Viện Khoa học &KTMT - Đại học Xây dựng 32 - Đ−a vào chu trình nitơ tự nhiên một l−ợng rất lớn nitrat và các dạng sản phẩm chứa nitơ khác. - Tiêu thụ năng l−ợng (kèm theo là gây ô nhiễm) của các đơn vị công nghiệp khác nhau. - Tiêu thụ, với tính cách nguyên liệu, các sản phẩm mỏ nh− khí thiên nhiên, than, hay naphta (dầu mỏ nhẹ). - Sử dụng, kèm theo là tái sinh hay hủy bỏ, các chất xúc tác, th−ờng là kim loại. - Sản sinh ra các sản phẩm phụ, đặc biệt là n−ớc thải chứa khí nh− oxyt nitric, đều là những chất gây ô nhiễm khí quyển. - Sử dụng một l−ợng n−ớc lớn, đặc biệt là n−ớc để làm nguội thiết bị. Cần nhấn mạnh rằng, hiện nay chúng ta đang cố gắng h−ớng tới tối −u hóa các ph−ơng pháp sản xuất (năng l−ợng, hiệu suất hóa học) và xử lý ô nhiễm công nghiệp. Đó là cái giá phải trả đối với những cộng đồng ng−ời muốn thúc đẩy năng lực sản xuất l−ơng thực, thực phẩm. Rối loạn do các loại chất thải của động vật: Sự tập trung chăn nuôi, sự tăng số l−ợng, sự phát triển những ph−ơng thức v−ợt mức đặt ra những vấn đề cho quản lý các chất phế thải của quần thể súc vật do có sự xảy ra mất cân đối giữa chăn nuôi và nông nghiệp, vốn th−ờng đảm bảo rất tốt chu trình tái tạo. Thí dụ nh− nửa đàn bò chăn nuôi ở Pháp tập trung ở vùng Bretagne. Bảng 2.1. Chăn nuôi (tính bằng triệu đầu gia súc) Toàn n−ớc Pháp L−u vực Loire-Bretagne Bretagne Bò 21,2 10 2,6 Lợn 12,2 8,2 6,2 Gia cầm 240 157 89 Các loại phân gia súc gia cầm có giá trị hiển nhiên đối với nông nghiệp do chứa hàm l−ợng cao nitơ, photphat, và kali. Bảng 2.2. Giá trị đối với nông nghiệp của phân súc vật Chất thải Hàm l−ợng tính bằng đơn vị chất có giá trị bón trong phân gia súc Nitơ (N) Photpho (P2O5) Kali (K2O) Phân bò (kg/t) 5,5 3,5 8,0 N−ớc phân chuồng bò (kg/m3) 4,5 2,0 5,5 N−ớc phân chuồng lợn (kh/m3) 5,5 4,5 3,0 Chúng ta đã thấy xuất hiện từ đây những sự rối loạn vận hành một mặt liên quan tới sự dùng phân bón thâm canh, d−ới dạng nitrat, chất này không sử dụng hết trong quá trình sinh tr−ởng của thực vật và do đó bị phân tán trong môi tr−ờng n−ớc sau khi bị rửa trôi và mặt khác, do sự tích tụ trong môi tr−ờng thiên nhiên những l−ợng lớn chất phế thải hữu cơ có đạm ở nơi chăn nuôi công nghiệp và nơi n−ớc cống thải từ đô thị thu gom lại. Rối loạn do các loại n−ớc thải đô thị và công nghiệp : Đối với n−ớc thải đô thị, nh− trong tr−ờng hợp ở Pháp , ng−ời ta −ớc l−ợng khoảng 51% phần gây ô nhiễm đ−ợc thực chuyển đến Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp Ch−ơng 2: Các chu trình sinh địa hoá học ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−ời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái – Viện Khoa học &KTMT - Đại học Xây dựng 33 những trạm làm sạch. Nếu ng−ời ta chấp nhận rằng hiệu quả toàn bộ của các trạm lọc là 69% thì tỷ lệ n−ớc thải đ−ợc xử lý chỉ là 35%. N−ớc đã qua sử dụng ở đô thị hay từ các ngành công nghiệp nh− chế biến thực phẩm mang theo những chất ô nhiễm phân giải đ−ợc bởi sinh vật. Một trong những đặc điểm của các trạm xử lý n−ớc thải và hầu hết những điều kiện của việc hoạt động của chúng ta chủ yếu chỉ loại bỏ ô nhiễm có cacbon và không động chạm tới những hợp chất có ni tơ và photpho của chất ô nhiễm phân giải sinh vật. Đây chính là nguồn gốc của một quá trình mang đi một số lớn nitơ vàphotpho đ−a vào những môi tr−ờng thủy sinh. Những sự cố ô nhiễm n−ớc mặt (sông, hồ...), n−ớc d−ới mặt đất đặc biệt dễ nhiễm bẩn là những nguồn hình thành nên nguồn dự trữ quan trọng n−ớc sinh hoạt và cả n−ớc mạch ở sâu. Những mạch n−ớc ngầm ở sâu mặc dầu đ−ợc lớp địa chất che chở, phục hồi một cách rất chậm và do đó rất nhanh chóng trở nên không dùng đ−ợc trong tr−ờng hợp bị ô nhiễm. Những phát thải tự nhiên và phát thải liên quan đến hoạt động của con ng−ời đ−ợc thể hiện ở Bảng 2.3. Bảng 2.3. Những phát thải tự nhiên và phát thải liên quan đến hoạt động của con ng−ời Hợp chất Các phát thải thiên nhiên trên thế giới (triệu tấn/năm) Những phát thải liên quan đến hoạt động của ng−ời (triệu tấn/năm) Dioxyt l−u huỳnh (SO2) 50-130 100 oxyt nitơ (NOx) 3-25 20-50 Dioxyt cacbon (CO2) 200.000 5.500 Metan (CH4) 180 360 Chì (Pb) 0,019 0,33 Một đặc tr−ng của các chất thải đó là có nhiều phản ứng lẫn nhau và với các thành phần của không khí (oxy) và d−ới tác dụng của tia mặt trời. Những sự rối loạn sinh ra cho những chu trình thiên nhiên do các ô nhiễm đó có thể thấy ở quy mô khác nhau trong không gian (địa ph−ơng, vùng, toàn cầu) và trong khuôn khổ thời gian khác nhau (giờ, ngày, năm). Điều đó giải thích sự lẫn lộn th−ờng xảy ra trong việc xác định các rủi ro. 2.3.Các chu trình khác: Chu trình l−u huỳnh ( Hình 2.16) : Trong chu trình này, các hợp chất hữu cơ chứa l−u huỳnh đ−ợc chuyển hoá thông qua quá trình lên men sulfuahydric với sự tham gia của các vi sinh vật yếm khí. Các vi khuẩn hiếu khí tham gia vào quá trình chuyển hoá H2S để tạo ra l−u huỳnh và sau đó là phản ứng a xid sunfuaric. H2S + 3 O2 H2O + 2S 2 S + 3 O2 + H2O 2 H2SO4 Trong môi tr−ờng yếm khí, các vi sinh vật chuyển hoá a xid sunfuaric thành sulfuahydro: 2 H2SO4 + 4 H2 H2S + 4 H2O Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp Ch−ơng 2: Các chu trình sinh địa hoá học ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−ời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái – Viện Khoa học &KTMT - Đại học Xây dựng 34 Một số loài vi sinh vật khử sulfit gây hiện t−ợng ăn mòn trong các ống dẫn n−ớc bằng bê rông hoặc ống gang. khí quyển quá trình khử H2S Phân, H2SO3 -- N−ớc thải O xy hoá Kết tủa sunfua Hình 2.16. Chu trình l−u huỳnh Các vi khuẩn sunfat màu hồng tía hoặc màu xanh tham gia vào các phản ứng quang hợp để tạo ra l−u huỳnh phân tử: ( quang năng) H2S + CO2 ( CH2O) * + H2O + 2S L−u huỳnh sản sinh ra đ−ợc trữ trong tế bào vi khuẩn hoặc đ−ợc bài tiết ra bên ngoài tuỳ theo từng loại và cuối cùng đ−ợc chuyển hoá thành a xid sunfuaric : ( quang năng) 3 S + 3 CO2 + 5 H2O 3 (CH2O) + 2H2 SO4 Trong phản ứng chuyển hoá (CH2O) là ký hiệu chất hứu cơ đã đ−ợc tổng hợp thành. SO4 -- SO -- S Động vật, thực vật các nguồn dị d−ỡng sunfat Bài giảng Sinh thái học Công nghiệp Ch−ơng 2: Các chu trình sinh địa hoá học ------------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- --------------------------------------------------------------------------------------------------------------------- Ng−ời soạn : PGS.TS. Nguyễn Thị Kim Thái – Viện Khoa học &KTMT - Đại học Xây dựng 35