LỜI MỞ ĐẦU
Giáo trình “Hóa và vi sinh vật nước” là tài liệu được biên soạn để phục vụ cho
việc giảng dạy, học tập của giáo viên và học sinh - sinh viên ngành Cấp thoát nước.
Tài liệu cung cấp những kiến thức cơ sở về hai lĩnh vực: Hóa học nước và Vi sinh vật
trong nước.
Giáo trình được biên soạn theo đề cương học phần “Hóa và vi sinh vật nước” ở
bậc cao đẳng ngành Cấp thoát nước đã được Hội đồng Khoa học và Đào tạo nhà
trường thông qua. Giáo trình gồm 2 phần:
Phần I - Hóa học nước - Giới thiệu thành phần hoá học cũng như đặc tính lý,
hóa, sinh tạo nên chất lượng các loại nước, các phương pháp phân tích thành phần của
nước. Những kiến thức này phục vụ trong nghiên cứu, điều tra, quan trắc và quản lý
chất lượng môi trường nước tự nhiên.
Phần II - Vi sinh vật trong nước - Giới thiệu những kiến thức cơ bản về vi sinh
vật, vi sinh vật chỉ thị, vi sinh vật trong quá trình xử lý nước,…
Giáo trình không những phục vụ cho việc giảng dạy, học tập học phần “Hóa và
vi sinh vật nước” mà còn là tài liệu tham khảo cho sinh viên trong quá trình thực tập
học phần thí nghiệm nước.
Mặc dù đã hết sức cố gắng, song do biên soạn lần đầu, giáo trình không tránh
khỏi những thiếu sót. Kính mong các đồng nghiệp và bạn đọc đóng góp ý kiến để giáo
trình được hoàn thiện hơn.
Tác giả


1
PHẦN 1: HÓA HỌC NƯỚC
Chương 1: MỘT SỐ KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ HÓA NƯỚC
1. 1. Nước và tính chất của nước
1.1.1. Thành phần, cấu tạo và tính chất của nước
a. Thành phần, cấu tạo của nước
Nước là một hợp chất hoá học rất đặc biệt, trong đó mỗi nguyên tử hiđro góp một

H

chiếm từ 99,985 ÷ 99,986% tổng số nguyên tử;
2
H chiếm từ 0,0139 ÷ 0,0151% tổng số
nguyên tử; đồng vị
3
H có tính phóng xạ, với chu kỳ bán hủy là 12,4 năm.
Oxy cũng có 6 đồng vị:
14
O,
15
O,
16
O,
17
O,
18
O,
19
O nhưng chỉ có 3 đồng vị thiên
nhiên là
16
O (chiếm 99,759% tổng số nguyên tử), trong khi đó
17
O (chiếm 0,037%) và
18
O

(chiếm 0,037%).

b. Một số tính chất của nước
- Nước thường và nước nặng có những tính chất vật lý khác nhau:
Bảng 1. Một số tính chất vật lý của nước

Tính chất vật lý
Nước thường
)(
ΟΗΟΗ
2
16
2
1

Nước nặng
)(
ΟΟΗ
2
16
2
2
D

Tỷ khối (d) ở 277
o
K 1 1,1056
T
o
nóng chảy (
o
K) 273 276,8

o
C (≈ 4
o
C) không phải là điểm
đóng băng, do vậy mà nước đã nở ra khi đóng băng. Tỷ trọng của nước thay đổi theo
nhiệt độ.
Đối với nước tinh khiết sự thay đổi này như sau:


3
Bảng 3. Sự thay đổi tỷ trọng của nước tinh khiết đối với nhiệt độ

t(
o
C) Tỷ trọng (kg/dm
3
) t(
o
C) Tỷ trọng (kg/dm
3
)
0 0,99987 20 0,99828
4 1,00000 25 0,99707
10 0,99973 30 0,99567
15 0,99913 100 0,95838
- Nhiệt bay hơi của nước (540 cal/g) lớn hơn nhiệt bay hơi của các chất khác, cho
nên nước được sử dụng rộng rãi trong các quá trình truyền nhiệt.
- Nhiệt hòa tan của nước cao hơn các chất lỏng khác (trừ NH
3
) và tạo điều kiện giữ

Nước là một dung môi đặc biệt: ở nhiệt độ thường trên bề mặt trái đất, nước là
chất lỏng có khối lượng phân tử nhỏ nhất lại phân cực mạnh, vì vậy có khả năng xâm
nhập hòa tan rất nhi
ều các chất vô cơ, hữu cơ thành dung dịch. Với phân tử nhỏ và
phân cực mạnh, nước cũng có khả năng thấm ướt và phân rã các chất khó tan tạo thành
các hệ phân tán như keo, huyền phù.
a. Sự hòa tan chất rắn trong nước
Nước có thể tạo liên kết hiđro với các chất hòa tan. Các chất hòa tan có thể ở
dạng ion cũng có thể không ở dạng ion. Cả hai loại này đều có thể hòa tan trong nước.
Sự hòa tan bao ch
ủ yếu gồm 2 quá trình: lý học và hoá học (hiđrat hoá).
- Quá trình lý học thường thu nhiệt: ΔΗ
a
> 0.
- Quá trình hiđrát hoá thường toả nhiệt: ΔΗ
b
< 0.
Nhiệt của quá trình hoà tan ΔΗ (là lượng nhiệt toả ra hay thu vào khi hòa tan một
mol chất tan vào nước):
ΔΗ

= ΔΗ
a
+ ΔΗ
b (1-1)
Nếu ΔΗ


khử (E
h
) của nước, gây ảnh hưởng xấu đến chất lượng của nước.
Sự hòa tan phụ thuộc vào bản chất của chất khí, nhiệt độ của nước, độ khoáng
hóa của nước và áp suất của chất khí đó.
Xét sự gia tăng độ tan của khí trong dung dịch: giả sử đang xảy ra cân bằng giữa
chất khí và chất lỏng, nghĩa là số phân tử khí thoát ra hoặc tan vào dung dịch với t
ốc
độ bằng nhau. Nếu ta tăng áp suất, số phân tử khí trong một đơn vị thể tích sẽ gia tăng,
khí sẽ tan vào dung dịch với tốc độ lớn hơn tốc độ thoát ra, lúc này nồng độ khí tan
trong dung dịch sẽ tăng cho đến khi một cân bằng mới được thiết lập và dĩ nhiên lúc
này dung dịch sẽ chứa một lượng khí tan nhiều hơn. Sự phụ thuộc độ hòa tan của chất
khí và áp suất riêng phần của khí đó trên mặt nước tuân theo định luật Henry:
Độ hoà tan của một chất khí trong chất lỏng ở một nhiệt độ không đổi tỷ lệ thuận
với áp suất riêng phần của khí đó tác dụng lên chất lỏng.
Gọi S
i
(mg/l) là độ hòa tan của khí i:
S
i
= k.P
i
(1-2)

k : hằng số Henry, phụ thuộc vào bản chất của chất khí và nhiệt độ.
Bảng 4. Sự phụ thuộc của hằng số Henry (k) vào nhiệt độ

k
Nhiệt độ (
o

ở 279
o
K dưới áp suất p = 0,2163.10
5
N/m
2
.
Tra bảng 4 ta được: k = 57,47.10
-5

S = 57,47.10
-5
. 0,2163.10
5
≈ 12,43 mg/l.
Độ hòa tan các chất khí trong nước tăng khi nhiệt độ nước giảm.
Chất khí là hợp chất có độ hòa tan lớn hơn chất khí là đơn chất do các phân tử
hợp chất thường là phân tử phân cực.
Thông thường khi độ khoáng của nước tăng lên thì độ hòa tan của các khí giảm.
Độ hòa tan của O
2
sẽ giảm 25% khi tăng lượng muối hòa tan trong nước tới 40 gam.
c. Độ hòa tan chất lỏng trong nước
Chất có cùng bản chất phân cực hòa tan tốt vào nhau, mà sự phân cực của một
chất được xác định bởi cấu trúc của nó (dạng lai hoá, sự tương tác giữa các electron ở
lớp vỏ điện tử, ). Do đó, giữa cấu trúc và độ tan có một mối quan hệ xác định.
Thông thường các chất lỏng phân c
ực thường dễ hòa tan trong nước; Các chất
hữu cơ thường khó hòa tan trong nước.
1.1.3. Định luật tác dụng khối lượng

2
;
ΔC: sự biến thiên nồng độ mol của chất khảo sát từ C
1
đến C
2
.
Khi Δt → 0 thì v tức thời là:
dC
v
dt
−
=±
Tổng quát: aA + bB ⇔ cC + dD thì tốc độ phản ứng:
dt
dC
BAKV
ba
−== ][][

b. Hằng số cân bằng
Cân bằng hoá học là trạng thái của một quá trình thuận nghịch khi vận tốc của
phản ứng thuận bằng vận tốc của phản ứng nghịch và do đó nồng độ các chất không
biến đổi nữa.


6
Xét phản ứng cân bằng:
A
(K)

2
[C][D]
Giả sử lúc bắt đầu phản ứng, chỉ có A, B hiện diện. Vận tốc phản ứng thuận v
1

lúc đầu rất lớn, vận tốc phản ứng nghịch v
2
bằng không. Phản ứng càng xảy ra lâu,
nồng độ các chất A, B càng giảm , nồng độ các sản phẩm C, D càng tăng.
Như vậy, v
1
giảm dần theo thời gian, còn v
2
tăng dần theo thời gian. Sau một thời
gian vận tốc phản ứng thuận v
1
sẽ bằng vận tốc phản ứng nghịch v
2
, lúc này phản ứng
đạt trạng thái cân bằng:
v
1
= v
2
⇔ k
1
[A][B] = k
2
[C][D]



CB: cân bằng, chỉ nồng độ các chất C, D, A, B lúc đạt trạng thái cân bằng.
K
C
được gọi là hằng số cân bằng của phản ứng liên hệ đến nồng độ (mol/l). K
c
chỉ
phụ thuộc nhiệt độ và bản chất của phản ứng, mà không phụ thuộc vào nồng độ các chất
trong phản ứng.
Tổng quát: mA + nB ⇔ pC + qD

k
1
k
2
K
C

= =
[C]
p
[D]
q
[A]
m
[B]
n

k
1

-
]: nồng độ mol
Hằng số cân bằng K gọi là hằng số điện ly hoặc hằng số ion hóa, đặc trưng cho
khả năng điện ly của một chất; K càng lớn thì sự điện ly càng mạnh, chất điện ly phân
ly ra các ion càng nhiều và ngược lại. K phụ thuộc vào bản chất của chất điện ly, dung
môi và nhiệt độ.
d. Tích số hòa tan
Giả sử có chấ
t điện li ít tan A
n
B
m
trong nước có cân bằng:
A
n
B
m
⇔ A
m+
+ B
n-

(chất rắn) (trong dung dịch)
Quá trình thuận nghịch đạt trạng thái cân bằng, ta có dung dịch bão hòa chất điện
ly ít tan. Áp dụng định luật tác dụng khối lượng vào cân bằng dị thể ta có:
.
mn
nm
nn
AB

+
=

Bảng 5. Tích số tan của một số hợp chất điện ly ít tan (T) ở 20
o
C

Chất điện ly T Chất điện ly T
AgCl 2,8.10
-10
BaSO
4
1,5.10
-9

AgBr 5.10
-13
BaCO
3
1,6.10
-9

AgI 8,5.10
-17
BaCrO
4
1,2.10
-10

Ag
(1-4)
(1-5)
(1-7)
(1-6)


8
1.1.4. Hoạt độ các ion trong dung dịch
a. Khái niệm về hoạt độ
Hoạt độ là nồng độ hiệu dụng của các ion trong dung dịch.
Biểu thức: a = f.C (1-8)
Trong đó: C: là nồng độ thực
a: là hoạt độ.
f : là hệ số hoạt độ.
- Với dung dịch loãng chất điện ly yếu, tương tác các ion không đáng kể:
f = 1, a = C.
- Với dung dịch chất điện ly mạnh hoặc dung dịch
đậm đặc của chất điện ly yếu:
0 < f < 1 và a < C.
Thực tế cho thấy nồng độ các ion trong dung dịch càng lớn thì sự tương tác
tương hỗ giữa chúng càng mạnh, sự khác nhau giữa a và C càng lớn, f càng nhỏ và
ngược lại.
Trong nước tự nhiên, nồng độ các ion thường rất nhỏ (< 200 mg/l) nên sự khác
nhau giữa a và C thường không lớn. Nhưng với nước có độ khoáng hóa rất cao
(>500mg/l) thì sự khác nhau giữa a và C lại là lớn.
b.
Cách tính hệ số hoạt độ
* Tính lực ion:

KCKCKC +++=
μ
(1-10)
C
1
, C
2
, … C
n
: nồng độ mỗi loại ion (mg/l).
K
1
, K
2
, …K
n
: hệ số tỷ lệ chuyển đổi được tính sẵn.
Bảng 6. Giá trị hệ số tỷ lệ chuyển đổi KIon K Ion K
K
+
0,026.10
-3
NO
3
-
0,016.10
-3

n
:
)(
.
nm
nm
fff
+
−+±
=
(1-11)
Công thức thực nghiệm tính hệ số hoạt độ f phụ thuộc vào giá trị của μ ở 298
o
K
như sau:
- Với dung dịch có lực ion μ ≤ 0,01, hệ số hoạt độ f tính theo công thức:
μ
2
.5,0lg Ζ−=f
(1-12)
- Với dung dịch có lực ion 0,01 < μ ≤ 0,5 thì hệ số hoạt độ f được tính theo công thức:
μ
μ
+
Ζ
−=
1
.5,0
lg
2

-
, NH
4
+
, Ag
+
,…; r ≈ 4.10
-8
cm cho: Na
+
, H
2
PO
4
-
, Pb
2+
, SO
4
2-
, PO
4
3-
,
Một số ion ngậm nước khác có bán kính to lớn, đặc biệt ion H
+
ngậm nước có
bán kính rất lớn: 9.10
-8
cm.

-

CaCl
2
= Ca
2+
+ 2Cl
-

[H
+
] = 0,1M; [Ca
2+
] = 0,2M; [Cl
-
] = 0,1 + 0,4 = 0,5M.
7,0)2.2,01.5,01.1,0(
2
1
222
=++=
μ

Ví dụ 2: Tính hoạt độ của các ion K
+
và Cl
-
trong dung dịch KCl 0,01M.
Giải:
KCl = K


Hoạt độ của các ion:
Maa
ClK
3
10.901,0.9,0
−
===
−+

Ví dụ 3: Tính hoạt độ của những ion trong dung dịch hỗn hợp: KCl 10
-3
M và MgSO
4
10
-3
M.
Giải:
Lực ion
μ
của dung dịch:
33232322
10.5)10.210.210.1310.1(
2
1
−−−−
=+++−=
μ
→
2

+
→
Mff
SO
Mg
72,0
2
4
2
==
−
+

Maa
ClK
43
10.2,910.92,0
−−
===
−+
;
Maa
SO
Mg
4
10.2,7
2
4
2
−

+ CO
3
2-

].[] [.
2
3
2
2
3
22
3
2
3
−+
−+−+
==Τ COfCafaa
COCaCOCa
CaCO

Trong dung dịch:
][][
2
3
2 −+
= COCa
→
fff
COCa
=

==
Τ
=
Vì
3
CaCO
Τ
rất nhỏ nên nồng độ các ion Ca
2+
và CO
3
2-
rất nhỏ. Khi tính μ trong
trường hợp này có thể bỏ qua các ion Ca
2+
và CO
3
2-
mà chỉ quan tâm tới 2 ion Mg
2+
và
Cl
-
.

Μ≈==Μ
+
012,0
24
292,0

lmg
f
CO /5,710.5,12
48,0
10.610.6
][
5
55
2
3
=Μ===
−
−−
−

1.2. Nước thiên nhiên
1.2.1. Giới thiệu chung
Nước thiên nhiên chiếm 1% tổng lượng nước trên trái đất, bao gồm các loại nước
có nguồn gốc thiên nhiên như nước sông, ao, hồ, suối, biển, đại dương. Có thể nói
nước thiên nhiên là một hệ dị thể nhiều thành phần, vì nước thiên nhiên luôn chứa
những lượng các chất tan và không tan có nguồn gốc từ vô cơ và hữu cơ. Tổng trữ lượng nước tự nhiên trên Trái đất khoảng từ 1.385.985.000 km
3
đến
1.457.802.450 km
3
. Nước tự nhiên tập trung phần lớn ở biển và đại dương (trên
97,61%), sau đó là các khối băng ở cực (1,83%), rồi đến nước ngầm (0,54%). Nước

3
, trong đó khoảng 1/3 chảy ra sông, còn lại 2/3 quay trở lại khí
quyển do bốc hơi bề mặt và thoát hơi nước ở thực vật. Nếu xem 1/3 lượng nước mưa
kể trên (khoảng 40.000 km
3
) là nguồn nước cung cấp tiềm năng cho con người thì với
số dân hiện tại, mỗi người mỗi ngày nhận được trung bình 16 lít nước.
1.2.2. Các quá trình hình thành thành phần hóa học của nước thiên nhiên
a. Khái niệm chung về sự hình thành thành phần hóa học của nước thiên nhiên
Sự hình thành thành phần hóa học của nước thiên nhiên phụ thuộc vào điều kiện
hình thành, quá trình di chuyển của nó, thành phần và các đặc tính hóa học của các
chất mà nó tiếp xúc. Bao gồm các quá trình chủ yếu sau:
- Quá trình hoá học (hoà tan, hấp thụ, oxy hóa khử,…).
- Quá trình sinh hóa (quang hợp, phân giải,…).
- Quá trình vật lý (bốc hơi, đóng băng, mưa, tan băng,…).
Sự tác dụng tương hỗ của nước với môi trường xung quanh có thể làm tăng hàm
lượng các chất trong n
ước, có thể làm giảm hàm lượng các chất trong nước và cũng có
thể thay đổi thành phần hóa học của nước thiên nhiên.
b. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hình thành thành phần hóa học của nước
thiên nhiên
* Ảnh hưởng do quá trình phong hóa của đá:
Các tính toán của các nhà địa chất cho thấy: trọng lượng các nhóm đá trong vỏ trái
đất có tỷ lệ phân bố: macma 65%, biến chất (mentamorphic) 25% và trầm tích 10%.
Đá macma gồm hai loại: đá xâm nhập và đá phún xuất có xuất xứ từ quá trình
hoạt động của núi lửa.


13
Đá trầm tích là kết quả tác động của những cấu tử (có thành phần trong khí quyển

chiếm ưu thế.
* Ảnh hưởng của nước khi tiếp xúc với đất:
Thành phần hóa học của đất phụ thuộc vào từng loại đất và vị trí loại đất đó tồn
tại.
Nước trong đất lưu thông nhờ những rãnh nhỏ với đường kính trên 10 μm. Khi
nước thấm qua các loại đất khác nhau thì sự thay đổi thành phần hóa học của nước
cũng khác nhau.


14
Nước khi tiếp xúc lâu dài với đất, ngoài khả năng hòa tan các chất trong đất còn
có khả năng trao đổi chất với đất và như vậy cũng làm thay đổi thành phần hoá học
của nước. Cụ thể:
- Đất hấp phụ các cation của nước: Đất là một hệ keo, các hạt keo đều mang điện
tích âm. Vì vậy keo đất có khả năng hấp phụ các cation của nước rất mạnh.
- Đất có kh
ả năng trao đổi các ion với nước: Khi hàm lượng một loại cation nào đó
của nước khá cao thì có thể trao đổi với cation khác trong đất.
* Ảnh hưởng của chất hữu cơ:
Chất hữu cơ trong nước được hiểu là tàn tích hữu cơ đang phân hủy, tồn tại trong
nước ở cả hai dạng hòa tan và lơ lửng, không bao gồm sinh vật sống, trừ sinh vật có
kích thước rất nhỏ như vi sinh vật và tảo đơn bào, cũng không bao gồm các tàn tích
hữu cơ thô, có kích thước đủ lớn, có thể lấy ra khỏi nước.
Các chất h
ữu cơ sống và các sản vật mà nó sinh ra trong quá trình sống có ảnh
hưởng rất lớn đến thành phần hóa học của nước tự nhiên.
* Ảnh hưởng của khí hậu:
Khí hậu có thể làm thay đổi các quá trình phong hóa; thay đổi hoạt động sống của
các vi sinh vật; thay đổi quá trình oxy hóa khử trong nước…
* Ảnh hưởng của nước ngầm:

- Các nguồn chủ yếu làm giảm oxy hòa tan trong nước: oxy cần oxy hoá các chất vô
cơ, hữu cơ có trong nước; oxy cần cho sinh vật sống sử dụng để hô hấp; oxy bị giải
hấp khỏi nước.


15
- Trong nước, oxy tham gia chủ yếu vào các quá trình: Oxy hóa các chất hữu cơ bằng vi
sinh vật, oxy hoá các chất nitơ bằng vi sinh vật và oxy hoá các chất hóa học khác.
- Ở nhiệt độ nhất định, nồng độ bão hòa của oxy trong nước chỉ phụ thuộc vào áp
suất riêng phần của oxy trong pha khí (tuân theo biểu thức định luật Henry).
- Khi nhiệt độ càng tăng, nồng độ muối tăng, quá trình hô hấp tăng dẫn đến độ hòa
tan của oxy càng giảm.
Bảng 9. Ảnh hưởng của nhiệt độ đến độ hòa tan của oxy trong nước

t
o
C Nồng độ bão hòa (mgO
2
/l) t
o
C Nồng độ bão hòa (mgO
2
/l)
0 14,65 20 8,84
10 11,00 30 7,29
- Hàm lượng oxy hòa tan giảm dần theo chiều sâu của nước.
- Khi độ muối tăng, độ hòa tan oxy giảm.
Bảng 10. Ảnh hưởng của nồng độ muối đến độ hòa tan của oxy trong nước

t

trong nước: quá trình giải hấp; quá trình xâm thực của muối
cacbonat và quá trình quang hợp sinh vật tiêu thụ CO
2
.
- CO
2
là một khí dễ hòa tan trong nước và độ hòa tan trong nước tăng lên theo chiều
giảm của nhiệt độ. Nồng độ CO
2
ở lớp bề mặt tuân theo định luật Henry.
- Trong nước, khí CO
2
có thể tồn tại ở dạng tự do hoặc ở dạng kết hợp với nước.
CO
2
kết hợp với nước phụ thuộc vào giá trị pH của nước.
Khi pH < 5: CO
2
+ H
2
O ⇔ H
2
CO
3

Khi pH ≥ 5: H
2
CO
3
⇔ H

3
)
2
→ Ca
2+
+ 2HCO
3
-
Quá trình này dẫn đến sự thay đổi pH của môi trường.
c. Các khí khác
Đối với các loại khí khác hòa tan trong nước thì H
2
S là loại khí đáng chú ý.
Trong lớp nước mặt có oxy hòa tan thì hàm lượng H
2
S chỉ tồn tại trong một
khoảng thời gian ngắn vì nó bị oxy hóa rất mạnh.
Trong nước ngầm, hàm lượng H
2
S có khi đạt ở mức độ cao, lớp nước ngầm càng
ở sâu hàm lượng H
2
S càng cao.
d. Nồng độ ion H
+

Trong nước nguyên chất tồn tại cân bằng:
H
2
O + H

-
] = 10
-14
.
Ta có: pH = - lg[H
+
] (1-15)
Môi trường axít: pH < 7
Môi trường bazơ: pH > 7
Môi trường trung tính: pH = pOH = 7
Trong nước thiên nhiên, nồng độ ion H
+
không phải chỉ phụ thuộc vào sự điện ly
của nước mà chủ yếu phụ thuộc vào tỷ lệ hàm lượng H
2
CO
3
; HCO
3
-
và CO
3
2-
và một
số ion khác có trong nước.
Cân bằng cacbonat hòa tan (hệ đóng)
Đối với dung dịch hệ cacbonat đơn giản, có 6 cấu tử hòa tan: CO
2
, H
2

C
aqC
(1-16)
H
2
CO
3
⇔ H
+
+ HCO
3
-

][
]][[
32
3
32
ΟΗ
ΟΗΗ
=Κ
−+
C
C
COH
(1-17)
Tổng CO
2
hòa tan ([H
2

3
-
⇔ H
+
+ CO
3
2-
][
]][[
3
2
3
2
−
−+
ΟΗ
ΟΗ
=Κ
C
C
(1-19)
H
2
O ⇔ H
+
+ OH
-

]][[
2

2
CO
3
*] + [HCO
3
-
] + [CO
3
2-
]
Mà
][
*][
][
321
3
+
−
Η
Ο
=Ο
CHK
HC
;
2
3221321
2
32
2
3

3
*] + [HCO
3
-
] + [CO
3
2-
] = [H
2
CO
3
*] )
][][
1(
2
211
++
Η
+
Η
Κ
+
KK

⇒
T
CCH =Ο *][
32
[ ]
2

][
3
321
−
+
Ο
Ο
=Η
HC
CHK

Điều này cho thấy nồng độ ion [H
+
] phụ thuộc chủ yếu vào nồng độ bicacbonat
[HCO
3
-
], theo quan hệ tỷ lệ nghịch.
Nếu nguồn chính tạo ra ion HCO
3
-
là do phân ly của các muối Ca(HCO
3
)
2
,
Mg(HCO
3
)
2

3
3
3
2
3
22
C
C
C
C
a
a
a
a
aa

CaCO
3
⇔ Ca
2+
+ CO
3
2-

+
−−+
Κ=⇒=
ΟΟ
2
2

T
a
T
a
a

mà a =f.C ⇒
++−−+
Κ
=
Η
22
33

2
CaCaHCOHCO
CfCf
T
a
(1-22)
Nhiệt độ và áp suất thủy tĩnh có ảnh hưởng đáng kể đến pH của nước. Nếu nhiệt
độ (hoặc cả áp suất) tăng thì hằng số phân ly của H
2
CO
3
và H
2
O tăng lên, dẫn đến pH
tăng. Nếu nhiệt độ tăng thì độ hòa tan của khí CO
2

−+
=
ΟΗ
ΟΗΗ
=Κ
C
C

HCO
3
-
⇔ H
+
+ CO
3
2-

33,10
3
2
3
2
10
][
]][[
−
−
−+
=
ΟΗ

−
+
Ο
ΟΗ
=
Κ
Η
C
C
(1-23)


18
Bảng 11. Giá trị hằng số nồng độ K
1
*
, K
2
*
của axit cacbonic trong nước biển

Nhiệt độ
%oCl
10 14 20 24 28 30
K
1
(10
-8
)
15 0,74 0,8 0,89 0,95 0,99 1,01

−+
→ [HCO
3
-
] = [H
2
CO
3
]
Ở pH < 6,35,
65,6
10][
−+
>Η → [HCO
3
-
] < [H
2
CO
3
]
Ở pH > 6,35,
65,6
10][
−+
<Η → [HCO
3
-
] > [H
2

]
Ở pH > 10,33,
33,10
10][
−+
<Η → [HCO
3
-
] < [CO
3
2-

]
Bảng 12. Tỷ lệ (% mol) của các thành phần trong hệ CO
3
2-
biến đổi theo pH

% mol của các thành phần
pH
Tương quan hàm lượng giữa các
thành phần trong hệ cacbonat
(tính theo mol/L)
H
2
CO
3
HCO
3
-

CO
3
] = 0,1[HCO
3
-
] 9,1 90,9 0,1
[HCO
3
-
] = 100 [H
2
CO
3
]
8,3
[HCO
3
-
] = 100 [CO
3
2-

]
1 98 1
9,3 [HCO
3
-
] = 10 [CO
3
2-

CO
3
chiếm chính trong hệ cacbonat khi pH thấp.
- Khi nước có pH ~ 8,3 bắt đầu xuất hiện CO
3
2-
.
Như vậy, [H
2
CO
3
], [ HCO
3
-
], [CO
3
2-
] có mối tương quan tỷ lệ với nhau.
1.2.4. Các ion chủ yếu có trong nước thiên nhiên
a. Ion Cl
-

Nguồn gốc nguyên thủy của các ion Cl
-
là từ khí HCl và một phần nhỏ từ sự
phong hóa, hòa tan các khoáng vật có chứa clo trong thạch quyển.
Trong nước đại dương, ion Cl
-
có nguồn gốc khí HCl được thoát ra từ hoạt động
phun trào ở đáy đại dương và một phần từ nước sông trên các lục địa.

tuần hoàn của Cl
-
trong tự nhiên.
- Do các quá trình phong hóa các dung nham.
- Một phần lớn clo trong nước do dung nham của núi lửa phun ra cung cấp.
b. Ion SO
4
2-

Nguồn gốc nguyên thủy của các ion SO
4
2-
từ khí H
2
S. Khi trong khí quyển xuất
hiện oxy, H
2
S dần bị oxy hóa thành axít sunfuric và nước tự nhiên cũng bắt đầu chứa
ion SO
4
2-
.
Nguồn gốc chính tạo nên ion SO
4
2-
:
- Trong nham trầm tích có chứa thạch cao CaSO
4
.2H
2

+
, Na
+
hòa tan trong nước là
từ sự phong hóa, hòa tan các đá macma trên bề mặt Trái Đất.
Trong nước tự nhiên, hàm lượng ion Na
+
thường lớn hơn ion K
+
vì ion K
+
tham
gia vào chu trình thực vật mạnh hơn, mặt khác, trong môi trường nước, ion K
+
còn
phản ứng với axít silixic hòa tan và các thành phần khác hình thành các khoáng thứ
sinh như đất sét,…
Trong nước đại dương, ion Na
+
có hàm lượng lớn nhất trong các cation, còn ion
K
+
có hàm lượng nhỏ nhất trong các cation. Các ion còn lại có hàm lượng rất ít. Chẳng
hạn, trong nước biển hàm lượng Rb khoảng 0,2 mg/l; Li chỉ khoảng 0,1 mg/l.
Hàm lượng trung bình trong nước đại dương: Na
+
: chiếm 77,34% tổng các cation
(tính theo mđl/kg), ion K
+
chỉ chiếm 1,64%.

Nhưng khi trong nước có hàm lượng HCO
3
-
cao sẽ diễn ra quá trình tạo kết tủa.
Đây là nguyên nhân chính gây ra các nham trầm tích đá vôi.
Các ion Ca
2+
, Mg
2+
được hòa tan với hàm lượng lớn, chúng là các ion chính của
nước thiên nhiên.
Trong nước có độ khoáng hóa cao thì hàm lượng Ca
2+
nhỏ hơn hàm lượng Mg
2+
.
Trong nước đại dương, hàm lượng trung bình của Ca
2+
chiếm 3,37% trong tổng cation;
Mg
2+
chiếm 17,62% (tính theo mđl/kg).
e. Các ion HCO
3
-
, CO
3
2-

HCO

, Cl
-
, SO
4
2-
. Các ion này
xuất hiện trong nước do quá trình hòa tan các muối cacbonat có tác dụng của CO
2
:
MCO
3
+ CO
2
+ H
2
O ⇔ M
2+
+ 2HCO
3
-

f. Hợp chất sunfua
Trong nước thiên nhiên, các hợp chất sunfua có thể tồn tại thể khí H
2
S hòa tan,
dạng HS
-
, S
2-
của axít H

-
⇔ H
+
+ S
2-

15
2
2
10.2
][
]][[
−
−
−+
=
Η
Η
=Κ
S
S

1.2.5. Các nguyên tố vi lượng và chất hữu cơ trong nước thiên nhiên
a. Các nguyên tố vi lượng trong nước thiên nhiên
Các thành phần vi lượng trong nước là những thành phần tồn tại với hàm lượng <
1mg/L, tức là thuộc cỡ hàm lượng phần triệu, phần tỷ (ppm ⇔ mg/L, ppb ⇔ μg/L)
hoặc nhỏ hơn nữa. Các thành phần vi lượng được tính hàm lượng ở cả hai dạng: dạng
hòa tan (bao gồm cả khí hòa tan) và dạng lơ lửng.
Có thể chia thành phần vi lượng trong nước thành hai nhóm sau:
- Các thành phần vô cơ vi lượng: Hg, As, Se, Cd, Pb, Cu, Zn,,…, Br, I, F, xianua,

đánh giá bởi hàng loạt các thông số sau:
- Các thông số biểu thị gián tiếp: oxy hoà tan (DO) và độ bão hòa oxy; nhu cầu oxy
hóa h
ọc (COD); nhu cầu oxy sinh hóa (BOD); tỷ số COD/BOD; sự tiêu thụ thuốc tím
(độ oxy hóa); hàm lượng các ion nitơ vô cơ; hàm lượng phophat hoà tan,…


22
- Các thông số biểu thị trực tiếp: tổng cacbon hữu cơ (TOC - total organic carbon),
cacbon hữu cơ hòa tan (DOC - dissolved organic carbon); nitơ hữu cơ; photpho hữu cơ,…
1.3. Hóa học nước sông
1.3.1. Đặc điểm chung
Thành phần hóa học của nước sông được quyết định bởi đặc tính vốn có của con
sông ấy. Đặc tính ấy bao gồm các yếu tố sau: Nguồn nước cung cấp, cấu tạo địa chất,
khí tượng, thuỷ văn, khí hậu, tốc độ dòng chảy,…
Bảng 13. Thành phần hoá học trung bình của nước sông hồ

Thành phần % trọng lượng Thành phần % trọng lượng
CO
3
2-
35,2 Ca
2+
20,4
SO
4
2-
12,4 Mg
2+
3,4

ầng ngầm).
Khí hậu có ảnh hưởng rất lớn tới nguồn cung cấp nước cho sông, làm cho lượng
nước cung cấp cho sông thay đổi, thành phần hóa học của các nguồn nước cung cấp
cho sông thay đổi và do đó làm cho thành phần hóa học của nước sông cũng thay đổi.
Như vậy, mỗi con sông đều có động thái thủy hóa đặc thù.
Nhìn chung đối với các con sông có độ khoáng hóa trung bình và thấp, khi độ khoáng
hóa tăng lên thì hàm lượng các ion cũng tăng lên tương ứng, đặ
c biệt là hàm lượng Cl
-
và
HCO
3
-
tăng rất nhanh. Đối với các con sông có độ khoáng hoá cao, khi độ khoáng hóa tăng
lên thì hàm lượng các ion cũng tăng theo, nhưng đặc biệt hàm lượng HCO
3
-
giảm.
1.3.3. Động thái của các hợp chất hữu cơ
Các chất hữu cơ trong nước sông tồn tại dưới dạng trạng thái các chất mục nát bị
xối từ đất và đầm lầy chảy vào sông và các sản vật được phân giải từ các chất hữu cơ
tạo ra.
a. Độ oxy hóa của nước (COD - Chemical Oxygen Demand)


23
Để xác định hàm lượng của các chất hữu cơ tồn tại trong nước người ta dùng đại
lượng chỉ độ oxy hóa của nước, viết tắt là COD.
Độ oxy hóa của nước là số miligam oxy cần thiết để oxy hoá hết các chất hữu cơ
có trong 1 lít nước. Như vậy qua lượng oxy cần dùng có thể tính ra hàm lượng các hợp

2
:
Động thái của khí CO
2
trong nước sông tương tự động thái của oxy.
Về mùa đông hàm lượng CO
2
cao vì sinh vật trong nước ít hoạt động nên lượng
CO
2
tiêu thụ ít, đồng thời nguồn nước chính cung cấp cho sông về mùa đông là nước
ngầm thường có nhiều CO
2
.
Về mùa hạ, nhiệt độ cao, hoạt động của các vi sinh vật nhiều nên hàm lượng của
CO
2
giảm nhiều, chỉ vào khoảng 1 - 3 mg/l. Thậm chí có lúc không còn CO
2
trong
nước, nên vi sinh vật phải lấy CO
2
trong không khí.
b. Động thái của ion H
+



24
Hàm lượng ion H

của tầng nham th
ạch chứa nó mà còn phụ thuộc vào tính chất vật lý của các tầng nham
thạch đó.
Nước ngầm ít chịu ảnh hưởng của sinh vật nhưng chịu ảnh hưởng nhiều của vi
sinh vật. Ở tầng sâu do không có oxy và ánh sáng nên vi sinh vật yếm khí hoạt động
mạnh, chi phối nhiều đến thành phần hóa học của nước ngầm. Vì vậy thành phần hóa
học của nước ngầm chứa nhiều chấ
t có nguồn gốc vi sinh vật.
Nước ngầm không có oxy. Khi độ pH < 5,5, trong nước ngầm thường chứa nhiều
khí CO
2
. Đây là khí có tính ăn mòn kim loại và ngăn cản việc tăng pH của nước.
Thường nước ngầm có nồng độ khí CO
2
khoảng 30 - 50 mg/l, nhiều nơi nước ngầm
mạch sâu (200 – 300 m) nồng độ CO
2
có thể lên đến 320 mg/l. Các biện pháp làm
thoáng có thể đuổi khí CO
2
, đồng thời thu nhận oxy hỗ trợ cho các quá trình khử sắt và
mangan. Ngoài ra, trong nước ngầm có thể chứa khí H
2
S có hàm lượng đến vài chục
mg/l. Đây là sản phẩm của quá trình phân hủy yếm khí các chất hữu cơ có trong nước.
1.4.2. Sự phân tầng của nước ngầm
a. Nước tầng trên
Từ mặt đất thấm xuống tạo ra tầng nước ngầm này, sau đó lại được tháo tiêu ra
sông, hồ. Vì vậy nước tầng này giao lưu mạnh.