bài giảng hóa học môi trường chương 3 hóa học thủy quyển

Ngoài ra nước còn được coi là một nguồn năng lượng lớn và lại hòa tan nhiều vật chất có thể khai thác phục vụ cho nhu cầu nhiều mặt của con người... • Tài nguyên này không đến nỗi quá hi

CHƯƠNG 3: HÓA HỌC THỦY QUYỂN

là thành phần cơ bản của vật chất và trong quá trình phát triển của

xã hội loài người thì các 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 nằm ở lưu vực hai con sông lớn là Tigre

và Euphrate (thuộc Irak hiện nay); 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

• Nước là nguồn cung cấp thực phẩm và nguyên liệu công nghiệp dồi dào, nước rất

nghiệp, trong sinh hoạt, thể thao, giải trí và

người Ngoài ra nước còn được coi là một

nguồn năng lượng lớn và lại hòa tan nhiều vật chất có thể khai thác phục vụ cho nhu cầu nhiều mặt của con người.

• Tài nguyên này không đến nỗi quá hiếm hoi và trong chu trình tự nhiên lại có khả năng tái tạo, nếu sử dụng khôn khéo và quy hoạch thận trọng thì nó mãi mãi tồn tại

hiện nay vấn đề nước ngọt trở nên bức bách, sự tái sinh nước ngọt không kịp đáp ứng nhu cầu của con người ở nhiều nơi

sống của con người cũng như các sinh vật

3.1.1 Sự cung ứng nước trên tòan cầu

Nước bao phủ 71% diện tích của quả đất trong đó có 97% là nước mặn, còn lại là nước ngọt Nước giữ cho khí hậu tương đối ổn định và pha loãng các yếu tố gây ô nhiễm môi trường, nó còn là thành phần cấu tạo chính yếu trong cơ thể sinh vật, chiếm từ 50%-97% trọng lượng của cơ thể, chẳng hạn như ở người nước chiếm 70% trọng lượng cơ thể và ở Sứa biển nước chiếm tới 97%.

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.

b The hydrologic cycle

The hydrologic cycle is a conceptual model that

describes the storage and movement of water between the biosphere , atmosphere , lithosphere , and the

hydrosphere (see Figure 8b-1) Water on this planet

can be stored in any one of the following reservoirs:

atmosphere , oceans , lakes , rivers , soils , glaciers ,

snowfields , and groundwater

Figure 8b-1:

Hydrolog

ic Cycle

Table 8b-1: Inventory of water at the Earth's surface

Table 8b-2: Typical residence times of water found in various reserviors

• On average water is renewed in rivers once every 16 days Water in the atmosphere is completely replaced once every 8 days Slower rates of replacement occur

in large lakes, glaciers, ocean bodies and groundwater Replacement in these reservoirs can take from hundreds to thousands of years Some of these resources (especially groundwater) are being used by humans at rates that far exceed their renewal times This type of resource use is making this type of water effectively nonrenewable.

c Atmospheric Humidity

The term humidity describes the fact that the atmosphere cancontain water vapor The amount of humidity found in air variesbecause of a number of factors Two important factors are

evaporation and condensation At the water/atmosphereinterface over our planet's oceans large amounts of liquid waterare evaporated into atmospheric water vapor This process ismainly caused by absorption of solar radiation and thesubsequent generation of heat at the ocean's surface In ouratmosphere, water vapor is converted back into liquid formwhen air masses lose heat energy and cool This process isresponsible for the development of most clouds and alsoproduces the rain that falls to the Earth's surface

Temperature Degrees Celsius Vapor (g) per Kilogram of

• The most commonly used measure of humidity is relative humidity (độ ẩm tương đối) Relative humidity can be simply defined as the amount of water in the air relative to the saturation amount the air can hold at a given temperature multiplied by 100 Air with a relative humidity of 50% contains a half of the water vapor it could hold at a particular temperature Figure 8c-1 illustrates the concept of relative humidity.

• We have learned that water is available on the Earth in thefollowing three forms: vapor; liquid; and solid The process ofwater moving from one of these forms to another is called a

phase or state change In the atmosphere, three processesact to create water droplets or ice crystals These threeprocesses are:

• Condensation - water moving from a vapor to a liquid state

• Freezing - water moving from a liquid to a solid state

• Deposition - water moving from a vapor to a solid state

(d) Condensation, Freezing, and Deposition

Mưa acid

Figure 8h-3: Lake acidification begins with the deposition of the

byproducts acid precipitation (SO4 and H ions) in terrestrial areaslocated adjacent to the water body

In less buffered soils, vegetation is effected by acid deposition because:

• Increasing acidity results in the leaching of several important plant nutrients, including calcium, potassium, and magnesium Reductions in the availability

of these nutrients cause a decline in plant growth rates.

• The heavy metal aluminum becomes more mobile in acidified soils Aluminum can damage roots and interfere with plant uptake of other nutrients such as magnesium and potassium.

• Reductions in soil pH can cause germination of seeds and the growth of young seedlings to be inhibited.

• Many important soil organisms cannot survive is soils below a pH of about 6.0 The death of these organisms can inhibit decomposition and nutrient cycling.

• High concentrations of nitric acid can increase the availability of nitrogen and reduce the availability of other nutrients necessary for plant growth As a result, the plants become over-fertilized by nitrogen (a condition known as

nitrogen saturation).

• Acid precipitation can cause direct damage to the foliage on plants especially when the precipitation is in the form of fog or cloud water which is

up to ten times more acidic than rainfall.

• Dry deposition of SO2 and NOx has been found to affect the ability of leaves

to retain water when they are under water stress.

• Acidic deposition can leach nutrients from the plant tissues weakening their structure.

The effects of acidic deposition on humans can be divided into three main categories Acid deposition can influence human health through the following methods:

• Toxic metals, such as mercury and aluminum, can be released into the environment through the acidification of soils The toxic metals can then end up in the drinking water, crops, and fish, and are then ingested by humans through consumption If ingested in great quantities, these metals can have toxic effects on human health One metal, aluminum, is believed to be related to the occurrence of

Alzheimer's disease.

• Increased concentrations of sulfur dioxide and oxides of nitrogen have been correlated to increased hospital admissions for respiratory illness.

• Research on children from communities that receive a high amount of acidic pollution show increased frequencies of chest colds, allergies, and coughs.

(m) Throughflow and Groundwater Storage

Figure 8m-1: Hydrologic movement of water beneath the Earth's surface Water usually

enters the surface sediments as precipitation This water then percolates into the soil layer Some of this water flows horizontally as throughflow Water continuing to flow downward eventually reaches a permanent store of water known as the groundwater The movement of groundwater horizontally is called groundwater flow

(o) Introduction to the Oceans

Surface Percent of Earth’s

Total Surface Area

Area Square Kilometers

Area Square Miles

Figure 8o-1: Atlantic Ocean region – Đại Tây Dương

Figure 8o-2: Arctic Ocean region- Bắc Băng Dương(Image Source: CIA World Factbook).

Figure 8o-3: Indian Ocean region (Image Source: CIA World Factbook).

Figure 8o-4: Pacific Ocean region (Image Source: CIA World Factbook).

(p) Physical and Chemical Characteristics of Seawater

• Seawater is a mixture of various salts and water Most ofthe water in the ocean basins is believed to originate fromthe condensation of water found in the early atmosphere

as the Earth cooled after its formation This water wasreleased from the lithosphere as the Earth's crustsolidified Additional water has also been added to theoceans over geologic time from periodic volcanic action.Some scientists have recently speculated that cometsentering the Earth's atmosphere may be another importantsource of water for the oceans

• Only six elements and compounds comprise about 99%

of sea salts: chlorine (Cl-), sodium (Na+), sulfur (SO4-2),magnesium (Mg+2), calcium (Ca+2), and potassium (K+)

(Figure 8p-1).

Figure 8p-1: Relative proportions of dissolved salts in seawater.

• Some gases found within seawater are

inorganic processes that are indirectly related to the atmosphere For example,

temporally generated or depleted by such processes to varying concentrations at specific locations within the ocean.

Figure 8q-2 : The following illustration describes the flow pattern of the major subsurface

ocean currents Near surface warm currents are drawn in red Blue depicts the deep cold currents Note how this system is continuously moving water from the surface to deep

within the oceans and back to the top of the ocean (Source: Arctic Climate Impact Assessment -ACIA)

* Subsurface Currents

3.1.4 Tình hình sử dụng nước trên thế giới và ở Việt Nam

a Tình hình sử dụng nước trên thế giới

Khi con người bắt đầu trồng trọt và chăn nuôi thì đồng ruộng dần dần phát triển ở miền đồng bằng màu mỡ, kề bên lưu vực các con sông lớn Lúc đầu cư dân còn ít và nước thì đầy ắp trên các sông hồ, đồng ruộng, cho dù có gặp thời gian khô hạn kéo dài thì cũng chỉ cần chuyển cư không xa lắm là tìm được nơi ở mới tốt đẹp hơn Vì vậy, nước được xem là nguồn tài nguyên vô tận và cứ như thế qua một thời gian dài, vấn đề nước chưa có gì là quan trọng

• Nhu cầu nước càng ngày càng tăng theo đà phát triển của nền công nghiệp, nông nghiệp và sự nâng cao mức sống của con người Theo

sự 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.

• Thí 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 (Chiras, 1991) Ở Trung Quốc thì 7% nước được dùng cho công nghiệp, 87% cho nông nghiệp, 6% sử dụng cho sinh hoạt và giải trí (Chiras, 1991).

· Nhu cầu về nước trong công nghiệp: Sự phát triển càng ngày càng cao của nền công nghiệp trên toàn thế giới càng

làm tăng nhu cầu về nước, đặc biệt đối với một số ngành sảnxuất như chế biến thực phẩm, dầu mỏ, giấy, luyện kim, hóachất , chỉ 5 ngành sản xuất này đã tiêu thụ ngót 90% tổnglượng nước sử dụng cho công nghiệp Thí dụ: cần 1.700 lítnước để sản xuất một thùng bia chừng 120 lít, cần 3.000 lítnước để lọc một thùng dầu mỏ chừng 160 lít, cần 300.000 lítnước để sản xuất 1 tấn giấy hoặc 1,5 tấn thép, cần 2.000.000lít nước để sản xuất 1 tấn nhựa tổng hợp Theo đà phát triểncủa nền công nghiệp hiện nay trên thế giới có thể dự đoán đếnnăm 2000 nhu cầu nước sử dụng cho công nghiệp tăng 1.900km3/năm có nghĩa là tăng hơn 60 lần so với năm 1900 Phầnnước tiêu hao không hoàn lại do sản xuất công nghiệp chiếmkhoảng từ 1 - 2% tổng lượng nước tiêu hao không hoàn lại vàlượng nước còn lại sau khi đã sử dụng được quay về sông hồdưới dạng nước thải chứa đầy những chất gây ô nhiễm ( CaoLiêm, Trần đức Viên - 1990 )

• · Nhu cầu về nước trong nông nghiệp: Sự phát triển trong sản xuất nông nghiệp như sự thâm canh tăng vụ và mở rộng

diện tích đất canh tác cũng đòi hỏi một lượng nước ngày càngcao Theo M.I.Lvovits (1974), trong tương lai do thâm canhnông nghiệp mà dòng chảy cả năm của các con sông trên toànthế giới có thể giảm đi khoảng 700 km3/năm Phần lớn nhu cầu

về nước được thỏa mãn nhờ mưa ở vùng có khí hậu ẩm,nhưng cũng thường được bổ sung bởi nước sông hoặc nướcngầm bằng biện pháp thủy lợi nhất là vào mùa khô Người taước tính được mối quan hệ giữa lượng nước sử dụng vớilượng sản phẩm thu được trong quá trình canh tác như sau: đểsản xuất 1 tấn lúa mì cần đến 1.500 tấn nước, 1 tấn gạo cầnđến 4.000 tấn nước và 1 tấn bông vải cần đến 10.000 tấnnước Sở dĩ cần số lượng lớn nước như vậy chủ yếu là do sựđòi hỏi của quá trình thoát hơi nước của cây, sự bốc hơi nướccủa lớp nước mặt trên đồng ruộng, sự trực di của nước xuốngcác lớp đất bên dưới và phần nhỏ tích tụ lại trong các sảnphẩm nông nghiệp Dự báo nhu cầu về nước trong nôngnghiệp đến năm 2000 sẽ lên tới 3.400 km3/năm, chiếm 58%tổng nhu cầu về nước trên toàn thế giới

· Nhu cầu về nước Sinh hoạt và giải trí: Theo sự ước

cần 5-10 lít nước/ người/ ngày Ngày nay, do sự phát triển của xã hội loài người ngày càng cao nên nhu cầu

về nước sinh hoạt và giải trí ngày cũng càng tăng theo nhất là ở các thị trấn và ở các đô thị lớn, nước sinh hoạt tăng gấp hàng chục đến hàng trăm lần nhiều hơn Theo sự ước tính đó thì đến năm 2000, nhu cầu

về nước sinh hoạt và giải trí sẽ tăng gần 20 lần so với năm 1900, tức là chiếm 7% tổng nhu cầu nước trên thế giới (Cao Liêm, Trần đức Viên - 1990).

· Ngoài ra, còn rất nhiều nhu cầu khác về nước trong các hoạt động khác của con người như giao thông vận tải, giải trí ở ngoài trời như đua thuyền, trượt ván, bơi lội nhu cầu này cũng ngày càng tăng theo sự phát triển của xã hội.

b Tình hình sử dụng nước ở Việt Nam

* Nước mặt

Việt Nam nằm trong vùng nhiệt đới ẩm có lượng mưa tương đối lớn trung bình từ 1.800mm - 2.000mm, nhưng lại phân bố không đồng đều mà tập trung chủ yếu vào mùa mưa từ tháng 4-5 đến tháng 10, riêng vùng duyên hải Trung bộ thì mùa mưa bắt đầu và kết thúc chậm hơn vài ba tháng.

Sự phân bố không đồng đều lượng mưa và dao động phức tạp theo thời gian

là nguyên nhân gây nên nạn lũ lụt và hạn hán thất thường gây nhiều thiệt hại lớn đến mùa màng và tài sản ảnh hưởng đến nền kinh tế quốc gia, ngoài ra còn gây nhiều trở ngại cho việc trị thủy, khai thác dòng sông.

Theo sự ước tính thì lượng nước mưa hằng năm trên toàn lãnh thổ khoảng

640 km3, tạo ra một lượng dòng chảy của các sông hồ khoảng 313 km3 Nếu tính cả lượng nước từ bên ngoài chảy vào lãnh thổ nước ta qua hai con sông lớn là sông Cửu long ( 550 km3 ) và sông Hồng ( 50 km3 ) thì tổng lượng nước mưa nhận được hằng năm khoảng 1.240 km3 và lượng nước mà các con sông đổ ra biển hằng năm khoảng 900 km3 Như vậy so với nhiều nước, Việt nam có nguồn nước ngọt khá dồi dào lượng nước bình quân cho mỗi đầu người đạt tới 17.000 m3/ người/ năm Do nền kinh

tế nước ta chưa phát triển nên nhu cầu về lượng nước sử dụng chưa cao, hiện nay mới chỉ khai thác được 500 m3/người/năm nghĩa là chỉ khai thác được 3% lượng nước được tự nhiên cung cấp và chủ yếu là chỉ khai thác lớp nước mặt của các dòng sông và phần lớn tập trung cho sản xuất nông nghiệp(Cao Liêm- Trần đức Viên, 1990)

và có hệ thống chỉ mới được tiến hành trong chừng chục năm gần đây Hiện nay phong trào đào giếng

để khai thác nước ngầm được thực hiện ở nhiều nơi nhất là ở vùng nông thôn bằng các phương tiện thủ công, còn sự khai thác bằng các phương tiện hiện đại cũng đã được tiến hành nhưng còn rất hạn chế chỉ nhằm phục vụ cho sản xuất và sinh hoạt ở các trung tâm công nghiệp và khu dân cư lớn mà thôi.

* Nước khoáng và nước nóng

Theo thống kê chưa đầy đủ thì ở Việt Nam có khoảng 350 nguồnnước khoáng và nước nóng, trong đó nhóm chứa Carbonic tậptrung ở nam Trung bộ, đông Nam bộ và nam Tây nguyên;nhóm chứa Sulfur Hydro ở Tây Bắc và miền núi Trung bộ;nhóm chứa Silic ở trung và nam Trung bộ; nhóm chứa Sắt ởđồng bằng Bắc bộ; nhóm chứa Brom, Iod và Bor có trong cáctrầm tích miền võng Hà Nội và ven biển vùng Quảng Ninh;nhóm chứa Fluor ở nam Trung bộ Phần lớn nước khoángcũng là nguồn nước nóng, gồm 63 điểm ấm với nhiệt độ từ

300C - 400C; 70 điểm nóng vừa với nhiệt độ từ 410C - 600C và

36 điểm rất nóng với nhiệt độ từ 600C - 1000C; hầu hết là mạchngầm chỉ có 2 mạch lộ thiên thuộc loại ấm gặp ở trung Trung

bộ và ở đông Nam bộ Từ những số liệu trên cho thấy rằng tàinguyên nước khoáng và nước nóng của Việt Nam rất đa dạng

về kiểu loại và phong phú có tác dụng chữa bệnh, đồng thời cótác dụng giải khát và nhiều công dụng khác

là nước là dung môi của nhiều chất, nước chảy qua những địa hình thấp và vùng nghèo O2 hoà tan Nhiệt độ càng cao thì O2 ­hòa tan càng ít.

độ

Nồng độ O2 bão hòa trong nước ngọt Trongnước

biển(2%NaCl)(thể tích)cm3/lThể tích( cm3/l) Trọng lượng(mg/l)

3.2.1 Tình trạng ô nhiễm nước trên thế giới

Trong thập niên 60, ô nhiễm nước lục địa và đại dương gia tăng với nhịp độ đáng lo ngại Tiến độ ô nhiễm nước phản ánh trung thực tiến bộ phát triển kỹ nghệ.

Anh Quốc chẳng hạn: Ðầu thế kỷ 19, sông Tamise rất sạch Nó trở thành ống cống lộ thiên vào giữa thế kỷ này Các sông khác cũng có tình trạng tương tự trước khi người ta đưa ra các biện pháp bảo vệ nghiêm ngặt.

Nước Pháp- dân Paris còn uống nước sông Seine đến cuối thế kỷ

18 Từ thập niên 60 vấn đề đổi khác: các sông lớn và nước ngầm nhiều nơi không còn dùng làm nước sinh hoạt được nữa, 5.000 km sông của Pháp bị ô nhiễm mãn tính Sông Rhin chảy qua vùng kỹ nghệ hóa mạnh, khu vực có hơn 40 triệu người, là nạn nhân của nhiều tai nạn (như nạn cháy nhà máy thuốc Sandoz ở Bâle năm 1986 chẳng hạn) thêm vào các nguồn ô nhiễm thường xuyên.

Ở Hoa Kỳ tình trạng thảm thương ở bờ phía đông cũng như nhiều vùng khác Vùng Ðại hồ bị ô nhiễm nặng, trong đó hồ Erie, Ontario đặc biệt nghiêm trọng.

3.2.2 Tình trạng ô nhiễm nước ở Việt Nam

• Nông nghiệp là ngành sử dụng nhiều nước nhất dùng tưới lúa

và hoa màu, chủ yếu là ở đồng bằng sông Cửu Long và sôngHồng Việc sử dụng nông dược và phân bón hóa học càng gópthêm phần ô nhiễm môi trường nông thôn

• Công nghiệp là ngành làm ô nhiễm nước quan trọng, mỗingành có một loại nước thải khác nhau Khu công nghiệp TháiNguyên thải nước biến Sông Cầu thành màu đen, mặt nướcsủi bọt trên chiều dài hàng chục cây số Khu công nghiệp ViệtTrì xả mỗi ngày hàng ngàn mét khối nước thải của nhà máyhóa chất, thuốc trừ sâu, giấy, dệt xuống Sông Hồng làmnước bị nhiễm bẩn đáng kể Khu công nghiệp Biên Hòa và TPHCM tạo ra nguồn nước thải công nghiệp và sinh hoạt rất lớn,làm nhiễm bẩn tất cả các sông rạch ở đây và cả vùng phụ cận

• Nước dùng trong sinh hoạt của dân cư ngày càng tăng nhanh do dân số và các đô thị Nước cống từ nước thải sinh hoạt cộng với nước thải cuả các cơ

sở tiểu thủ công nghiệp trong khu dân cư là đặc trưng ô nhiễm của các đô thị ở nước ta.

• Ðiều đáng nói là các loại nước thải đều được trực tiếp thải ra môi trường, chưa qua xử lý gì cả, vì nước ta chưa có hệ thống xử lý nước thải nào đúng nghĩa như tên gọi.

• Nước ngầm cũng bị ô nhiễm, do nước sinh hoạt hay công nghiệp và nông nghiệp Việc khai thác tràn lan nước ngầm làm cho hiện tượng nhiễm mặn

và nhiễm phèn xảy ra ở những vùng ven biển sông Hồng, sông Thái Bình, sông Cửu Long, ven biển miền Trung (Cao Liêm và Trần Ðức Viên, 1990).

3.3 Các loại ô nhiễm nước

Có nhiều cách phân loại ô nhiễm nước Hoặc dựa vào nguồn gốc gây ô nhiễm, như ô nhiễm do công nghiệp, nông nghiệp hay sinh hoạt Hoặc dựa vào môi trường nước, như ô nhiễm nước ngọt, ô nhiễm biển và đại dương Hoặc dựa vào tính chất của ô nhiễm, như ô nhiễm sinh học, hóa học hay vật lý.

3.3.1 Ô nhiễm sinh học của nước

Ô nhiễm nước sinh học do các nguồn thải đô thị hay kỹ nghệ

có các chất thải sinh hoạt, phân, nước rửa của các nhà máy đường, giấy

Sự ô nhiễm về mặt sinh học chủ yếu là do sự thải các chất hữu cơ có thể lên men được: sự thải sinh hoạt hoặc kỹ nghệ có chứa chất cặn bã sinh hoạt, phân tiêu, nước rửa của các nhà máy đường, giấy, lò sát sinh