Bài giảng Kỹ thuật môi trường - Trinh Xuân Báu (Phần 1)

Nội dung text: Bài giảng Kỹ thuật môi trường - Trinh Xuân Báu (Phần 1)

1. TRƯỜNG ĐẠI HỌC GIAO THÔNG VẬN TẢI  BÀI GIẢNG KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG (DÀNH CHO SINH VIÊN NGÀNH CƠ KHÍ) TRỊNH XUÂN BÁU TP. Hồ Chí Minh, 2013
2. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải MỤC LỤC Trang Chương 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ MÔI TRƯỜNG 1.1. Môi trường 4 1.1.1. Khái niệm 4 1.1.2. Thành phần môi trường 4 1.1.3. Phân loại môi trường 7 1.1.4. Chức năng của môi trường 8 1.2. Hệ sinh thái 11 1.2.1. Khái niệm 11 1.2.2. Phân loại hệ sinh thái 12 1.2.3. Cấu trúc hệ sinh thái 12 1.2.4. Tính cân bằng của hệ sinh thái 17 1.2.5. Tác động của con người đến tính bền vững của hệ sinh thái 19 1.3. Tài nguyên 22 1.3.1. Khái niệm 22 1.3.2. Phân loại tài nguyên 23 1.3.3. Một số loại tài nguyên chính 24 1.4. Mối quan hệ giữa môi trường và phát triển 31 1.4.1. Mối quan hệ giữa môi trường và phát triển kinh tế - xã hội 31 1.4.2. Mối quan hệ giữa khai thác tài nguyên và môi trường 33 1.4.3. Mối quan hệ giữa dân số, sử dụng tài nguyên và ô nhiễm môi trường 34 Chương 2. Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG 2.1. Khái niệm về ô nhiễm môi trường 38 2.2. Ô nhiễm nước 38 2.2.1. Nước trong tự nhiên và sự ô nhiễm nước 38 2.2.2. Các nguồn gây ô nhiễm môi trường nước 40 2.2.3. Các tác nhân gây ô nhiễm nguồn nước 42 2.2.4. Các nguồn nuớc bị ô nhiễm 46 2.3. Ô nhiễm không khí 50 2.3.1. Khái niệm 50 2.3.2. Các nguồn gây ô nhiễm không khí 50 2.3.3. Các chất ô nhiễm không khí và tác hại của chúng 54 Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 1
3. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải 2.4. Ô nhiễm đất 57 2.4.1. Đặc điểm môi trường đất 57 2.4.2. Nguồn gây ô nhiễm môi trường đất 59 2.4.3. Các tác nhân gây ô nhiễm môi trường đất 62 2.4.4. Các biện pháp bảo vệ môi trường đất 63 2.5. Các loại ô nhiễm khác 69 2.5.1. Ô nhiễm nhiệt 69 2.5.2. Ô nhiễm phóng xạ và biện pháp giảm ô nhiễm phóng xạ 71 2.5.3. Ô nhiễm tiếng ồn 75 2.6. Hậu quả toàn cầu do ô nhiễm môi trường 83 2.6.1. Hiệu ứng nhà kính 83 2.6.2. Mưa axít 86 2.6.3. Suy giảm tầng ôzôn 87 Chương 3: QUẢN LÝ MÔI TRƯỜNG 3.1. Khái niệm 90 3.1.1. Khái niệm quản lý môi trường (QLMT) 90 3.1.2. Nội dung và nguyên tắc QLMT 90 3.2. Các công cụ QLMT 91 3.2.1. Công cụ luật pháp và chính sách 91 3.2.2. Công cụ kinh tế trong QLMT 94 3.2.3. Công cụ kỹ thuật trong QLMT 98 3.2.4. Công cụ giáo dục và truyền thông môi trường 98 3.3. Hệ thống quản lý môi trường và ISO 14000 99 3.3.1. Hệ thống quản lý môi trường (EMS) 99 3.3.2. ISO 14000 100 3.4. Phát triển bền vững 104 3.4.1. Khái niệm 104 3.4.2. Nội dung phát triển bền vững 104 3.4.3. Các nguyên tắc xây dựng xã hội phát triển bền vững 107 Chương 4: Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG TRONG SẢN XUẤT CƠ KHÍ GIAO THÔNG 4.1. Các nguồn phát sinh ô nhiễm 117 4.1.1. Chế tạo khung vỏ và các tác nhân gây ô nhiễm môi trường 117 4.1.2. Sửa chữa động cơ và các tác nhân gây ô nhiễm môi trường 118 4.1.3. Sản xuất, lắp ráp, kiểm định phương tiện và tác nhân gây ô nhiễm môi trường 118 Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 2
4. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải 4.1.4. Quá trình công nghệ mạ và tác nhân gây ô nhiễm môi trường 119 4.1.5. Công nghệ sơn và các chất ô nhiễm phát sinh 120 4.2. Ô nhiễm khí trong sản xuất cơ khí giao thông 121 4.2.1. Các cơ sở sản xuất, chế tạo chi tiết 121 4.2.2. Cơ sở chế tạo và sửa chữa ôtô 122 4.2.3. Các cơ sở chế tạo, đóng mới và sửa chữa đầu máy toa xe 123 4.2.4. Cơ sở đóng mới và sửa chữa tàu thuyền 123 4.3. Ô nhiễm nước trong sản xuất cơ khí giao thông 124 4.3.1. Nước thải từ các nhà máy sản xuất lắp ráp phương tiện vận tải đường bộ 124 4.3.2. Nước thải từ cơ sở chế tạo và sửa chữa đầu máy, toa xe 126 4.3.3. Nước thải cơ sở đóng mới và sửa chữa tàu thuyền 126 4.4. Chất thải rắn và CTNH trong sản xuất cơ khí giao thông 126 4.4.1. Các cơ sở sản xuất, lắp ráp và bảo dưỡng, sửa chữa phương tiện giao thông 127 đường bộ, đường sắt 4.4.2. Các nhà máy đóng mới và sửa chữa tàu thuyền 128 4.5. Ô nhiễm tiếng ồn trong sản xuất cơ khí giao thông 128 4.6. Các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm môi trường trong sản xuất cơ khí giao thông 130 4.6.1. Thu gom và xử lý chất thải rắn 130 4.6.2. Thu gom và xử lý nước thải 131 4.6.3. Các biện pháp công nghệ 132 4.6.4. Khống chế ô nhiễm do nhiệt thừa 132 TÀI LIỆU THAM KHẢO Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 3
5. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải Chương 1: ĐẠI CƯƠNG VỀ MÔI TRƯỜNG 1.1. Môi trường 1.1.1. Khái niệm 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. 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 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. Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 4
6. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải 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. Hình 1.2. Thành phần của thạch quyển 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 (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 5
7. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải 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. 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. Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 6
8. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải 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 có thể nêu ra một số phương cách phân môi trường theo các dấu hiệu đặc trưng như sau: - 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 Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 7
9. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải 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. 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 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 Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 8
10. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải - 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 MÔI TRƯỜNG Chất thải trong quá Tài nguyên trình sản xuất và thiên nhiên 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. 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.). Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 9
11. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải Hình 1.6. Chuỗi thức ăn - sinh vật sản xuất là tài nguyên của sinh vật tiêu thụ - 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). 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 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 Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 10
12. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải 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. 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 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 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. - 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, tầng ô zôn 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 1.2.1. Khái niệm 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, Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 11
13. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải 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. 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. 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 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 (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. Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 12
14. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải HỆ SINH THÁI Mặt trời - Cá c chất vô cơ: (C, N, CO2, H2O, O ) tham gia vào chu trình tuần Sinh vật sản xuất 2 hoàn vật chất (sinh vật tự dưỡng): 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 các yếu tố vật lý khác) Sinh vật tiêu thụ (sinh vật dị dưỡng): Sinh vật phân huỷ: Vi Động vật, vật kí sinh sinh vật, đất, nấm Môi trường vật lý Quần xã sinh vật Hình 1.8. Minh hoạ cấu trúc một hệ sinh thái - 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. Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 13
15. Trịnh Xuân Báu 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. Hình 1.10. Cấu trúc hệ sinh thái ao hồ Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 14
16. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải - 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. 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 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: 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 . Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 15
17. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải + 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). Hình 1.11. Lưới thức ăn của một hệ sinh thái rừng Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 16
18. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải 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. 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 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: Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 17
19. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải 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. 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. ịnh ịnh đ Tối đ ổn ổn n ới ổn của hệ định ê ư tr ạn ạn d ái ái sinh sinh thái h h ới ới Gi Gi ạng th Tr Ranh giới ổn Cường độ tác động của các yếu tố sinh Hình 1.12. Biểu đồ ổn định của hệ sinh thái 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, và kéo theo sự Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 18
20. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải suy thoái của các thành phần kế tiếp, làm cho toàn hệ sinh thái mất cân bằng, suy thoái và có thể dẫn đến tuyệt chủng. 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. 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 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 Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 19
21. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải 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 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. 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 Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 20
22. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải 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 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 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. Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 21
23. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải - 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 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 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. Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 22
24. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải 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 có tính chất tương đối thành các loại hình nhỏ hơn (hình 1.13). 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 ợng ộng vật ớc Th ất Đ Vi sinh v ạo: kim ạo: kim Đ ặt ặt trời ỷ tinh Nư ại, lon, ni m Không khí lo thu Năng Năng lư Tái t ỏ, đá than ạn ạn kiệt: dầu C m Hình 1.13. Phân loại các nguồn tài nguyên thiên nhiên Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 23
25. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải 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. 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. 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. Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 24
26. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải 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. 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 Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 25
27. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải 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 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. Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 26
28. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải 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 loại hiếm như đồng, chì, kẽm, 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, 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 theo suốt chiều dài đất nước. Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 27
29. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải 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, 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 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. Hiện nay sản lượng khai thác ngày càng nhiều đáp ứng nhu cầu trong nước và xuất khẩu. - 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. 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 Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 28
30. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải nguồn tài nguyên thiên nhiên trên thế giới và đảm bảo nhu cầu năng lượng cho quá trình phát triển. 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 của 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 Stt 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 tinh 3 9,688 9,361 9,034 8,676 8,318 7,934 7,550 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 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). 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 Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 29
31. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải 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 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. Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 30
32. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải 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 trên hành tinh chúng ta. 1.4. Mối quan hệ giữa môi trường và phát triển 1.4.1. Mối quan hệ giữa môi trường và phát triển kinh tế - xã hội Khái niệm phát triển được hiểu theo nhiều cách khác nhau tuỳ thuộc vào đối tượng, mục tiêu và động lực đi lên của một sự vật, hiện tượng. Trong quá trình tiến hoá của sinh giới, phát triển được hiều như sự thay đổi để thích ứng với điều kiện sống và bảo tồn, duy trì những đặc điểm có lợi cho các thế hệ sau. Có thể xem quá trình tiến hoá của sinh giới trên Trái đất là quá trình phát triển theo hướng có lợi cho sự tồn tại và phát triển của các loài sinh vật trên hành tinh của chúng ta. Đối với con người, phát triển là một xu hướng tự nhiên đồng thời là quyền của mỗi một cá nhân, mỗi một cộng đồng hay mỗi một quốc gia. Con người vừa là đối tượng, vừa là động lực của phát triển. Mục tiêu của sự phát triển của con người là không ngừng cải thiện chất lượng cuộc sống vật chất, văn hoá, tinh thần của con người. Quá trình phát triển tạo điều kiện cho con người sinh sống bất kỳ nơi đâu trên Trái đất với điều kiện môi trường sống trong lành, được hưởng các quyền cơ bản của con người, được đảm bảo an ninh, an toàn, được hưởng những hàng hoá và dịch vụ tốt nhất và được hưởng các thành tựu về văn hoá, tinh thần đồng thời bảo tồn những gì cho thế hệ sau tồn tại và phát triển. Vậy giữa vấn đề phát triển và môi trường có liên quan như thế nào? Mối quan hệ giữa chúng trong xã hội hiện đại của loài người? Chúng ta hãy xem xét vấn đề ở giác độ phát triển của xã hội đương đại. Trong lịch sử phát triển của các quốc gia, đặc biệt là sau cuộc cách mạng công nghiệp, phát triển kinh tế được đặt lên hàng đầu, lấn át các yếu tố khác của quá trình Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 31
33. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải phát triển chung như xã hội, văn hoá, môi trường, nhân quyền Chính vì vậy, phát triển tự phát đã trở nên thịnh hành, gây ra những hậu quả hết sức tai hại cho xã hội loài người và môi trường sinh thái. Trong thế kỷ 21, khi mà cuộc chạy đua phát triển của các quốc gia, giữa các khu vực kinh tế trên thế giới đang diễn ra ngày càng gay gắt, khốc liệt thì khuynh hướng phát triển bằng mọi giá vẫn được các nước có nền kinh tế kém phát triển áp dụng. Và chính họ đã hy sinh các vấn đề môi trường và các yếu tố khác cho phát triển kinh tế. Hậu quả của sự phát triển kinh tế nóng là môi trường bị suy thoái, cơ sở của sự phát triển bị thu hẹp, tài nguyên thiên nhiên bị giảm sút cả về số lượng và chất lượng. Mặt khác, dân số của các nước kém phát triển lại tăng lên rất nhanh, điều này chính là nguyên nhân gây nên sự nghèo đói của con người, phá vỡ cân bằng sinh thái, suy thoái môi trường và khai thác cạn kiệt tài nguyên. Đây là tấm thảm kịch về sự ô nhiễm do nghèo đói ở các nước kém phát triển, tiêu biểu là một số nước châu Phi như Xômali, Êtiopia, Uganda Ở các nước phát triển, khuynh hướng bảo tồn tài nguyên thiên nhiên và bảo vệ môi trường đã và đang được ưu tiên trong quá trình phát triển. Khuynh hướng này chủ trương không can thiệp vào các nguồn tài nguyên sinh học để bảo vệ chúng. Tuy nhiên, tài nguyên thiên nhiên là cơ sở, là đầu vào của hệ thống kinh tế đối với các quốc gia, là nguồn vốn cơ bản cho mọi hoạt động phát triển của con người. Do vậy, ở các nước này, các quan điểm trên khó lòng thực hiện được nếu không sử dụng tài nguyên cho các hoạt động kinh tế. Mặt khác, hậu quả của quá trình khai thác và lạm dụng tài nguyên quá mức để phục vụ cho quá trình phát triển trước đây đã và đang tác động mạnh mẽ theo hướng tiêu cực tới đời sống kinh tế - xã hội - con người bắt buộc các quốc gia này phải đầu tư vào công tác bảo tồn, khôi phục lại các hệ sinh thái trước đây. Tuy nhiên, quá trình phát triển đòi hỏi phải được cung cấp tài nguyên. Do vậy, các quốc gia này tìm đến các khu vực còn giàu có tài nguyên để đầu tư và tìm kiếm lợi nhuận, hệ quả của quá trình này lại quay trở lại làm cho các nước nghèo đói cạn kiệt tài nguyên và đối mặt với vấn nạn ô nhiễm môi trường. Có thể nói, các vấn đề cạn kiệt nguồn tài nguyên và ô nhiễm môi trường của các nước kém hoặc đang phát triển một phần bắt nguồn từ các nước phát triển. Có thể thấy phát triển và môi trường là hai mặt của một vấn đề thống nhất chứ không mâu thuẫn với nhau. Nếu phát triển mà không chú trọng đến vấn đề môi trường thì sẽ gây nên tình trạng cạn kiệt tài nguyên, suy thoái môi trường do khai thác quá mức và ô nhiễm, các tác động đến con người và hệ sinh thái. Còn nếu chỉ đặt mục tiêu bảo tồn tài nguyên và các hệ sinh thái thì đi ngược lại với quy luật phát triển của loài người và sinh giới. Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 32
34. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải Do đó, không thể đưa ra vấn đề chú trọng “phát triển” hay chú trọng “môi trường” mà phải đưa ra quan điểm “môi trường và phát triển”. Hai vấn đề này tồn tại song song, bổ trợ cho nhau, không hy sinh vấn đề này để đẩy mạnh vấn đề kia. Hay nói một cách khác, các quốc gia trên thế giới cần phải đạt được mục tiêu “phát triển bền vững”. 1.4.2. Mối quan hệ giữa khai thác tài nguyên và môi trường Như đã phân tích trong mối quan hệ giữa môi trường và phát triển, việc khai thác tài nguyên có tác động mạnh mẽ đến con người và các hệ sinh thái trên trái đất. Trong xã hội hiện đại, sức sản xuất tăng lên đáng kể do sự phát triển dân số và do những thành tựu của cách mạng khoa học kỹ thuật làm tăng năng suất lao động . Con người đã khai thác tài nguyên với một cường độ rất lớn đã làm cho các tài nguyên cạn kiệt đến mức báo động. Các chu trình vật chất trong tự nhiên bị phá hủy, nhiều hệ sinh thái tự nhiên bị mất ổn định, cấu trúc vật lý sinh quyển bị thay đổi. Việc khai thác gỗ và các loại sinh vật của rừng dẫn đến việc tàn phá rừng, thay đổi cấu trúc thảm thực vật, nhiều động thực vật không còn nơi sinh sống và bị tiêu diệt, nhiều loài đã bị diệt vong. Một loạt hậu quả tiếp theo do việc khai thác rừng tạo nên đối với môi trường và sinh quyển như thay đổi chế độ và chu trình chất khí, hàm lượng CO tăng và O giảm, nhiệt độ không khí cũng có xu hướng tăng theo, hiện 2 2 tượng xói mòn và cuốn trôi đất làm độ màu mỡ của đất rừng bị giảm, nước nguồn bị nhiễm bẩn phù sa, chế độ dòng chảy của sông ngòi thay đổi.Việc khai thác rừng đã làm mất khoảng 20 triệu ha rừng/năm. Các ngành công nghiệp khai khoáng, khai thác dầu mỏ đã đưa một lượng lớn phế thải, các chất độc hại từ trong lòng đất vào sinh quyển. Các loại nước chứa axit, phenol của quá trình khai mỏ xả vào nguồn nước mặt, gây ô nhiễm và phá hủy sự cân bằng sinh thái đó. Mặt khác cấu trúc địa tầng và thảm thực vật khu khai mỏ thay đổi ảnh hưởng xấu đến sức khỏe và các hoạt động kinh tế xã hội của con người. Việc xây dựng đê đập hồ chứa để khai thác nguồn thủy năng cũng có những tác hại nhất định đối với môi trường như cản trở di chuyển của cá từ hạ lưu về thượng lưu trong mùa đẻ trứng, thay đổi độ bền vững của đất, gây ngập lụt và khí hậu vùng hồ chứa Đối với các loại tài nguyên không có khả năng tái sinh, hiện tại sử dụng càng nhiều thì tương lai khan hiếm càng cao. Khái niệm sản lượng bền vững sẽ không phù hợp với nguồn tài nguyên này. Như vậy, cần phải quan tâm là sản lượng khai thác là bao nhiêu để có thể vừa đảm bảo sự phát triển của nền kinh tế, vừa bảo vệ môi trường và duy trì một trữ lượng đáp ứng cho sự phát triển của các thế hệ tương lai. Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 33
35. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải Tính chất giới hạn của nguồn tài nguyên này là không có khả năng tái sinh, do đó ngày một khan hiếm và khó khai thác. Như vậy, để khai thác được các nguồn tài nguyên này sẽ ảnh hưởng mạnh mẽ đến môi trường bởi tầm quan trọng của giới hạn môi trường đối với các hoạt động khai thác tài nguyên này. Để tiếp tục khai thác các tài nguyên có chất lượng ngày càng thấp hơn sẽ đòi hỏi một khối lượng rất lớn năng lượng, do đó sẽ tạo ra một mức độ ô nhiễm không thể chấp nhận được và làm tổn hại đến cảnh quan và hoạt động sống của con người. Đối với các loại tài nguyên có khả năng tái sinh, nếu không có các biện pháp quản lý, khai thác bền vững thì nguy cơ có thể bị cạn kiệt, thậm chí bị huỷ diệt. Vì vậy, đối với tài nguyên tái sinh, giữa sản lượng khai thác và trữ lượng vốn có của tài nguyên này có mối quan hệ ràng buộc rất chặt chẽ. Nếu chúng ta khai thác sản lượng vượt quá trữ lượng vốn có của nó thì dẫn đến nguy cơ cạn kiệt tài nguyên. Ngược lại, nếu chúng ta khai thác sản lượng nhỏ hơn mức tái sinh thì trữ lượng tài nguyên tiếp tục gia tăng. Cả hai phương án đều ảnh hưởng tới môi trường chứa đựng tài nguyên, sự cân bằng sinh thái và cuộc sống của con người. Phương án tối ưu nhất là khai thác sản lượng đúng bằng mức tái sinh do trữ lượng vốn có của tài nguyên trong môi trường tạo ra nhằm khai thác có hiệu quả các nguồn tài nguyên có thể tái sinh. 1.4.3. Mối quan hệ giữa dân số, sử dụng tài nguyên và ô nhiễm môi trường Dân số có mối quan hệ trực tiếp tới môi trường thông qua việc sử dụng tài nguyên thiên nhiên, phát triển kinh tế và đưa các chất thải sinh hoạt, sản xuất vào môi trường. Dân số trên thế giới ngày một tăng, hiện nay đã đạt hơn 6 tỷ người. Trong khi đó đất đai phục vụ cho sản xuất và ở không tăng lên, lượng tài nguyên không tái tạo ngày càng ít đi, lượng tài nguyên tái tạo bị khai thác nhiều hơn khả năng tự tái sinh trong môi trường. Xã hội phát triển, các nhu cầu của con người cũng tăng theo, từ nơi ở, khu vực vui chơi giải trí, giao thông, trường học, bệnh viện , nhu cầu hàng hoá với chất lượng cao hơn ngày càng tăng. Tiêu thụ trên đầu người tăng mạnh, trong khi đó nhiều loại tài nguyên khoáng sản không sinh mới được, nên cạn kiệt dần. Dân số tăng, sản xuất phát triển làm tăng lượng chất thải ra môi trường, làm suy thoái và ô nhiễm môi trường nghiêm trọng. Khi dân số tăng mạnh trên thế giới, nhưng đất đai không tăng theo, khả năng sản xuất của trái đất là có hạn, khả năng chịu đựng những tác động của con người đối với môi trường cũng là có hạn. Nếu ngày hôm nay chúng ta khai thác đến cạn kiệt tài nguyên thiên nhiên và gây ô nhiễm môi trường, thì không chỉ chúng ta, mà cả các thế hệ con cháu chúng ta trong tương lai sẽ không còn gì để sống và phát triển. Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 34
36. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải Theo các nhà khoa học thì chiến tranh, đói kém, dịch bệnh, suy thoái môi trường, đều bắt nguồn từ việc gia tăng dân số. Thật vậy, dân số tăng dễ dẫn đến khai thác tài nguyên cạn kiệt. Và khi tài nguyên không đủ chi dùng, người ta bắt đầu tìm kiếm chúng ở ngoài phạm vi sở hữu của mình, dẫn tới tranh giành và xảy ra chiến tranh. Dân số đông dẫn đến khó phát triển dân trí và kinh tế, đời sống đói nghèo, lạc hậu, con người vì mưu sinh mà dễ dàng phá huỷ môi trường. Nghèo đói thường đi liền với mất vệ sinh và dịch bệnh Nghèo khó cũng dẫn đến hạn chế trong việc lựa chọn các công nghệ mang tính bảo vệ môi trường cao, làm cho môi trường dễ bị ô nhiễm hơn. Theo Paul Ehrlich và John Holdren (1971), mối quan hệ của sự gia tăng dân số tác động đến tài nguyên và môi trường được biểu diễn bởi công thức sau: I = P x F Trong đó: I là tác động môi trường của dân số và các yếu tố liên quan P là quy mô dân số F là mức độ tác động môi trường tính bình quân theo đầu người F là một hàm số được xác định bởi các biến số sau: F = f{P, c, t, g} Trong đó: c là mức tiêu dùng bình quân đầu người t là tác động môi trường của công nghệ tính trên 1 đơn vị tài nguyên g là lượng tài nguyên được sử dụng (theo t) Như vậy, sự tác động của dân số lên môi trường phụ thuộc vào quy mô dân số và các yếu tố liên quan đến mức tác động bình quân đầu người. Công thức của Paul Ehrlich và John Holdren cho thấy không thể có sự tiếp tục gia tăng dân số mà không gây ảnh hưởng tới môi trường, khai thác tài nguyên và cuộc sống của con người. Theo Miller (1993), sự suy thoái và ô nhiễm môi trường ở cùng một nơi tùy thuộc vào 3 yếu tố là số lượng người sử dụng, số đơn vị năng lượng mỗi người sử dụng và khối lượng của sự suy thoái và ô nhiễm môi trường do mỗi đơn vị năng lượng gây ra. Sự đông dân bao gồm số lượng người quá nhiều và khối lượng tiêu thụ quá lớn. Số lượng người quá nhiều xảy ra ở những nơi mà số người nhiều hơn thức ăn, nước uống và các tài nguyên khác. Việc này thường xảy ra ở các nước đang phát triển, làm suy thoái các tài nguyên tái tạo và là nguyên nhân của sự nghèo đói. Ngược lại, khối lượng tiêu thụ quá lớn xảy ra ở các nước công nghiệp phát triển, khi một số ít người sử dụng một lượng lớn tài nguyên. Ðây là nguyên nhân chính làm cạn kiệt nguồn tài nguyên không thể phục hồi và làm ô nhiễm môi trường. Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 35
37. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải Các tác động tiêu cực của tình trạng gia tăng dân số hiện nay trên thế giới biểu hiện ở các khía cạnh: - Sức ép lớn tới tài nguyên thiên nhiên và môi trường do khai thác quá mức các nguồn tài nguyên phục vụ các nhu cầu nhà ở, sản xuất lương thực, thực phẩm, sản xuất công nghiệp - Tạo ra các nguồn thải tập trung vượt quá khả năng tự phân huỷ của môi truờng tự nhiên trong các khu vực đô thị, khu vực sản xuất công nghiệp - Sự chênh lệch về tốc độ phát triển dân số giữa các nước công nghiệp hoá và các nước đang phát triển dẫn đến tình trạng ô nhiễm do đói nghèo ở các nước đang phát triển và ô nhiễm do dư thừa ở các nước phát triển, sự chênh lệch giữa khu vực thành thị và nông thôn dẫn đến sự di dân dưới mọi hình thức. - Sự gia tăng dân số và quá trình phát triển nóng ở các đô thị dẫn đến tình trạng quá tải, làm cho môi trường nhiều khu vực đô thị bị suy thoái nghiêm trọng. Nguồn cung cấp nước sạch, nhà ở, cây xanh không đáp ứng kịp cho sự gia tăng dân số. Ô nhiễm môi trường không khí, nước, chất thải rắn tăng lên đi kèm với sự gia tăng dân số. Sức ép do gia tăng dân số lên môi trường được mô tả ở hình 1.14. dưới đây: Sức ép dân số Phát triển kinh tế Tài nguyên - Môi trường Chất lượng cuộc sống Tổng Bố trí Tốc Thu Ô Khai Cung Phát Thu sản cơ cấu độ hẹp nhiễm thác cấp triển nhập phẩm kinh tăng không và suy quá lương văn bình quốc tế trưởng gian thoái mức thực, hoá, quân dân ngành kinh cư trú môi TN thực y tế, đầu và tế trường thiên phẩm giáo người lãnh nhiên dục thổ Hình 1.14. Sức ép dân số lên quá trình khai thác tài nguyên, phát triển kinh tế và các vấn đề xã hội Mô hình dân số - tài nguyên - môi trường cho thấy con người sử dụng tài nguyên và gây ô nhiễm. Sự đông dân khiến người ta sử dụng nhiều tài nguyên hơn và làm suy thoái môi trường nhiều hơn. Mối tương quan giữa dân số, tài nguyên và môi trường được Chiras (1991) đưa ra trong bảng 1.2. dưới đây: Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 36
38. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải Bảng 1.2. Bảng phân tích các mối tương quan giữa dân số, tài nguyên và môi trường (Chiras, 1991) Stt Liên hệ Tóm tắt các ảnh hưởng Số lượng dân xác định nhu cầu tài nguyên, lượng tiêu dùng. Các nhân tố dân số (trình độ xã hội, kinh tế cuả một nước) có ảnh hưởng lên việc sử Dân số lên dụng tài nguyên. Các nước công nghiệp có nhu cầu về tài nguyên phức 1 môi trường tạp và có khuynh hướng sử dụng nhiều tài nguyên không thể tái tạo. Các nước đang phát triển sử dụng nhiều tài nguyên tái tạo được. Sự phân bố dân cư cũng ảnh hưởng lên sự cung cấp, khai thác và sử dụng tài nguyên. Dân số gây ra ô nhiễm qua việc khai thác và sử dụng tài nguyên. Ô nhiễm có thể xảy ra từ việc sử dụng một tài nguyên như là nơi chứa rác Dân số lên ô 2 thải sinh hoạt và công nghiệp. Ngoài ra khai thác tài nguyên (than đá, nhiễm dầu và khí) gây ra sự suy thoái môi trường. Khối lượng tài nguyên và cách thức khai thác và sử dụng chúng xác định khối lượng ô nhiễm. Tác động dương: Khám phá và sử dụng tài nguyên mới (dầu, than ) làm tăng dân số, cũng như sự phát triển xã hội, kinh tế, công nghệ. Tài nguyên cho phép con người di chuyển đến các nơi ở mới cũng như việc Tài nguyên lấy và sử dụng tài nguyên trước đây không được dùng. Thêm vào đó sự 3 lên dân số phát triển tài nguyên tạo nhiều nơi ở trong các môi trường khó khăn Tác động âm: Cạn kiệt tài nguyên làm giảm dân số và làm giảm sự phát triển xã hội, kinh tế, công nghệ. Suy thoái môi trường (ô nhiễm nước, không khí ) có thể làm giảm dân số hay tiêu diệt quần thể sinh vật. Khối lượng, cách thức khai thác và sử dụng tài nguyên có thể ảnh hưởng Tài nguyên 4 lên ô nhiễm. Càng khai thác và sử dụng nhiều tài nguyên thì càng gây lên ô nhiễm nhiều ô nhiễm. Cạn kiệt tài nguyên có thể làm giảm ô nhiễm. Ô nhiễm có thể làm giảm dân số cũng như giảm sự phát triển xã hội, kinh tế và công nghệ. Ô nhiễm làm gia tăng tử vong và bệnh tật nên ảnh Ô nhiễm lên 5 hưởng xấu lên kinh tế và xã hội. Ô nhiễm có thể làm thay đổi thái độ của dân số con người từ đó làm thay đổi luật lệ, cách thức khai thác và sử dụng tài nguyên. Ô nhiễm một môi trường có thể gây thiệt hại lên môi trường khác. Các Ô nhiễm lên 6 luật mới nhằm làm giảm ô nhiễm có thể thay đổi sự cung cầu, khai thác tài nguyên và sử dụng tài nguyên. Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 37
39. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải Chương 2. Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG 2.1. Khái niệm về ô nhiễm môi trường Ô nhiễm môi trường đã và đang là hiểm hoạ đối với sinh giới và con người trên hành tinh. Nguyên nhân của ô nhiễm chủ yếu là do các hoạt động sinh hoạt và sản xuất của con người, đặc biệt là các hoạt động công nghiệp. Có nhiều định nghĩa khác nhau về ô nhiễm môi trường. Ô nhiễm môi trường được hiểu là việc chuyển các chất thải hoặc năng lượng vào môi trường đến mức có khả năng gây hại đến sức khoẻ con người, đến sự phát triển của các hệ sinh thái hoặc làm suy giảm chất lượng môi trường. Các tác nhân ô nhiễm bao gồm các chất thải ở dạng khí (khí thải), lỏng (nước thải), rắn (chất thải rắn) chứa hoá chất hoặc tác nhân vật lý, sinh học và các dạng năng lượng như nhiệt độ, ánh sáng mặt trời, bức xạ Tuy nhiên, môi trường chỉ được coi là bị ô nhiễm nếu trong đó hàm lượng, nồng độ hoặc cường độ các tác nhân trên đạt đến mức có khả năng tác động xấu đến con người, sinh vật và môi trường sinh thái. Ở nước ta, khái niệm ô nhiễm môi trường được định nghĩa tại điều 3, chương 1 Luật bảo vệ môi trường 2005, cụ thể như sau: Ô nhiễm môi trường là trạng thái của thành phần môi trường bị biến đổi do chất gây ô nhiễm gây ra ở mức vượt tiêu chuẩn môi trường. 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. Các loại hình ô nhiễm môi trường được phân loại tuỳ vào các tác nhân gây ô nhiễm và nguồn tiếp nhận các chất ô nhiễm như khí thải gây ô nhiễm không khí, nước thải gây ô nhiễm nước và đất. Bên cạnh đó, còn có các loại hình ô nhiễm khác như ô nhiễm nhiệt, phóng xạ, tiếng ồn. 2.2. Ô nhiễm nước 2.2.1. Nước trong tự nhiên và sự ô nhiễm nước 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. Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 38
40. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải Các nguồn nước trong tự nhiên mà con người có thể sử dụng được tồn tại dưới các dạng sau: - 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. dưới đây. Mây Gió Mây Mưa Mưa Bốc hơi Xử lý nước cấp Tuyết Sử dụng nước Hồ, ao Sông, suối Xử lý nước thải Nước ngầm Bốc hơi Biển, đại dương Hình 2.1. Chu trình của nước trong tự nhiên 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. Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 39
41. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải Các khuynh hướng thay đổi chất lượng nước do hoạt động của con người 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 kim loại nặng trong nước 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. 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 2.2.2. Các nguồn gây ô nhiễm môi trường nước a. 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 Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 40
42. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải b. 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. - 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. c. 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 môi trường 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 Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 41
43. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải 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 khác. d. 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. e. 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. 2.2.3. Các tác nhân gây ô nhiễm nguồn nước a. 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: - 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. 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). Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 42
44. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải 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 - 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 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 Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 43
45. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải 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. b. 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 máy sản 3- 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 - Clorua (Cl-): Tạo ra độ mặn trong nước gây tác hại đến cây trồng, ăn mòn công trình c. 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 có lượng vết chì 0,03 mg/l. Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 44
46. Trịnh Xuân Báu Trường Đại học Giao thông vận tải - 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. d. 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 e. 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. f. 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. g. 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. Bài giảng: Kỹ thuật môi trường (Dành cho sinh viên ngành Cơ khí) 45