Tài liệu KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ NƯỚC VÀ MÔI TRƯỜNG THỦY QUYỂN ppt

Mặc dù nấm không pháttriển mạnh trong môi trường nước nhưng chúng đóng vai trò quantrọng trong việc quyết định thành phần của nước tự nhiên và nướcthải do một lượng lớn các chất do nấm p

KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ NƯỚC

VÀ MÔI TRƯỜNG THỦY QUYỂN

TÍNH CHẤT CỦA NƯỚC

1 Tài nguyên nước và vai trò của nước

a Tài nguyên nước

Trái Đất có khoảng 361 triệu km2 diện tích các đại dương (chiếm

715 diện tích trái đất) Trữ lượng tài nguyên nước có khoảng 1,5 tỉ

km3, trong đó nước nội địa chỉ chiếm 91 km3 (6,1%) , còn lại là nướcbiển và đại dương Tài nguyên nước ngọt chiếm 28,25 triệu km3,nhưng phần lớn lại ở dạng đóng băng ở hai cực trái đất Lượng nướcthực tế con người có thể sử dụng được là 4,2 triệu km3 (0,28% thủyquyển)

Các dạng nước trong tự nhiên không ngừng vận động và chuyểntrạng thái (lỏng, rắn, hơi), tạo nên vòng tuần hoàn nước trong sinhquyển: nước bốc hơi, ngưng tụ và mưa Nước vận động trong cácquyển (khí quyển, thủy quyển, thạch quyển và sinh quyển), hòa tan

và mang theo nhiều chất dinh dưỡng, chất khoáng và một số chất cầnthiết cho đời sống của động vật và thực vật

Nước ao, hồ, sông và đại dương… nhờ năng lượng mặt trời bốchơi vào khí quyển, hơi nước ngưng tụ lại rồi mưa xuống bề mặt tráiđất Nước chu chuyển trong phạm vi toàn cầu, tạo nên các cân bằngnước và tham gia vào quá trình điều hòa khí hậu trái đất Hơi nướcthoát từ các loài thực vật làm tăng độ ẩm của không khí Một phầnnước mưa thấm qua đất thành nước ngầm, nước ngầm và nước bềmặt đều hướng ra biển để tuần hoàn trở lại, đó là chu trình nước Tuynhiên lượng nước ngọt và nước mưa trên hành tinh phân bố khôngđều Hiện nay hàng năm trên toàn thế giới mới sử dụng khoảng 4000

km3 nước ngọt, chiếm khoảng hơn 40% lượng nước ngọt có thể khaithác được

b Vai trò của nước

Nước ngọt là tài nguyên tái tại được, nhưng sử dụng cần phải cânbằng nguồn dự trữ và tái tạo, sử dụng cần phải hợp lý nếu muốn cho

sự sống tiếp diễn lâu dài, vì hết nước thì sự sống cũng chấm dứt.Trong vũ trụ bao la chỉ có trái đất là có nước ở dạng lỏng, vì vậy giátrị của nước sau nhiều thập kỷ xem xét đã được đánh giá “Như dòngmáu nuôi cơ thể con người dưới một danh từ là máu sinh học của tráiđất, do vậy nước quý hơn vàng” (Pierre Fruhling) Điều kiện hìnhthành đời sống động thực vật phải có nước, nước chính là biểu hiệnnơi muôn loài có thể sống được, đó là nguồn giá trị đích thực củanước

Môi trường nước không tồn tại cô lập với môi trường khác, nóluôn tiếp xúc trực tiếp với không khí, đất và sinh quyển Phản ứng

hóa học trong môi trường nước có rất nhiều nét đặc thù khi so sánhvới cùng phản ứng đó trong phòng thí nghiệm hay trong sản xuấtcông nghiệp Nguyên nhân của sự khác biệt đó là tính không cânbằng nhiệt động của hệ do đó là một “hệ mở” tiếp xúc trực tiếp vớikhí quyển, thạch quyển, sinh quyển và số tạp chất trong nước cực kỳ

đa dạng Giữa chúng luôn có sự trao đổi chất, năng lượng (nhiệt,quang, cơ năng), xảy ra sôi động giữa bề mặt phân cách pha Ngaytrong lòng nước cũng xảy ra các quá trình xa lạ với quy luật cânbằng hóa học: quá trình giảm entropi, sự hình thành và phát triển củacác vi sinh vật

Nước là một hợp chất liên quan trực tiếp và rộng rãi đến sự sốngtrên trái đất, là cơ sở của sự sống đối với mọi sinh vật Đối với thếgiới vô sinh, nước là thành phần tham gia rộng rãi vào các phản ứnghóa sinh, nước là dung môi và môi trường tàng trữ các điều kiện đểthúc đẩy hay kìm hãm các quá trình hóa sinh Đối với con người,nước là nguyên liệu chiếm tỷ trọng lớn nhất

Nước rất cần thiết cho hoạt động sống của con người cũng nhưcác sinh vật Con người có thể không ăn trong nhiều ngày mà vẫnsống, nhưng sẽ bị chết chỉ sau ít ngày (khoảng 3 ngày) nhịn khát, vì

cơ thể người có khoảng từ 70 – 75 % là nước, nước mất 12% nước

cơ thể sẽ bị hôn mê và có thể chết

Con người cần nước ngọt cho ăn uống, sinh hoạt hàng ngày vàcho sản xuất Mỗi người một ngày ăn uống chỉ cần 2,5 lít nước,nhưng tính chung cho cả nước sinh hoạt thì ở các nước phương Tâymỗi người cần khoảng 300 lít nước mỗi ngày Với các nước đangphát triển, số lượng nước đó thường được dùng cho một gia đình 5 –

6 người

Nhu cầu nước cho sản xuất công nghiệp và nhất là nông nghiệprất lớn Để khai thác một tấn dầu mỏ cần có 10 m3 nước , muốn chếtạo một tấn sợi tổng hợp cần có 5600 m3 nước, một trung tâm nhiệtđiện hiện đại với công suất 1 triệu kW cần đến 1,2 – 1,6 tỉ m3 nướctrong một năm

Tóm lại, nước có một vai trò quan trọng không thể thiếu đượccho sự sống tồn tại trên trái đất, là máu sinh học của trái đất nhưngnước cũng là nguồn gây tử vong cho con người Vì vậy nói đến nước

là nói đến việc bảo vệ rừng, trồng rừng, phát triển để tái tạo nguồnnước, hạn chế cường độ dòng lũ lụt, để sử dụng nguồn nước làmthủy điện, để cung cấp nước sạch Phải sử dụng hợp lý nước sinhhoạt và sản xuất đi đôi với việc chống ô nhiễm nguồn nước đã khaithác sử dụng, phải xử lý nước thải sản xuất và sinh hoạt

2 Thành phần hóa sinh của nước

2.1 Thành phần hóa học của nước thiên nhiên

Nước tự nhiên chiếm 1% tổng lượng nước trên trái đất, gồmnước chứa ở sông, hồ, nước bề mặt, nước ngầm Thành phần củanước tự nhiên có hòa tan các chất rắn, lỏng, khí phụ thuộc vào địahình mà nó đi Các nguồn nước tự nhiên không nối liền với nhau nênkhông có sự hòa trộn để có thành phần khá đồng đều như nước biển

và thành phần của chúng lại có thể thay đổi ngay trên dòng

Nước biển trong các đại dương được nối với nhau nên thànhphần của nước gần như nhau Nước biển chứa hàm lượng muối tanlớn gấp khoảng 2000 lần so với các nguồn nước bề mặt Nước biển

có thể gọi là dung dịch chứa muối NaCl 0.5 M, MgSO4 0.05 M và vilượng của tất cả các chất trong toàn cầu

Các chất rắn hòa tan trong nước chủ yếu là các muối hòa tan,hàm lượng NaCl trong nước quyết định độ mặn của nước

Các khí hòa tan trong nước: nói chung các chất khí có trong khíquyển đều có mặt trong nước do kết quả của hai quá trình cơ bản làkhuếch tán và đối lưu Trong đó khí CO2 và O2 trong nước có ýnghĩa quan trọng đối với quá trình quang hợp và hô hấp của các sinhvật sống dưới nước

- Oxi trong nước: oxi là loại khí ít tan trong nước và khôngtác dụng với nước về mặt hóa học, nhưng oxi có ý nghĩa lớn đối vớiquá trình tự làm sạch của nước Độ hòa tan của oxi trong nước phụthuộc nhiều vào nhiệt độ và áp suất môi trường Mức độ bão hòa oxihòa tan trong nước ngọt vào khoảng 14 – 15 ppm(0oC, 1 atm), 8 ppm (25oC, 1 atm), 7 ppm (35oC, 1 atm) Nồng độ oxigiảm dần theo chiều sâu của lớp nước Nếu nước bị ô nhiễm bởi cácchất hữu cơ có khả năng oxi hóa bằng phản ứng sinh học với oxi thìhàm lượng oxi trong nước còn giảm do bị tiêu hoa bởi hoạt động củacác vi khuẩn Khi lượng oxi trong nước quá ít < 2 ppm, các vi khuẩn

sẽ lấy oxi của các chất chứa oxi để oxi hóa: SO42-  H2S  S…nước vùng đó trở thành vùng yếm khí

- Khí cacbonic trong nước: khí cacbonic hòa tan trong nướctan ra các ion HCO3-, CO32- và quá trình chuyển hóa CO32- thành CO2

trong nước đóng vai trò rất quan trọng cho các quá trình cân bằnghóa học trong nước Quá trình đó, không chỉ làm ổn định pH trongnước mà còn ảnh hưởng tới sự tạo phức với các ion kim loại củanước, tham gia vào hoạt động của thực vật và lắng đọng các trầmtích cacbanat trong nước

Các phản ứng của khí CO2 vào nước:

Khi pH >= 8.3, CO2 trong nước chủ yếu tồn tại ở dạng CO32- ; khi

pH <= 5, trong nước tồn tại chủ yếu ở dạng CO2 hay HCO3- Với lớptrầm tích, CO2 trong nước tham gia phản ứng:

Quá trình này dẫn tới sự thay đổi pH của môi trường

- Các chất hữu cơ trong nước:

Dựa vào khả năng phân hủy của vi sinh vật có thể chia làm hainhóm:

+ Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học: các chất đường,protein, chất béo, dầu mỡ động thực vật, vi sinh vật phân hủy tạo rakhí cacbonic và nước

+ Các chất hữu cơ khó bị phân hủy sinh học: hợp chất clo hữu

cơ, andrin, policlor biphenyl (PCB), hợp chất đa vòng ngưng tụ(pyren, naphtalen, antraxen, đioxin…) là những hợp chất khá bềntrong môi trường nước và có độc tính cao cho động thực vật và conngười

2.2 Thành phần sinh học của nước

Trong môi trường nước, các sinh vật sống (vùng sinh vật – biota)

có thể phân loại thành cả sinh vật đẳng tuyến (autotropic) và sinh vật

dị tuyến (heterotropic) Vùng sinh vật đẳng tuyến sử dụng nănglượng mặt trời hoặc năng lượng hóa học để biến các vật chất đơngiản không có sự sống thành các phân tử sống có chứa các sinh vậtsống Các sinh vật sống đẳng tuyến dùng năng lượng mặt trời đểtổng hợp các hợp chất hữu cơ từ các chất vô cơ được gọi là các sinhvật sản xuất (producer)

Các sinh vật dị tuyến sử dụng các chất hữu cơ do các sinh vậtđẳng tuyến tạo ra như nguồn năng lượng và nguyên liệu cho quátrình tổng hợp chất hữu cơ sinh học (biomass) của chúng Các sinhvật phân hủy là một phân lớp của sinh vật dị tuyến và bao gồm chủyếu các loại vi khuẩn, nấm; các sinh vật này phân hủy chất sinh họcthành các hợp chất đơn giản mà các hợp chất này trước hết sẽ đượccác sinh vật đẳng tuyến xử lí

Các vi sinh vật trong nước là một nhóm rất đa dạng của sinh vật

có khả năng tồn tại như các đơn bào vốn chỉ có thể quan sát thấy quakính hiển vi Các vi sinh vật, đơn bào nhỏ bé chỉ có thể nhìn thấyqua kính hiển vi bao gồm vi khuẩn, nấm và tảo đóng vai trò cực kỳquan trọng trong môi trường nước với những lý do sau:

+ Thông qua khả năng xử lý cacbon vô cơ, tảo và các vi khuẩnquang hợp là các sinh vật sản xuất chủ yếu sinh khối, cung cấp phầncòn lại của chuỗi thức ăn trong môi trường nước

+ Là các tác nhân xúc tác cho các phản ứng hóa học dưới nước,

vi khuẩn làm trung gian cho hầu hết các chu trình oxi hóa – khửtrong nước

+ Bằng việc phân hủy sinh khối và các chất khoáng hóa quantrọng, đặc biệt là nitơ và photpho, các vi sinh vật dưới nước đóng vaitrò quan trọng trong chu trình dinh dưỡng

+ Các vi sinh vật dưới nước cũng rất cần thiết cho các chu trìnhsinh hóa

+ Các vi khuẩn dưới nước đóng vai trò quan trọng trong việcphân hủy và giải độc rất nhiều chất ô nhiễm (xenobiotic) trong môitrường thủy quyển.

Theo quan điểm của hóa học môi trường, kích thước nhỏ bé củacác vi sinh vật đặc biệt quan trọng, bởi vì kích thước này cho phépcác vi khuẩn trao đổi nhanh các chất dinh dưỡng và các sản phẩmmetan với môi trường xung quanh, kết quả là tạo ra nhiều phản ứngmetan Việc tăng trưởng theo cấp số nhân của các đơn bào bằng quátrình sinh sản nhân đôi ở pha lỏng, cho phép các vi sinh vật nhân lênnhanh chóng trên các chất nền hóa học môi trường như là các hợpchất hữu cơ có thể phân hủy được Các vi sinh vật đóng vai trò nhưcác chất xúc tác sống cho phép hàng loạt các chu trình hóa học diễn

ra trong môi trường nước và đất Phần lớn các phản ứng hóa họcdiễn ra trong đất và nước đều là các phản ứng liên quan đến các chấthữu cơ và các quá trình oxi hóa – khử xuất hiện thông qua khâutrung gian có xúc tác vi khuẩn

Tảo là vi sinh vật sản xuất chủ yếu các chất hữu cơ sinh họctrong nước Tảo là vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong việchình thành các chất cặn và chất khoáng; chúng cũng có vai trò cực

kỳ quan trọng trong hệ thống xử lý nước thải thứ cấp Các vi sinh vậtphải được loại bỏ khỏi nguồn nước dể tạo nguồn nước sạch cho conngười

Tảo có thể được coi là các vi sinh vật siêu nhỏ tồn tại trên các vậtchất dinh dưỡng vô cơ và sản sinh ra chất hữu cơ từ cacbondioxitthông qua quá trình quang hợp Ở dạng rất đơn giản, quá trình sảnxuất ra các chất hữu cơ thông qua quá trình quang hợp của tảo được

mô tả bằng phản ứng sau:

CO2 + H2O  {CHCH2O} + O2

Trong đó, nhóm {CHCH2O} là một đơn vị cacbohydrat

Nấm là các vi sinh vật không quang hợp Cấu trúc của nấm cónhiều loại và thường được phân loại theo cấu trúc sợi Nấm là các visinh vật ưa khí, thường chịu được môi trường nhiều axit và có nồng

độ các ion kim loại nặng cao hơn vi khuẩn Mặc dù nấm không pháttriển mạnh trong môi trường nước nhưng chúng đóng vai trò quantrọng trong việc quyết định thành phần của nước tự nhiên và nướcthải do một lượng lớn các chất do nấm phân hủy từ xenlulose trong

gỗ và các loại thực vật khác thâm nhập vào nguồn nước Để làmđược điều này các tế bào nấm tiết ra enzim ngoại bào xenlulaza Mộttác dụng phụ quan trọng là đối với môi trường của việc phân hủy cácchất từ thực vật của nấm là các chất mùn

3 Những đặc điểm của nước

Nước là một trong số các chất lỏng dị thường nhất Khối lượngphân tử của nước ở 20oC nhỏ hơn nhiều so với bất kỳ chất lỏng nào

khác ở cùng nhiệt dọ này (trừ HF) Đây là một tính chất dị thường vì

ở điểm sôi xu hướng các phan tử chất lỏng muốn thoát ra để chuyểnđộng tự do trong không gian, tức là dạng khí, nước lại bằng xuhướng của phân tử muốn tạo thành chất lỏng Xu hướng chuyểnthành dạng khí có liên quan chủ yếu đến khối lượng phân tử: nếu cácphân tử chất lỏng đều nhẹ hơn thì chúng có thể chuyển động trongkhông gian dễ dàng hơn các phân tử nặng hơn ở một nhiệt độ nào

đó Xu hướng các phân tử ở dạng khí tạo thành pha lỏng có liên quanchủ yếu đến tương tác giữa các phân tử với nhau trong pha lỏng.Khối lượng của phân tử nước bằng 18 nên phân tử nước là mộtphân tử nhẹ, nhưng điểm sôi của nước là 100oC Nếu so sánh nướcvới metan trên quan điểm này thì khối lượng phân tử của metan bằng

16 nhưng điểm sôi chỉ có – 161,5oC Còn nếu so sánh với neon cókhối lượng phân tử bằng 20 nhưng điểm sôi là – 245,9oC Những sốliệu này cho thấy điểm sôi của nước cao hơn rất nhiều so với cácchất có khối lượng phân tử tương đương

Khi nước đá nóng chảy thành nước thì thể tích giảm và tiếp tụcgiảm đến khi có nhiệt độ bằng 3,98oC

Ta biết rất rõ là nước đá nhẹ hơn nước Hiện tượng này là rấtkhác với đa số các chất rắn khác vì thường các chất rắn đều nặnghơn dạng lỏng và bị chìm vào dạng lỏng trong quá trình nóng chảy.Nhiệt dung riêng của nước cũng lớn hơn rất nhiều so với nhiều chấtlỏng khác Nước có nhiệt nóng chảy và nhiệt hóa hơi cũng rất lớn.Ngoài ra nước có hằng số điện môi lớn, có khả năng hòa tanđược nhiều chất điện li hơn so với nhiều dung môi khác

Nước có được những tính chất vật lý đặc biệt đó là do giữa cácphân tử nước tồn tại một loại liên kết đặc biệt, được gọi là liên kếthydro Phân tử nước H2O là phân tử phân cực cao Các phân tửkhông tồn tại riêng rẽ mà tạo thành từng nhóm phân tử bởi liên kếthidro Mỗi phân tử nước đá được bao quanh bởi 4 phân tử nước đákhác tạo thành cấu trúc hình tứ diện

4 Sự tạo phức trong nước tự nhiên và nước thải

Các ion kim loại trong nước thường liên kết với các phân tử nướcdưới dạng các ion hydrat biểu thị bằng công thức chung làM(H2O)xn+, để đơn giản H2O thường được bỏ qua Các phân tử khácnước có thể liên kết với các ion kim loại mạnh hơn phân tử nước.Đặc biệt, một ion kim loại trong nước có thể kết hợp với một ionhoặc một hợp chất có cung cấp các electron cho ion kim loại Nhữnghợp chất như trên được gọi là chất cho điện tử, hay base lewis Làmột phối tử, nó liên kết với một ion kim loại để tạo nên một phứchợp hay một hợp chất phối trí

Các phức chất với kim loại đều ảnh hưởng tới tính chất của nước.

Có thể ở nồng độ thấp (vi lượng) chúng có lợi cho dinh dưỡng, song

ở nồng độ cao chúng lại gây đọc trong nước

Các phức với kim loại còn ảnh hưởng tới quá trình oxy hóa –khử, cân bằng hóa học và cân bằng sinh học trong nước Ở đâyngười ta thường quan tâm đến các phức chất của axit humic và axitfulvic Các phức này đã được các nhà hóa học phát hiện từ năm

1800, nhưng cấu trúc và đặc tính hóa học đến nay vẫn chưa được xácđịnh chính xác Chúng được tạo nên do quá trình phân hủy thực vật,xuất hiện như một chất lắng trong đầm lầy hoặc lớp trầm tích củanước

Sự tạo phức bởi các chất humic (mùn)

Nhóm tạo các hợp chất quan trọng nhất có trong tự nhiên là cácchất mùn Các chất mùn là những hợp chất không bị thoái biến trongquá trình phân hủy các thực vật, là các chất lắng đọng trong đất, đáycác đầm lầy, than bùn, than non, hay ở bất cứ nơi nào có chứa lượnglớn thực vật bị thối rửa Các chất này thường được phân loại theo độhòa tan Một hợp chất có chứa mùn được tách ra bằng base mạnh vàdụng dịch còn lại được axit hóa, sẽ cho các sản phẩm sao:

+ Bã thực vật không thể tách rời được gọi là humin

+ Một chất kết tủa từ phần tách ra bị axit hóa, được gọi là axithumic

+ Một hợp chất hữu cơ còn lại trong dung dịch bị axit hóa gọi làaxit fulvic

Do tính chất phức hợp, hút ẩm, axit và base mà cả hợp chất tanlẫn không tan đều có ảnh hưởng lớn đến tính chất của nước Thôngthường axit fulvic tan trong nước và phát huy ảnh hưởng của mìnhnhư các chất tan Axit humic và humin không và ảnh hưởng đến chấtlượng của nước thông qua việc trao đổi, như trao đổi cation hay cácchất hữu cơ với nước

Các hợp chất humic là hợp chất cao phân tử, có trọng lượng phân

tử lớn Trọng lượng phân tử dao động từ một vài trăm đối với axitfulvic đến hàng chục ngàn đối với axit humic và các hợp chất humin.Liên kết của các ion kim loại bằng các chất mùn là một trongnhững tính chất môi trường quan trọng nhất của chất mùn Liên kếtnày có thể tồn tại như một chelat giữa một nhóm cacboxyl và mộtnhóm hydroxyl của phenol

Các chất phức của axit fulvic với kim loại cũng đóng vai trò quantrọng trong môi trường nước tự nhiên Chúng có thể lưu giữ một sốion kim loại như sắt, các hợp chất màu vàng trong nước được gọi làGelbstofe và thường gắn liền với sắt tan

Người ta đã đặt biệt chú ý đến các hợp chất mùn sau khi pháthiện ra trihalogenmetan (THM) như clorofom hay dibromclometan

trong các nguồn cung cấp nước Ngày nay người ta thấy rằng, cácchất gây ung thư còn nhiều nghi ngờ này có thể được hình thành với

sự xuất hiện của các hợp chất mùn trong quá trình tẩy uế nguồn nướcuống của các đô thị bằng clo Các hợp chất mùn tạo ra THM quaphản ứng với clo Có thể giảm bớt sự hình thành của THM bằngcách loại bỏ càng nhiều càng tốt chất mùn trước khi khử trùng nướcbằng clo

Như vậy, dựa vào độ tan của axit humic và axit fulvic người taphân loại:

+ Humin là những sản phẩm gốc thực vật không chiết được.+ Axit humic là những sản phẩm kết tủa trong quá trình axithóa

+ Axit fulvic là những chất hữu cơ còn lại trong dung dịch axit.Các axit humic và axit fulvic có ảnh hưởng trực tiếp đến tính chấtcủa nước như: tính tạo phức, tính hấp phụ, tính base

Axit humic và axit fulvic là các đại phân tử, có phân tử lượng từvài ngàn tới 300 ngàn, có cấu trúc không ổn định, chứa đồng thờinhiều nhóm chứa axit yếu: cacbonyl, cacboxyl, hydroxyl, phenol.Một trong những tính chất khá đặc thù của axit humic và fulvic làkhả năng tạo phức với kim loại tạo thành hợp chất có độ tan thấp

II CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ Ô NHIỄM NƯỚC

1 Độ pH

Độ pH là một trong những chỉ tiêu cần xác định đối với chấtlượng nước Giá trị đo pH cho phép chúng ta quyết định xử lý nướctheo phương pháp thích hợp hoặc điều chỉnh lượng hóa chấ trongquá trình xử lý nước Sự thay đổi pH trong nước có thể dẫn tớinhững thay đổi về thành phần các chất trong nước do quá trình hòatan hoặc kết tủa, hoặc thúc đẩy hoặc ngăn chặn những phản ứng hóahọc, sinh học xảy ra trong nước

Xác định pH bằng các máy đo pH Các máy đo pH hiện nay đều

là các máy hiện số Độ chính xác của các máy này thường là 1% đơn

vị pH

2 Nhiệt độ

Nhiệt độ của nước là một chỉ tiêu cần đo khi lấy mẫu nước.Nhiệt độ của nước ảnh hưởng đến độ pH, đến các quá trình sinhhóa xảy ra trong nước

Nhiệt độ của nước phụ thuộc vào điều kiện khí hậu, thời tiết haymôi trường khu vực Riêng nhiệt độ của nước ngầm, các lớp nướctầng đáy sâu của hồ… ít phụ thuộc vào môi trường hơn Nhiệt độnước thải công nghiệp đặc biệt là nước thải của nhà máy nhiệt điện,nhà máy điện hạt nhân thường cao hơn từ 10 – 25oC so với nướcthường

Nước nóng có thể gây ô nhiễm hoặc có lợi tùy theo mùa và vị tríđịa lý Vùng có khí hậu ôn đới nước nóng có tác dụng xúc tiến sựphát triển của vi sinh vật và các quá trình phân hủy Nhưng ở nhữngvùng nhiệt đới, nhiệt độ cao của nước ở sông hồ sẽ làm thay đổi quátrình sinh hóa và hóa lý bình thường của hệ sinh thái nước, giảmlượng oxi hòa tan vào nước và tăng nhu cầu oxi của cá lên 2 lần.Một số loài sinh vật không chịu được nhiệt độ cao sẽ chết hoặc phải

di chuyển đi nơi khác, nhưng có một số loài khác lại phát triển mạnh

Nước bẩn của nước là do các chất bẩn trong nước gây nên Màusắc của nước ảnh hưởng đến thẩm mỹ khi sử dụng nước, ảnh hưởngđến chất lượng nước khi sử dụng trong sản xuất

Mùa của nước là do những nguyên nhân sau:

+ Màu của các chất hữu cơ: màu này rất khó xử lý bằng cácphương pháp đơn giản

Nước có màu xanh đậm hoặc có váng trắng chứng tỏ trong nước

có nhiều chất phú dưỡng hoặc các thực vật nổi phát triển quá mức vàsản phẩm phân hủy thực vật đã chết

Sự phân hủy các chất hữu cơ làm xuất hiện axit humic và fulvichòa tan làm nước có màu vàng

+ Các chất vô cơ là những hạt rắn, gây ra màu sắc trong nước.Màu này xử lý đơn giản hơn

Các hợp chất của Fe3+ không tan làm cho nước có màu nâu đỏ.Nước thải sinh hoạt hay nước thải công nghiệp có nhiều màu sắckhác nhau Thường là màu xám hay màu tối

Khi nước bị ô nhiễm có màu sẽ cản trở sự truyền ánh sáng mặttrời vào nước, làm ảnh hưởng tới hệ sinh thái nước Nếu là màu dohóa chất gây nên sẽ rất độc đối với sinh vật sống trong nước

4 Mùi vị

Nước sạch không có mùi, vị Nước có mùi vị khó chịu là nước bị

ô nhiễm Nguyên nhân của sự ô nhiễm là do sản phẩm phân hủy cácchất hữu cơ trong nước hoặc do nguồn nước thải có chứa những chấtkhác nhau, ví dụ: mùi phân C8H5NHCH3, mùi trứng thối H2S, mùihôi của mercaptan (CH3SH, CH3(CH2)3SH, mùi cá ươn của amin(CH3NH2, (CH3)2NH, (CH3)3N), mùi thịt thối của diamin NH2 –(CH2)4 – NH2…

5 Độ đục

Nước tự nhiên sạch thường không chứa các chất rắn lơ lửng nêntrong suốt và không màu Độ đục do các chất lơ lửng gây ra, chúng

có kích thước rất khác nhau, từ dạng những hạt keo đến những thểphân tán thô Những hạt vật chất gây đục thường hấp phụ những kimloại nặng, cùng các vi sinh vật gây bệnh Nước đục còn ngăn cản quátrình chiếu sáng của mặt trời xuống đáy thủy vực làm giảm quá trìnhquang hợp và nồng độ oxi hòa tan trong nước

Đơn vị chuẩn của độ đục là sự cản quang bởi 1 mg SiO2 hòa tantrong 1 lít nước cất gây ra được gọi là 1 đơn vị độ đục Đo độ đụccủa nước bằng các máy đo độ đục Độ đục càng lớn có nghĩa là độnhiễm bẩn của nước càng cao và phải có biện pháp xử lý thích hợp

6 Độ mặn

Độ mặn của nước là tổng lượng các muối hòa tan trong nước.Mỗi quần thể sinh vật trong nước sẽ thích nghi với một khoảng độmặn nhất định của nước

Độ mặn thường được ký hiệu là S‰ Độ mặn của nước có thểtính qua hàm lượng Cl- có trong nước biển theo công thức:

Chất rắn hòa tan: mắt thường không thể nhìn thấy được, làm chonước có mùi, vị khó chịu, đôi khi cũng làm cho nước có màu Đó làchất khoáng vô cơ, hữu cơ như các muối clorua, cacbonat, nitrat,photphat…

Nguồn nước có hàm lượng chất rắn cao không dùng được trong

công nghiệp và trong sinh hoạt

8 Chất rắn bay hơi

Hàm lượng chất rắn bay hơi là lượng mất đi khi nung lượng chấtrắn huyền phù ở 550oC trong một khoảng thời gian nhất định Thờigian này phụ thuộc vào loại nước cần xác định (nước thải, bùn, nướcuống…) Đơn vị tính là mg/l Hàm lượng chất rắn bay hơi trongnước thường biểu thị cho hàm lượng chất hữu cơ trong nước

9 Chất rắn có thể lắng

Chất rắn có thể lắng là thể tích phần chất rắn của một lít nướcmẫu đã lắng xuống đáy phễu sau một thời gian xác định (khoảng 1giờ) Đơn vị đo là ml/l.

Ngoài ra còn có các hóa chất khác ảnh hưởng đến độ kiềm củanước là ammoniac và các base liên hợp của photphoric, silicic, boric

và các axit vô cơ Cũng cần phải phân biệt giữa độ base cao, đượcxác định bằng độ pH tăng, và độ kiềm cao xác định bằng khả năngnhận H+ Trong khi pH chỉ cường độ thì độ kiềm chỉ khả năng Việcdùng phèn nhôm Al2(SO4)3.18H2O làm chất kết tụ là một ví dụ chotầm quan trọng của tính kiềm trong việc xử lý nước Ion nhôm hidrat

là một axit khi có nước sẽ kết hợp với base tạo ra nhôm hidroxit kếttủa Phản ứng này khử kiềm trong nước Đôi khi cũng cần bổ sungthêm kiềm để ngăn chặn việc nước trở nên quá axit

Độ kiềm có đơn vị là CaCO3 mg/l dựa theo phản ứng trung hòaaxit Trọng lượng tương đương của canxi cacbonat bằng ½ trọnglượng theo công thức của nó vì chỉ cần ½ phân tử CaCO3 để trunghòa một ion H+ Tuy nhiên thể hiện độ kiềm bằng mgCaCO3/l có thểdẫn đến nhầm lẫn với mđương lượng/l là đơn vị thường dùng trong hóahọc

Đối với nước tự nhiên, độ kiềm của nước phụ thuộc chủ yếu vàohàm lượng các muối cacbonat, hidrocacbonat của kim loại kiềm vàkiềm thổ, trong trường hợp này pH của nước thường >= 8.3

11 Độ axit

Đối với các nguồn nước tự nhiên, độ axit được định nghĩa là hàmlượng của các chất có trong nước có khả năng tham gia phản ứng vớikiềm mạnh Nước axit thường rất ít gặp trừ trường hợp bị ô nhiễmnặng Độ axit của nước thường do sự có mặt của các axit như:

H2PO4-, CO2, H2S, các protein, các axit béo và các ion kim loại cótính axit, đặc biệt là ion Fe3+ Độ axit khó xác định hơn độ kiềm, lý

do là hai hợp chất chủ yếu tác động đến tính axit là CO2 và H2S đều

là chất tan dễ bay hơi và biến mất trong mẫu thử Cất và lưu giữ cácmẫu nước đại diện để phân tích của khí này thường rất khó

Thuật ngữ axit vô cơ tự do được dùng cho các axit mạnh trongnước như H2SO4 và HCl Nước axit trong các hầm mỏ có chứa nhiềuaxit vô cơ Trong khi nồng độ axit được xác định bằng việc chuẩn độvới base đến điểm cuối của phenolphthalein(pH = 8.3, khi cả axitmạnh và axit yếu đều được trung hòa), thì axit vô cơ tự do được xácđịnh bằng việc chuẩn độ với base đến điểm cuối methyl da cam (pH

= 4.3, khi chỉ có axit mạnh được trung hòa)

Độ axit của một số ion hydrat kim loại cũng có thể làm tăng tínhaxit của nước Để ngắn gọn, ion H3O+ được viết tắt đơn giản hơnthành H+

Độ axit của nước có nguồn gốc khác nhau do quá trình thủyphân, oxi hóa khoáng vật và chất hữu cơ, hoạt động vi sinh, lắngđọng từ khí quyển, nước thải từ các hoạt động công nghiệp, sự hòatan của khí CO2 Trong đó, khí CO2 hòa tan vào nước là nguồn chínhđóng góp vào độ axit của nước

12 Độ cứng của nước

Trong các cation có trong hầu hết các hệ thống nước sạch, ioncanxi thường có nồng độ cao nhất và có ảnh hưởng lớn nhất đối vớihóa học môi trường nước, cũng như việc sử dụng và xử lý nước.Tính chất hóa học của canxi, mặc dù khá phức tạp, nhưng vẫn đơngiản hơn tính chất hóa học của các ion kim loại chuyển tiếp trongnước Canxi là nguyên tố quan trong các quá trình địa hóa Cáckhoáng chất tạo thành các nguồn ion canxi chủ yếu trong nước Cáckhoáng chất chủ yếu góp phần tạo ra ion canxi là thạch caoCaSO4.2H2O, CaSO4, dolomite CaMg(CO3)2, aragonite, vốn là cácdạng khác nhau của CaCO3

Canxi xuất hiện trong nước là do sự cân bằng giữa canxi và cáchợp chất magie cacbonat cùng với CO2 tan trong nước, khí này từkhông khí hay các chất hữu cơ bị thối rữa trong các chất cặn Nướcchứa lượng lớn cacbon dioxit sẽ hòa tan nhanh chóng canxi từ cáchợp chất cacbonat

Nồng độ CO2 trong nước quyết định độ hòa tan của canxicacbonat Lượng cacbon dioxit mà nước có được nhờ vào sự cânbằng với không khí không đủ để tạo ra canxi hòa tan trong nước tựnhiên, đặc biệt là nước ngầm Thay vào đó, hoạt động hô hấp củacác vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ có trong nước, trong cácchất cặn và đất sẽ cung cấp lượng CO2 cần thiết để hòa tan CaCO3

trong nước Đây là một yếu tố hết sức quan trọng trong các chu trìnhhóa học môi trường nước và các quá trình chuyển hóa địa hóa.

Ion canxi, cùng với ion magie, đôi khi là ion sắt II, quyết định độcứng của nước Minh họa điển hình nhất về độ cứng của nước là kếttủa vón cục của phản ứng giữa xà phòng với ion canxi trong nướccứng Nhiệt độ tăng có thể làm cho phản ứng này xảy ra bằng cáchgiải phóng khí CO2 và chất kết tủa trắng của canxi cacbonat có thểhình thành trong nước sôi có độ cứng tạm thời

Do có sự có mặt của các muối, chủ yếu là các muối canxi vàmuối magie, nước cứng không gọi là nước ô nhiễm vì không gây hạicho sức khỏe con người Nhưng độ cứng của nước lại có ảnh hưởnglớn đến sản xuất công nghiệp như đóng cặn trong nồi hơi do tạo kếttủa với các ion Ca2+, Mg2+; pha chè không ngấm, làm giảm tác dụngcủa hợp chất tạo bọt của xà phòng

Độ cứng của nước được chia làm thành hai loại:

+ Độ cứng tạm thời: do các muối hydrocacbonat của canxi vàmagie tạo nên, khi đun nước sôi độ cứng tạm thời sẽ mất, do tạo kếttủa CaCO3 và MgCO3

+ Độ cứng vĩnh cửu: do các muối sunfat, clorua của canxi vàmagie tạo nên Ngoài ra một số các cation kim loại khác như: Al3+,

Fe3+,… cũng làm tăng độ cứng của nước, độ cứng vĩnh cửu thườngrất khó loại trừ

Độ cứng của nước được biểu thị bằng hàm lượng của CaCO3,đơn vị là mg/l Có thể phân loại độ cứng của nước như sau:

Độ cứng của nước Hàm lượng CaCO3 (mg/l)Nước mềm

Nước cứng trung bìnhNước quá cứng

< 50

≈ 150

> 300

13 Hàm lượng oxi hòa tan trong nước(DO: dissolved oxygen)

Cùng với trị số pH, khí oxi hòa tan là yếu tố thủy hóa quan trọngxác định cường độ hàng loạt quá trình sinh hóa xảy ra trong môitrường nước Với khả năng hoạt động hóa học mạnh, oxi hòa tantrong nước là một hợp phần rất linh động, sự phân bố theo khônggian và biến đổi theo thời gian của nó chịu tác động của hàng loạthiện tượng và quá trình, trong đó đáng kể nhất là quá trình tương táccủa nước, khí quyển, hoạt động của thủy sinh vật, mức độ ô nhiễmcủa nước…Chính vì vậy oxi hòa tan trong nước được xem là mộttrong những yếu tố chỉ thị cho khối nước, cho nhiều quá trình lý hóaxảy ra trong đó, đồng thời nó còn được sử dụng như một chỉ tiêu cơ

bản để đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường, nhất là ô nhiễm chấthữu cơ.

Tất cả các sinh vật đều phụ thuộc vào oxi dưới dạng nào đó đểduy trì quá trình trao đổi chất đáp ứng sinh sản và phát triển Lượngoxi hòa tan trong nước rất ít, với nước sạch, độ hòa tan của oxi ở

Về mặt hóa học, oxi không tham gia phản ứng với nước, độ hòatan oxi vào nước phụ thuộc vào nhiệt độ Ngoài ra còn phụ thuộcvào tiêu hao oxi do quá trình phân hủy sinh học chất hữu cơ do vikhuẩn hiếu khí, sự bổ sung oxi do quá trình quang hợp, hao hụt oxi

do quá trình hô hấp của động vật trong nước và chiều sâu của nước

Chỉ số DO trong nước ở áp suất 1atm

Và các nhiệt độ khác nhau

Nhiệt độ o C 0 5 10 15 20 25 30Nước ngọt

(ppm) 14.6 12.8 11.3 10.2 9.2 8.4 7.6Nước biển

(ppm)

11.3 10.0 9.0 8.1 7.1 6.7 6.1

14 Nhu cầu oxi sinh hóa (BOD: biochemical oxygen demand)

Nhu cầu sinh hóa là lượng oxy mà sinh vật đã sử dụng trong quátrình oxi hóa các chất hữu cơ trong nước Đơn vị tính theo mg/l

Chất hữu cơ + O2 vi khuẩn CO2 + H2O + tế bàomới

Oxi cần cho quá trình này là oxi hòa tan trong nước Quá trìnhoxi hóa sinh học xảy ra rất chậm và kéo dài

Chỉ số BOD chỉ ra lượng oxi mà vi khuẩn tiêu thụ trong phảnứng oxi hóa các chất hữu cơ trong nước ô nhiễm, chỉ số BOD càngcao chứng tỏ lượng chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học trongnước ô nhiễm càng nhiều

Trong thực tế không thể xác định lượng oxi cần thiết để vi sinhvật oxi hóa hoàn toàn chất hữu cơ có trong nước, chỉ xác định đượclượng oxi cần thiết để vi sinh vật oxi hóa các hợp chất hữu cơ trong

5 ngày ở nhiệt độ 20oC trong buồng tối, kết quả được biểu thị bằngBOD5

15 Nhu cầu oxi hóa học (COD: chemical oxygen demand)

Trong nước thường tồn tại những hợp chất vô sinh có khả năngtiêu thụ oxi hòa tan bằng các phản ứng hóa học Nguồn gốc và hàmlượng các hợp chất này trong nước mặt và nước thải rất khác nhau,bản chất và tính chất hóa học của chúng cũng rất khác nhau Theoquan hệ hóa học giữa chúng với oxi hoặc với một số chất khác thìđại đa số trong chúng có tính khử, một số lại có tính oxi hóa Tuynhiên, dù mang đực trưng nào thì những hợp chất này cũng vẫn cókhả năng tiêu thụ một lượng oxi hòa tan trong nước Tập hợp nhữngchất và hợp chất có khả năng tiêu thụ oxi hòa tan trên tạo nên “nhucầu oxi hóa hóa học” của nước (tức là khả năng tiêu thụ oxi trongcác phản ứng oxi hóa – khử xảy ra trong nước)

Những hợp phần có khả năng tiêu thụ oxi trong nước bằng conđường hóa học như đã nêu trên, thường có nguồn gốc là các hợp chấthữu cơ, chủ yếu là các hợp chất phức tạp và đa dạng của cacbon.Như vậy, nhu cầu oxi hóa học của nước được tạo nên chủ yếu dohợp phần hữu cơ có trong nước Do đó có thể dùng COD để đặctrưng định lượng cho hàm lượng của hợp phần này

Nguồn cung cấp các chất hữu cơ cho nước tự nhiên còn chủ yếu

do sự phân hủy tàn tích hữu cơ và các sản phẩm của quá trình hoạtđộng sống của động vật, các xác động thực vật…Ngoài ra, chất hữu

cơ còn được cung cấp từ các nguồn nước thải công nghiệp và sinhhoạt Chính vì vậy COD của nước còn được coi là một chỉ tiêu của ônhiễm môi trường

Tóm lại, COD là nhu cầu oxi cần thiết cho quá trình oxi hóa toàn

bộ các chất hữu cơ trong mẫu nước thành CO2 và H2O bằng các tácnhân oxi hóa mạnh

16 Hàm lượng sắt và mangan trong nước

Khi trong nước có chứa các ion sắt và mangan, chúng sẽ gây nên

độ đục và màu trong nước:

Fe2+ oxy hóa Fe3+ màu nâu đỏ

Mn2+ oxy hóa Mn4+ màu đen

Các ion này có tính chất duy trì sự phát triển của một số vi khuẩngây thối rửa trong hệ thống phân phối nước

Nước có hàm lượng sắt > 0.3 mg/l và mangan > 0.05 mg/l sẽ gâymùi tanh, khó chịu, làm nước có màu Khi bị oxi hóa chúng chuyểnthành các hợp chất sắt và mangan hóa trị cao gây keo hoặc kết tủalàm tắc các đường ống dẫn nước

17 Hàm lượng photpho

Photpho có thể tồn tại trong nước dưới các dạng H2PO4-,HPO42-,PO43-, các poly photphat như Na3(PO3)6 và phopho hữu cơ

Đây là nguồn dinh dưỡng cho các thực vật dưới nước, chúng gây

ô nhiễm và góp phần thúc đẩy hiện tượng phì dinh dưỡng ở các ao,hồ

18 Hàm lượng sunfat

Hàm lượng sunfat trong nước cao sẽ ảnh hưởng tới việc hìnhthành H2S gây mùi khó chịu, nhiễm độc với cá, ngoài ra còn gâyhiện tượng đóng cặn cứng trong nồi đun, gây hiện tượng xâm thực

20 Hàm lượng kim loại nặng: Pb, Cu, Ni, Cd…

Các kim loại nặng thường có trong nước thải đô thị hoặc nướcthải công nghiệp Những kim loại này ở các pH khác nhau tồn tại ởcác dạng khác nhau gây ô nhiễm nước, độc hại với sinh vật

21 Hàm lượng chất dầu mỡ

Chất dầu mỡ trong nước có thể là chất béo, axit hữu cơ, dầu,sáp… Chúng có thể gây khó khăn cho quá trình vận chuyển nước,ngăn cản oxy hòa tan trong nước và tạo lớp phân cách bề mặt với khíquyển

22 Các chỉ tiêu vi sinh

Trong nước thiên nhiên có nhiều loại vi trùng, siêu vi trùng,rong, tảo và các đơn bào Chúng xâm nhập vào nước từ các môitrường xung quanh hoặc sống trong nước Có thể chia làm hai loại:+ Loại vi sinh có hại là các vi khuẩn gây bệnh từ các nguồn rácthải, bệnh của người và các động vật như tả, thương hàn, bại liệt…

Vi khuẩn E – coli là vi khuẩn đặc trưng cho mức độ nhiễm trùngnước

+ Các loại rong tảo làm nước có màu xanh, khi thối rửa làmtăng hàm lượng chất hữu cơ trong nước Các chất hữu cơ này phânhủy sẽ tiêu thụ oxi, gây hiện tượng thiếu oxi và làm ô nhiễm nước

2 Ô NHIỄM NƯỚC VỚI TÁC NHÂN

HÓA HỌC

1 Ảnh hưởng của nước thải đối với nguồn nước tiếp nhận

Nước đã tạo nên văn minh của nhân loại Nhân loại ở thế kỷ 20

đã đứng trước nguy cơ căng thẳng về nguồn năng lượng và vấn đề ônhiễm môi trường Vậy thế kỷ 21 nhân loại có thể đứng trước nguy

cơ gì lớn hơn nữa? Nguy cơ nước sạch Đó là nhận thức chung củacác chuyên gia trên toàn thế giới Nguy cơ thiếu nước có tính chấttoàn cầu là do nguồn nước thải ngày một tăng đã ảnh hưởng trực tiếpđến nguồn nước tiếp nhận

Dưới đây là một số ảnh hưởng chính do nước thải gây ra đối vớinguồn nước tiếp nhận:

1.1 Xuất hiện các chất nổi trên mặt nước hoặc có cặn lắng:

các hiện tượng nhiễm bẩn này thường do nước thải từ các

xí nghiệp chế biến thực phẩm hoặc nước thải sản xuất củacác xí nghiệp có chứa dầu mỡ và sản phẩm dầu mỡ.Chúng tạo nên lớp màng dầu, mỡ nỗi trên mặt nước vànếu cặn nặng thì lắng xuống đáy Chúng làm cho nước cómùi vị đặc trưng và làm giảm lượng oxi trong nướcnguồn Với hàm lượng dầu 0.2 – 0.4 mg/l sẽ làm chonước có mùi dầu Khử mùi dầu là một việc làm khó khăn.Tôm cá trong nước bị nhiễm bẩn do các sản phẩm dầu

mỡ có tốc độ sinh trưởng chậm, thậm chí không sinhtrưởng được và thịt của chúng có mùi dầu

1.2 Thay đổi tính chất lý học: nguồn nước tiếp nhận nước

thải sẽ bị đục, có màu, có mùi do các chất thải đưa vàohoặc do sự phát triển của rong, rêu, tảo, sinh vật phùdu… tạo nên

1.3 Thay đổi thành phần hóa học: tính chất hóa học của

nguồn nước tiếp nhận sẽ bị thay đổi phụ thuộc vào loạinước thải đổ vào Nguồn nước thải mang tính axit hoặckiềm hoặc chứa nhiều loại hóa chất làm thay đổi thànhphần và hàm lượng các chất có sẵn trong thủy vực

1.4 Lượng oxy hòa tan trong nước giảm: hàm lượng oxy hòa

tan trong nguồn nước tiếp nhận bị giảm là do tiêu haooxy để oxy hóa các chất hữu cơ do nước thải đổ vào