KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ NƯỚC
VÀ MÔI TRƯỜNG THỦY QUYỂN
1
TÍNH CHẤT CỦA NƯỚC
1. Tài nguyên nước và vai trò của nước
a. Tài nguyên nước
Trái Đất có khoảng 361 triệu km
2
diện tích các đại dương (chiếm
715 diện tích trái đất). Trữ lượng tài nguyên nước có khoảng 1,5 tỉ
km
3
, trong đó nước nội địa chỉ chiếm 91 km
3
(6,1%) , còn lại là nước
biển và đại dương. Tài nguyên nước ngọt chiếm 28,25 triệu km
3
,
nhưng phần lớn lại ở dạng đóng băng ở hai cực trái đất. Lượng nước
thực tế con người có thể sử dụng được là 4,2 triệu km
3
(0,28% thủy
quyển).
Các dạng nước trong tự nhiên không ngừng vận động và chuyển
trạng thái (lỏng, rắn, hơi), tạo nên vòng tuần hoàn nước trong sinh
quyển: nước bốc hơi, ngưng tụ và mưa. Nước vận động trong các
quyển (khí quyển, thủy quyển, thạch quyển và sinh quyển), hòa tan và
mang theo nhiều chất dinh dưỡng, chất khoáng và một số chất cần
thiết cho đời sống của động vật và thực vật.
Nước ao, hồ, sông và đại dương… nhờ năng lượng mặt trời bốc
hơi vào khí quyển, hơi nước ngưng tụ lại rồi mưa xuống bề mặt trái
Giữa chúng luôn có sự trao đổi chất, năng lượng (nhiệt, quang, cơ
năng), xảy ra sôi động giữa bề mặt phân cách pha. Ngay trong lòng
nước cũng xảy ra các quá trình xa lạ với quy luật cân bằng hóa học:
quá trình giảm entropi, sự hình thành và phát triển của các vi sinh vật.
Nước là một hợp chất liên quan trực tiếp và rộng rãi đến sự sống
trên trái đất, là cơ sở của sự sống đối với mọi sinh vật. Đối với thế
giới vô sinh, nước là thành phần tham gia rộng rãi vào các phản ứng
hóa sinh, nước là dung môi và môi trường tàng trữ các điều kiện để
thúc 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 như
các sinh vật. Con người có thể không ăn trong nhiều ngày mà vẫn
sống, 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 và cho
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 Tây mỗi
người cần khoảng 300 lít nước mỗi ngày. Với các nước đang phát
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 nghiệp rất
lớn. Để khai thác một tấn dầu mỏ cần có 10 m
3
nước , muốn chế tạo
một tấn sợi tổng hợp cần có 5600 m
3
nước, một trung tâm nhiệt điện
hiện đại với công suất 1 triệu kW cần đến 1,2 – 1,6 tỉ m
3
khuếch tán và đối lưu. Trong đó khí CO
2
và O
2
trong nước có ý nghĩa
quan trọng đối với quá trình quang hợp và hô hấp của các sinh vật
sống dưới nước.
- Oxi trong nước: oxi là loại khí ít tan trong nước và không tác
dụng với nước về mặt hóa học, nhưng oxi có ý nghĩa lớn đối với quá
trình tự làm sạch của nước. Độ hòa tan của oxi trong nước phụ thuộc
nhiều vào nhiệt độ và áp suất môi trường. Mức độ bão hòa oxi hòa tan
trong nước ngọt vào khoảng 14 – 15 ppm
(0
o
C, 1 atm), 8 ppm (25
o
C, 1 atm), 7 ppm (35
o
C, 1 atm). Nồng độ oxi
giảm dần theo chiều sâu của lớp nước. Nếu nước bị ô nhiễm bởi các
chất hữu cơ có khả năng oxi hóa bằng phản ứng sinh học với oxi thì
hàm lượng oxi trong nước còn giảm do bị tiêu hoa bởi hoạt động của
các 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: SO
4
2-
H
2
S S… nước
vùng đó trở thành vùng yếm khí.
-
. Với lớp
trầm tích, CO
2
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 hai
nhóm:
4
+ 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 ra
khí 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 bền
trong môi trường nước và có độc tính cao cho động thực vật và con
người.
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 năng lượng
mặt trời hoặc năng lượng hóa học để biến các vật chất đơn giản
không có sự sống thành các phân tử sống có chứa các sinh vật sống.
Các sinh vật sống đẳng tuyến dùng năng lượng mặt trời để tổng hợp
các hợp chất hữu cơ từ các chất vô cơ được gọi là các sinh vật sản
xuất (producer).
Các sinh vật dị tuyến sử dụng các chất hữu cơ do các sinh vật
đẳng tuyến tạo ra như nguồn năng lượng và nguyên liệu cho quá trình
tổng hợp chất hữu cơ sinh học (biomass) của chúng. Các sinh vật
nhanh chóng trên các chất nền hóa học môi trường như là các hợp
chất hữu cơ có thể phân hủy được. Các vi sinh vật đóng vai trò như
các 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 học diễn ra
trong đất và nước đều là các phản ứng liên quan đến các chất hữu cơ
và các quá trình oxi hóa – khử xuất hiện thông qua khâu trung gian có
xúc tác vi khuẩn.
Tảo là vi sinh vật sản xuất chủ yếu các chất hữu cơ sinh học trong
nước. Tảo là vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong việc hình 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 vật phải được loại
bỏ khỏi nguồn nước dể tạo nguồn nước sạch cho con người.
Tảo có thể được coi là các vi sinh vật siêu nhỏ tồn tại trên các vật
chất dinh dưỡng vô cơ và sản sinh ra chất hữu cơ từ cacbondioxit
thông qua quá trình quang hợp. Ở dạng rất đơn giản, quá trình sản
xuất ra các chất hữu cơ thông qua quá trình quang hợp của tảo được
mô tả bằng phản ứng sau:
CO
2
+ H
2
O {CH
2
O} + O
2
Trong đó, nhóm {CH
2
O} là một đơn vị cacbohydrat.
Nấm là các vi sinh vật không quang hợp. Cấu trúc của nấm có
nhiều loại và thường được phân loại theo cấu trúc sợi. Nấm là các vi
o
C. Còn nếu so sánh với neon có
khối lượng phân tử bằng 20 nhưng điểm sôi là – 245,9
o
C. Những số
liệu này cho thấy điểm sôi của nước cao hơn rất nhiều so với các chất
có khối lượng phân tử tương đương.
Khi nước đá nóng chảy thành nước thì thể tích giảm và tiếp tục
giảm đến khi có nhiệt độ bằng 3,98
o
C.
Ta biết rất rõ là nước đá nhẹ hơn nước. Hiện tượng này là rất khác
với đa số các chất rắn khác vì thường các chất rắn đều nặng hơn 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 chất lỏng 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 tan được
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 các
phân tử nước tồn tại một loại liên kết đặc biệt, được gọi là liên kết
hydro. Phân tử nước H
2
O là phân tử phân cực cao. Các phân tử không
tồn tại riêng rẽ mà tạo thành từng nhóm phân tử bởi liên kết hidro.
Mỗi phân tử nước đá được bao quanh bởi 4 phân tử nước đá khác 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 nước
dưới dạng các ion hydrat biểu thị bằng công thức chung là M(H
2
hòa tan. Một hợp chất có chứa mùn được tách ra bằng base mạnh và
dụng 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 axit
humic.
+ Một hợp chất hữu cơ còn lại trong dung dịch bị axit hóa gọi là
axit fulvic.
Do tính chất phức hợp, hút ẩm, axit và base mà cả hợp chất tan lẫn
không tan đều có ảnh hưởng lớn đến tính chất của nước. Thông
thường axit fulvic tan trong nước và phát huy ảnh hưởng của mình
như các chất tan. Axit humic và humin không và ảnh hưởng đến chất
lượng của nước thông qua việc trao đổi, như trao đổi cation hay các
chất 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 axit
fulvic 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 trong
những tính chất môi trường quan trọng nhất của chất mùn. Liên kết
này có thể tồn tại như một chelat giữa một nhóm cacboxyl và một
nhóm hydroxyl của phenol.
Các chất phức của axit fulvic với kim loại cũng đóng vai trò quan
trọng trong môi trường nước tự nhiên. Chúng có thể lưu giữ một số
ion kim loại như sắt, các hợp chất màu vàng trong nước được gọi là
Gelbstofe và thường gắn liền với sắt tan.
Người ta đã đặt biệt chú ý đến các hợp chất mùn sau khi phát hiện
ra trihalogenmetan (THM) như clorofom hay dibromclometan trong
các nguồn cung cấp nước. Ngày nay người ta thấy rằng, các chất 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 nước uống
của các đô thị bằng clo. Các hợp chất mùn tạo ra THM qua phản ứng
hóa xảy ra trong nước.
Nhiệt độ của nước phụ thuộc vào điều kiện khí hậu, thời tiết hay
môi trường khu vực. Riêng nhiệt độ của nước ngầm, các lớp nước
tầng đáy sâu của hồ… ít phụ thuộc vào môi trường hơn. Nhiệt độ
nước thải công nghiệp đặc biệt là nước thải của nhà máy nhiệt điện,
nhà máy điện hạt nhân thường cao hơn từ 10 – 25
o
C so với nước
thường.
Nước nóng có thể gây ô nhiễm hoặc có lợi tùy theo mùa và vị trí
địa lý. Vùng có khí hậu ôn đới nước nóng có tác dụng xúc tiến sự phát
triển của vi sinh vật và các quá trình phân hủy. Nhưng ở những vùng
nhiệt đới, nhiệt độ cao của nước ở sông hồ sẽ làm thay đổi quá trình
sinh hóa và hóa lý bình thường của hệ sinh thái nước, giảm lượng 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 ở nhiệt độ
thích hợp.
9
Chỉ tiêu nhiệt độ cần đo ngay tại nơi lấy mẫu bằng nhiệt kế hay
bằng các máy đo nhiệt độ.
3. Màu sắc
Nước sạch trong suốt và không màu. Nếu bề mặt đáy của nước rất
lớn ta có cảm giác nước màu xanh nhẹ, đó là do sự hấp thụ chọn lọc
các bước sóng nhất định của ánh sáng mặt trời.
Nước bẩn của nước là do các chất bẩn trong nước gây nên. Màu
sắc của nước ảnh hưởng đến thẩm mỹ khi sử dụng nước, ảnh hưởng
đến 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 các
3
SH, CH
3
(CH
2
)
3
SH, mùi cá ươn của amin
(CH
3
NH
2
, (CH
3
)
2
NH, (CH
3
)
3
N), mùi thịt thối của diamin NH
2
–
(CH
2
)
4
– NH
2
…
Chất rắn lơ lửng: phần chất rắn không bị hòa tan có kích thước tử
0.01 – 0.1 μm như khoáng sét, bùn, than, mùn… Các chất rắn lơ lửng
làm cho nước đục, thay đổi màu sắc và các tính chất khác. Hàm lượng
chất rắn lơ lửng được xác định bằng lượng khô của phần chất rắn còn
lại trên giấy lọc sợi thủy tinh khi lọc 1 lít nước mẫu qua phễu lọc rồi
sấy khô ở 103 – 105
o
C tới khi khối lượng không đổi. Đơn vị tính là
mg/l. Ngoài ra hàm lượng chất rắn lơ lửng có thể xác định bằng máy
quang phổ hấp thụ.
Chất rắn hòa tan: mắt thường không thể nhìn thấy được, làm cho
nước có mùi, vị khó chịu, đôi khi cũng làm cho nước có màu. Đó là
chất 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 chất
rắn huyền phù ở 550
o
C trong một khoảng thời gian nhất định. Thời
gian này phụ thuộc vào loại nước cần xác định (nước thải, bùn, nước
uống…). Đơn vị tính là mg/l. Hàm lượng chất rắn bay hơi trong nước
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 nước mẫu
đã lắng xuống đáy phễu sau một thời gian xác định (khoảng 1 giờ).
Đơn vị đo là ml/l.
10.Độ kiềm toàn phần
Được định nghĩa là hàm lượng các chất có trong nước có khả năng
O làm chất kết tụ là một ví dụ cho tầm
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 kết tủa.
Phản ứng này khử kiềm trong nước. Đôi khi cũng cần bổ sung thêm
kiềm để ngăn chặn việc nước trở nên quá axit.
Độ kiềm có đơn vị là CaCO
3
mg/l dựa theo phản ứng trung hòa
axit. Trọng lượng tương đương của canxi cacbonat bằng ½ trọng
lượng theo công thức của nó vì chỉ cần ½ phân tử CaCO
3
để trung hòa
một ion H
+
. Tuy nhiên thể hiện độ kiềm bằng mg
CaCO3
/l có thể dẫn đến
nhầm lẫn với m
đương lượng
/l là đơn vị thường dùng trong hóa học.
Đối với nước tự nhiên, độ kiềm của nước phụ thuộc chủ yếu vào
hàm lượng các muối cacbonat, hidrocacbonat của kim loại kiềm và
kiềm 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 hàm
lượng của các chất có trong nước có khả năng tham gia phản ứng với
kiềm mạnh. Nước axit thường rất ít gặp trừ trường hợp bị ô nhiễm
nặng. Độ axit của nước thường do sự có mặt của các axit như:
H
2
Độ axit của một số ion hydrat kim loại cũng có thể làm tăng tính
axit của nước. Để ngắn gọn, ion H
3
O
+
được viết tắt đơn giản hơn
thành H
+
.
Độ axit của nước có nguồn gốc khác nhau do quá trình thủy phân,
oxi hóa khoáng vật và chất hữu cơ, hoạt động vi sinh, lắng đọng từ
khí quyển, nước thải từ các hoạt động công nghiệp, sự hòa tan của khí
CO
2
. Trong đó, khí CO
2
hòa tan vào nước là nguồn chính đóng góp
vào độ axit của nước.
12.Độ cứng của nước
Trong các cation có trong hầu hết các hệ thống nước sạch, ion
canxi thường có nồng độ cao nhất và có ảnh hưởng lớn nhất đối với
hóa 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 đơn giản
hơn tính chất hóa học của các ion kim loại chuyển tiếp trong nước.
Canxi là nguyên tố quan trong các quá trình địa hóa. Các khoáng chất
tạo thành các nguồn ion canxi chủ yếu trong nước. Các khoáng chất
chủ yếu góp phần tạo ra ion canxi là thạch cao CaSO
4
.2H
2
Đây là một yếu tố hết sức quan trọng trong các chu trình hóa 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 độ
cứng của nước. Minh họa điển hình nhất về độ cứng của nước là kết
tủa vón cục của phản ứng giữa xà phòng với ion canxi trong nước
cứng. Nhiệt độ tăng có thể làm cho phản ứng này xảy ra bằng cách
giải phóng khí CO
2
và chất kết tủa trắng của canxi cacbonat có thể
hình thành trong nước sôi có độ cứng tạm thời.
Do có sự có mặt của các muối, chủ yếu là các muối canxi và muối
magie, nước cứng không gọi là nước ô nhiễm vì không gây hại cho
sức khỏe con người. Nhưng độ cứng của nước lại có ảnh hưởng lớn
13
đến sản xuất công nghiệp như đóng cặn trong nồi hơi do tạo kết tủa
với các ion Ca
2+
, Mg
2+
; pha chè không ngấm, làm giảm tác dụng của
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 và
magie tạo nên, khi đun nước sôi độ cứng tạm thời sẽ mất, do tạo kết
tủa CaCO
3
và MgCO
3
.
+ Độ cứng vĩnh cửu: do các muối sunfat, clorua của canxi và
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 chất hữu cơ.
Tất cả các sinh vật đều phụ thuộc vào oxi dưới dạng nào đó để
duy trì quá trình trao đổi chất đáp ứng sinh sản và phát triển. Lượng
oxi hòa tan trong nước rất ít, với nước sạch, độ hòa tan của oxi ở 0
o
C,
1atm là 14.6 ppm.
Chỉ số DO thấp có nghĩa là nước có nhiều chất hữu cơ, nhu cầu
oxi hóa tăng nên tiêu thụ nhiều oxi trong nước. Chỉ số DO cao chứng
tỏ nước có nhiều rong tảo tham gia quá trình quang hợp giải phóng
oxi, thậm chí đạt trên mức bão hòa (nếu đạt giá trị 200% được gọi là
siêu bão hòa).
Về mặt hóa học, oxi không tham gia phản ứng với nước, độ hòa
tan oxi vào nước phụ thuộc vào nhiệt độ. Ngoài ra còn phụ thuộc vào
14
Copyright: Tài liệu đại học ©