võ thái sang sư phạm hóa học k35 đại học cần thơ quản trị viên diễn đàn hóa học thời quản trị cộng đồng dạy và học hóa học

Các số liệu trong Bảng 1.2 chỉ cho thấy sự phân bố các nguyên tố trong các thành phần của môi trường mà không cho thấy sự di chuyển (vận động) của các nguyên tố đó từ bộ phận này sang [r]

KHOA HÓA   

Giáo trình

HĨA HỌC MƠI TRƯỜNG (ENVIRONMENTAL CHEMISTRY)

ThS HOÀNG THÁI LONG

MỤC LỤC

MỤC LỤC 1

DANH MỤC HÌNH 4

DANH MỤC BẢNG 6

1 MỞ ĐẦU 7

1.1 Một số khái niệm

1.1.1 Mơi trường

1.1.2 Hóa học mơi trường

1.1.3 Ơ nhiễm mơi trường

1.1.4 Chất gây ô nhiễm

1.1.5 Đường chất gây ô nhiễm (pollutant pathways)

1.2 Cấu trúc thành phần môi trường Trái đất

1.2.1 Cấu trúc Trái đất

1.2.2 Thành phần môi trường Trái đất 11

1.3 Quá trình phát triển sống Trái đất 12

1.4 Chu trình địa hóa 14

2 KHÍ QUYỂN VÀ SỰ Ô NHIỄM KHÍ QUYỂN 16

2.1 Cấu trúc khí 16

2.1.1 Tầng đối lưu 17

2.1.2 Tầng bình lưu 18

2.1.3 Tầng trung lưu 18

2.1.4 Tầng nhiệt lưu 18

2.2 Sự hình thành thành phần khí 18

2.2.1 Sự hình thành khí 18

2.2.2 Thành phần khí 19

2.3 Các phản ứng oxy khí 21

2.4 Ơ nhiễm khơng khí 25

2.4.1 Sulfua dioxit 26

2.4.2 Các oxit nitơ 29

2.4.3 Các oxit cacbon 32

2.4.4 Hydrocacbon 34

2.4.4.1 Mêtan 34

2.4.4.2 Các hydrocacbon khác mêtan (non-methane hydrocarbons - NMHCs) 34

2.4.4.3 Các dẫn xuất halogen hydrocacbon 35

2.4.5 Các hạt lơ lửng tầng đối lưu 37

2.4.5.1 Muội than (soot) 37

2.4.5.2 Các hạt hợp chất chì 38

2.4.5.3 Tro bay (fly ash) 38

2.4.5.4 Amiăng (asbestos) 38

2.4.5.5 Biện pháp giảm thiểu ô nhiễm hạt chất rắn lơ lửng 38

2.5 Tác động tổng hợp chất nhiễm khơng khí 41

2.5.1 Hiệu ứng nhà kính 41

2.5.2 Sự suy giảm nồng độ ozon tầng bình lưu 43

2.5.2.1 Tầng ozon 43

2.5.2.2 Các phản ứng tạo thành phân hủy ozon tầng bình lưu 43

2.5.2.3 Sự suy giảm nồng độ ozon tầng bình lưu 44

2.5.3 Sương khói (smog) 46

2.5.3.2 Sương khói kiểu Los Angeles 47

2.5.4 Mưa axit 49

3 THỦY QUYỂN VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC 51

3.1 Tài nguyên nước chu trình nước 51

3.2 Thành phần nước tự nhiên 52

3.2.1 Các khí hịa tan 52

3.2.2 Chất rắn 52

3.2.2.1 Chất rắn lơ lửng chất rắn hòa tan 52

3.2.2.2 Các chất vơ hịa tan 54

3.2.2.3 Các chất hữu 56

3.2.3 Thành phần sinh học nước tự nhiên 57

3.3 Sự tạo phức nước tự nhiên nước thải 57

3.4 Vai trò vi sinh vật chuyển hóa hóa học mơi trường nước 59

3.4.1 Phản ứng chuyển hóa cacbon 59

3.4.2 Phản ứng chuyển hóa nitơ 60

3.4.3 Phản ứng chuyển hóa lưu huỳnh 61

3.4.4 Phản ứng chuyển hóa photpho 61

3.4.5 Phản ứng chuyển hóa sắt 61

3.5 Ơ nhiễm mơi trường nước 62

3.5.1 Các nguồn gây ô nhiễm nước 62

3.5.2 Các tác nhân gây ô nhiễm nước 64

3.5.2.1 Các ion vơ hịa tan 64

3.5.2.2 Các chất hữu 68

3.5.2.3 Dầu mỡ 75

3.5.2.4 Các chất có màu 75

3.5.2.5 Các chất gây mùi vị 75

3.5.2.6 Các vi sinh vật gây bệnh (pathogens) 75

3.5.3 Các yêu cầu chất lượng nước - Tiêu chuẩn chất lượng nước 77

3.6 Xử lý nước thải 80

3.6.1 Các phương pháp sinh học để xử lý nước thải 80

3.6.1.1 Các phương pháp hiếu khí 81

3.6.1.2 Các phương pháp kỵ khí 82

3.6.1.3 Một số phương pháp xử lý sinh học thông dụng khác 83

3.6.2 Các phương pháp lý  hóa học để xử lý nước thải 84

3.6.2.1 Phương pháp lắng keo tụ 84

3.6.2.2 Phương pháp hấp phụ 85

3.6.2.3 Phương pháp trung hòa 85

3.6.2.4 Phương pháp oxy hóa 85

4 ĐỊA QUYỂN VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG ĐẤT 86

4.1 Khái niệm đất 86

4.2 Bản chất thành phần đất 86

4.2.1 Các thành phần vô đất 87

4.2.2 Các thành phần hữu đất 88

4.3 Nước khơng khí đất 90

4.3.1 Nước đất 90

4.3.2 Khơng khí đất 91

4.4 Dịch đất 91

4.5 Phản ứng axit-bazơ phản ứng trao đổi ion đất 91

4.5.1 Sự tạo thành axit vô đất 91

4.5.3 Cân trao đổi ion đất 92

4.6 Chất dinh dưỡng vi lượng đa lượng đất 93

4.6.1 Chất dinh dưỡng đa lượng 93

4.6.1.1 Nitơ 93

4.6.1.2 Photpho 95

4.6.1.3 Kali 95

4.6.2 Chất dinh dưỡng vi lượng 95

4.7 Sự xói mịn thối hóa đất 97

4.7.1 Xói mịn đất 97

4.7.2 Sa mạc hóa 97

4.7.3 Đất tài nguyên nước 98

4.8 Ơ nhiễm mơi trường đất 98

4.8.1 Ảnh hưởng hoạt động nông nghiệp 98

4.8.1.1 Sử dụng phân bón 98

4.8.1.2 Sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật 98

4.8.1.3 Chế độ tưới tiêu 99

4.8.2 Ảnh hưởng hoạt động sinh hoạt công nghiệp 100

5 HĨA CHẤT ĐỘC TRONG MƠI TRƯỜNG 101

5.1 Hóa chất độc mơi trường 101

5.2 Độc học môi trường 101

5.3 Tính bền vững độc chất mơi trường 103

5.3.1 Phân hủy phi sinh học 103

5.3.2 Phân hủy sinh học 104

5.3.3 Q trình suy giảm nồng độ khơng phân hủy 104

5.4 Tích lũy sinh học 105

5.4.1 Nhưng yêu tô anh hương đên tich luy sinh hoc 106

5.5 Độc tính 107

5.5.1 Độ độc cấp tính 107

5.5.2 Cơ chế gây độc cấp tính 108

5.5.3 Độ độc mãn tính 109

5.6 Tác dụng độc hại số chất 110

5.6.1 Hóa chất bảo vệ thực vật 110

5.6.1.1 Tác dụng độc hại thuốc trừ sâu clo 110

5.6.1.2 Tác dụng độc hại thuốc trừ sâu photpho cacbamat 112

5.6.1.3 Tác dụng độc hại metyl izocyanat (MIC) 113

5.6.2 Kim loại 113

5.6.2.1 Các chế gây độc phổ biến phận thể bị tổn hại 114

5.6.2.2 Tác dụng độc hại asen 115

5.6.2.3 Tác dụng độc hại cadmi 117

5.6.2.4 Tác dụng độc hại chì 117

5.6.2.5 Tác dụng độc hại thủy ngân 118

5.6.3 Tác dụng độc hại số chất độc khác 121

5.6.3.1 Tác dụng độc hại cacbon monooxit (CO) 121

5.6.3.2 Tác dụng độc hại oxit nitơ (NOx) 121

5.6.3.3 Tác dụng độc hại khí sunfurơ (SO2) 122

5.6.3.4 Tác dụng độc hại ozon PAN 122

5.6.3.5 Tác dụng độc hại cyanua (CN−) 122

5.6.3.6 Các chất gây ung thư (carcinogens) 123

DANH MỤC HÌNH

Hình 1.1 Cấu trúc Trái đất .8

Hình 1.2 Mặt cắt ngang bề mặt Trái đất .9

Hình 1.3 Các mảng lục địa .10

Hình 1.4 Sự dịch chuyển mảng lục địa 10

Hình 1.5 Hai dạng tế bào Prokaryote Eukaryote .13

Hình 1.6 Mơ hình tổng qt chu trình địa hóa 14

Hình 2.1 Các thành phần khí 16

Hình 2.2 Sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao khí 17

Hình 2.3 Trao đổi oxy khí quyển, địa quyển, thủy sinh 21

Hình 2.4 Cấu trúc (a) pyrrole, (b) vòng porphyrin, (c) chlorophyll 23

Hình 2.5 Vai trị ATP NADPH phản ứng quang hợp 24

Hình 2.6 Các nguồn gây nhiễm khí tự nhiên nhân tạo 26

Hình 2.7 Nồng độ (trung bình giờ) hàng ngày chất nhiễm Los Angeles, USA 30

Hình 2.8 Các chuyển hóa hóa học chủ yếu NOx tầng đối lưu .31

Hình 2.9 Các phản ứng oxy hóa mêtan chủ yếu có mặt NOx tầng đối lưu vào ban ngày (xảy khơng khí lẫn khơng khí bị nhiễm) 34

Hình 2.10 (a) pyren; (b): benzopyren 37

Hình 2.11 Thiết bị lắng qn tính (cyclon) .39

Hình 2.12 Thiết bị lọc bụi túi vải 39

Hình 2.13 Thiết bị lọc bụi Venturi .40

Hình 2.14 Sơ đồ nguyên tắc lọc bụi tĩnh điện .40

Hình 2.15 Hiệu ứng nhà kính 41

Hình 2.16 Sơ đồ mơ tả lốc xốy hình thành vào mùa Đông Nam cực 44

Hình 2.17 Lỗ thủng lớn tầng ozon Nam cực ghi nhận (21-30/9/2006) 45

Hình 2.18 Sương khói năm 1952 London .46

Hình 2.19 Điều kiện tạo thành sương khói quang hóa 47

Hình 2.20 (A) Các phản ứng tạo thành sương khói; (B) Các phản ứng tạo thành PAN .48

Hình 2.21 Sương khói Los Angeles .48

Hình 2.22 Mưa axit hủy hoại rừng dãy núi Blue Ridge, North Carolina 50

Hình 2.23 Mưa axit ăn mịn tượng đá vơi 50

Hình 3.1 Chu trình nước 51

Hình 3.2 Sơ đồ xác định quan hệ chất rắn lơ lửng chất rắn hòa tan .53

Hình 3.3 Cơng thức cấu tạo dự đốn axit fulvic .58

Hình 3.4 Sơ đồ tách chiết hợp chất humic từ xác thực vật phân hủy 58

Hình 3.5 Các kiểu tạo phức hợp chất humic với ion kim loại .59

Hình 3.6 Chu trình Nitơ 60

Hình 3.7 Trẻ em dị tật ảnh hưởng vụ nhiễm độc thủy ngân Minamata 67

Hình 3.8 Công thức cấu tạo hợp chất DDT, DDD, DDE 70

Hình 3.9 Cơng thức cấu tạo số hóa chất bảo vệ thực vật thơng dụng 70

Hình 3.10 Cơng thức cấu tạo nhóm dioxin chất dioxin (TCDD) 71

Hình 3.11 Cấu trúc phân tử biphenyl (mỗi vị trí đánh số có ngun tử clo vào tạo thành phân tử PCB) 72

Hình 3.12 Chrysence benzo(a)pyrene hợp chất thuộc nhóm PAHs 73

Hình 3.13 Sơ đồ hệ xử lý nước thải theo kỹ thuật bùn hoạt hóa 81

Hình 3.15 Sơ đồ hệ thống UASB 83

Hình 3.16 Sơ đồ biểu diễn hoạt động ao tùy nghi 84

Hình 4.1 Các tầng đất 87

Hình 4.2 Sự chuyển hóa nitơ đất 94

Hình 4.3 Muối tích tụ bề mặt đất vùng canh tác 99

Hình 5.1 Ảnh hưởng nắng (quang phân) mưa (thủy phân) đến phân hủy parathion 104

Hình 5.2 Tương quan hàm lượng chất béo thể nhiều loại động vật hồ Ontario (thuộc Ngũ Đại Hồ) hàm lượng PCBs toàn thể 106

Hình 5.3 Sự tích lũy DDT qua chuỗi thức ăn môi trường nước 112

Hình 5.4 Quá trình nhập bào (endocytosis) trình xuất bào (exocytosis) 114

Hình 5.5 Nhiễm độc asen gây hoại tử bàn tay ngón tay .115

Hình 5.6 Cơng thức cấu tạo ALA - dehydraza enzim porphobilinogen 118

Hình 5.7 Phức chelat chì với chất chống độc 118

Hình 5.8 Bàn tay bị biến dạng nạn nhân bị ngộ độc Hg Minamata 119

DANH MỤC BẢNG

Bảng 1.1 Các nguyên tố phần cấu trúc Trái đất 9

Bảng 1.2 10 nguyên tố hóa học vũ trụ, Trái đất, vỏ Trái đất, đại dương, khí (khơng khí khơ) sinh (% khối lượng) 11

Bảng 2.1 Thành phần khơng khí khơ tầng đối lưu .20

Bảng 2.2. Các chất khí có hàm lượng thấp khơng khí khơ tầng đối lưu .20

Bảng 2.3 Thời gian lưu số chất gây nhiễm khí 26

Bảng 2.4 Một số ảnh hưởng SO2 người 27

Bảng 2.5 So sánh khả hấp thụ xạ khí nhà kính 42

Bảng 2.6 So sánh đóng góp vào hiệu ứng nhà kính khí nhà kính .42

Bảng 3.1 Sự phân bố tài nguyên nước toàn cầu 51

Bảng 3.2 Thành phần hóa học trung bình nước sơng hồ nước biển tồn cầu 54

Bảng 3.3 Tải lượng tác nhân ô nhiễm người đưa vào môi trường hàng ngày 63

Bảng 3.4 Nồng độ tối đa cho phép số kim loại nặng loại nước theo Tiêu chuẩn Việt Nam môi trường 67

Bảng 3.5 Giá trị giới hạn cho phép thông số nồng độ chất ô nhiễm nước mặt (TCVN 5942-1995) 78

Bảng 3.6. Giá trị giới hạn cho phép thông số nồng độ chất ô nhiễm nước thải công nghiệp (TCVN 5945-1995) 79

Bảng 4.1 Hàm lượng nguyên tố hóa học đá đất (‰ w/w) 88

Bảng 4.2 Các loại hợp chất hữu đất 89

Bảng 5.1 Các nguyên tố độc hại nước thiên nhiên nước thải .102

Bảng 5.2 Thời gian bán hủy số hóa chất độc bền vững mơi trường 103

Bảng 5.3 Tích lũy sinh học cá số chất gây ô nhiễm 105

Bảng 5.4 Giá trị phân tích giá trị tính tốn hệ số tích lũy sinh học cá số hóa chất có khả chuyển hóa sinh học khác 107

Bảng 5.5 Phân loại độ độc theo Hodge & Sterner .107

Bảng 5.6 Phân loại độ độc (liều độc qua đường ăn uống gây chết người) theo Gosselin, Smith & Hodge 108

Bảng 5.7 Phân loại độ độc cấp tính hóa chất độc cá động vật .108

Bảng 5.8. Độ độc cấp tính độ độc mãn tính số loại thuốc trừ sâu xác định phịng thí nghiệm lồi cá 110

Bảng 5.9 Đặc tính hóa học sinh hóa thủy ngân hợp chất 120

Bảng 5.10 Ảnh hưởng độc hại CO người nồng độ khác 121

Bảng 5.11 Ảnh hưởng độc hại NO2 với người nồng độ khác 121

Bảng 5.12 Phân loại chất gây ung thư theo IARC EPA .124

1. MỞ ĐẦU 1.1 Một số khái niệm

1.1.1 Môi trường

Môi trường tổng hợp điều kiện bên ngồi có ảnh hưởng đến đời sống phát triển sinh vật

Đối với người, môi trường sống tổng hợp điều kiện vật lý, hóa học, kinh tế xã hội có ảnh hưởng đến sống phát triển cá nhân, cộng đồng người Môi trường sống người vũ trụ, hệ Mặt trời Trái đất có ảnh hưởng trực tiếp rõ rệt

Để đánh giá chất lượng mơi trường, người ta thường đo đạc, phân tích so sánh thông số chất lượng môi trường với tiêu chuẩn chất lượng môi trường quốc gia hay tổ chức quốc tế đưa

1.1.2 Hóa học mơi trường

Hóa học môi trường môn khoa học nghiên cứu tượng hóa học xảy mơi trường

Nói cách khác, hóa học mơi trường nghiên cứu nguồn, phản ứng, vận chuyển, hiệu ứng tồn chất hóa học khơng khí, nước, đất, ảnh hưởng hoạt động người đến trình

Như vậy, hóa học mơi trường mơn học đa ngành liên quan trực tiếp đến ngành hóa học, vật lý, sinh học, địa chất học, nông học, y học, Các kiến thức hóa học mơi trường khơng cần thiết cho nhà hóa học, mà cần thiết cho nhà nghiên cứu mơi trường, kỹ thuật quản lý

1.1.3 Ơ nhiễm mơi trường

Ơ nhiễm mơi trường thay đổi khơng mong muốn tính chất vật lý, hóa học, sinh học khơng khí, nước hay đất gây ảnh hưởng có hại cho sức khỏe, sống, hoạt động người hay sinh vật khác [12]

Một định nghĩa khác ô nhiễm môi trường, sử dụng phổ biến cho rằng, ô nhiễm môi trường q trình người chuyển vào mơi trường chất hay dạng lượng có khả gây hại cho sức khỏe người, sinh vật, hệ sinh thái, hủy hoại cấu trúc, hài hòa, làm ảnh hưởng đến tác dụng lợi ích vốn có môi trường [13]

Theo Luật Bảo vệ môi trường Việt Nam, ô nhiễm môi trường làm thay đổi tính chất mơi trường, vi phạm tiêu chuẩn môi trường

1.1.4 Chất gây ô nhiễm

Chất (gây) nhiễm chất khơng có tự nhiên, vốn có tự nhiên có hàm lượng lớn gây tác động có hại cho mơi trường thiên nhiên, cho người sinh vật khác

Chất gây ô nhiễm có nguồn gốc tự nhiên (núi lửa, cháy rừng, bão lụt, ) hoạt động người tạo (hoạt động sản xuất công nghiệp, giao thông vận tải, chiến tranh, sinh hoạt đô thị, )

1.1.5 Đường chất gây ô nhiễm (pollutant pathways)

cơ thể người gây độc hại:

Pb(C2H5)4 (xăng, dầu động cơ)     →änúg xaíkhê PbCl2 + PbBr2 (khí quyển)

Người ← Thực phẩm ← PbCl2 + PbBr2 (trong đất) 1.2 Cấu trúc thành phần môi trường Trái đất

1.2.1 Cấu trúc Trái đất

Có nhiều giả thiết giải thích nguồn gốc hệ Mặt trời nói chung Trái đất nói riêng, song tất giả thiết dựa hiểu biết ỏi hệ Mặt trời, cịn gây nhiều tranh cãi Những chứng có cho thấy rằng, Trái đất hành tinh có lớp vỏ cứng xuất cách khoảng 4,5 tỷ năm, nằm cách Mặt trời 150 triệu km

Cấu trúc Trái đất (Hình 1.1) thay đổi tỷ năm gần

Hình 1.1 Cấu trúc Trái đất [16]

Phần vỏ mỏng bên Trái đất, chiếm 1% khối lượng Trái đất, lại đóng vai trị quan trọng sống phát triển lồi người

Bề mặt Trái đất khơng đều, khoảng 70% bị bao phủ nước với độ sâu trung bình khoảng km (0 − 11 km) Phần cịn lại khối đất với độ cao trung bình 0,84 km (0 − 8,8 km) mặt nước biển Hai phần ba khối đất thuộc phần Bắc bán cầu

Lớp phủ Trong

Nhân

0 − 40 1000 2900

5100 6370 Vỏ

Vỏ lục địa Đại dương

Vỏ đại dương

Lớp phủ

Vùng chuyển tiếp

Lớp phủ

4 10

60

400

1000 Bề dày (Km)

Ngoài

Lớp phủ Trong

Nhân

0 − 40 1000 2900

5100 6370 Vỏ

Vỏ lục địa Đại dương

Vỏ đại dương

Lớp phủ

Vùng chuyển tiếp

Lớp phủ

4 10

60

400

1000 Bề dày (Km)

Khối đất lục địa xác định giới hạn bờ biển, mà mép phần phẳng đáy đại dương (có thể xa bờ), lục địa bao gồm phần thềm lục địa Theo cách xác định nhiều trường hợp, đảo ngồi khơi phận khối đất lục địa gần chúng Cách xác định phần lục địa hoàn toàn phù hợp với thực tế khác thành phần đá lớp vỏ lục địa đá lớp vỏ đáy đại dương

Bảng 1.1 Các nguyên tố phần cấu trúc Trái đất [16]

Phần cấu trúc Trái đất Các nguyên tố (theo thứ tự nồng độ giảm dần)

Khí N, O

Đại dương O, H (Cl, Na, Mg, S)

Đá trầm tích O, Si, Al, Fe, Ca, K, Mg, C, Na

Đá granit từ nham thạch O, Si, Al, K, Na, Ca, Fe, Mg

Đá bazan từ nham thạch O, Si, Al, Fe, Ca, Mg

Lớp phủ O, Si, Mg, Fe

Hình 1.2 Mặt cắt ngang bề mặt Trái đất [16]

Phần đọc thêm: Sự chuyển dịch mảng lục địa

Giả thuyết hoạt động kiến tạo cho lớp vỏ cứng Trái đất tạo nên bởi 15 mảng lục địa có kích thước khác lắp ghép lại, có mảng Có mảng chứa toàn đại dương chứa phần lục địa, đa số mảng lục địa vừa chứa phần đại duơng, vừa chứa phần lục địa.

Dưới tác động dòng chuyển dịch bên lịng Trái đất, mảng lục địa ln trơi dạt lớp mềm (asthenosphere) Có kiểu chuyển dịch tương

40 60 80 100

20

Núi (8,8 km)

Đất thấp (trung bình 0,84 km) Thềm lục địa

Đại dương (sâu trung bình km) Vực (11 km) Đá trầm tích

Khí

Đá granit từ nham thạch

Đá bazan từ nham thạch Lớp phủ

% bề mặt Trái đất bị chiếm Tầng bình lưu (35 km)

bao gồm tầng ozon (15 km) Tầng đối lưu (15 km)

40 60 80 100

20

0 20 40 60 80 100

0

Núi (8,8 km)

Đất thấp (trung bình 0,84 km) Thềm lục địa

Đại dương (sâu trung bình km) Vực (11 km) Đá trầm tích

Khí

Đá granit từ nham thạch

Đá bazan từ nham thạch Lớp phủ

% bề mặt Trái đất bị chiếm Tầng bình lưu (35 km)

đối mảng lục địa liền

Kiểu chuyển dịch phân kỳ làm cho mảng lục địa tách xa tạo nên khe hở để dung nham từ lịng đất trào ngồi, khơ đặc lại tạo thành núi lửa trên đất liền hay dãy núi ngầm đáy đại dương Chuyển dịch phân kỳ thường xảy phần đại dương lục địa

Hình 1.3 Các mảng lục địa [7]

Hình 1.4 Sự dịch chuyển mảng lục địa [16]

Kiểu chuyển dịch hội tụ làm mảng lục địa xô đập hay trườn, trượt, đè chồng lên Khi mảng lục địa lục địa mảng đại dương mảng đại

Tái nóng chảy Vùng lún

xuống

Hoạt động núi lửa Phần vỏ đại dương

Phần vỏ đại dương Phần vỏ lục địa

LỚP PHỦ

Dãy núi ngầm đại dương

Mảng lục địa 1 Mảng lục địa 2 Mảng lục địa 3

Đường biên có dịch chuyển hội tụ

Đường biên có dịch chuyển phân kỳ Tạo núi

Tái nóng chảy Vùng lún

xuống

Hoạt động núi lửa Phần vỏ đại dương

Phần vỏ đại dương Phần vỏ lục địa

LỚP PHỦ

Dãy núi ngầm đại dương

Mảng lục địa 1 Mảng lục địa 2 Mảng lục địa 3

Đường biên có dịch chuyển hội tụ

dương trượt lún xuống bên mảng lục địa Phần lún xuống bị nóng chảy, các thành phần vật liệu nóng chảy có khối lượng riêng nhỏ di chuyển lên tạo núi, vật liệu nặng chìm xuống vào lớp phủ Khi hai mảng lục địa dịch chuyển hội tụ lục địa dẫn đến tượng dồn ép lớp đất đá lên thành các dãy núi cao (dãy Himalayas, Anpes) Khi phần mảng lục địa đại dương trượt lún sâu xuống bên mảng lục địa, phần mảng lục địa hình thành từ đại dương thay phần mảng lục địa bị đi.

Kiểu chuyển dịch trượt hai mảng lục địa tạo vết nứt gãy mặt đất hay đại dương (ví dụ: vết nứt San Andreas chạy từ thành phố San Francisco cắt ngang bang California (Mỹ) đến tận biên giới Mexico).

1.2.2 Thành phần môi trường Trái đất

Khi nghiên cứu, người ta thường chia mơi trường Trái đất thành thành phần chính: khí quyển, thủy quyển, địa sinh Ngồi thành phần này, nhà khoa học cịn đưa khái niệm trí – thành phần mơi trường Trái đất

− Khí quyển: lớp khí bao phủ xung quanh bề mặt Trái đất, nuôi dưỡng sống mặt đất bảo vệ chúng trước tác động có hại từ khoảng khơng vũ trụ

Khí hấp thụ hầu hết tia vũ trụ phần đáng kể xạ điện từ Mặt trời chiếu xuống Trái đất

Khí cho xạ có bước sóng khoảng 320 đến 2500 nm qua ngăn chặn phần xạ tử ngoại có bước sóng nhỏ 320 nm, phần xạ gây hủy hoại da

Khí đóng vai trị quan trọng q trình cân nhiệt Trái đất, thông qua khả hấp thụ xạ hồng ngoại ánh sáng Mặt trời phần tái xạ từ Trái đất

Thành phần khí nitơ oxy, ngồi cịn có argon, cacbonic nhiều chất khí khác có nồng độ nhỏ nhiều

Bảng 1.2 10 nguyên tố hóa học vũ trụ, Trái đất, vỏ Trái đất, đại dương, khí (khơng khí khơ) sinh (% khối lượng) [16]

Vũ trụ Trái đất Vỏ Trái đất Đại dương Khí Sinh

H : 77 Fe : 35 O : 46,6 O : 85,8 N : 75,5 O : 53

He : 21 O : 29 Si : 29,5 H : 11 O : 23,2 C : 39

O : 0,8 Si : 14 Al : 8,2 Cl : 1,94 Ar : 1,3 H : 6,6

C : 0,3 Mg : 14 Fe : 5,0 Na : 1,05 C : 9,3 × 10−3 N : 0,5

Ne : 0,2 S : 2,9 Ca : 3,6 Mg : 0,13 Ne : 1,3 × 10−3 Ca : 0,4

Fe : 0,1 Ni : 2,4 Na : 2,8 S : 0,09 Kr : 0,45 × 10−3 K : 0,2

Si : 0,07 Ca : 2,1 K : 2,6 Ca : 0,048 He : 72 × 10−6 Si : 0,1

N : 0,06 Al : 1,8 Mg : 2,1 K : 0,039 Xe : 40 × 10−6 P : 0,1

Mg : 0,06 Na : 0,3 Ti : 0,57 Br : 0,007 H : 23 × 10−6 Mg : 0,1

S : 0,04 P : 0,2 H : 0,22 C : 0,003 S : 70 × 10−9 S : 0,07

− Thủy quyển: bao gồm tất nguồn nước: đại dương, biển, sông, suối, hồ, băng cực, nước ngầm,

con người sử dụng (nước sông, hồ, suối nước ngầm) chiếm chưa đến 1% lượng nước thủy

Nước người sử dụng vào mục đích sau: nơng nghiệp (30%), nhà máy nhiệt điện (50%), công nghiệp (12%), sinh hoạt (7%)

Nước (bề) mặt ngày bị ô nhiễm thuốc trừ sâu, phân bón nước chảy tràn từ đồng ruộng, chất thải khác người, động vật sản xuất công nghiệp Các bệnh lây qua đường nước từ nước thải đô thị làm chết hàng triệu người nước phát triển

− Địa (thạch quyển): phần vỏ Trái đất từ mặt đất đến độ sâu khoảng 100 km, bao gồm khoáng chất lớp phong hóa đất (đất hỗn hợp phức tạp bao gồm chất khống, chất hữu cơ, khơng khí nước)

− Sinh quyển: phần Trái đất khí có tồn sống Giữa sinh mơi trường có tác động qua lại lẫn Sinh có mối quan hệ chặt chẽ với dòng lượng mơi trường hóa học mơi trường nước

− Trí (noosphere): khái niệm để dạng thông tin biểu phức tạp sinh mà phát triển cao trí tuệ người Trí thay đổi nhanh chóng phạm vi tác động ngày mở rộng kể phạm vi Trái đất 1.3 Quá trình phát triển sống Trái đất

Cũng lịch sử phát triển Trái đất, trình phát triển sống Trái đất giải thích dựa vào giả thiết Những giả thiết xây dựng dựa việc nghiên cứu hóa thạch tìm

Các hóa thạch cổ tìm thấy có tuổi tỷ năm Các hóa thạch có dạng tương tự vi khuẩn tảo ngày nay, tức sinh vật đơn bào Các tế bào chưa có nhân phát triển hoàn chỉnh đặt tên prokaryotes (sinh vật nhân sơ) Quá trình tạo thành prokaryotes cịn điều bí ẩn

Quá trình phát triển sống xem trình tiến triển từ phân tử vô đơn giản đến sinh vật đa dạng, từ đơn giản đến phức tạp Tất dạng sống tạo thành từ hợp chất hữu Các hợp chất tạo thành tự nhiên từ phân tử đơn giản như, H2O, NH3, CO2, CO, CH4, H2S, H2 Các

phân tử đơn giản tồn khí quyển, đại dương Trái đất lúc sơ khai Người ta suy đoán rằng, từ nhiều loại phân tử hữu tạo thành, hệ vơ sinh (non-living systems) hình thành, tiến hóa thành sinh vật tự sinh tồn sinh sản, sau phát triển thành dạng sống phong phú ngày

Các sinh vật phụ thuộc vào nguồn cung cấp phân tử hữu tổng hợp từ bên ngoài, chúng gọi sinh vật dị dưỡng.

Các sinh vật tự dưỡng có khả tổng hợp nên phân tử hữu cần thiết từ phân tử vơ đơn giản Vì phân tử vơ đơn giản có sẵn nhiều khí đại dương so với phân tử hữu cơ, nên sinh vật tự dưỡng phát triển mạnh sinh vật dị dưỡng

Cả hai loại sinh vật prokaryotes thu lượng từ phản ứng lên men sau:

C6H12O6 → 2C3H4O3 + 4H

glucoz axit pyruvic (kết hợp với nhóm khác)

Phản ứng lên men nguồn cung cấp lượng tốt Khả dùng phần phổ khả kiến xạ Mặt trời làm nguồn lượng chuyển hóa CO2 thành phân tử

nCO2 + 2nH2A

anïh saïng

    → (CH2O)n + nH2O + 2nA

Tác nhân cho hydro Cacbohydrat

Từ đó, tảo lam sử dụng nước đại dương, tác nhân cho hydro, để phát triển tạo sản phẩm phụ oxy:

nCO2 + nH2O

anïh saïng

    → (CH2O)n + nO2

Tác nhân cho hydro Cacbohydrat

Oxy tạo thành từ trình quang hợp làm thay đổi bề mặt Trái đất, đồng thời tiêu diệt sinh vật khơng thích ứng với loại khí hoạt động hóa học mạnh

Khi oxy tích tụ nhiều khí quyển, tầng ozon dần hình thành tầng bình lưu (cách mặt đất 15 − 40 km), hấp thụ tia tử ngoại có hại Lúc này, sinh vật phát triển thành quần thể vùng tiếp giáp khí / nước / đất nhu cầu phải sinh sống nước để tránh tác hại tia tử ngoại không điều bắt buộc Các sinh vật bắt đầu chuyển lên sống cạn Sự có mặt oxy tạo điều kiện cho biến đổi thích hợp tế bào, nhằm sử dụng phản ứng hô hấp cung cấp lượng cho phát triển Nguồn lượng thu từ phản ứng hô hấp lớn lượng thu từ phản ứng lên men đến 18 lần

(CH2O)n + nO2 → nCO2 + nH2O

Cacbohydrat

Các tổ chức bên tế bào lúc chịu thay đổi mạnh mẽ phát triển Xuất nhân tế bào có bọc, chứa axit nucleic mang thơng tin gen tế bào, ngồi cịn có loạt biến đổi khác biệt đặc điểm cấu trúc

Các tế bào gọi eukaryotes (sinh vật nhân thực), chứa nhân xác định Các eukaryotes đơn bào tự dưỡng tiến hóa thành thực vật đa bào, có khả quang hợp để sản xuất chất hữu oxy Sự phát triển số lượng sinh vật có khả quang hợp hô hấp tốt tạo thành tập hợp dị dưỡng Các eukaryotes dị dưỡng tiến hóa thành cá, trùng động vật ngày

Hình 1.5 Hai dạng tế bào Prokaryote Eukaryote[17]

hàm lượng khí có lúc đầu khí sơ khai (N2, CO2, H2, CO, CH4 ) 1.4 Chu trình địa hóa

Các số liệu Bảng 1.2 cho thấy phân bố nguyên tố thành phần môi trường mà không cho thấy di chuyển (vận động) nguyên tố từ phận sang phận khác, ví dụ: sông vận chuyển chất tan chất rắn lơ lửng từ đất liền đại dương; di chuyển mảng lục địa vỏ Trái đất tạo dâng lên (uplift) đá trầm tích đại dương khối đất mới; thực vật tạo thêm oxy cho khí thơng qua q trình quang hợp, đồng thời lấy oxy từ khơng khí q trình hô hấp

Sự di chuyển nguyên tố hóa học đất, đại dương, khơng khí biểu diễn chu trình gọi chu trình địa hóa Mỗi chu trình địa hóa mơ hình, mơ tả di chuyển ngun tố hóa học (hay chất), thơng thường xảy gần bề mặt Trái đất

Trong chu trình địa hóa có số nơi chứa (reservoirs), xác định rõ mặt vật lý (như lục địa, đất, đại dương, khí quyển, ) đường di chuyển (transport paths) vật chất từ nơi chứa đến nơi chứa khác Số lượng nơi chứa chu trình địa hóa phụ thuộc vào mức độ chi tiết việc nghiên cứu hệ

Dòng vật chất di chuyển nơi chứa thường xác định khoảng thời gian cố định, thường năm

1 Ngưng tụ (mưa, tuyết) Sự phát khí (Gas evolution) Bụi Các chất tan lơ lửng (trong nước sông)

3 Hạt bọt nước biển (sea spray) Sa lắng Sự tách khí (Degassing) Sự dâng lên

ĐẤT

KHƠNG KHÍ

ĐẠI DƯƠNG

TRẦM TÍCH

2 1

5 3 3

2

6

1 3

2 4

8

7

Hình 1.6 Mơ hình tổng qt chu trình địa hóa [16]

Nếu lượng nguyên tố (hay chất) chuyển vào chuyển khỏi nơi chứa nhau nồng độ nơi chứa khơng đổi, lúc trạng thái dừng (steady state) thiết lập Về bản, không bị ảnh hưởng hoạt động người hầu hết chu trình tự nhiên trạng thái dừng Kết luận rút từ thực tế khơng có thay đổi lớn mơi trường hóa học tồn cầu xảy vài trăm triệu năm trước

Nếu hệ trạng thái dừng, ta xác định thời gian lưu (residence times) chất xác định nơi chứa xác định dựa vào công thức:

= lượng nguyên tố châtú nơi chứa

t

tơcú độđi v hay nơi chứa nguyên tố châtú

( )

( ) ( )

Ví dụ, lượng natri tan đại dương 15×1018 kg, lượng thêm vào năm

100×109 kg, thời gian lưu natri đại dương 150 triệu năm (thực ra, natri có

thời gian lưu đại dương 210 triệu năm) Hầu hết nguyên tố có thời gian lưu đại dương khoảng vài triệu năm, Thời gian lưu vỏ Trái đất thường cao nhiều thời gian lưu khơng khí, điều phản ảnh tính lưu động hệ

Người ta cho rằng, tác động người lên chu trình địa hóa làm tăng tốc độ chuyển chất rắn từ lục địa đại dương, chặt phá rừng, hoạt động canh tác, làm tăng xói mịn Nghiên cứu cho thấy, tốc độ xói mịn ngày cao gấp đơi cách 5000 năm Rất khó đánh giá ảnh hưởng hoạt động nhân tạo lên chu trình, giá trị nồng độ chất dòng di chuyển vật chất chu trình nêu

2. KHÍ QUYỂN VÀ SỰ Ơ NHIỄM KHÍ QUYỂN 2.1 Cấu trúc khí quyển

Khí lớp vỏ khí bao quanh Trái đất Ranh giới phân chia khí khoảng khơng gian bên ngồi khơng rõ ràng Độ cao lớp vỏ khí từ 500−1000 km từ mặt đất, nhiên 99% khối lượng khí lại tập trung lớp khí cách mặt đất 30 km

Khí cấu tạo nhiều chất khác Trong khí có khoảng 50 hợp chất hóa học, gồm hạt bụi lơ lửng (bụi, phấn hoa, vi khuẩn, vi rút, ) Thành phần hàm lượng chất có mặt khí tùy thuộc vào điều kiện địa lý, khí hậu phân bố theo độ cao Càng lên cao, áp suất giảm, độ cao 100 km, áp suất khí phần triệu (3×10−7 at) áp suất bề mặt Trái đất (1 at) Nhiệt độ thay đổi khoảng từ −92° đến 1200°C Khối lượng tổng cộng khí ước khoảng 5×1015 tấn, tức vào

khoảng phần triệu khối lượng Trái đất

Căn vào thay đổi nhiệt độ theo độ cao, người ta chia khí thành tầng: tầng đối lưu (troposhere), tầng bình lưu (stratosphere), tầng trung lưu (mesosphere), tầng nhiệt lưu (thermosphere) Các thành phần khí thay đổi nhiệt độ khí theo độ cao trình bày Hình 2.1 Hình 2.2

Hình 2.1 Các thành phần khí [14]

10 - 16 km

Tầng Bình lưu Tầng Trung lưu

Tầng Nhiệt lưu

50 km 85 km 500 km O 3 O

3 + hν (220 - 330 nm) → O2 + O O2+, NO+ O

2

+, O+, NO+

Bức xạ Mặt trời

UV, V

IS,

IR (

λ > 33 n m): đế n mặ t đất UV ( λ =

00 - 33

Hình 2.2 Sự thay đổi nhiệt độ theo độ cao khí [8]

2.1.1 Tầng đối lưu

Tầng đối lưu (troposphere) chiếm khoảng 70% khối lượng khí quyển, độ cao từ đến 11 km, lên cao nhiệt độ giảm Độ cao tầng đối lưu thay đổi khoảng vài km, tùy thuộc vào yếu tố, nhiệt độ, bề mặt đất (khoảng km hai cực, 18 km vùng xích đạo) Tầng định khí hậu Trái đất, thành phần chủ yếu N2, O2, CO2

và nước Khí khí tập trung chủ yếu tầng đối lưu, với khối lượng khoảng 4,12.1015 so với tổng khối lượng khí khí 5,15×1015 Mật độ khơng khí

và nhiệt độ tầng đối lưu không đồng Mật độ khơng khí giảm nhanh theo độ cao (hàm số mũ) Nếu khơng bị nhiễm, nhìn chung thành phần khí tầng đối lưu đồng nhất, có dịng đối lưu liên tục khối khơng khí tầng Tầng đối lưu vùng xốy, có cân tốc độ sưởi ấm làm lạnh vùng xích đạo hai đầu cực

Phần tầng đối lưu có nhiệt độ thấp (vào khoảng −56°C) gọi đỉnh tầng đối lưu lớp dừng (tropopause), đánh dấu kết thúc xu hướng giảm nhiệt theo độ cao tầng đối lưu, bắt đầu có tăng nhiệt độ Ở đỉnh tầng đối lưu nhiệt độ thấp, nước bị ngưng tụ đơng đặc nên khơng thể khỏi tầng khí thấp Nếu khơng có đỉnh tầng đối lưu, đóng vai trị chắn hữu hiệu, nước bay lên tầng khí bên bị phân tích tác dụng xạ tử ngoại có lượng lớn Hydro tạo thành phản ứng phân tích khỏi khí (hầu hết hydro heli vốn có khí khỏi khí theo đường này)

40

20 60 80 100

Độ c

ao (km)

−100 50

Nhiệt độ (°C)

Tầng Nhiệt lưu

Tầng Trung lưu

Tầng Bình lưu

Tầng Đối lưu

−50

−92 ÷ 1200°C

−2 ÷−92°C

−56 ÷−2°C

15 ÷ −56°C

2.1.2 Tầng bình lưu

Tầng bình lưu (stratosphere) độ cao từ 11 đến 50 km, nhiệt độ tăng theo độ cao, từ −

56°C đến khoảng −2°C Thành phần chủ yếu tầng O3, ngồi cịn có N2, O2

một số gốc hóa học khác

Phía đỉnh tầng đối lưu phần tầng bình lưu tầng ozon, nhiệt độ tầng gần không đổi Ozon vùng đóng vai trị quan trọng, có tác dụng chắn bảo vệ cho sống bề mặt Trái đất, tránh tác dụng có hại tia tử ngoại từ ánh sáng Mặt trời

O3 + hν (λ: 220 − 330 nm) → O2 + O + Q (làm tăng nhiệt độ)

Trong tầng bình lưu, khơng khí bị khuấy động, thời gian lưu phần tử hóa học vùng lớn Nếu chất gây nhiễm cách xâm nhập vào tầng này, chúng tồn gây ảnh hưởng tác động thời gian dài nhiều so với ảnh hưởng chúng tầng đối lưu

2.1.3 Tầng trung lưu

Tầng trung lưu (tầng trung gian, mesosphere) độ cao từ 50 km đến 85 km, nhiệt độ giảm theo độ cao, từ −2°C đến −92°C, khơng có nhiều phần tử hóa học hấp thụ tia tử ngoại, đặc biệt ozon Thành phần hóa học chủ yếu tầng gốc tự O2+, NO+

được tạo thành oxy nitơ oxit hấp thụ xạ tử ngoại xa

2.1.4 Tầng nhiệt lưu

Tầng nhiệt lưu (tầng nhiệt, tầng ion, thermosphere), độ cao từ 85 đến 500 km Nhiệt độ tầng tăng từ −92°C đến 1200°C Trong tầng này, tác dụng xạ Mặt trời, nhiều phản ứng hóa học xảy với oxy, ozon, nitơ, nitơ oxit, nước, CO2 , chúng

bị phân tách thành nguyên tử sau ion hóa thành ion O2+, O+, O, NO+, e−, CO32−, NO2

−, NO

3−, nhiều hạt bị ion hóa phản xạ sóng điện từ sau hấp thụ xạ Mặt trời vùng

tử ngoại xa (UV-C, λ < 290 nm)

Ngoài tầng trên, người ta cịn có khái niệm tầng điện ly hay tầng ngồi (exosphere) tầng ion (ionosphere)

Tầng bao quanh Trái đất độ cao lớn 800 km, có chứa ion oxy O+ (ở độ

cao < 1500 km), heli He+ (< 1500 km) hydro H+ (> 1500 km) Một phần hydro tầng

có thể tách vào vũ trụ (khoảng vài nghìn năm) Mặt khác, dòng plasma Mặt trời phát bụi vũ trụ (khoảng g/km2) vào khí Trái đất Nhiệt độ tầng

này tăng nhanh đến khoảng 1700°C

Tầng ion khái niệm dùng để phần khí độ cao từ 50 km trở lên, vùng khơng khí có chứa nhiều ion Sự có mặt ion vùng biết đến từ năm 1901, người ta phát tượng phản xạ sóng radio lớp khí tầng cao

Giới hạn khí đoạn chuyển tiếp vào vũ trụ khó xác định, nay, người ta ước đoán khoảng 500 − 1000 km

2.2 Sự hình thành thành phần khí quyển 2.2.1 Sự hình thành khí quyển

Trái Đất

Hơn tỷ năm trước đây, núi lửa phun vào khí CO2, NH3 nước Các

chất tạo thành từ CH4 khí khác có lịng đất Sau đó, tác dụng

tia tử ngoại, sấm chớp, tia phóng xạ, chất ban đầu khí phản ứng với tạo thành amino axit đường Các dạng sống bắt đầu xuất phát triển đại dương Các dạng sống sử dụng lượng từ trình lên men chất hữu cơ, trình quang hợp cuối q trình hơ hấp

Người ta cho rằng, khí thời kỳ đầu có sẵn oxy để trì sống dạng sống sơ khai Lượng oxy tạo thành từ phản ứng phân tích nước tác dụng sấm chớp xạ Mặt trời phần khí Nhưng lồi thực vật nguồn sản xuất oxy chủ yếu cho khí quyển, thơng qua phản ứng quang hợp

CO2 + H2O + hν → {CH2O} + O2↑

Khi lượng O2 khí gia tăng, nhiều loại thực vật phức tạp bắt đầu phát triển

mạnh Song song với trình phát triển thực vật, lúc loài động vật tiêu thụ O2

cũng tăng, tạo cân oxy khí

Thành phần khí kỷ Cambri (khoảng 500 triệu năm trước đây) gần tương tự với thành phần khí Tuy vậy, thành phần khí ngày bị thay đổi Các chất khí dễ bị biến đổi khí ln bị đất, đá sinh vật hấp thụ thất thoát khoảng không vũ trụ

Chu kỳ đổi lượng CO2 khí từ đến năm, 3000 năm O2

100 triệu năm với N2 Chu kỳ tiêu thụ tái tạo chất khí khí thể cân

bằng liên quan đến đất, khơng khí, động thực vật

Lúc đầu, oxy chất khí độc hại cho dạng sinh vật sơ khai Tuy nhiên, lúc này, lượng lớn O2 đuợc Fe(II) hấp thụ để tạo thành Fe2O3:

4Fe2+ + O

2 +4H2O → 2Fe2O3 + 8H+

Quá trình tạo thành lượng lớn Fe2O3 sa lắng chứng cho tạo

thành O2 tự khí thời kỳ đầu

Về sau, có hệ enzim phát triển nhiều vi sinh vật sử dụng O2 để oxy hóa

các chất hữu bị oxy hóa có đại dương

O2 tích lũy dần khí dẫn đến hình thành lớp ozon tầng bình lưu Tầng

ozon đóng vai trị lớp giáp bảo vệ cho sinh vật mặt đất khỏi bị xạ tử ngoại gây tác hại Cuối cùng, Trái đất trở thành môi trường sống thân thiện hơn, sinh vật bắt đầu chuyển từ sống nước đại dương sang sống cạn mặt đất

2.2.2 Thành phần khí quyển

Nitơ, oxy cacbon dioxit nhân tố sinh thái quan trọng khí

Nitơ chất khí trơ mặt hóa học, khơng tham gia phản ứng hóa học điều kiện thường Ở nhiệt độ cao, tia lửa điện, nitơ tác dụng với oxy tạo thành NO, tác dụng với hydro tạo thành NH3 Một số vi sinh vật tự nhiên vượt

qua hàng rào lượng cao để phá vỡ liên kết bền vững phân tử nitơ, tạo thành hợp chất nitơ, cung cấp chất dinh dưỡng cần thiết cho cầu phát triển thực vật tự nhiên

quang hợp Do điều chỉnh tự nhiên mà nồng độ oxy khí ln giữ ổn định khoảng 21% Các chuyển hóa oxy khí trình bày chi tiết mục 2.3

Thành phần khơng khí khơ tầng đối lưu trình bày bảng sau: Bảng 2.1 Thành phần khơng khí khơ tầng đối lưu [7]

Các cấu tử chính % (v/v) % (w/w)

Nitơ (N2, khí) 78,09 75,51

Oxy (O2, khí) 20,95 23,15

Argon (Ar, khí) 0,93 1,23

Cacbon dioxit (CO2, khí) 0,03 0,05

Bảng 2.2 Các chất khí có hàm lượng thấp khơng khí khơ tầng đối lưu [14] Khí % (v/v) 1 Nguồn phát sinh chính Sink 9

CH4 1,6 × 10−4 Sinh học Quang hóa

CO ≈ 1,2 × 10−5 Quang hóa, nhân tạo 4 Quang hóa

N2O × 10−5 Sinh học Quang hóa

NOx5 10−10−10−6 Quang hóa, sấm chớp, nhân tạo Quang hóa

HNO3 10−9−10−7 Quang hóa Ngưng tụ ướt

NH3 10−8−10−7 Sinh học Quang hóa, ngưng tụ ướt

H2 × 10−5 Sinh học, quang hóa Quang hóa

H2O2 10−8−10−6 Quang hóa Ngưng tụ ướt

HO• 10−13−10−10 Quang hóa Quang hóa

HO2• 10−11−10−9 Quang hóa Quang hóa

H2CO 10−8−10−7 Quang hóa Quang hóa

CS2 10−9−10−8 Nhân tạo, sinh học Quang hóa

OCS 10−8 Nhân tạo, sinh học, quang hóa Quang hóa

SO2 ≈ × 10−8 Nhân tạo, quang hóa, núi lửa Quang hóa

CCl2F2 2,8 × 10−5 Nhân tạo Quang hóa

H3CCCl3 ≈1 × 10−8 Nhân tạo Quang hóa

1 Mức hàm lượng khơng khí khơng bị nhiễm 2 Từ nguồn sinh học

3 Phản ứng xảy hấp thụ lượng ánh sáng 4 Nguồn phát sinh hoạt động người 5 Tổng NO, NO

2 Gốc tự do

7 Freon F-12, thường ký hiệu CFC-12 8 Methyl chloroform

Mặc dù có nồng độ bé (0,0314% theo thể tích), cacbon dioxit thành phần quan trọng khí Cacbon dioxit đóng vai trò nguồn cung cấp nguyên liệu cacbon để tổng hợp hợp chất hữu cơ, thành phần thể sinh vật, thơng qua q trình quang hợp Ngồi ra, CO2 cịn hấp thụ xạ sóng dài chuyển chúng thành nhiệt sưởi ấm bề

mặt Trái đất Nếu khơng có q trình (“hiệu ứng nhà kính”, xem mục 2.5.1), nhiệt độ trung bình bề mặt Trái đất cịn khoảng -18°C

Ngồi cấu tử chính, khơng khí cịn chứa nhiều cấu tử khác (phân tử, gốc tự do) với hàm lượng thấp, hạt bụi Khơng khí ẩm chứa đến 4% nước

Ở tầng khí cao 80 km, thành phần cấu tử có thay đổi, tỷ lệ chúng thay đổi không đáng kể

2.3 Các phản ứng oxy khí quyển

Một số chuyển hóa oxy khí quyển, địa quyển, thủy sinh trình bày Hình 2.3

Hình 2.3 Trao đổi oxy khí quyển, địa quyển, thủy sinh [14]

CH4 (khí thiên nhiên) + 2O2 → CO2 + 2H2O

Vi sinh vật hiếu khí sử dụng oxy khí để phân hủy chất hữu Một số trình phong hóa oxy hóa xảy tác dụng oxy, ví dụ:

4FeO + O2 → 2Fe2O3

Bên cạnh q trình tiêu thụ oxy, khí oxy tái tạo nhờ trình quang hợp:

CO2 + H2O + hν → {CH2O} + O2

Các nhà khoa học cho rằng, toàn lượng oxy có khí sản phẩm trình quang hợp Lượng cacbon cố định sản phẩm hữu trình quang hợp trước tạo ra, phân tán tự nhiên chủ yếu duới dạng hợp chất humic, phần nhỏ lượng cacbon chuyển thành loại nhiên liệu hóa thạch Vì vậy, ngày việc đốt nhiên liệu hóa thạch tiêu tốn lượng lớn oxy, nguy sử dụng hết oxy khí hồn tồn khơng thể xảy

Do có mật độ khơng khí thấp tác động xạ gây ion hóa, nên lớp khơng khí cao, oxy khơng tồn dạng O2 mà dạng khác như: oxy nguyên

tử O, oxy phân tử trạng thái kích thích O2* ozon O3

Dưới tác dụng tia tử ngoại (λ < 290 nm) O2 bị phân tích thành oxy nguyên tử:

O2 + hν → O + O

do phản ứng nên độ cao 400 km (thuộc tầng nhiệt lưu) cịn khoảng 10% oxy khí tồn dạng phân tử O2 Do có chứa nhiều oxy nguyên tử nên phân tử lượng

trung bình khơng khí (MKK) độ cao 80 km nhỏ MKK bề mặt Trái đất (28,97 g/

mol); vậy, người ta chia khí thành hai vùng: homosphere vùng khí độ cao thấp có MKK đồng nhất; heterosphere vùng khí cao có MKK khơng đồng

Bên cạnh ngun tử oxy O, khí cịn tồn dạng nguyên tử oxy trạng thái kích thích O∗ Dạng O∗ tạo thành từ phản ứng sau:

O3 + hν (λ = 290−320 nm) → O2 + O∗

O + O + O → O2 + O∗

O∗ xạ ánh sáng có bước sóng 636, 630 558 nm (thuộc vùng khả kiến)

Bức xạ nguyên nhân gây tượng phát sáng khí (airglow − tượng xạ liên tục sóng điện từ yếu khí Bức xạ yếu vùng khả kiến lại có thành phần hồng ngoại mạnh)

Ion oxy O+ sinh khí ánh sáng tử ngoại tác dụng lên

oxy nguyên tử:

O + hν → O+ + e

ion O+ có mặt phổ biến số vùng tầng ion Một số ion khác có chứa oxy O 2+

và NO+.

Ozon (O3) tạo thành khí nhờ phản ứng:

O2 + hν (λ < 290 nm) → O + O

O + O2 + M → O3 + M

trong M phân tử khác N2 O2 đóng vai trò tác nhân hấp thụ lượng

phản ứng tạo ozon giải phóng Ozon có mặt nhiều khí độ cao từ khoảng 15 đến 35 km, nồng độ ozon cực đại vùng đạt đến 10 ppm Vùng có chứa nhiều ozon gọi tầng ozon, có khả hấp thụ mạnh xạ tử ngoại vùng 220−

Phần đọc thêm: Quá trình quang hợp tạo thành hợp chất cacbon

Cho đến chế trình quang hợp chưa giải thích cách hồn chỉnh Song người ta biết nhiều chuyển hóa quan trọng q trình này.

Thực vật có chứa số phân tử có màu, có khả hấp thụ ánh sáng, trong phổ biến chlorophyll a chlorophyll b

Hình 2.4 Cấu trúc (a) pyrrole, (b) vòng porphyrin, (c) chlorophyll

Các liên kết đơn liên kết đôi luân phiên xen kẽ, gọi hệ nối đôi liên hợp, có điện tử dễ bị kích thích Người ta cho rằng, có hai hệ chất màu tế bào có màu lục, hệ hấp thụ phần riêng phổ lượng Mặt trời Một hệ chứa chlorophyll a, hấp thụ ánh sáng đỏ (λ≈ 650 nm, lượng ≈ 185 kJ/mol) bị kích thích Các điện tử bị kích thích lúc chuyển sang hợp chất khác NADPH hay ATP (adenosine- 5’- triphosphate) ATP phân tử có hệ sinh học đóng vai trò tác nhân cung cấp lượng phản ứng cần lượng Đó một hợp chất quan trọng cho q trình đồng hóa ATP chuyển nhóm PO43− cho

trong chất hữu tham gia phản ứng Phản ứng chuyển nhóm photphat gọi phản ứng phosphoryl hóa (phosphorylation) sau:

ROH + ATP → ROPO3 + ADP

(phân tử hữu cơ) (sản phẩm trung gian (adenosine- phản ứng phosphoryl hóa) 5’- diphosphate) ROPO3     →phaní ỉnïg tiãpú ROX (sản phẩm hữu cơ) + PO43−

ADP kết hợp với nhóm photphat tạo thành ATP Do trình gần quay vịng, nên ATP đóng vai trò tác nhân vận chuyển lượng Năng lượng có thể thu trực tiếp từ trình quang hợp hay từ lượng hóa học hợp chất cacbonhydrat chất béo chúng bị phân tích để tạo thành ATP.

NADPH tham gia phản ứng với chất khử để tạo thành nicotinamide adenine dinucleotide photphate đóng vai trị chất chuyển tải proton electron:

(a) Các cách biểu diễn khác cấu trúc pyrrole

(b) Porphyrin: cấu trúc chung, chứa các nhóm khác vị trí − 8

N N N C H N CH CH C H3 X

C2H5

CH3 H C H3 H CH2 CH O Mg CH CH2 CH2 COOphytyl

H3COOC (c) Chlorophyll:

− Chlorophyll a: X = CH3

− Chlorophyll b: X = CHO (phytyl = C20H40) N H CH C H C H C H N

H NH

NADPH + hợp chất khử → NADP+ + sản phẩm oxy hóa

NADPH tạo thành từ NADP+ từ phản ứng:

NADP+ + H+ + 2e− → NADPH

Trong trình quang hợp, phân tử nước cung cấp proton electron, đồng thời giải phóng phân tử oxy:

2H2O → O2 + 4H+ + 4e−

Sự kết hợp khử cacbon dioxit để tạo thành sản phẩm khác trình quang hợp có liên quan đến hàng loạt phản ứng tuần hồn liên tục phức tạp (Hình 2.4) Một phân tử cacbon dioxit kết hợp với phân tử hữu hoạt hóa, sau sản phẩm phản ứng bị khử NADPH, tiếp tục tái cấu trúc lại tác dụng enzime đer tạo thành cacbohydrat, chất béo protein ATP cung cấp lượng cho phản ứng không thuận lợi mặt lượng thông qua phản ứng phosphoryl hóa Các enzime tạo điều kiện cho nhiều loại phản ứng khác xảy (phản ứng cộng, phản ứng tái cấu trúc phản ứng phân hủy) Enzime chất xúc tác, chúng làm tăng tốc độ phản ứng, không bị sau phản ứng

Sản phẩm trình quang hợp loại sinh vật gọi sinh vật quang tự dưỡng (photoautotrophs), loại sinh vật hấp thụ cacbon dioxit, nước ánh sáng Mặt trời, tạo phân tử hữu khí oxy Sinh vật quang tự dưỡng sử dụng hợp chất hữu để tạo nguồn lượng cho nhiều phản ứng xảy tế bào

Hình 2.5 Vai trị ATP NADPH phản ứng quang hợp [16]

Năng lượng dự trữ dạng hợp chất hóa học, vận chuyển giải phóng cần, thích hợp cho sinh vật vào ban đêm, khơng có ánh sáng Mặt trời, lúc tạm thời thiếu cacbon dioxit nước Quá trình giải phóng lượng phản ứng sau, gọi hơ hấp hiếu khí, xem trình

Ánh sáng Mặt trời Chuyển lượng

PO43− + ADP ATP

Phân tử hữu hoạt động

CO

2

Cacbohydrat Chất béo

Giải phóng Năng lượng

Electron H+

NADPH NADP+

H2O O2

Protein

ngược với quang hợp:

(CH2O)n + nO2 → nCO2 + nH2O + lượng

Q trình hơ hấp, q trình quang hợp bao gồm hàng loạt phản ứng phức tạp xảy theo nhiều nấc với chất xúc tác enzime Năng lượng giải phóng từ phản ứng phản ứng oxy hóa glucoz khơng phải phát một lúc, mà tạo thành phần nhỏ, chủ yếu để tái tạo ATP, điều khiển được phản ứng xảy nhiều nấc trình sống sinh vật.

C6H12O6 + 6O2 → 6H2O + 6CO2 + lượng

Nhiệt tạo thành giúp cho trình đồng hóa, nhiệt độ cao phản ứng hóa học xảy nhanh cách đáng kể Khi nhiệt độ tăng lên 10K tốc độ phản ứng hữu tăng gấp hai lần Sự gia tăng tốc độ tạo nhiều năng lượng hơn, lại tạo điều kiện cho nhiều phản ứng tiêu thụ lượng xảy ra mà không bị thiếu lượng Bằng việc sử dụng có hiệu tính chất truyền nhiệt dung dịch nước, sinh vật kiểm sốt mơi trường tế bào duy trì nhiệt độ chúng cao nhiệt độ mơi trường chung quanh bên ngồi Điều này giúp tạo môi trường bên ổn định tối ưu hóa cho phù hợp với nhu cầu thể

Các dạng sinh vật có khả tận dụng triệt để việc sử dụng hợp chất hóa học hơ hấp để cung cấp lượng sinh vật dị dưỡng

Các sinh vật quang tự dưỡng chuyển hóa lượng Mặt trời thành hợp chất hóa học “có lượng cao” Phần hợp chất cịn thừa khơng sử dụng hết q trình đồng hóa sinh vật quang tự dưỡng lại bị sinh vật dị dưỡng tiêu thụ Từ hình thành chuỗi thức ăn, sinh vật sản xuất lấy trực tiếp lượng Mặt trời, sinh vật tiêu thụ khác phụ thuộc vào sinh vật sản xuất lẫn sinh vật tiêu thụ khác việc hấp thu lượng Các sinh vật tiêu thụ sử dụng phân tử tổng hợp sẵn để phục vụ cho việc phát triển thể, nhu cầu tổng hợp sinh học, trình đồng hóa kiểm sốt mơi trường bên chúng, hoạt động bắp.

2.4 Ô nhiễm khơng khí

Có nhiều nguồn gây nhiễm khơng khí Có thể chia nguồn gây nhiễm khơng khí thành hai nhóm:

− Nguồn tự nhiên: núi lửa phun khí SO2, H2S, sulfua hữu cơ, ; cháy rừng

thải vào khí khí CO, SO2, tro bụi ; sấm chớp tạo khí NOx, HNO3; q trình

phân hủy thể chết giải phóng NH3, CH4, NOx, CO2

− Nguồn nhân tạo: hoạt động sản xuất sinh hoạt người đưa vào khí nhiều chất gây nhiễm khác

Các chất gây nhiễm khơng khí chia thành chất gây ô nhiễm sơ cấp (primary pollutant) chất gây ô nhiễm thứ cấp (secondary pollutant) Chất gây ô nhiễm sơ cấp chất thải trực tiếp từ hoạt động người trình tự nhiên gây tác động xấu đến môi trường Chất gây ô nhiễm sơ cấp chịu biến đổi hóa học mơi trường, sản phẩm q trình biến đổi chất gây ô nhiễm khác gọi chất gây nhiễm thứ cấp

Có chất gây nhiễm sơ cấp đóng góp 90% vào tình trạng nhiễm khơng khí tồn cầu Các chất là:

− Các hydrocacbon, HC,

− Các hạt lơ lửng

Hình 2.6 Các nguồn gây nhiễm khí tự nhiên nhân tạo

Khi tác động tổng hợp chất gây ô nhiễm tăng lên so với tác động riêng lẽ từng chất hiệu ứng gọi hiệu ứng synergism Hiệu ứng ngược lại gọi hiệu ứng antigosism.

Mặc dù chất gây nhiễm thường xun đưa vào khí quyển, chất ô nhiễm tồn khí dạng vết Sở dĩ có nhiều q trình vật lý hay hóa học xảy tự nhiên loại chất gây ô nhiễm ra khỏi không khí Những q trình gọi sink Ví dụ khí CO2 hấp thụ (hóa

học) xanh q trình quang hợp, khí CO2 bị loại khỏi khơng khí qua

q trình hòa tan (vật lý) vào nước đại dương Nhưng q trình sink ln ln loại chất khí gây ô nhiễm khỏi không khí, nhiều trường hợp chuyển từ chất khí gây nhiễm thành chất khí gây nhiễm khác Ví dụ H2S bị oxy hóa khơng khí thành

SO2, tồn khí (chất gây nhiễm sơ cấp chất gây ô nhiễm thứ cấp)

Bảng 2.3 Thời gian lưu số chất gây nhiễm khí [7] Chất gây nhiễm Thời gian lưu (năm)

N2O 20

CO2, CH4

CO 0,4

SO2 < 0,02∗

NO, NO2 < 0,01∗

NH3, H2S <0,005∗

∗ Biến động mạnh

Các chất gây nhiễm có thời gian lưu ngắn (nhỏ tháng) thường không phân bố tồn vùng thấp khí Trong chương xem xét số chất gây nhiễm khơng khí phổ biến

2.4.1 Sulfua dioxit (SO2)

Sulfua dioxit chất khí có mùi khó chịu, phát nồng độ khoảng Nguồn thiên nhiên

Từ vũ trụ:

Bụi vũ trụ, tia Mặt trời

Từ rừng:

Phấn hoa, nấm, bào tử nấm, cháy rừng,…

Từ núi lửa: Khí, khói,

bụi,…

Từ biển: Hạt muối từ

bọt nước biển,…

Từ đất bị xói mịn:

Bụi đất, cát,…

Nguồn khác:

Vi khuẩn, virut,…

Nguồn nhân tạo

Chất thải phóng xạ Chất thải công nghiệp sinh hoạt (CO2, N2O NO, NO2, SO2, HF, CFCs, bụi tro, bụi amiăng, CH4, NH3, H2S) Khói thải từ phương tiện giao thơng (khói, bụi đường )

ppm Điều đáng lưu ý nồng độ khí vượt ppm khả phát mùi khứu giác nhanh chóng bị

Nồng độ SO2 tầng đối lưu biến động từ khoảng ppb xa vùng công

nghiệp đến khoảng ppm vùng bị ô nhiễm nặng Ở khu đô thị khu công nghiệp nồng độ SO2 thường vào khoảng 0,1 đến 0,5 ppm, vùng nông thôn (bắc bán cầu) vào khoảng 30

ppb Hoạt động núi lửa (đóng góp khoảng 67% lượng SO2 tồn cầu) hoạt động sinh

học nguồn tự nhiên tạo SO2 Các vi sinh vật thường tham gia q trình chuyển hóa

chất có chứa lưu huỳnh tạo thành H2S, (CH3)2S, chất sau bị oxy hóa nhanh

khơng khí tạo thành SO2 Các nguồn tự nhiên năm đưa vào khí khoảng 2,3 × 1012

mol lưu huỳnh, tạo nồng độ SO2 khí nhỏ ppb

Hằng năm, lượng SO2 phát sinh nguồn nhân tạo tương đương 1,6 × 1012 mol

lưu huỳnh SO2 sinh đốt nhiên liệu hóa thạch có chứa lưu huỳnh, chủ yếu than đá để

sản xuất điện, luyện quặng sulfua kim loại

Do có thời gian lưu thấp, nên SO2 có hội xâm nhập vào tầng bình lưu Tuy nhiên,

một số tượng tự nhiên, núi lửa, đưa lượng khí vào tầng bình lưu Ở tầng SO2 bị oxy hóa tạo thành hạt H2SO4, xem trình tự nhiên làm suy

giảm tầng ozon

Do lượng SO2 phát thải không (khoảng 90% nguồn thải Bắc Mỹ, châu

Âu, Ấn Độ, Cực Đông) thời gian lưu ngắn khí quyển, nên nhiễm khí SO2 thường

chỉ xảy khu vực mà không mang tính tồn cầu

Có hai q trình sink SO2 tầng đối lưu: hấp thụ lên bề mặt khô ướt

(dry deposition) bị oxy hóa khí thành SO3 hay H2SO4 Các chất ô nhiễm thứ

cấp tạo mưa axit (wet deposition) Do đó, SO2 có thời gian lưu tầng đối lưu

thấp (Bảng 2.3)

BẢng 2.4 Một số ảnh hưởng SO2 người [7]

Nồng độ (ppm) Thời gian tiếp xúc Ảnh hưởng

0,03 − 0,5 liên tục Viêm cuống phổi

0,3 − 20 giây Thay đổi hoạt động não

0,5 − 1,4 phút Ngửi thấy mùi

0,3 − 1,5 15 phút Tăng độ nhạy thị giác

1 − 30 phút Ngạt thở, khả khứu giác

1,6 − > Co đường hơ hấp (khí quản, phổi)

5 − 20 > Tổn thương phổi hồi phục

>20 > Phù phổi nước, tê liệt, chết

SO2 chất khí độc với động vật, có khả gây kích thích đường hơ hấp, khó

thở, đau khí quản bệnh phổi mạn tính Tiếp xúc với khơng khí bị nhiễm SO2 nặng

thời gian ngắn gây hại cho sức khỏe SO2 thường có mặt đồng thời với số

các tác nhân gây nhiễm khơng khí khác, thường có xu hướng gây hiệu ứng tương tác synergism với chất gây ô nhiễm khác Người ta thấy rằng, có mặt hạt bụi lơ lửng, tỷ lệ mắc bệnh đường hơ hấp khơng khí bị nhiễm SO2 tăng lên, nồng độ

của SO2 vào khoảng 30 ppb

SO2 gây hại lên thực vật, mức độ nhạy cảm loại khác với khí

này thường khác Trong trường hợp tiếp xúc với khơng khí bị nhiễm nặng SO2,

cụ thể Người ta thấy có suy giảm tốc độ phát triển đồng cỏ, nồng độ SO2 thấp khoảng 60 ppb

Mặt khác, SO2 mang lại số lợi ích, cung cấp dinh dưỡng cho thực vật,

nguồn nguyên tố vi lượng lưu huỳnh thực vật Người ta thấy rằng, thông thường gần vùng cơng nghiệp đất trồng khơng cần bón phân sulfat, canh tác liên tục quanh năm

Hiện có hướng chủ yếu để hạn chế phát thải SO2: − Xử lý loại SO2 khỏi khí thải;

− Loại lưu huỳnh khỏi nhiên liệu trước đốt;

− Sử dụng loại nhiên liệu chứa lưu huỳnh;

− Thay việc đốt nhiên liệu nguồn lượng khác

Phần đọc thêm: Q trình oxy hóa SO2 tầng đối lưu

Trong tầng đối lưu, SO2 bị oxy hóa cách nhanh chóng tạo thành chất gây

ô nhiễm thứ cấp nguy hiểm H2SO4 SO3 Q trình oxy hóa phức tạp

và chất hóa học chi tiết cịn gây nhiều tranh cãi, các nhà hóa học phát ba nhóm chế khác liên quan đến trình này Một số chế nêu chế oxy hóa dị thể, hai chế lại chế oxy hóa đồng thể (oxy hóa pha khí oxy hóa pha lỏng).

− Oxy hóa dị thể:

Phản ứng oxy hóa SO2 pha khí:

2SO2 (k) + O2 (k) → 2SO3 (k) (a)

khi có mặt nước xảy phản ứng sau:

SO3 (k) + H2O(l) → H2SO4 (dd) (b)

trong điều kiện khơng khí khơ sạch, nhiệt độ thường tầng đối lưu, phản ứng (a) xảy chậm, đóng góp khơng đáng kể vào q trình oxy hóa SO2 Bề mặt

các hạt bụi khơng khí hạt tro bay, muội than,…có thể xúc tác cho phản ứng oxy hóa Hơi ẩm khơng khí tạo thành lớp màng mỏng bao bọc quanh bề mặt hạt bụi làm tăng tốc độ phản ứng oxy hóa nói Lớp màng nước mỏng tạo điều kiện cho phản ứng (b) xảy ra, đồng thời hòa tan lớp sulfat tạo thành, ngăn cản tình trạng làm bão hịa trung tâm xúc tác bề mặt.

Quá trình xảy đáng kể gần nguồn phát thải, nơi mật độ hạt bụi không khí cao.

− Oxy hóa đồng thể pha khí:

Phản ứng oxy hóa SO2 pha khí đáng lưu ý phản ứng gốc tự

hydroxyl (OH) Phản ứng tạo gốc HOSO2:

OH + SO2 + M → HOSO2 + M (c)

(M cấu tử thứ (phân tử hay bề mặt chất rắn) cần có mặt để hấp thụ lượng thốt tạo thành liên kết mới, làm bền hóa sản phẩm).

Sau đó, HOSO2 bị oxy hóa tiếp tạo thành H2SO4 Cơ chế phản ứng chưa

được biết đầy đủ, có phản ứng sau xảy ra: HOSO2 + H2O → HOSO2.H2O (d)

HOSO2.H2O + O2 → H2SO4 + HO2 (e)

trong khơng khí bị nhiễm, HO2 phản ứng với NO tái tạo gốc OH, làm

HO2 + NO → OH + NO2 (f) − Oxy hóa đồng thể pha nước:

SO2 bị oxy hóa nhanh nước Trong nước, cân sau thiết lập:

SO2 (n) + H2O (l) ⇌ H2SO3 (n) (g)

H2SO3 (n) ⇌ HSO3−(n) + H+(n) (h)

HSO3−(n) ⇌ SO32− + H+(n) (i)

Một số chất oxy hóa có mặt tầng đối lưu chuyển lưu huỳnh (IV) thành axit sulfuric với tốc độ nhanh Các chất oxy hóa O3, H2O2, NO2 Ví dụ

đối với H2O2, phản ứng xảy sau:

H2O2 (n) + SO2 (n) → H2SO4 (n) (k)

muối sắt kim loại chuyển tiếp có nhiều mức oxy hóa xúc tác cho phản ứng H2O2 sử dụng cho phản ứng xuất phát từ khơng khí hịa tan vào nước hay

tự sinh nước phản ứng tự phân tích HO2:

2HO2 + M → O2 + H2O2 + M (l)

Cho đến nay, người ta chưa biết điều kiện khơng khí q trình số trình chiếm ưu thế.

2.4.2 Các oxit nitơ

N2O, NO NO2 xem chất ô nhiễm sơ cấp đáng lưu ý • Nitơ oxit (N2O)

N2O chất khí khơng màu, hoạt động hóa học

N2O tìm thấy khắp nơi tầng đối lưu, nồng độ trung bình vào khoảng

0,3 ppm, năm tăng thêm khoảng 0,2%

Nguồn phát sinh N2O chủ yếu q trình denitrat hóa số vi sinh vật

trong điều kiện thiếu oxy đất nước Hiện tượng đáng lưu ý việc sử dụng ngày nhiều loại phân bón nhân tạo có chứa nitơ, đặc biệt loại đất có chứa nhiều chất hữu có chế độ thơng khí khơng ổn định N2O cịn sản phẩm

phụ q trình nitrat hóa chưa hồn tồn NH3, NH4+

Một phần nhỏ khí sinh đốt nhiên liệu hóa thạch

Do hoạt động hóa học, nên N2O có thờì gian lưu tầng đối lưu lớn (khoảng

20 năm) đồng thời phân bố khắp nơi tầng

Do có thời gian lưu lớn tầng đối lưu, nên khí nitơ oxit có đủ thời gian để xâm nhập vào đỉnh tầng đối lưu vào tầng bình lưu, N2O bị phân hủy chuyển hóa:

2N2O + hν → 2N2 + O2

N2O + O * → 2NO

(O* nguyên tử oxy trạng thái kích thích có hoạt tính cao tạo thành phân hủy

ozon tia tử ngoại)

Do trình nêu trên, tầng bình lưu phản ứng hóa học xảy xem sink nitơ oxit

Ảnh hưởng mặt môi trường gia tăng nồng độ nitơ oxit khí chưa biết rõ ràng N2O loại “khí nhà kính”, đóng góp vào q trình làm

nóng tồn cầu Ngồi ra, xâm nhập vào tầng bình lưu N2O chuyển thành NO, sau

tham gia vào phản ứng có ảnh hưởng đến nồng độ ozon tầng

NO NO2 thường viết tắt NOx

NO chất khí khơng màu NO2 chất khí có màu nâu vàng Cả hai khí có

hoạt tính hóa học cao Khí NO dễ dàng bị oxy hóa thành NO2 Do có hoạt tính hóa học cao,

nên thời gian lưu NOx tầng đối lưu ngắn (Bảng 2.3) Cũng lý trên, nồng

độ NOx tầng biến động mạnh Nồng độ NO2 dao động khoảng từ ppb

đến 0,5 ppm khoảng thời gian ô nhiễm cao điểm vùng đô thị Phụ thuộc vào ánh nắng Mặt trời mật độ giao thông, nồng độ NOx khu vực đô thị thường thay đổi theo kiểu

như sau :

− Trước có ánh sáng Mặt trời, nồng độ NO NO2 tương đối ổn định cao

hơn nồng độ cực tiểu hàng ngày

− Vào khoảng đến sáng, mật độ xe cộ tham gia giao thông tăng dần lên, nồng độ NO tăng lên đạt cực đại

− Vào khoảng buổi sáng (9−10 giờ), nồng độ NO2 tăng với gia tăng

lượng xạ UV, NO bị chuyển thành NO2

− Khi nồng độ NO giảm xuống 0,1 ppm bắt đầu có tích tụ O3

− Vào chiều tối (17−20 giờ), nồng độ NO tiếp tục tăng trở lại lượng giao thông tăng trở lại vào thời gian

− Ozon tích lũy ban ngày phản ứng với NO vào ban đêm, làm nồng độ NO2 tăng

nhẹ, lúc nồng độ ozon giảm

Ở thành phố lớn có mật độ giao thông cao, nồng độ cực đại NO NO2

khơng khí tương ứng 1−2 0,5 ppm

Hình 2.7 Nồng độ (trung bình giờ) hàng ngày chất ô nhiễm Los Angeles, USA [8] NO tạo thành từ nguồn tự nhiên nhân tạo

− Nguồn tự nhiên: trình cháy sinh khối (cháy rừng), sấm chớp, oxy hóa NH3, q trình kỵ khí xảy đất (đối với NO)

− Nguồn nhân tạo: đốt sinh khối nhiên liệu hóa thạch

Lượng NOx tạo từ nguồn thiên nhiên nguồn nhân tạo hàng năm gần tương

đương Hiện nay, quy mơ tồn cầu, lượng phát thải NOx gia tăng

NOx thường tạo thành trình cháy nhiệt độ cao Lúc có kết hợp

trực tiếp nitơ oxy khơng khí:

N2 + O2 → 2NO

0,50

24 0,30

0,10

0 0,20

0,40

3 12 15 18 21 24 NO

NO2 O3

Giờ ngày

NO,

NO

2

, O

3

(p

Ngồi ra, NO cịn tạo thành q trình oxy hóa hợp chất có chứa nitơ nhiên liệu Sau đó, NO bị oxy hóa tạo thành NO2 Thông thường

nguồn phát thải NOx, NO chiếm 90% lượng NOx

NOx tìm thấy tầng bình lưu, q trình oxy hóa nitơ oxit

hoặc khói thải máy bay

Trong tầng đối lưu, NOx tham gia nhiều phản ứng hóa học với tác nhân khác nhau,

như O3, ánh sáng, gốc hydroxyl (OH), hydroperoxyl (HO2), phân tử hữu (bao gồm

các gốc peroxyl hữu cơ, RO2), độ ẩm, hạt lơ lửng (Hình 2.8) Ngồi phản ứng hóa

học, q trình vật lý ngưng tụ khô ướt q trình loại NO NO2

khí Trong đó, q trình hóa học xem chế sink chủ yếu NOx ,

các trình vật lý sink PAN (peroxyacyl nitrate), HNO3 N2O5

Hình 2.8 Các chuyển hóa hóa học chủ yếu NOx tầng đối lưu [7]

Ozon tầng đối lưu oxy hóa NO thành NO2:

NO + O3 → O2 + NO2

Đây phản ứng nhanh, khơng xảy hồn tồn NO tái tạo phần đáng kể NO2 tham gia phản ứng quang hóa sau:

NO2 + hν (λ < 430 nm) → NO + O

Nguyên tử oxy tạo thành phản ứng với phân tử oxy để tái tạo ozon: O + O2 + M → O3 + M

trong đó, M cấu tử thứ (có thể phân tử bề mặt rắn) cần thiết để hấp thụ lượng giải phóng tạo liên kết mới, làm bền hóa sản phẩm phản ứng

Mặc dầu thân NOx chất gây nhiễm, ảnh hưởng thường

gây chất gây ô nhiễm thứ cấp tạo từ NOx Trong tầng đối lưu NOx bị oxy

hóa thành axit nitric, tạo mưa axit NOx điều kiện cần để tạo sương khói quang hóa

(photochemical smog). HNO2

RCO-O2-NO2 (PANs) H2O

NO2 NO3

HNO3 NO

N2O5

N2O4 hν O2 hν O RH O2 O3 R

M M

M H2O + M

OH hν

hay hay

O2

O3 HO2 OH RO2 RO

hν O

H2O

RCO-O2+ M M RCO-O2

N2O3 H2O

HNO2

RCO-O2-NO2 (PANs) H2O

NO2 NO3

HNO3 NO

N2O5

N2O4 hν O2 hν O RH O2 O3 R

M M

M H2O + M

OH hν

hay hay

O2

O3 HO2 OH RO2 RO

hν O

H2O

RCO-O2+ M M RCO-O2

Trong tầng bình lưu, NOx tham gia vào q trình hóa học làm ảnh hưởng đến nồng

độ ozon vùng

Các biện pháp giảm thiểu ô nhiễm NOx:

− Sử dụng chất xúc tác để chuyển hóa NOx khí thải động xe máy

− Sử dụng q trình “đốt giai đoạn” giảm đến 90% lượng NOx khí thải

các nhà máy phát điện (thơng thường nhà máy có khí thải chứa NOx từ 50 đến 1000

ppm):

Giai đoạn 1: nhiên liệu (than đá / dầu / khí đốt) đốt nhiệt độ cao, điều kiện thiếu oxy so với tính tốn theo lý thuyết (90−95% theo tính tốn) nhờ hạn chế lượng NO tạo thành thiếu oxy

Giai đoạn 2: q trình đốt nhiên liệu hồn tất nhiệt độ tương đối thấp với lượng dư khơng khí Trong điều kiện NO khơng tạo thành

− NOx khí thải nhà máy xử lý cách sục khí thải qua dung dịch H2SO4

hay dung dịch chứa Ca(OH)2 Mg(OH)2 Lúc ngồi NOx, SO2 cững bị loại khỏi khí thải:

1 Khí thải NO2 dẫn vào phận oxy hóa:

NO2 + SO2 + H2O → H2SO4 + NO

2 NO NO2 phản ứng với tạo thành N2O3, khí thải sục vào bể chứa

H2SO4 Khí thải sau xử lý thải vào khơng khí:

NO2 + NO → N2O3

N2O3 + 2H2SO4 → 2NOHSO4 + H2O

3 Sản phẩm phản ứng bể sục phân hủy hệ thống phân hủy tái tạo lại H2SO4:

2NOHSO4 + 1/2O2 + H2O → 2H2SO4 + 2NO2

4 NO2 tạo thành HNO3 bể phản ứng:

3NO2 + H2O → 2HNO3 + NO

lượng NO2 NO thừa dẫn quay lại phận oxy hóa ban đầu 2.4.3 Các oxit cacbon

• Cacbon dioxit (CO2)

Cacbon dioxit chất khí khơng màu, hoạt tính hóa học trung bình CO2 tan

phần nước tạo axit cacbonic (H2CO3)

CO2 có mặt tầng đối lưu với nồng độ khoảng 362 ppm (số liệu năm 1993) Hàng

năm nồng độ CO2 gia tăng khoảng 0,5% CO2 xem chất khí nhà kính làm nhiệt độ

tồn cầu tăng lên Tháng năm 1992, Hội nghị cấp cao Trái đất Rio de Janeiro công bố Công ước thay đổi thời tiết, theo đến năm 2000 quốc gia phải giảm lượng phát thải CO2 mức phát thải năm 1990

Nguồn tạo CO2 khí q trình hơ hấp, phân hủy oxy hóa,

đốt nhiên liệu, khí từ đại dương Việc đốt nhiên liệu hóa thạch hàng năm đưa vào khí khoảng × 1014 mol C, đốt sinh khối (đặc biệt đốt phá rừng) hàng năm đóng góp 1,7 × 1014 mol C

Quá trình quang hợp đại dương (độ tan CO2 nướcbiển nhiềuhơn độ tan

trong nước khoảng 200 lần) sink quan trọng CO2

Đốt rừng làm gia tăng lượng CO2 khí đồng thời cịn làm giảm trình

sink CO2 quang hợp

quan hệ nhiệt độ toàn cầu hàm lượng CO2 chưa giải thích rõ ràng Hiện

tượng ấm lên tồn cầu dẫn đến nhiều hệ Ví dụ, tăng nhiệt độ làm giảm độ tan CO2 nước biển, làm tăng q trình khí CO2 từ đại dương; lúc

này trình quang hợp tăng làm giảm bớt lượng CO2

Giảm sử dụng nhiên liệu hóa thạch giảm lượng CO2 phát thải • Cacbon monoxit (CO)

CO (ở nhiệt độ < −192°C) chất khí không màu, không mùi không vị CO không tan nước Các phản ứng tạo thành CO là:

− Đốt cháy nhiên liệu hay hợp chất có chứa cacbon: 2C + O2 → 2CO

− Phản ứng CO2 với vật liệu chứa cacbon nhiệt độ cao:

CO2 + C → 2CO − Phản ứng phân tích CO2 nhiệt độ cao:

CO2 ⇌ CO + O

Nồng độ CO khí thường nhỏ 0,1 ppm Nồng độ CO tăng lên − 20 ppm vùng đô thị Trong số trường hợp đặc biệt, đường giao thông chật hẹp, thơng khí (đường hầm), nồng độ CO tăng đến 100 ppm

Thời gian lưu CO khơng khí ngắn (khoảng 0,4 năm), có biến động nồng độ CO theo thời gian khơng gian khí quyển, ví dụ Bắc bán cầu bị ô nhiễm CO nhiều Nam bán cầu

CO tạo thành trình sinh học (trong đất liền đại dương), cịn sản phẩm q trình oxy hóa hợp chất hydrocacbon khí q trình đốt cháy khơng hồn tồn nhiên liệu hóa thạch sinh khối Các nguồn tự nhiên đóng góp lượng CO vào khí tương đương 1,8 × 1013 mol C hàng năm,

lúc nguồn thải nhân tạo đưa vào khí khoảng 2,7 × 1013 mol C năm, lượng

này ngày gia tăng

Trong tầng đối lưu trình sink chủ yếu CO là: di chuyển lên tầng bình lưu (sau bị oxy hóa); hấp thụ vào đất thực vật (có khoảng 16 vi khuẩn đất có khả hấp thụ CO từ khơng khí); bị oxy hóa gốc hydroxyl (phản ứng xem chế sink chủ yếu gốc hydroxyl, khơng khí khơng bị nhiễm khoảng 70% gốc OH phản ứng với CO, phần lại phản ứng với CH4):

OH + CO → H + CO2

Nồng độ cao CO khơng khí gây tác hại đến sức khỏe người CO kết hợp với hemoglobin (Hb) tác nhân vận chuyển oxy máu:

HbO2 + CO „ O2 + HbCO

(hemoglobin bị oxy hóa) (cacboxyhemoglobin)

làm thiếu oxy cho q trình hơ hấp, ảnh hưởng đến hành vi, hoạt động (do khu vực bị nhiễm nặng tai nạn giao thơng thường xảy ra), gây tử vong

Ngoài tác hại nêu người động vật, khí CO cịn xem khí nhà kính đóng góp vào q trình làm ấm lên toàn cầu

Sự gia tăng nồng độ CO khí làm giảm nồng độ gốc hydroxyl phản ứng xảy tác nhân này, làm giảm tác dụng loại trừ chất nhiễm khác gốc hydroxyl Đây tác hại CO nhà khoa học quan tâm nhiều

thiểu ô nhiễm tập trung chủ yếu vào việc cải thiện động xe máy

2.4.4 Hydrocacbon

2.4.4.1 Mêtan (CH4)

Mêtan tạo thành khí nguồn tự nhiên nhân tạo Hàng năm lượng mêtan tương đương từ 8,6 × 1012 đến 2,9 × 1013 mol C đưa vào khí chủ yếu

do hoạt động vi sinh vật kỵ khí Hoạt động người đưa thêm lượng mêtan tương đương 1,5 × 1013 đến 3,6 × 1013 mol C /năm vào khí chủ yếu từ việc trồng

lúa nước, đốt sinh khối nhiệt độ thấp, chăn nuôi gia súc, thải chất thải, khai thác nhiên liệu hóa thạch

Thời gian lưu mêtan khí dài (khoảng năm), mêtan phân bố khắp tầng đối lưu Nồng độ mêtan tầng đối lưu vào khoảng 1,75 ppm, tốc độ gia tăng hàng năm − 2%

Mêtan khí nhà kính, đóng góp vào ấm lên toàn cầu Sự ấm lên sau lại làm gia tăng nồng độ mêtan lượng lớn khí bị giữ băng dạng CH4.nH2O (n ≈ 6) giải phóng, hiệu ứng nhà kính tiếp diễn mức độ cao

Có chế sink mêtan: − 7% bị đất hấp thụ, − 12% bị chuyển vào tầng bình lưu Phần mêtan lại bị phân hủy tầng đối lưu chuỗi phản ứng Hình 2.9 Trong số phản ứng quan trọng phản ứng mêtan với gốc hydroxyl:

CH4 + OH → CH3 + H2O

Sự can thiệp người làm giảm số lượng gốc OH khơng khí làm giảm tốc độ phản ứng Như trình bày mục 2.3.3, gia tăng nồng độ CO tầng đối lưu làm giảm khoảng 70% lượng gốc OH theo phản ứng:

CO + OH → H + CO2

Hình 2.9 Các phản ứng oxy hóa mêtan chủ yếu có mặt NOx tầng đối lưu vào ban ngày

(xảy khơng khí lẫn khơng khí bị ô nhiễm) [7]

2.4.4.2 Các hydrocacbon khác mêtan (non-methane hydrocarbons−NMHCs)

Ngồi mêtan, khí cịn có 600 hydrocacbon khác Một số q trình sinh học tạo lượng lớn hydrocacbon hoạt động, isopren, α-pinen Giao thông vận tải hoạt động nhân tạo có liên quan đến dung môi hữu bổ sung lượng lớn hydrocacbon, benzen, butan, etan, etin, hexan, pentan propan, toluen vào khí

Các hydrocacbon khác mêtan xếp vào loại khí nhà kính Trong tầng đối

CH4 CH3

O∗

H2O OH

hay

H2O

O2+ M M

CH3O2 CH3O HCHO HCO CO CO2

O3 O

NO

NO2 O2∗ hν

(λ < 310 nm)M M + O2 hν (λ < 430 nm)

O3

O2

O2 HO2 hν H

(λ < 340 nm)

M O2+ M O2

CH4 CH3

O∗

H2O OH

hay

H2O

O2+ M M

CH3O2 CH3O HCHO HCO CO CO2

O3 O

NO

NO2 O2∗ hν

(λ < 310 nm)M M + O2 hν (λ < 430 nm)

O3

O2

O2 HO2 hν H

(λ < 340 nm)

lưu, chúng bị oxy hóa tạo thành nhiều chất gây ô nhiễm thứ cấp, nhiều chất số đóng vai trị quan trọng việc tạo thành sương khói quang hóa

2.4.4.3 Các dẫn xuất halogen hydrocacbon

Khi hay nhiều nguyên tử hydro hydrocacbon bị thay nguyên tử halogen (F, Cl, Br, I) tạo thành dẫn xuất halogen Nhiều hợp chất số đáng quan tâm khía cạnh mơi trường

• Chlorofluorocarbons (CFCs)

CFCs hợp chất bay có từ đến nguyên tử cacbon phân tử liên kết với nguyên tử clo flo Các CFC thường gặp CCl3F (CFC-11), CCl2F2 (CFC-12),

C2Cl3F3 (CFC-113), C2Cl2F4 (CFC-114) C2ClF5 (CFC-115)

CFCs hợp chất nhân tạo trước tự nhiên CFCs sử dụng lần Mỹ vào thập niên 1930 để làm tác nhân làm lạnh (hãng Du Pont General Motors Coporation)

Trong số CFC CFC-11 (CCl3F) CFC-12 (CCl2F2) dùng phổ biến

Nồng độ chúng khí 0,280 ppb 0,484 ppb Tốc độ gia tăng nồng độ hàng năm vào khoảng 4% (số liệu năm 1992) Các chất chất trơ mặt hóa học, khơng độc, không cháy, không mùi, nhiệt độ sôi thấp (−30°C) dễ bị hóa lỏng áp suất, chúng xem chất lý tưởng để làm tác nhân làm lạnh cho tủ lạnh Từ CFCs phát minh, tủ lạnh trở thành thông dụng (trước tác nhân làm lạnh SO2, NH3, chất độc, nên tủ lạnh dùng cơng nghiệp) Ngồi ra, CFCs

cịn dùng làm dung môi, chất tạo xốp sản xuất đệm, chất đẩy bình xịt khí Do có ứng dụng nhiều lĩnh vực nên sản lượng CFCs trước liên tục gia tăng

Do trơ mặt hóa học, khơng bị phân hủy tầng đối lưu, có thời gian lưu khí dài (hàng chục, chí hàng trăm năm), nên CFC phân bố khắp tầng đối lưu phần thâm nhập vào tầng bình lưu

Trong tầng bình lưu CFCs bị suy giảm bị phân tích tác dụng ánh sáng, ví dụ:

CF2Cl2 + hν (λ < 250 nm) → CF2Cl + Cl

nguyên tử clo vừa giải phóng tham gia xúc tác cho trình phân hủy vài phân tử ozon tầng ozon:

Cl + O3 → ClO + O2

ClO + O → Cl + O2 • Các Halon (Halons) hydrocacbon brom hóa

Halon hợp chất tương tụ CFC có chứa flo, clo brom Các halon thường gặp CBrClF2 (Halon-1211), CBrF3 (Halon-1301) C2Br2F4 (Halon-2402) Cũng

như CFC, halon hợp chất có nguồn gốc nhân tạo Halon dùng vào mục đích cứu hỏa, đặc biệt vụ cháy dập nước

Các hợp chất hydrocacbon brom hóa bromometan (CH3Br) dùng để diệt

nấm, chủ yếu lại có nguồn gốc tự nhiên

Các hợp chất bị phân tích tác dụng ánh sáng tầng bình lưu, giải phóng ngun tử brơm Sự có mặt ngun tử brơm, nồng độ nhỏ (≈ 0,02 ppb) làm tăng 20% tốc độ phân hủy ozon nguyên tử clo Mặt khác, thân brôm có khả phân hủy ozon mạnh so với clo

Phần đọc thêm: Cách gọi tên CFC halon

Để biết thành phần CFC, lấy phần số tên thương phẩm CFC cộng thêm 90 Tổng số số có ba chữ số đại diện cho số nguyên tử cacbon, hydro flo phân tử Còn lại nguyên tử clo.

Ví dụ: CFC-11: 11 + 90 = 101, vậy, có nguyên tử cacbon, nguyên tử hydro, nguyên tử flo phân tử CFC-11 Do cacbon có hóa trị 4, nên số nguyên tử clo có phân tử Vậy cơng thức hóa học CFC-11 CCl3F.

Halon thường biểu diễn mã có số với chữ H (đại diện cho halon) đầu, ví dụ H1211 Các số đại diện cho số nguyên tử cacbon, flo, clo và brom phân tử (H1211: CF2ClBr).

Do tác hại CFCs, halon hợp chất liên quan, nên để bảo vệ cho tầng ozon, Công ước Montreal (1987) định hạn chế sử dụng sản xuất hợp chất

Hợp chất đề xuất thay cho CFCs hydrocloroflorocacbon (HCFCs) có chứa nguyên tử hydro phân tử, hợp chất dễ bị phân hủy tầng đối lưu, phần nhỏ thâm nhập vào tầng bình lưu

Ví dụ: CH2FCF3 (HFC-134a): chất thay cho CFC-12 dùng máy điều hịa

khơng khí xe tủ lạnh gia đình; CHCl2CF3 (HCFC-123) CH3CCl2F (HCFC-141b):

là chất thay cho CFC-11 trình sản xuất đệm xốp; CHClF2 (HCFC-22): dùng cho

máy điều hịa khơng khí sản xuất hộp đựng thức ăn nhựa xốp

Không trường hợp CFC, việc tìm kiếm hợp chất thay halon gặp nhiều khó khăn Ngày nay, lượng lớn halon cịn sử dụng vào mục đích cứu hỏa

Điều đáng lo ngại bền vững tầng đối lưu, nên hạn chế, chí cấm hẳn việc sản xuất, sử dụng, phải đến thể kỷ 22, nồng độ CFC, halon, hợp chất liên quan khí giảm lại cịn mức nồng độ năm 1960

• Các hợp chất hydrocacbon clo hóa khơng có chứa flo (CCl4, CH3CCl3 )

Các hợp chất hydrocacbon clo hóa khơng có chứa flo bị phân tích tầng bình lưu tác dụng ánh sáng giải phóng clo nguyên tử làm suy giảm tầng ozon

Phần đọc thêm: Công ước Montreal chất làm suy giảm tầng ozon

Công ước quốc tế ký kết năm 1987, bắt đầu thực thi vào tháng năm 1989 Vào năm 1990 bổ sung sửa chữa, sửa chữa có hiệu lực thi hành vào tháng năm 1992 Ở thời điểm có 76 quốc gia phê chuẩn công ước 1987 và 20 quốc gia phê chuẩn công ước bổ sung sửa chữa.

Bản công ước 1987 quy định hạn chế mức sử dụng sản xuất CFC 11, 12, 113, 114, 115, halon 1211, 1301 2402 mức năm 1986 Dự kiến đạt mức hạn chế vào năm 1990 với CFCs 2005 với halon Cam kết giảm mức sản xuất tiêu thụ CFCs 80% mức 1986 vào năm 1993, 50% vào năm 2000 Các nước phát triển gia hạn thêm 10 năm cho mức đặt ra.

Bản sửa chữa bổ sung năm 1990 nhấn mạnh cam kết CFC nêu phải cắt giảm 50% vào 1995, 85% năm 1997 100% năm 2000 Các hợp chất CFC halogen hóa hồn toàn khác cắt giảm 20% vào năm 1993, 85% năm 1997 100% năm 2000 Các halon nêu cắt giảm 50% vào năm 1995 (trừ trường hợp cần thiết) 100% năm 2000 Lượng phát thải cacbon tetraclorua (CCl4) phải

được cắt 85% vào năm 1995 100% vào năm 2000 Lượng phát thải metyl cloroform (CH3CCl3) giữ hạn chế vào năm 1993, giảm 30% năm 1995, 70%

2.4.5 Các hạt lơ lửng tầng đối lưu

Các hạt lơ lửng tầng đối lưu xuất phát từ nhiều nguồn khác

Các hạt lơ lửng nguồn gốc tự nhiên bao gồm hạt bụi đất, hạt nước biển, phấn hoa, bào tử, tro bụi núi lửa, khói sinh khối cháy Các hoạt động người làm gia tăng lượng số loại hạt lơ lửng nguồn gốc tự nhiên, ví dụ canh tác gây xói mòn đất tạo nhiều bụi

Một số loại hạt lơ lửng có nguồn gốc nhân tạo, quan trọng số hạt xuất phát từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch đốt sinh khối Các hạt loại thường có kích thước nhỏ (≈ 2,5 µm), thường khó lắng xuống mà bị rửa trơi theo nước mưa, tuyết, (ngưng tụ ướt) hay bám vào bề mặt trình di chuyển (ngưng tụ khơ)

Lượng hạt lơ lửng khí tăng khơng ngừng kỷ 20, nhiên phạm vi toàn cầu, lượng hạt lơ lửng phát thải có xu hướng giảm (trên 6,0×1013

gam/năm vào năm 1970 cịn 5,7×1013 gam/năm vào năm 1990.

Sự gia tăng nồng độ hạt lơ lửng khí gây số vấn đề cần lưu ý mặt môi trường Với diện tích bề mặt riêng lớn, hạt lơ lửng tạo điều kiện làm tăng tốc độ phản ứng hóa học khơng khí, ví dụ phản ứng oxy hóa lưu huỳnh dioxit thành lưu huỳnh trioxit

Các hạt lơ lửng có kích thước bé tán xạ ánh sáng, dẫn đến thay đổi phức tạp khí hậu Ảnh hưởng gia tăng nồng độ hạt lơ lửng đến thay đổi nhiệt độ trung bình tồn cầu chưa rõ ràng

Phơi nhiễm thời gian dài với hạt lơ lửng kích thước bé gây bệnh phổi bệnh thủng phổi, bệnh bụi phổi silic, chí gây ung thư (bụi amiăng, bụi kim loại Be )

Các hạt có khói đốt nhiên liệu có khả làm tăng tác hại chất ô nhiễm khác Một số loại hạt khác mang chất độc, số đáng quan tâm hạt muội than, hạt hợp chất chì, tro bay

2.4.5.1 Muội than (soot)

Muội than hạt nhỏ màu đen, tạo thành trình đốt cháy khơng hồn tồn nhiên liệu hóa thạch sinh khối Nó dạng cacbon khơng tinh khiết kết hợp với nhiều hợp chất hữu cơ, có hợp chất đa vòng (PAHs: polycyclic aromatic hydrocarbons) pyren, benzopyren Đây chất xếp vào loại chất có khả gây ung thư

Hiệu suất tạo thành muội than đốt nhiên liệu phụ thuộc vào loại nhiên liệu chế độ đốt Ví dụ, động đốt xăng theo nguyên tắc chớp cháy (spark-ignition, động Otto) tạo 0,1 g C/kg nhiên liệu, lúc động Diesel theo nguyên tắc nén cháy (compression ignition) lại tạo đến g C/kg nhiên liệu Tuy nhiên, hiệu sử dụng lượng tốt hơn, nên ngày động Diesel trở nên phổ biến, dẫn đến nguy tăng lượng hạt muội than khí

(a) (b)

2.4.5.2 Các hạt hợp chất chì

Trên 90% chì khí có nguồn gốc từ hoạt động nhân tạo Có thể tìm thấy chì khí nhiều nơi khác nhau, song vùng đô thị đặc biệt nơi gần xa lộ, nồng độ chì khí thường cao

Tetraankyl chì, thường Pb(C2H5)4, đưa vào nhiên liệu động Otto để làm

tăng số octan Để tránh tích tụ chì động cơ, người ta thêm C2H4Br2 hay C2H4Cl2 vào

nhiên liệu pha chì Các chất phụ gia giúp tạo thành PbBr2, PbBrCl hay PbCl2 thoát khỏi

động Các hợp chất thường tạo thành dạng hạt nhỏ, nửa số (tính theo khối lượng) có kích thước thơ (đường kính trung bình > µm), phần ba có kích thước bé (đường kính trung bình < 0,5 µm) Thông thường hạt lớn bị sa lắng gần nguồn phát thải, cịn hạt bé bay lơ lửng thời gian dài khí phát tán xa

Việc sử dụng phụ gia chì cho nhiên liệu gây hai vấn đề cần quan tâm khía cạnh mơi trường Thứ nhất, chì có khói thải gây “ngộ độc” hệ xúc tác lắp ống xả để giảm phát thải CO, NOx hydrocacbon dẫn đến gia tăng nồng độ khí

khí thải Thứ hai, hạt bụi chì gây tác hại cho người qua đường hô hấp tiêu hóa (gây kích thích tê liệt thần kinh)

Hiện nay, nhiều quốc gia cấm sử dụng chất phụ gia chì cho nhiên liệu động cơ, nhờ nồng độ chì khí số vùng bắt đầu giảm

2.4.5.3 Tro bay (fly ash)

Tro bay hạt khoáng nhỏ xuất phát từ việc đốt nhiên liệu hóa thạch có hàm lượng tro cao Thành phần tro bay thay đổi tùy thuộc vào loại nhiên liệu sử dụng Nhìn chung tro bay thường chứa SiO2, Al2O3, K2O, Fe2O3, C, Na2O, SO2, CaO, P2O5, MgO, CO32−, TiO2, 2.4.5.4 Amiăng (asbestos)

Amiăng tên gọi nhóm khống silicat có dạng sợi, đặc biệt khống thuộc nhóm xecpentin, cơng thức gần Mg3P(Si2O5)(OH)4 Do có khả

chịu lực căng, dẽo khơng cháy, nên trước amiăng sử dụng phổ biến xây dựng, sản xuất má phanh, vách ngăn, loại đường ống

Hiện nay, amiăng xếp vào loại vật liệu gây nhiễm khơng khí Khi hít khơng khí có chứa bụi amiăng bị bệnh phổi amiăng (asbestosis – dạng viêm phổi có điều kiện), u tế bào biểu mơ màng khoang lồng ngực ung thư phế quản Do đó, ngày việc sử dụng amiăng bị hạn chế Nhiều chương trình hành động tiến hành rộng khắp nhằm loại bỏ hoàn toàn vật liệu khỏi ngành xây dựng

2.4.5.5 Biện pháp giảm thiểu ô nhiễm hạt chất rắn lơ lửng

Xử lý loại hạt chất rắn lơ lửng (gọi tắt bụi) khí thải biện pháp tích cực góp phần hạn chế tình trạng nhiễm khơng khí Có nhiều kiểu thiết bị khác để xử lý bụi Để lựa chọn hệ thống xử lý thích hợp, cần vào tải lượng, chất kích thước hạt bụi

• Thiết bị lắng qn tính

Thiết bị lắng thiết bị đơn giản để xử lý bụi Hạt bụi lắng tách khỏi khí thải buồng lắng dựa vào tác dụng trọng lực Tuy có ưu điểm có cấu tạo đơn giản, hiệu xử lý thiết bị lắng không cao, đặc biệt với loại bụi có kích thước nhỏ, ngồi thể tích buồng lắng thường lớn, chiếm nhiều không gian

chạm gây tượng keo tụ Các hạt bụi có đường kính lớn (khoảng 0,3 µm) khơng thể khuếch tán mạnh mà đóng vai trị tác nhân tập trung hạt bụi nhỏ khác

Hình 2.11 Thiết bị lắng qn tính (cyclon) [11]

Trong thiết bị xử lý bụi theo nguyên tắc qn tính (Hình 2.11), dịng khí thải làm cho chuyển động xoay tròn cách dùng cánh quạt cách đưa dịng khí vào tháp xử lý hình trụ theo phương tiếp tuyến với thành tháp Các hạt bụi dịng khí chịu lực ly tâm lớn tách bám vào thành lắng xuống Thiết bị kiểu gọi thiết bị ly tâm khơ hay cyclon.

• Thiết bị lọc bụi

Hình 2.12 Thiết bị lọc bụi túi vải [14]

Thiết bị lọc túi vải (Hình 2.12) có cấu tạo đơn giản có hiệu xử lý cao Khí thải khơng khí có chứa dẫn xuyên qua túi lọc Thiết bị loại hạt bụi có kích cỡ nhỏ đến 0,01 µm hiệu xử lý bụi tốt với loại hạt bụi 0,5 µm

Vật liệu để làm túi lọc thường vải bông, len dạ, vải sợi tổng hợp, vải sợi thủy tinh,

Khí thải chứa bụi

Hệ thống rung tuần hoàn

Túi lọc vải

Bộ phận hứng bụi Khí thải xử lý Khí thải xử lý bụi

Khí thải chứa bụi

các loại lưới khác

Có thể tách bụi bám vào túi lọc vải nhiều biện pháp khác nhau, biện pháp thường sử dụng là: gắn thiết bị tạo rung với túi vải để làm rung túi, thổi khơng khí, làm co giãn nhanh túi lọc

• Thiết bị Venturi (thiết bị rửa xáo động)

Thiết bị gom bụi Venturi mơ tả hình Thiết bị hoạt động sở sử dụng lượng dịng khí để phun dịng nước đưa vào dạng sương mù Dịng khí vào thiết bị, bị nén ép theo ống hình nhỏ dần, đến phần thiết bị (họng nối tiếp), tốc độ dịng khí tăng lên cao (80-200 m/s) Sau đó, tốc độ dịng khí bị giảm đột ngột vào phần ống rộng Trong dịng khí bị xáo động mạnh, hạt bụi nhỏ bị tích tụ lại thành hạt lớn hơn, sau bị lơi vào hạt nước nhỏ bị tách khỏi pha khí Các hạt nước lẫn bụi tách khỏi dịng khí thiết bị tách riêng, ví dụ hệ thống xyclon ướt

Hình 2.13 Thiết bị lọc bụi Venturi [14]

Thiết bị Venturi có khả làm hạt bụi lớn lên đến kích thước 10 µm nên có hiệu suất làm bụi đến 99,9%

• Thiết bị lọc bụi tĩnh điện

Hình 2.14 Sơ đồ nguyên tắc lọc bụi tĩnh điện [14]

Khí thải dẫn qua vùng điện trường chiều có hiệu khoảng

30.000-Nước Khí thải

Khí thải xử lý Nước Khí thải

Khí thải xử lý

Cực dương (tiếp đất)

Hạt bụi tích điện

Cực âm

Khí thải có chứa bụi 30 000 đến

50.000 V

Cực dương (tiếp đất)

Hạt bụi tích điện

Cực âm

Khí thải có chứa bụi 30 000 đến

50.000 V Các hạt bụi khí thải hầu hết bị tích điện âm qua vùng điện trường Các hạt bụi tích điện âm bị hút tích tụ vào điện cực dương Một số hạt bụi bị tích điện dương tích tụ lên cực âm

Thiết bị lọc tĩnh điện dùng phổ biến để xử lý bụi khí thải, hiệu xử lý đạt đến 99%, chi phí lượng thấp Với nhà máy phát thải lượng lớn khí thải chứa bụi, biện pháp lọc tĩnh điện biện pháp thích hợp để xử lý

2.5 Tác động tổng hợp chất nhiễm khơng khí 2.5.1 Hiệu ứng nhà kính

Kết đo đạc từ năm 1890 đến 1990 cho thấy nhiệt độ trung bình tồn cầu gia tăng từ 0,3° đến 0,6°C Chênh lệch nhiệt độ khơng đáng kể, dẫn đến nhiều thay đổi quan trọng khí hậu Cần lưu ý rằng, trước kỷ băng hà kết thúc nhiệt độ tồn cầu gia tăng 2°C Vì vậy, xu hướng gia tăng nhiệt độ tiếp tục diễn người ta dự đốn có nhiều đảo lộn khí hậu tồn cầu

Hình 2.15 Hiệu ứng nhà kính

Nguyên nhân gia tăng nhiệt độ chưa giải thích rõ ràng Có thể có hai khả năng:

− Đây biến động ngẫu nhiên khí hậu

Bảng 2.5 So sánh khả hấp thụ xạ khí nhà kính [7] Khí Khả hấp thụ lượng xạ so với CO

2

CFC−12 15800

CFC−11 12400

N2O 206

CH4 21

CO2

Bảng 2.6 So sánh đóng góp vào hiệu ứng nhà kính khí nhà kính [7] Khí Phần đóng góp (%)

CO2 55

CFC−11 & CFC−12 17

CH4 15

Các CFC khác

N2O

Bức xạ Mặt trời bao gồm phần tử ngoại (UV), khả kiến (VIS), hồng ngoại (IR), sau vào khí Trái đất, thành phần UV bị tầng ozon hấp thụ, phần VIS phần IR đến mặt đất bị mặt đất hấp thụ

Sau hấp thụ lượng, mặt đất xạ trở lại vào khí xạ bước sóng dài bước sóng ánh sáng hấp thụ, xạ chủ yếu xạ IR Bức xạ IR từ mặt đất bị khí nhà kính khí hấp thụ tỏa nhiệt, làm khí hậu ấm lên

Các khí nhà kính chủ yếu:

− Tự nhiên: H2O, CO2, CH4, N2O − Nhân tạo: CFCs

Nếu xét khả hấp thụ lượng xạ phân tử khí nhà kính, CO2

là loại khí có khả hấp thụ nhiều khí nhà kính khác (Bảng 2.5) Song thực tế, nồng độ CO2 tầng đối lưu cao nhiều nên phần đóng góp

của khí vào hiệu ứng nhà kính cao

Hơi nước khơng khí hấp thụ xạ hồng ngoại nhiều tất khí nhà kính khác, nồng độ nước tầng đối lưu gần khơng thay đổi nên phần đóng góp khơng xem yếu tố làm gia tăng hiệu ứng nhà kính

Nếu khơng có nỗ lực triệt để nhằm hạn chế phát thải khí nhà kính, theo dự báo hiệu ứng gia tăng mạnh mẽ kỷ 21

Sử dụng mơ hình máy tính để tính tốn dự đốn thay đổi khí hậu hậu hiệu ứng nhà kính, người ta thu kết luận quan trọng sau:

1 Nhiệt độ trung bình tồn cầu đến năm 2050 cao vòng 150.000 năm gần Trong kỷ 21 tốc độ thay đổi nhiệt độ trung bình tồn cầu cao so với 10.000 năm gần

4 Mức nước số hồ bị giảm đáng kể tốc độ bay tăng

5 Sự ấm lên toàn cầu xảy không đồng không gian lẫn thời gian Lục địa bị ấm lên mạnh đại dương, đặc biệt đáng lưu ý vĩ tuyến cao phía Bắc vào mùa đơng, làm giảm chênh lệch nhiệt độ cực với vùng xích đạo dẫn đến suy giảm dịng đối lưu Trái đất

Ngồi hệ dự đốn mơ hình máy tính trên, cịn có số hệ khác mà mơ hình máy tính chưa thể kết luận được:

1 Sự thay đổi thời tiết địa phương hay khu vực, phạm vi tác động bão nhiệt đới tần suất bão khu vực vĩ tuyến trung bình

2 Đáp ứng hệ sinh thái, mùa màng nông nghiệp với ấm lên toàn cầu

3 Ảnh hưởng kiện xảy đột ngột chưa tiên đốn được, ví dụ thay đổi đáng kể hoạt động vành đai đại dương, thay đổi lớp băng

2.5.2 Sự suy giảm nồng độ ozon tầng bình lưu

2.5.2.1 Tầng ozon

Ozon có mặt khắp khí quyển, tầng đối lưu nồng độ ozon dạng vết Nồng độ ozon đạt giá trị cực đại (8 − 10 ppm) khu vực đỉnh tầng đối lưu phần tầng bình lưu (độ cao từ khoảng 15 đến 35 km) tạo thành tầng ozon

2.5.2.2 Các phản ứng tạo thành phân hủy ozon tầng bình lưu

Trong tầng bình lưu ozon tạo thành, đồng thời bị phân hủy tác dụng xạ tử ngoại từ ánh sáng Mặt trời Bức xạ tử ngoại thường chia làm ba vùng: UV-A (λ = 320 − 400 nm); UV-B (λ = 290 − 320 nm) UV-C (λ < 290 nm Các phản ứng tạo thành phân hủy ozon tầng bình lưu:

− Phản ứng tạo thành ozon:

O2 + hν (UV-C) → 2O (a)

O + O2 + M → O3 + M (b)

Phản ứng tạo thành ozon xảy nhiều lớp khơng khí phía vùng xích đạo, ánh sáng Mặt trời chứa nhiều xạ UV-C hai vùng cực

− Phản ứng phân hủy ozon:

O3 + hν (UV-B) → O2 + O (c)

O + O3 → 2O2 (d)

ngồi cịn có phản ứng phân hủy ozon tác nhân khác:

X + O3 → XO + O2 (e)

XO + O → X + O2 (f)

tổng cộng (e) & (f): O + O3 → 2O2 (g)

trong đó, X Cl, NO, OH, hay H Cấu tử X tái tạo sau trình phân hủy ozon, nguyên tử hay phân tử X phân hủy hàng ngàn phân tử ozon trước phản ứng xúc tác bị kết thúc X phản ứng với phân tử khác ozon

Phản ứng phân hủy ozon cấu tử X nêu bị gián đoạn, X hay XO tham gia phản ứng khác, ví dụ:

Cl (X) + CH4 → CH3 + HCl (h)

ClO (XO, với X = Cl) + NO2 + M → M + ClONO2 (i)

Vì vậy, phân tử HNO3, HCl, ClONO2 xem nơi chứa tạm thời tác

nhân xúc tác phân hủy ozon

2.5.2.3 Sự suy giảm nồng độ ozon tầng bình lưu

Hoạt động nhân tạo đưa vào tầng bình lưu ngày nhiều khí gây phân hủy ozon (N2O, NO, NO2, CFCs, halons, hợp chất hydrocacbon brom hóa, ) Các hợp chất

này đóng vai trị X, XO phản ứng (e), (f), chuyển hóa để tạo X, XO (xem phần trước)

Do nồng độ ozon tầng bình lưu ln biến động khoảng vài phần trăm theo ngày, mùa hay năm, nên khó xác định hoạt động người có phải nguyên nhân gây thay đổi khơng, trừ có biến động nồng độ lớn xảy khu vực

Năm 1985, nhà khoa học đoàn thám hiểm Nam cực phát thấy suy giảm đáng kể nồng độ ozon vào mùa Xuân khu vực Hiện tượng tiếp tục phát vào năm sau nhắc đến với tên gọi lỗ thủng tầng ozon (khi nồng độ ozon khu vực tầng ozon giảm 50% xem xuất lỗ thủng tầng ozon khu vực đó)

• Ngun nhân lỗ thủng tầng ozon Nam cực

Do có chênh lệch nhiệt độ vùng cực vùng vĩ độ thấp hơn, lại bao quanh đại dương, nên vào mùa Đông Nam cực thường xuất gió xốy mạnh tạo thành lốc độ cao 10 đến 15 km Với đặc điểm địa hình nhiệt độ riêng, nên khác với lốc mùa Đông Bắc cực tồn vài ngày, lốc Nam cực tồn suốt mùa Đơng, lập vùng khơng khí phía Nam cực tan mùa Xuân đến

(a) Mặt cắt ngang (b) Mặt cắt đứng

Hình 2.16 Sơ đồ mơ tả lốc xốy hình thành vào mùa Đơng Nam cực [16]

(a): Mặt cắt ngang: số phản ứng xảy bề mặt hạt băng PSC

(b): Mặt cắt đứng: lốc xốy hình thành chủ yếu tầng bình lưu Vùng gió mạnh lập khối khơng khí phía lốc với phần khơng khí bên ngồi

Do khơng khí phía Nam cực khô (chứa khoảng đến ppmv nước), nên trình ngưng tụ tạo mây xảy nhiệt độ thấp Khi nhiệt độ khu vực tầng đối lưu tầng bình lưu xuống thấp −75°C bắt đầu tạo thành đám mây chứa

NHIỆT ĐỘ THẤP

H2O → PSC loại HNO3 + H2O → PSC loại ClONO2 + PSC → HOCl + HNO3 ClONO2 + HCl + PSC → Cl2 + HNO3

TRỘN LẪN CHẬM

NOx Cl2, HOCl

giảm tăng Khoảng 10 − 15 km

NAM CỰC

Tâm lốc

các hạt HNO3.3H2O (nitric acid trihydrate − NAT) đông đặc gọi mây tầng bình lưu vùng

cực loại (Type PSC − polar stratospheric clouds) Mây loại chứa hạt rắn nhỏ tương tự tinh thể băng có đường kính trung bình khoảng µm với diện tích bề mặt lớn

Các hạt rắn hấp thụ oxit nitơ giữ chúng lại pha rắn dạng HNO3,

đó pha khí khơng thể xảy phản ứng kết hợp ClO với NO2 (phản ứng (i) nêu trên,

phản ứng có vai trị ngăn chặn q trình phân hủy ozon clo)

Trong lúc đó, chlorine nitrat ClONO2 có sẵn tầng bình lưu lại bị phân hủy

bề mặt hạt rắn này:

ClONO2 + H2O → HOCl + HNO3

ClONO2 + HCl → Cl2 + HNO3

(các phản ứng không xảy pha khí khơng có bề mặt hạt rắn) làm tăng lượng Cl2 HOCl chất cung cấp Cl cho trình phân hủy ozon

Khối khơng khí bên lốc bị lập khơng thể tiếp xúc, hịa trộn với khơng khí bên ngồi Vì vậy, khơng khí bên lốc khơng cịn chứa nitơ oxit, ngược lại tích tụ lượng đáng kể tác nhân (Cl2, HOCl) bị phân hủy tạo thành gốc tự Cl

Quá trình tiếp diễn suốt tháng mùa Đơng khơng có ánh sáng Mặt trời

Khi Mặt trời mọc vào mùa Xuân, xạ tử ngoại ánh sáng Mặt trời phân hủy Cl2

và HOCl tạo lượng lớn Cl tự làm phân hủy ozon nhanh chóng

Vào cuối mùa Xn, lốc Nam cực tan dần, khơng khí bên ngồi bên lốc hòa trộn với Lúc lượng clo tự tạo thành bị khuếch tán bớt, đồng thời có mặt nitơ oxit từ khơng khí bên ngồi nên q trình phân hủy ozon chậm dần lại Vùng ozon bị suy giảm di chuyển phía Xích đạo (qua Úc hay Nam Mỹ) hồi phục dần

Bắc cực lạnh so với Nam cực, không tồn lốc kéo dài suốt mùa Đông, nên suy giảm tầng ozon không mạnh mẽ Nam cực

Hình 2.17 Lỗ thủng lớn tầng ozon Nam cực ghi nhận (21-30/9/2006) [26]

• Hậu suy giảm nồng độ ozon tầng bình lưu

Tầng ozon hấp thụ xạ tử ngoại bước sóng khoảng 230 − 320 nm Bức xạ chủ yếu thuộc nhóm UV-B Bức xạ nhóm UV-B hủy hoại ADN số hệ sinh học

nhiên tác hại không đáng kể thời gian ảnh hưởng không đủ dài Ngồi ra, nhà khoa học chọn loại giống có khả chống chịu loại xạ Đáng quan tâm tác hại UV-B lên thực vật phù du Đây loại thực vật có liên quan trực tiếp đến suất sinh học đại dương 70% lượng thực vật phù du xuất phát từ đại dương vùng cực Đây lại nơi xảy tình trạng suy giảm tầng ozon đáng lưu ý Sự suy giảm suất sinh học đại dương ảnh hưởng trực tiếp đến sinh vật xa ảnh hưởng đến chuỗi thức ăn

− Đối với người: UV-B gây tác hại nhẹ đến người làm da cháy nắng, lóa mắt, lão hóa da, đục thủy tinh thể, ung thư da hay ung thư mắt Ngồi ra, UV-B cịn ảnh hưởng có hại đến hệ miễn dịch da, làm bệnh liên quan đến da sởi, sốt rét, phong,… trở nên phức tạp

2.5.3 Sương khói (smog)

Sương khói cố môi trường, xảy kết hợp sương với khói số chất gây nhiễm khơng khí khác Sương khói thường tạo nhiều chất gây nhiễm thứ cấp có hại cho động thực vật mơi trường nói chung Cho đến nay, người ta ghi nhận có hai kiểu sương khói xảy ra:

2.5.3.1 Sương khói kiểu London

Các cố sương khói kiểu ghi nhận từ kỷ 17 Song sương khói xảy London từ 05 đến 10/12/1952 trường hợp điển hình trầm trọng

Vào mùa Đông, ban đêm, nhiệt độ gần mặt đất thường xuống thấp, tạo khối khơng khí lạnh có mật độ cao nằm sát mặt đất khối khơng khí tương đối ấm bên trên, gọi tượng đảo nhiệt (temperature inversion) Hiện tượng đảo nhiệt hạn chế đáng kể di chuyển lớp khơng khí gần mặt đất Vào buổi sáng, Mặt trời thường sưởi ấm dần lớp khơng khí phá vỡ tượng đảo nhiệt sương tạo thành lớp khơng khí lạnh sát mặt đất Tất tượng nói tượng tự nhiên thường xảy ra, đặc biệt với vùng vĩ độ cao Tuy nhiên, cố sương khói xảy London lại số nguyên nhân bổ sung sau:

− Sương xuất vào thời điểm dày đặc nên khó tan

− Một lượng lớn khói đốt lị than bị giữ lại tầng khí lạnh sát mặt đất

Trong điều kiện hạt sương phát triển chung quanh hạt khói, tạo nên tượng sương khói kéo dài ngày trầm trọng hơn, tích tụ tiếp khói than theo thời gian Sau đó, sương khói tan nhờ gió Biển Bắc

SO2 hạt lơ lửng có khói than tạo nên hiệu ứng synergism tác

nhân gây hại cố sương khói London Trong điều kiện tồn tại, SO2

hạt lơ lửng thường tạo nhiều sản phẩm gây ô nhiễm thứ cấp (chủ yếu axit sulfuric) gây hại cho hệ hơ hấp, khí quản, phổi tim (do gây khó thở) Số tử vong cố sương khói lên đến gần năm ngàn người Về mặt chất, tượng sương khói London ví dụ đặc biệt mưa axit

Do tác hại nghiêm trọng cố 1952, phủ Anh ban hành Luật chống ô nhiễm khơng khí (Clean Air Act) vào năm 1956, nhấn mạnh việc tạo khu vực sống khơng có khói đồng thời cấm sử dụng loại than đốt sinh khói

2.5.3.2 Sương khói kiểu Los Angeles

Ngồi kiểu sương khói London, cịn có kiểu sương khói khác hồnh hành nhiều thành phố lớn khác vùng vĩ độ thấp Sương khói dạng lần gây ảnh hưởng đáng kể Los Angeles Tuy nhiên sau đó, cố sương khói xảy thành phố Mexico Baghdad lại trường hợp tác hại mạnh

Hình 2.19 Điều kiện tạo thành sương khói quang hóa [16] Hình 2.19 minh họa điều kiện q trình tạo thành sương khói quang hóa

Khác với sương khói kiểu London, sương khói kiểu Los Angeles khơng xảy vào đêm mùa Đơng có khói đốt than, mà xảy vào ban ngày có nắng ấm với mật độ giao thơng cao NOx (chủ yếu NO) hydrocacbon chưa bị đốt cháy hết thải từ ống xả

KHƠNG KHÍ LẠNH HƠN KHƠNG KHÍ ẤM HƠN

khói thải động

NO CO (CH2)n

(a) Sáng sớm (b) Giữa buổi sáng

2NO + O2→ NO2(màu nâu)

NO2+ O2→ O3

(CH2)nvà CO tích tụ

Ánh sáng Mặt trời

(tia tử ngoại)

Hiện tượng đảo nhiệt ngăn cản sự khuếch tán khói thải

NO bị ơxy hóa tạo NO2màu nâu lờ mờ tích lũy ơzơn

(c) Trưa, chiều Ánh sáng Mặt trời

(tia tử ngoại)

(CH2)n+ (NO, O3, NO2, H2O)

→ peroxit, hợp chất cacbonyl, nitrat hữu cơ,

(d) Buổi tối

(tốc độ khuếch tán phụ thuộc vào tốc độ suy giảm

tượng đảo nhiệt)

Khơng có ánh sáng Mặt trời

khuếch tán

Hấp thụ tiếp ánh sáng Mặt trời tạo chất ô nhiễm thứ cấp có hại

Khơng có ánh sáng Mặt trời (giao thơng ít) khơng tích lũy thêm khói thải →

có thể khuếch tán phần hay tồn bộ KHƠNG KHÍ LẠNH HƠN

KHƠNG KHÍ ẤM HƠN

khói thải động

NO CO (CH2)n

(a) Sáng sớm (b) Giữa buổi sáng

2NO + O2→ NO2(màu nâu)

NO2+ O2→ O3

(CH2)nvà CO tích tụ

Ánh sáng Mặt trời

(tia tử ngoại)

Hiện tượng đảo nhiệt ngăn cản sự khuếch tán khói thải

NO bị ơxy hóa tạo NO2màu nâu lờ mờ tích lũy ơzơn

(c) Trưa, chiều Ánh sáng Mặt trời

(tia tử ngoại)

(CH2)n+ (NO, O3, NO2, H2O)

→ peroxit, hợp chất cacbonyl, nitrat hữu cơ,

(d) Buổi tối

(tốc độ khuếch tán phụ thuộc vào tốc độ suy giảm

tượng đảo nhiệt)

Không có ánh sáng Mặt trời

khuếch tán

Hấp thụ tiếp ánh sáng Mặt trời tạo chất nhiễm thứ cấp có hại

Khơng có ánh sáng Mặt trời (giao thơng ít) khơng tích lũy thêm khói thải →

động xe máy chất ô nhiễm sơ cấp gây tượng sương khói kiểu Sau tác dụng ánh sáng Mặt trời, nhiều phản ứng quang hóa xảy tạo thành nhiều chất nhiễm thứ cấp (ozon, HNO3, anđêhyt, peroxyaxyl nitrat−PANs, ) Vì vậy, sương khói kiểu

Los Angeles gọi sương khói quang hóa (photochemical smog) Một cách đơn giản biểu diễn hình thành sương khói quang hóa phương trình sau:

Các hydrocacbon + NOx → Sương khói quang hóa

Hình 2.20 (A) Các phản ứng tạo thành sương khói; (B) Các phản ứng tạo thành PAN [8] Các trình xảy sương khói quang hóa chưa biết rõ ràng, song người ta cho phản ứng quang hóa xảy có lẽ khơng khác nhiều so với phản ứng quang hóa xảy khơng khí khơng nhiễm

Hình 2.21 Sương khói Los Angeles [25]

Các tác nhân ô nhiễm gây hại chủ yếu sương khói quang hóa ozon, PANs, NO2

RCHO

(+ H2O)

+ O2

R C

O

+ NO2

R C O

O O NO

2

R C

O

O O + HO

(gốc axyl)

(gốc peroxyaxyl)

(peroxyaxyl nitrat: PAN)

(B)

Hydrocacbon hoạt động + O3

+ O2 + NO

+ O2 + NO

+ RCH3

(A)

HOO (+ RCHO)

RCH2 RCH2O2 RCH2O (+ NO

2)

(H2O) + RCH2 HO

và hạt keo khí Các tác nhân gây hiệu ứng synergism Do có chứa NO2, nên sương khói

kiểu thường có dạng khói lờ mờ màu nâu, khác với sương khói kiểu London có màu đen Đối với động vật người, sương khói quang hóa kích thích gây cay bỏng mắt, khí quản, phổi đường hơ hấp nói chung Đối với thực vật, sương khói quang hóa ngăn cản q trình quang hợp, làm giảm suất trồng Sương khói quang hóa gây lão hóa, cắt mạch cao su, ăn mòn kim loại nhiều loại vật liệu khác

2.5.4 Mưa axit

Thông thường khơng khí khơng bị nhiễm nước ngưng tụ (bao gồm mưa, mưa đá, tuyết, sương mù) nước nguyên chất Nước ngưng tụ chứa lượng đáng kể bụi, chất rắn khí hịa tan CO2 hòa tan làm cho pH nước ngưng tụ

sạch có giá trị khoảng 5,6 Vì vậy, nước mưa khơng bị nhiễm có pH < Thuật ngữ mưa axit dùng cho loại nước ngưng tụ có pH nhỏ pH nước mưa cách đáng kể Thông thường pH nước ngưng tụ nhỏ gọi mưa axit

Chất ô nhiễm sơ cấp chủ yếu gây mưa axit SO2 NOx

SO2(k) + 2H2O(l) ⇌ HSO3−(aq) + H3O+(aq)

Trong thực tế, mưa axit có pH thấp

Các chất ô nhiễm thứ cấp SO3, H2SO4, HNO3 gây ảnh hưởng lớn SO2

nhiều, chúng axit mạnh môi trường nước Trên góc độ tồn cầu, SO2 H2SO4

tạo thành từ SO2 tác nhân ô nhiễm gây mưa axit HNO3 thường đóng góp

khoảng 1/3 tổng lượng axit có khơng khí nhiễm axit

Mưa axit dạng chế sink để loại trừ chất khí nhiễm SO2, NOx

theo kiểu ngưng tụ ướt Các kiểu sương khói trình bày dạng mưa axit Mặc dù vấn đề môi trường phát sinh, gần mưa axit nhà khoa học ý

Mưa axit gây loạt vấn đề mơi trường, đáng quan tâm ảnh hưởng đến nguồn nước tự nhiên Ảnh hưởng mưa axit đến vực nước tự nhiên phụ thuộc vào khả đệm khả trung hòa ảnh hưởng độ axit vực nước Khả chống chịu lại phụ thuộc vào đặc điểm địa chất (đất, đá) khu vực nguồn nước Ví dụ, khác với sơng hồ khu vực đá granite, sông hồ khu vực đá vôi, thạch cao bị ảnh hưởng mưa axit khả đệm tốt có chứa nhiều ion hydrocacbonat (HCO3−):

H+ + HCO

3− ⇌ H2CO3 ⇌ H2O + CO2

Mưa axit làm suy giảm mạnh tính đa dạng lồi hệ động thực vật thủy sinh Tuy nhiên, số lồi có khả chống chịu với thay đổi độ pH môi trường lại phát triển mạnh cạnh tranh môi trường sống giảm

Cá thường nhạy cảm chết có thay đổi đột ngột độ axit môi trường (do mưa axit hay tuyết axit tan)

Bên cạnh ảnh hưởng trực tiếp nêu trên, mưa axit gây ảnh hưởng gián tiếp Mưa axit làm giảm pH nguồn nước tự nhiên dẫn đến làm tăng nồng độ ion kim loại độc nước, ví dụ nồng độ ion nhôm nước tăng tỷ lệ với độ axit, ion độc nhiều động vật thủy sinh, đặc biệt cá

nên thực vật chậm phát triển Thực vật chậm phát triển bị nhiễm bệnh vi khuẩn, nấm mốc,

Hình 2.22 Mưa axit hủy hoại rừng dãy núi Blue Ridge, North Carolina [27]

Ngồi ra, mưa axit ảnh hưởng đến cơng trình xây dựng, bể chứa, đường ống dẫn nước có khả ăn mịn

Mưa axit ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe người (trừ trường hợp sương khói)

3. THỦY QUYỂN VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG NƯỚC 3.1 Tài nguyên nước chu trình nước

Nước tham gia vào thành phần cấu trúc sinh quyển, điều hịa yếu tố khí hậu, đất đai sinh vật Nước đáp ứng nhu cầu đa dạng người sinh hoạt ngày, tưới tiêu cho nông nghiệp, sản xuất công nghiệp, sản xuất điện tạo nhiều cảnh quan đẹp

Khoảng 97% tài nguyên nước toàn cầu nước đại dương Một phần nhỏ nước khơng khí, đất với khoảng 2% lượng nước chứa băng hai đầu cực lượng nước khó khai thác sử dụng Con người dựa vào lượng nước nhỏ có sơng, hồ nước túi nước ngầm để phục vụ nhu cầu sinh hoạt sản xuất mình, lượng nước chiếm khoảng 0,62% tài nguyên nước toàn cầu

Bảng 3.12 Sự phân bố tài nguyên nước toàn cầu [11]

Vị trí Thể tích (× 1012 m3) Tỷ lệ (%) Vùng lục địa

Hồ nước 125 0,009

Hồ nước mặn, biển nội địa 104 0,008

Sông 1,25 0,0001

Độ ẩm đất 67 0,005

Nước ngầm (độ sâu 4000 m) 8.350 0,61

Băng cực 29.200 2,14

Tổng vùng lục địa (làm trịn) (37.800) (2,8)

Khí (hơi nước) 13 0,001

Các đại dương 1.320.000 97,3

Tổng cộng (làm tròn) 1.360.000 100

Hình 3.1 Chu trình nước [11] Khí

Ngưng tụ

Bốc 30%

Thoát nước 40% Chảy tràn bề mặt 20%

Túi nước ngầm

Dòng nước ngầm 10% Thấm 50%

Mưa, tuyết 100%

3.2 Thành phần nước tự nhiên

Các điều kiện vật lý ảnh hưởng mạnh đến q trình hóa học sinh học xảy nước

Nước tự nhiên chứa hợp chất vơ cơ, hữu cơ, khí hịa tan, chất rắn lơ lửng, nhiều loại vi sinh vật Sự phân bố chất hòa tan thành phần khác nước định chất nước tự nhiên: nước ngọt, nước lợ, nước mặn; nước giàu nghèo dinh dưỡng; nước cứng mềm; nước bị ô nhiễm nặng nhẹ

3.2.1 Các khí hịa tan

Hầu hết chất khí thường gặp mơi trường hịa tan phản ứng với nước, trừ mê tan

Các khí hịa tan có mặt nước hịa tan trực tiếp từ khơng khí vào nước (như oxy, cacbonic, ) q trình sinh hóa xảy bên nguồn nước

Độ tan khí nước phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất Trong số trường hợp độ tan chất khí phụ thuộc vào vài yếu tố khác (pH, thành phần hóa học nước,…)

Trong số chất khí hịa tan nước, oxy hịa tan (dissolved oxygen − DO) đóng vai trị quan trọng Oxy hòa tan cần thiết cho sinh vật thủy sinh phát triển, điều kiện khơng thể thiếu cho q trình phân hủy hiếu khí vi sinh vật Khi nước bị ô nhiễm chất hữu dễ bị phân hủy vi sinh vật lượng oxy hịa tan nước bị tiêu thụ bớt, giá trị DO thấp so với DO bão hịa điều kiện Vì vậy, DO thường sử dụng thông số để đánh giá mức độ ô nhiễm chất hữu nguồn nước DO có ý nghĩa lớn q trình tự làm sơng (assimilative capacity

− AC)

Có thể xác định DO phương pháp Winkler(hóa học) phương pháp sử dụng DO mét (điện hóa) Đơn vị biểu diễn: mg/L

− Phương pháp Winkler: oxy nước cố định sau lấy mẫu hỗn hợp chất cố định (MnSO4, KI, NaN3), lúc oxy hòa tan mẫu phản ứng với Mn2+

tạo thành MnO2 Khi đem mẫu đến phịng thí nghiệm, thêm axít sulfuric hay phosphoric

vào mẫu, lúc MnO2 oxy hóa I− thành I2 Chuẩn độ I2 tạo thành Na2S2O3 với thị

hồ tinh bột Tính lượng O2 có mẫu

− Phương pháp sử dụng DO mét: phương pháp sử dụng phổ biến DO mét dùng để xác định nồng độ oxy hòa tan trường Điện cực DO mét hoạt động theo nguyên tắc: dòng điện xuất điện cực tỷ lệ với lượng oxy hòa tan nước khuếch tán qua màng điện cực, lúc lượng oxy khuếch tán qua màng lại tỷ lệ với nồng độ oxy hòa tan Đo cường độ dòng điện xuất cho phép xác định DO

Bên cạnh DO, nồng độ CO2 hòa tan nước đóng vai trị quan trọng

Nồng độ CO2 ảnh hưởng trực tiếp đến nhiều tính chất, q trình hóa học, sinh học nước

như độ kiềm, độ axit, khả xâm thực, trình quang hợp,…

3.2.2 Chất rắn

3.2.2.1 Chất rắn lơ lửng chất rắn hòa tan

Các chất rắn nước thường phân tán nước dạng lơ lửng (không tan) dạng tan

cơ hạt đất sét, phù sa, hạt bùn,… Hạt có chất hữu thường sợi thực vật, tảo, vi khuẩn,… Chất rắn lơ lửng thường có nước mặt hoạt động xói mịn có nước ngầm khả tách lọc tốt đất

Ngoài hạt chất rắn lơ lửng có nguồn gốc tự nhiên, nhiều chất rắn lơ lửng xuất phát từ hoạt động sinh hoạt, sản xuất người

Thông thường chất rắn lơ lửng xác định cách lọc mẫu nước qua giấy lọc sợi thủy tinh (glass−fiber filter) có cỡ lỗ xốp khoảng 1,2 μm màng polycacbonat có cỡ lỗ xốp khoảng μm, sau sấy khô phần không qua giấy lọc 103 đến 105°C đến khối lượng không đổi cân để xác định chất rắn lơ lửng Đơn vị biểu diễn: mg/L

(TS: total solids; SS: suspended solids; VSS: volatide SS; FSS: fixed SS; TVS: total volatide solids; FS: filtrable solids; VFS: volatide FS; FFS: fixed FS; TFS: total fixed solids)

Hình 3.2 Sơ đồ xác định quan hệ chất rắn lơ lửng chất rắn hòa tan [15]

− Chất rắn hòa tan (dissolved solids - DS): phần lại nước sau lọc tách chất rắn lơ lửng xem phần chất rắn hịa tan đánh giá thơng qua thơng số tổng chất rắn hòa tan (TDS)

3.2.2.2 Các chất vơ hịa tan

Nước tự nhiên dung mơi tốt để hịa tan hầu hết axit, bazơ muối vô Bảng 3.2 Thành phần hóa học trung bình nước sơng hồ nước biển toàn cầu [5]

Thành phần Nước biển Nước sông hồ

Nồng độ (mg/L) Thứ tự Nồng độ (mg/L) Thứ tự

Các ion chính

Cl− 19340 1 8 5

Na+ 10770 2 6 6

SO42− 2712 11

Mg2+ 1294 4 4 7

Ca2+ 412 5 15 2

K+ 399 6 2 8

HCO3− 140 58

Br− 65 8 − −

Sr2+ 9 9 − −

Các ngun tố vết (µg/lít) (µg/lít)

B 4500 10 15

Si 5000 13100

F 1400 100 12

N 250 230 11

P 35 20 13

Mo 11 18

Zn 20 14

Fe 670

Cu 17

Mn 10 16

Ni 11 0,3 19

Al 12 400 10

Bảng 3.2 cho thấy tổng nồng độ ion hòa tan nước biển cao nhiều so với nước sơng Sự hịa tan chất rắn (ion) nước yếu tố định độ mặn nước

• Nước biển

Theo quan điểm hóa học, xem nước biển dung dịch hỗn hợp NaCl 0,5 M MgSO4 0,05 M, ngồi nước biển cịn chứa nhiều ngun tố hóa học khác với nồng độ

thấp

Nuớc biển tồn cầu có đặc điểm đáng ý sau:

biển đồng tỷ lệ thành phần cấu tử chính, nồng độ tuyệt đối cấu tử biến động theo vùng, khu vực:

a Tỷ lệ Na/Cl: 0,55 − 0,56 b Tỷ lệ Mg/Cl: 0,06 − 0,07 c Tỷ lệ K/Cl: 0,02

− pH ổn định: pH nước biển gần ổn định giá trị 8,1 ± 0,2 phạm vi toàn cầu Điều giải thích do:

a Tác dụng đệm hệ đệm H2CO3− HCO3−− CO32−

b.Tác dụng đệm hệ đệm B(OH)3− B(OH)4−

c Cân trao đổi cation hòa tan nước biển với lớp silicat trầm tích đáy đại dương:

3Al2Si2O5(OH)4(S) + 4SiO2 (S) + 2K+ + 2Ca2+ + 9H2O ⇌ 2KCaAl2Si5O16(H2O)6(S) + 6H+

trong đó, (c) xem ngun nhân tạo tác dụng đệm cho nước đại dương

− pE ổn định: pE nước biển có giá trị ổn định khoảng 12,5 ± 0,2 Do nước biển khơng có tác dụng đệm pH mà cịn có khả đệm độ oxy hóa khử

Phần đọc thêm: Khái niệm pE

Xu hướng phản ứng oxy hóa khử hệ hóa học phụ thuộc vào hoạt độ của điện tử Khi hoạt độ điện tử hệ cao, cấu tử (ngay nước) hệ có xu hướng nhận điện tử:

2H2O + 2e ⇌ H2(khí) + 2OH−

và bị khử Khi hoạt độ điện tử thấp, mơi trường có xu hướng khử, cấu tử háo học của hệ nước bị oxy hóa:

2H2O ⇌ O2 (khí) + 4H+ + 4e

Khả oxy hóa hay khử môi trường phụ thuộc vào điện cực E Khi E dương, mơi trường có tính oxy hóa, ngược lại E âm mơi trường có tính khử Do hoạt độ điện tử môi trường thường dao động khoảng rộng theo hàm mũ, nên để tiện lợi cho việc đánh giá khả oxy hóa khử mơi trường, người ta thường dùng khái nhiệm pE pE định nghĩa biểu thức sau:

pE = − lg (ae)

trong đó, ae hoạt độ điện tử nước (Lưu ý: pE -lgE, với E

thế oxy hóa khử).

Mối quan hệ pE oxy hóa khử phản ứng oxy hóa khử Trong bán phản ứng oxy hóa khử: Ox + ne ⇌ Kh

Ox chất oxy hóa, Kh chất khử.

Theo phương trình Nernst ta oxy hóa khử bán phản ứng là: E = EO + [ ]

[ ]Ox

0,059 lg

n Kh (ở 25°C) Nhiệt động học chứng minh được:

pE = E

0,059 (ở 25°C)

pE = pEO + [ ]

[ ]Ox

1 lg

n Kh (ở 25°C ) Trong đó, pE = E / 0,059; pEO = EO / 0,059.

Trong hệ oxy hóa khử, EO lớn pEO lớn, vậy, chất oxy

hóa cân oxy hóa khử mạnh pE lớn Có thể thấy rõ điều qua ví dụ minh họa sau:

Na+ + e ⇌ Na (r) có EO = - 2,71 V và pEO = - 45,9

2H+ + 2e ⇌ H

2 (k) có EO = V và pEO = 0

Cl2 + 2e ⇌ 2Cl− có EO = 1,36 V và pEO = 23,0

Mối quan hệ giá trị pE pH dung dịch nước Trong nước có cân bằng:

½O2 + 2e + 2H+ ⇌ H2O có EO = 1,229 V và pEO = 20,8

Phương trình Nernst cho ta:

O

E E lg H

n

2

0,059 +

= +  

Chia hai vế cho 0,059 ta có:

pE = pE O− pH ⇒ pE = 20,8 − pH

Đối với nước biển, pH = 8,2 ⇒ pE = 20,8 - 8,2 = 12,6

Thông thường, nước tự nhiên trung tính điều kiện hiếu khí có pE ≈ +13,75; cịn điều kiện kỵ khí pE ≈ -4,13.

• Nước sơng

Nồng độ ngun tố hóa học nước sơng phân bố phụ thuộc vào đặc điểm khí hậu, địa chất, địa mạo vị trí thủy vực Nhìn chung, đặc điểm thành phần ion hịa tan dịng sơng giới yếu tố chủ đạo định:

− Ảnh hưởng nước mưa (vùng nhiệt đới nhiều mưa)

− Ảnh hưởng bốc − kết tinh (vùng sa mạc)

− Ảnh hưởng phong hóa (vùng ơn đới, mưa)

Ở vùng cửa sơng, thành phần hóa học nước bị ảnh hưởng mạnh thành phần hóa học nước biển, đặc biệt ion Cl−, Na+, SO

42− HCO3− 3.2.2.3 Các chất hữu cơ

Trong nguồn nước tự nhiên không ô nhiễm, hàm lượng chất hữu thấp, có khả gây trở ngại cho mục đích sử dụng thơng thường Tuy nhiên, bị ô nhiễm chất thải sinh hoạt, chất thải cơng nghiệp, giao thơng, hàm lượng chất hữu nước tăng cao

Dựa vào khả bị vi sinh vật phân hủy, người ta phân chất hữu thành hai nhóm:

− Các chất hữu dễ bị phân hủy sinh học (như chất đường, chất béo, protein, dầu mỡ động thực vật, ) Trong môi trường nước chất dễ bị vi sinh vật phân hủy tạo thành CO2 nước

trường, nên có tác hại lâu dài cho đời sống sức khỏe người

Các chất hữu trình bày chi tiết phần “Ơ nhiễm mơi trường nước”

3.2.3 Thành phần sinh học nước tự nhiên

Thành phần mật độ loại thể sống nguồn nước phụ thuộc chặt chẽ vào đặc điểm, thành phần hóa học nguồn nước, chế độ thủy văn địa hình nơi cư trú

Các loại sinh vật tồn nguồn nước tự nhiên chủ yếu vi khuẩn, vi rút, nấm, tảo, cỏ, động vật nguyên sinh, động vật đa bào, loại nhuyễn thể, loại động vật có xương sống Tùy theo vị trí phân bố cột nước từ bề mặt đến đáy có loại sinh vật sau:

− Phiêu sinh vật (plankton): động vật phiêu sinh (zooplankton) thực vật phiêu sinh, tảo (phytoplankton) Nhiều lồi phiêu sinh có giá trị làm nguồn thức ăn cho tôm cá đồng thời số lồi có khả thị nhiễm nước, chất lượng nước

− Cá

− Sinh vật bám

− Sinh vật đáy (benthos) Một số lồi sinh vật đáy có giá trị kinh tế đồng thời sinh vật thị ô nhiễm xử lý ô nhiễm

Các loại sinh vật quan trọng có liên quan đến chất lượng nước trình bày chi tiết phần “Ơ nhiễm mơi trường nước”

3.3 Sự tạo phức nước tự nhiên nước thải

Nước tự nhiên có chứa nhiều ion hợp chất có khả tạo phức mạnh, ví dụ axit humic, amino axit, ion clorua, Ngồi ra, nước tự nhiên cịn có tác nhân tạo phức nhân tạo xuất phát từ loại chất thải công nghiệp thải vào nguồn nước Các tác nhân tạo phức nhân tạo natri tripolyphotphat, natri etylen diamin tetraaxetic (EDTA), natri nitrilotriaxetat (NTA), natri citrat,

Các tác nhân tạo phức tạo phức với hầu hết ion kim loại có nước (Mg2+, Ca2+, Mn2+, Fe2+, Fe3+, Cu2+, Zn2+, Co2+, Ni2+, Sr2+, Cd2+, Ba2+) Do phản ứng tạo

phức nêu, nên ion kim loại thường tồn nước nhiều dạng khác nhau, tùy theo pH, tác nhân có mặt, tồn dạng ion tự đơn lẻ

Phản ứng tạo phức xảy nước ảnh hưởng đến phản ứng riêng phối tử kim loại, làm thay đổi mức oxy hóa ion kim loại, hịa tan hợp chất không tan kim loại Ngược lại, phản ứng tạo phức làm kết tủa số kim loại dạng hợp chất phức

Nhiều cation kim loại bị giữ lại đất trình trao đổi ion, tạo phức với số phối tử mang điện tích âm, ion kim loại tạo thành anion phức khơng cịn bị hấp thụ vào đất

Hợp chất humic phối tử tạo phức quan trọng thường gặp nước tự nhiên Tính chất nước tự nhiên bị ảnh hưởng đáng kể có mặt hợp chất humic tính axit - bazơ, khả hấp phụ tạo phức chúng Axit fulvic tan nước, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng nước; axit humic humin khơng tan nước có khả ảnh hưởng đến tính chất nước thơng qua khả trao đổi ion chất hữu với nước

Do có khả liên kết với nhiều ion kim loại không tan nước, nên humin axit humic có khả tích lũy lượng lớn kim loại trầm tích

Phần đọc thêm: Các hợp chất Humic

đơn lẻ mà tên chung loạt hợp chất.

Các hợp chất humic biết đến từ năm 1800, chúng thành phần lại sau trình phân hủy xác thực vật Các hợp chất có mặt đất, trầm tích đầm lầy, khu vực có nhiều xác thực vật bị phân hủy.

Thành phần hợp chất humic sau: C: 45 − 55%; O: 30 − 45%; H: 3− 6%; N: 1− 5% S: − 1%.

Hình 3.3 Cơng thức cấu tạo dự đoán axit fulvic [8]

Các hợp chất humic đại phân tử có khả điện ly Phân tử lượng hợp chất humic dao động khoảng vài trăm (đối với axit fulvic) đến hàng chục ngàn (đối với axit humic humin Cho đến nay, cơng thức hóa học, cấu trúc phân tử và tính chất hóa học hợp chất chưa xác định cách rõ ràng.

Khi chiết hợp chất humic dung dịch kiềm từ xác thực vật phân hủy, sau đó axit hóa dịch chiết thu axit humic kết tủa, dịch cịn lại khơng kết tủa axit fulvic Phần xác thực vật phân hủy lại sau chiết dung dịch kiềm gọi là humin.

Hình 3.4 Sơ đồ tách chiết hợp chất humic từ xác thực vật phân hủy

Các hợp chất humic tạo phức với ion kim loại nhóm cacboxyl hay các nhóm hydroxyl phenol (Hình 3.5)

Sự có mặt hợp chất humic nước bắt đầu ý nhiều từ khoảng năm 1970, sau nhà khoa học phát thấy trihalometan (THMs, ví dụ như clorofoc, dibromclometan) nước máy sinh hoạt Ngày nay, người ta cho rằng hợp chất THMs (được xếp vào loại hợp chất gây ung thư) xuất trong nước khử trùng loại nước có chứa hợp chất humic clo.

Xác thực vật phân hủy

Chiết dung dịch kiềm

Phần bã lại : HUMIN Dịch chiết

Kết tủa: Axit HUMIC D.Dịch: Axit FULVIC

Axit hóa

H

C

C C C C C

H C O

C H

H OH

C O OH

C OH

O H C OH O

H OHH

C H

H H

H H

O H C OH

H H

OH

C OH O

Hình 3.5 Các kiểu tạo phức hợp chất humic với ion kim loại [8]

Các hợp chất THMs tạo thành nước clo phản ứng với hợp chất humic Có thể hạn chế tạo thành THMs trình khử trùng nước cách xử lý loại humic trước thêm clo vào nuớc.

3.4 Vai trò vi sinh vật chuyển hóa hóa học mơi trường nước Các vi sinh vật, vi khuẩn, nấm mốc tảo đóng vai trị trung gian tạo điều kiện cho nhiều chuyển hóa hóa học xảy nước đất Vi sinh vật thông qua nhiều phản ứng khác tạo thành nhiều loại trầm tích khống vật sa lắng Nhiều loại vi sinh vật tham gia vào nhiều chu trình chuyển hóa ngun tố mơi trường, chu trình gọi chu trình sinh địa hóa

3.4.1 Phản ứng chuyển hóa cacbon

Vi sinh vật đóng vai trị quan trọng chu trình cacbon Các loại tảo quang hợp loại sinh vật cố định cacbon quan trọng môi trường nước Tảo quang hợp tiêu thụ CO2, làm pH nước tăng làm kết tủa CaCO3 CaCO3.MgCO3 Lượng

cacbon hữu tạo thành nhờ hoạt động vi sinh vật tiếp tục bị vi sinh vật phân hủy chuyển hóa chu trình sinh địa hóa thành nhiên liệu hóa thạch dầu mỏ, than đá, than bùn,… Cacbon hữu sinh khối, nhiên liệu hóa thạch bị vi sinh vật phân hủy hồn tồn tạo thành CO2 Có thể tóm tắt q trình chuyển hóa cacbon có liên

quan đến vi sinh vật sau:

− Quang hợp: trình tảo loại thực vật bậc cao, vi khuẩn quang hợp sử dụng lượng ánh sáng để cố định cacbon thành chất hữu cơ:

CO2 + H2O + hν → {CH2O} + O2(k)

− Hơ hấp hiếu khí: q trình chất hữu bị oxy hóa điều kiện có oxy phân tử O2:

{CH2O} + O2(k) → CO2 + H2O

− Hơ hấp kỵ khí: q trình oxy hóa chất hữu sử dụng nguồn oxy kết hợp NO3−,

SO42−…, không sử dụng oxy phân tử

− Sự phân hủy sinh khối: vi khuẩn nấm mốc phân hủy xác động thực vật, chuyển cacbon hữu cơ, nitơ, lưu huỳnh, photpho thành dạng hợp chất hữu vô đơn giản hấp thụ thực vật

− Q trình tạo metan: chất hữu bị vi khuẩn tạo metan (methane-forming bacteria) Methanobacterium chuyển thành metan điều kiện thiếu khí (anoxic) lớp trầm tích phản ứng lên men (đây loại phản ứng oxy hóa khử, chất oxy hóa chất khử chất hữu cơ):

2{CH2O} → CH4 + CO2

đây q trình đóng vai trị quan trong chu trình cacbon khu vực tồn cầu, khâu cuối q trình phân hủy kỵ khí chất hữu Q trình cung cấp khoảng 80% lượng CH4 cho khí

− Quá trình phân hủy hợp chất hydrocacbon: hợp chất hydrocacbon lớn

C O M O O

C C O

O O M O

C O M O

bị Micrococcus, Pseudomonas, Mycobacterium Nocardia oxy hóa điều kiện hiếu khí Nhờ có q trình mà chất thải dầu mỏ bị phân hủy nước đất Ví dụ phản ứng:

CH3CH2CH2CH2CH2O2H + O2 → CH3CH2CH2O2H + 2CO2 + 2H2O

− Sự phân hủy sinh học hợp chất hữu cơ: trình xảy q trình xử lý nước thải thị Có thể biểu diễn phân hủy phản ứng đại diện sau:

{CH2O} + O2(k) → CO2 + H2O + sinh khối 3.4.2 Phản ứng chuyển hóa nitơ

Chu trình nitơ trình hóa học quan trọng nước đất có tham gia vi sinh vật Q trình dựa vào chuyển hóa quan trọng:

− Cố định nitơ (nitrogen fixation): q trình phân tử N2 từ khí

chuyển thành nitơ hữu (chủ yếu vi khuẩn Rhizobium):

3{CH2O} + 2N2 + 3H2O + 4H+ → 3CO2 + 4NH4+

Hình 3.6 Chu trình Nitơ [8]

− Nitrat hóa (nitrification): q trình oxy hóa NH3 NH4+ thành NO3− (do vi

khuẩn Nitrozomonas Nitrobacter):

NH3 + 3/2 O2 → H+ + NO2− + H2O (Nitrozomonas)

NO2− + ½ O2 → NO3− (Nitrobacter)

nitrat hóa đóng vai trị quan trọng tự nhiên, cung cấp ion nitrat cho thực vật hấp thụ (đây dạng nitơ chủ yếu thực vật hấp thụ được) Phân bón dạng muối amoni

N2 khí quyển

NO3−

NO2−

Nitơ chất hữu (−NH2 protein)

NH3

Cố định đạm vi sinh vật

Phân hủy vi sinh vật

Nitrozomonas Cố định đạm phản ứng

hóa học

N2O

Đề nitrat hóa

Nitrobacter

Đề nitrat hóa Các phản ứng

tạo NO3−

khí

H H OH

OH

CO2H CO2H

sẽ vi khuẩn chuyến hóa thành nitrat để thực vật hấp thụ tốt

− Khử nitrat (nitrate reduction): trình khử NO3 thnh NO2:

ẵ NO3 + ẳ {CH2O} ½ NO2− + ¼ H2O + ¼ CO2

− Denitrat hóa (denitrification): q trình NO3− NO2− bị khử thành N2

trong điều kiện oxy tự do:

4NO3− + 5{CH2O} + 4H+ → 2N2↑ + 5CO2↑ + 7H2O

quá trình denitrat hóa tạo thành NO N2O 3.4.3 Phản ứng chuyển hóa lưu huỳnh

Chu trình lưu huỳnh có liên quan đến chuyển hóa qua lại dạng hợp chất khác lưu huỳnh như: hợp chất sulfat vô tan, hợp chất sulfat không tan, hợp chất sinh học chứa lưu huỳnh, hợp chất hữu tổng hợp chứa lưu huỳnh Các trình có tham gia vi sinh vật chu trình lưu huỳnh bao gồm:

− Khử sulfat thành sulfua tác dụng vi khuẩn Desulfovibrio: SO42− + 2{CH2O} + 2H+ → H2S + 2CO2 + 2H2O

H2S tạo thành độc có mùi khó chịu nên làm giảm chất lượng nước − Oxy hóa sulfua tác dụng vi khuẩn Thiobacillus:

2H2S + 4O2 → 4H+ + 2SO42−

Một số loại vi khuẩn oxy hóa sulfua chịu mơi trường axit nguy hiểm cho mơi trường Ví dụ, vi khuẩn loại oxy hóa pyrite FeS2 nước rò rỉ

từ mỏ khai thác quặng tạo thành axit sulfuric Axit tạo thành hòa tan nhiều kim loại quặng cuối vào nguồn nước ngầm, nước mặt gây ô nhiễm chúng

− Quá trình phân hủy hợp chất hữu có chứa lưu huỳnh tác dụng vi khuẩn tạo chất hữu chứa lưu huỳnh bay có mùi khó chịu, metyl thiol CH3SH, dimetyl disulfua CH3SSCH3 Ngồi ra, q trình phân hủy tạo H2S 3.4.4 Phản ứng chuyển hóa photpho

Các q trình có tham gia vi sinh vật đất nước đóng vai trị quan trọng chu trình photpho Điều đáng ý photpho thường chất dinh dưỡng giới hạn nước cần cho phát triển tảo Một số vi khuẩn có khả tích lũy photpho từ nước tốt tảo Photpho tích lũy tế bào giải phóng trở lại giúp vi khuẩn phát triển môi trường thiếu chất dinh dưỡng

Sự phân hủy sinh học hợp chất photpho quan trọng môi trường, thể hai điểm sau:

− Quá trình phân hủy photpho q trình khống hóa, chuyển dạng photpho hữu thành photpho vô cơ, cung cấp chất dinh dưỡng octophotphat (PO43−) cho phát triển

của thực vật tảo

− Nhờ trình phân hủy sinh học mà hợp chất photpho hữu độc hại dùng làm thuốc trừ sâu bị phân hủy mà không gây hại nhiều cho mơi trường

3.4.5 Phản ứng chuyển hóa sắt

Một số vi khuẩn (như Ferrobacillus, Gallionella, Sphaerotilus) sử dụng hợp chất sắt để lấy lượng cho q trình đồng hóa chúng, thơng qua q trình oxy hóa Fe(II) thành Fe(III) với oxy phân tử:

4Fe2+ + 4H+ + O

2 → 4Fe3+ + 2H2O

nguồn cacbon hữu thu lượng từ phản ứng oxy hóa chất vơ cơ, chúng sống mơi trường khơng có chất hữu Người ta thường tìm thấy lượng lớn sắt (III) oxit tích tụ dạng bùn sa lắng nơi vi khuẩn oxy hóa sắt phát triển mạnh

3.5 Ơ nhiễm mơi trường nước

Do hoạt động tự nhiên nhân tạo mà thành phần chất lượng nước mơi trường bị thay đổi Sau thời gian nước tự làm thơng qua q trình tự nhiên hấp phụ, lắng, lọc, tạo keo, phân tán, oxy hóa, khử, polime hóa, biến đổi tác dụng vi sinh vật Khả tự làm nước đáng kể nguồn nước có lưu thơng (sơng, suối, ) Do điều kiện có dịng chảy oxy từ khơng khí khuếch tán hòa tan vào nước để tham gia vào q trình phân hủy chất nhiễm vi sinh vật Khi đưa lượng nhiều chất gây ô nhiễm vào nguồn nước tự nhiên, vượt q khả tự làm nguồn nước bị nhiễm

Có nhiều chất gây ô nhiễm nước Tác hại chất gây ô nhiễm tùy thuộc vào tính chất vật lý, hóa học mà cịn phụ thuộc vào dạng tồn chúng mơi trường Ví dụ: asen nguyên tố độc, dạng asen khác có độc tính khác nhau, hợp chất vơ As (III) độc hợp chất As (V) tương ứng, cịn asen dạng (CH3)2As+CH3COO− (asenobetain) có nhiều hải sản lại độc

Vì vậy, đánh giá mức độ ô nhiễm nước, cần phân tích xác định có mặt nguyên tố, hợp chất gây ô nhiễm mà cịn phải xác định dạng tồn trong môi trường (speciation).

3.5.1 Các nguồn gây ô nhiễm nước

Các nguồn gây ô nhiễm nước chủ yếu xuất phát từ trình sinh hoạt hoạt động sản xuất người tạo nên (công nghiệp, thủ công nghiệp, nông ngư nghiệp, giao thông thủy, dịch vụ…) Ô nhiễm nước yếu tố tự nhiên (núi lửa, xói mịn, bão, lụt, ) nghiêm trọng, không thường xuyên, ngun nhân gây suy thối chất lượng nước tồn cầu Các nguồn gây ô nhiễm nước thường gặp:

• Nước thải sinh hoạt (domestic wastewater): nước thải phát sinh từ hộ gia đình, bệnh viện, khách sạn, quan trường học, chứa chất thải trình sinh hoạt, vệ sinh người

Thành phần nước thải sinh hoạt chất hữu dễ bị phân hủy sinh học (cacbohydrat, protein, dầu mỡ), chất dinh dưỡng (photpho, nitơ), chất rắn vi trùng

Tùy theo mức sống lối sống mà lượng nước thải tải lượng chất có nước thải người ngày khác Nhìn chung mức sống cao lượng nước thải tải lượng thải cao

Tải lượng trung bình tác nhân gây nhiễm nước người đưa vào môi trường ngày nêu Bảng 3.3

Từ số liệu bảng xác định tổng tải lượng chất gây ô nhiễm cho khu dân cư, đô thị nhằm phục vụ công tác đánh giá tải lượng ô nhiễm nguồn nước thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho khu dân cư, thị

• Nước thải đô thị (municipal wastewater): loại nước thải tạo thành gộp chung nước thải sinh hoạt, nước thải vệ sinh nước thải sở thương mại, công nghiệp nhỏ khu đô thị Nước thải đô thị thường thu gom vào hệ thống cống thải thành phố, đô thị để xử lý chung

Nhìn chung, thành phần nước thải đô thị gần tương tự nước thải sinh hoạt

Bảng 3.3 Tải lượng tác nhân ô nhiễm người đưa vào môi trường hàng ngày [5] Tác nhân ô nhiễm Tải lượng (g/người/ngày)

BOD5 45 − 54

COD (1,6 − 1,9)× BOD5

Tổng chất rắn hịa tan (TDS) 170 − 220

Tổng chất rắn lơ lửng (TSS) 70 − 145

Clo (Cl−) 4 − 8

Tổng nitơ (tính theo N) − 12

Tổng photpho (tính theo P) 0,8 −

• Nước thải công nghiệp (industrial wastewater): nước thải từ sở sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp, giao thông vận tải

Khác với nước thải sinh hoạt hay nước thải đô thị, nước thải công nghiệp khơng có thành phần giống nhau, mà phụ thuộc vào ngành sản xuất cơng nghiệp cụ thể Ví dụ: nước thải xí nghiệp chế biến thực phẩm thường chứa lượng lớn chất hữu cơ; nước thải xí nghiệp thuộc da ngồi chất hữu cịn có kim loại nặng, sulfua,

Người ta thường sử dụng đại lượng PE (population equivalent) để so sánh cách tương đối mức độ gây ô nhiễm nước thải công nghiệp với nước thải đô thị Đại lượng xác định dựa vào lượng thải trung bình người ngày tác nhân gây ô nhiễm xác định Các tác nhân gây nhiễm thường sử dụng để so sánh COD (nhu cầu oxy hóa học), BOD5 (nhu cầu oxy sinh hóa), SS (chất rắn lơ lửng)

= Tải lươnüg chấtô nhiêmù cuả nguồn thaií đơn vịthời gian

PE

Lượng chấtơ nhiễm mộtngười thải đơn vịthơiì gian /

/

Ví dụ: tính PE nguồn nước thải có lưu lượng 200 m3/ngày, nồng độ BOD

nước thải 1200 mg/L Lượng BOD5 trung bình người thải ngày 50

g/người.ngày

PE người

3

200 10 1200 10

4800 50

−

× × ×

= =

Như vậy, xét thông số BOD5, nước thải nguồn thải tương đương với

nước thải khu dân cư có 4800 người

• Nước chảy tràn (run-off, stormwater): nước chảy tràn từ mặt đất mưa, thoát nước từ đồng ruộng nguồn gây ô nhiễm nước sông, hồ Nước chảy tràn qua đồng ruộng theo chất rắn (rác), hóa chất bảo vệ thực vật, phân bón Nước chảy tràn qua khu dân cư, đường phố, sở sản xuất cơng nghiệp, làm nhiễm nguồn nước chất rắn, dầu mỡ, hóa chất, vi trùng

Khối lượng đặc điểm nước chảy tràn phụ thuộc vào diện tích vùng mưa thành phần, khối lượng chất ô nhiễm bề mặt vùng nước mưa chảy qua

lượng nước vùng bị tác động

Ví dụ: sơng Sài Gịn đoạn Củ Chi, Hóc Mơn bị axit hóa chủ yếu nước phèn từ đồng sơng Cửu Long phía Tây thành phố Hồ Chí Minh chuyển đến Vùng hạ lưu sông (từ Nhà Bè đến vịnh Ghềnh Rái) bị nhiễm mặn nước biển

Hoạt động người góp phần gia tăng mức độ nhiễm yếu tố tự nhiên Ví dụ: việc cải tạo khu vực Đồng Tháp Mười biện pháp đào kênh, mương, chuyển vùng đồng cỏ hoang thành vùng trồng lúa, nguyên nhân gây gia tăng mức độ axit hóa sơng Vàm Cỏ Sài Gịn

Người ta thường chia nguồn gây nhiễm nước thành hai loại nguồn điểm nguồn không điểm:

− Nguồn điểm (point source): nguồn gây nhiễm xác định vị trí, lưu lượng cụ thể, ví dụ cống thải nước thải đô thị vào sông, hồ, cống thải nhà máy,

− Nguồn không điểm (non−point source): nguồn gây ô nhiễm không xác định cụ thể vị trí, lưu lượng, ví dụ nước chảy tràn khu đô thị, nông thôn, nước mưa bị ô nhiễm,

3.5.2 Các tác nhân gây ô nhiễm nước

Hiện tượng tự nhiên (núi lửa, lũ lụt, xâm nhập mặn, phong hóa ) nguyên nhân gây ô nhiễm nguồn nước, hoạt động người nguyên nhân phổ biến quan trọng Các hoạt động sinh hoạt, sản xuất công nghiệp, nơng nghiệp, khai khống, xây dựng cơng trình người đưa ngày nhiều chất thải vào nguồn nước, gây suy giảm rõ rệt chất lượng nước tự nhiên tất quốc gia giới

Có nhiều loại tác nhân khác gây ô nhiễm nước, để tiện cho việc quan trắc kiểm sốt nhiễm nguồn nước, phân chúng thành 10 nhóm

3.5.2.1 Các ion vơ hịa tan

Nhiều ion vơ có nồng độ cao nước tự nhiên, đặc biệt nước biển Trong nước thải đô thị chứa lượng lớn ion Cl−, SO

42−, PO43−, Na+, K+ Trong

nước thải công nghiệp, ngồi ion kể cịn có chất vơ có độc tính cao hợp chất Hg, Pb, Cd, As, Sb, Cr, F

• Các chất dinh dưỡng (N, P)

Muối nitơ photpho chất dinh dưỡng thực vật, nồng độ thích hợp chúng tạo điều kiện cho cỏ, rong tảo phát triển Amoni, nitrat, photphat chất dinh dưỡng thường có mặt nguồn nước tự nhiên, hoạt động sinh hoạt sản xuất người làm gia tăng nồng độ ion nước tự nhiên

− Amoni amoniac (NH4+, NH3): nước mặt thường chứa lượng nhỏ (dưới

0,05 mg/L) ion amoni (trong nước có mơi trường axít) amoniac (trong nước có mơi trường kiềm) Nồng độ amoni nước ngầm thường cao nhiều so với nước mặt Nồng độ amoni nước thải đô thị nước thải công nghiệp chế biến thực phẩm thường cao, có lúc lên đến 100 mg/L Tiêu chuẩn Mơi trường Việt Nam nước mặt (TCVN 5942−

1995) quy định nồng độ tối đa amoni (hoặc amoniac) nguồn nước dùng vào mục đích sinh hoạt 0,05 mg/L (tính theo N) 1,0 mg/L cho mục đích sử dụng khác

− Nitrat (NO3−): sản phẩm cuối phân hủy chất chứa nitơ có

nitrat nguồn nước mặt dùng vào mục đích sinh hoạt 10 mg/L (tính theo N) 15 mg/L cho mục đích sử dụng khác

Phần đọc thêm: Nitrat nước uống

Nước uống có chứa nhiều nitrat gây rối loạn máu nghiêm trọng trẻ sơ sinh tháng tuổi Các vi khuẩn đường ruột trẻ sơ sinh, chủ yếu Escherichia coli, khử ion nitrat thành nitrit (NO2−) Ion nitrit sau bị hấp thụ vào

máu lại tham gia vào phản ứng oxy hóa ion Fe2+ hemoglobin thành Fe3+

Hemoglobin chứa ion Fe3+ gọi methemoglobin làm nhiệm vụ vận

chuyển oxy.

Do dày chứa axit so với người lớn nên trẻ sơ sinh dễ bị tổn thương do ăn uống thực phẩm nước uống chứa nhiều nitrat Độ axit thấp cho phép E coli phát triển mạnh đường tiêu hóa, chúng có khả khử NO3− thành NO2−

trước hấp thụ Sử dụng chai uống sữa không tiệt trùng tốt làm gia tăng nguy tạo thành methemoglobin, chai có loại vi khuẩn có khả chuyển NO3− nước thành NO2−.

Khi nồng độ methemoglobin máu cao 25%, da môi trẻ sơ sinh bị xanh tái (vì có tên gọi “hội chứng trẻ xanh xao”) Khi nồng độ methemoglobin tăng đến mức 60 − 80%, trẻ chết Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) ghi nhận được 2000 trường hợp mắc hội chứng Châu Âu Bắc Mỹ khoảng năm từ 1945 đến 1986, số 160 trường hợp tử vong Hầu hết trường hợp bị ngộ độc trẻ sơ sinh vùng nông thôn, vùng nước thường bị nhiễm vì chất thải súc vật nước thải sinh hoạt Các trường hợp ngộ độc nitrat ngày càng ít, trường hợp ngộ độc gần Anh xảy vào năm 1972.

Mặc dù nồng độ cho phép nitrat nước nằm khoảng từ 50 đến 100 mg NO3−/L, nồng độ nước uống phải không vượt 50 mg NO3−

(Tiêu chuẩn sức khỏe châu Âu − European Health Standards) Tại Hoa kỳ nồng độ nitrat tối đa cho phép nước uống 45 mg NO3−/L Khi nồng độ cao 100 mg

NO3−/L, nitrat tạo thành hợp chất nitrosamin đường ruột người lớn,

nitrosamin chất có khả gây ung thư Tuy vậy, mối quan hệ thử nghiệm động vật chưa kiểm chứng người.

− Photphat (PO43−): nitrat, photphat chất dinh dưỡng cần cho phát triển

của thực vật thủy sinh Nồng độ photphat nguồn nước không ô nhiễm thường nhỏ 0,01 mg/L Nước sông bị ô nhiễm nước thải đô thị, nước thải công nghiệp nước chảy tràn từ đồng ruộng chứa nhiều loại phân bón, có nồng độ photphat đến 0,5 mg/L Photphat khơng thuộc loại hóa chất độc hại người, nhiều tiêu chuẩn chất lượng nước không quy định nồng độ tối đa cho photphat

Mặc dù không độc hại người, song có mặt nước nồng độ tương đối lớn, với nitơ, photphat gây tượng phú dưỡng (eutrophication, gọi phì dưỡng) Theo nhiều tác giả, hàm lượng photphat nước đạt đến mức ≥ 0,01 mg/l (tính theo P) tỷ lệ P:N:C vượt 1:16:100, gây tượng phú dưỡng nguồn nước

Từ eutrophication bắt nguồn từ tiếng Hy Lạp, có nghĩa “được nuôi dưỡng tốt” Phú dưỡng tình trạng hồ nước có phát triển mạnh tảo Mặc dầu tảo phát triển mạnh điều kiện phú dưỡng hỗ trợ cho chuỗi thức ăn hệ sinh thái nước, phát triển bùng nổ tảo gây hậu làm suy giảm mạnh chất lượng nước

hồ thường Sau thời gian, xâm nhập chất dinh dưỡng từ nước chảy tràn, phát triển phân hủy sinh vật thủy sinh, hồ bắt đầu tích tụ lượng lớn chất hữu Lúc bắt đầu xảy tượng phú dưỡng với phát triển bùng nổ tảo, nước hồ trở nên có màu xanh, lượng lớn bùn lắng tạo thành xác tảo chết Dần dần, hồ trở thành vùng đầm lầy cuối vùng đất khô, sống động vật thủy sinh hồ bị ngừng trệ

• Sulfat (SO42−)

Các nguồn nước tự nhiên, đặc biệt nước biển nước phèn, thường có nồng độ sulfat cao Sulfat nước bị vi sinh vật chuyển hóa tạo sulfit axit sulfuric gây ăn mịn đường ống bê tơng Ở nồng độ cao, sulfat gây hại cho trồng

• Clorua (Cl−)

Là ion quan trọng nước nước thải Clorua kết hợp với ion khác natri, kali gây vị cho nước Nguồn nước có nồng độ clorua cao có khả ăn mịn kim loại, gây hại cho trồng, giảm tuổi thọ cơng trình bê tơng, Nhìn chung clorua không gây hại cho sức khỏe người, clorua gây vị mặn nước nhiều ảnh hưởng đến mục đích ăn uống sinh hoạt

• Các kim loại nặng

Pb, Hg, Cr, Cd, As, Mn, thường có nước thải công nghiệp Hầu hết kim loại nặng có độc tính cao người động vật khác

− Chì (Pb): chì có nước thải sở sản xuất pin, acqui, luyện kim, hóa dầu Chì cịn đưa vào mơi trường nước từ nguồn khơng khí bị nhiễm khí thải giao thơng Chì có khả tích lũy thể, gây độc thần kinh, gây chết bị nhiễm độc nặng Chì độc động vật thủy sinh Các hợp chất chì hữu độc gấp 10 − 100 lần so với chì vơ loại cá

− Thủy ngân (Hg): thủy ngân kim loại sử dụng nông nghiệp (thuốc chống nấm) công nghiệp (làm điện cực) Trong tự nhiên, thủy ngân đưa vào mơi trường từ nguồn khí núi lửa Ở vùng có mỏ thủy ngân, nồng độ thủy ngân nước cao Nhiều loại nước thải công nghiệp có chứa thủy ngân dạng muối vơ Hg(I), Hg(II) hợp chất hữu chứa thủy ngân

Thủy ngân kim loại nặng độc người Vào thập niên 50, 60, ô nhiễm thủy ngân hữu vịnh Minamata, Nhật Bản, gây tích lũy Hg hải sản Hơn 1000 người chết bị nhiễm độc thủy ngân sau ăn loại hải sản đánh bắt vịnh

Đây cố môi trường nghiêm trọng lịch sử đại

Thủy ngân độc với động vật khác vi sinh vật Nhiều loại hợp chất thủy ngân dùng để diệt nấm mốc

− Asen (As): asen nguồn nước nguồn gây ô nhiễm tự nhiên (các loại khoáng chứa asen) nguồn nhân tạo (luyện kim, khai khống ) Asen thường có mặt nước dạng asenit (AsO33−), asenat (AsO43−) asen hữu (các hợp chất

loại methyl asen có mơi trường phản ứng chuyển hóa sinh học asen vơ cơ)

Asen hợp chất chất độc mạnh (cho người, động vật khác vi sinh vật), có khả tích lũy thể gây ung thư Độc tính dạng hợp chất asen: As(III) > As(V) > Asen hữu

STT Kim loại nặng Đơn vị

Nồng độ tối đa cho phép TCVN

5942 −1995 (Nước mặt ∗)

TCVN 5943 −1995 (Nước biển ven bờ ∗∗)

TCVN 5944−1995 (Nước ngầm)

1 Asen mg/L 0,05 0,05 0,05

2 Cadmi − 0,01 0,005 0,01

3 Chì − 0,05 0,1 0,05

4 Crom (III) − 0,1 0,1 −

5 Crom (VI) − 0,05 0,05 0,05

6 Đồng − 0,1 0,02 1,0

7 Kẽm − 0,1 5,0

8 Mangan − 0,1 0,1 0,1 − 0,5

9 Niken − 0,1 − −

10 Thủy ngân − 0,001 0,005 0,001

(∗): Áp dụng cho nước mặt dùng làm nguồn cấp nước sinh hoạt (nhưng phải qua xử lý theo quy định) (∗∗): Áp dụng cho nước bãi tắm, khu vực giải trí

Phần đọc thêm: Sự cố nhiễm thủy ngân Minamata, Nhật Bản

Vào năm đầu thập niên 50, cố ô nhiễm môi trường xảy Minamata thu hút quan tâm ý cộng đồng tình trạng nhiễm môi trường thủy ngân kim loại độc khác Một nhà máy địa phương (công ty Chiso) sử dụng ơxít thủy ngân làm xúc tác cho trình sản xuất acetaldehyt (ethanal) polyvinyl clorua Nước thải chứa thủy ngân thải vào vịnh Minamata bị chuyển hóa thành dạng metyl thủy ngân độc hại.

Hình 3.7 Trẻ em dị tật ảnh hưởng vụ nhiễm độc thủy ngân Minamata [21]

đau đầu, rối loạn thần kinh, co giật Đến năm 1958 có 50 trường hợp nhiễm độc được phát hiện, 21 người chết Hầu hết nạn nhân vụ nhiễm độc đã ăn cá ba lần ngày Vào năm 1968 người ta thức cơng bố nguyên nhân bệnh Minamata ăn loại hải sản bị nhiễm thủy ngân, cá đánh bắt vịnh Minamta bị cấm tiêu thụ .

Tuy vậy, vào thời điểm ban đầu mối quan hệ nồng độ thủy ngân cao cá, sò nước thải nhà máy chưa làm rõ Nhà máy tiếp tục thải nước thải chứa thủy ngân thêm thập kỷ nữa, năm 1968 nhà máy ngừng hẳn việc sản xuất acetaldehyit.

Cho đến cuối năm 1991, có 2248 người xác định mắc bệnh Minamata, trong số 1004 người chết Tính đến thời điểm đó, tập đồn Chisso trả khoảng 9,08 tỷ yên tiền bồi thường cho nạn nhân; công ty phải trả 3 tỷ yên năm Gần 40 năm sau khám phá bệnh, vấn đề bồi thường chưa giải hoàn toàn.

Một lượng lớn thủy ngân tích tụ lớp bùn đáy vịnh Minamata (lên đến trên 25 ppm), tích lũy vào loại hải sản trai sò (năm 1966, nồng độ thủy ngân trai sị lên đến 80 ppm) Vì vậy, phủ Nhật, quyền địa phương tỉnh Kumamoto tập đồn Chisso phải góp kinh phí để thực cơng trình nạo vét 1,5 triệu mét khối bùn đáy vịnh mở mang 58 đất lấn biển Sau hoàn thành việc nạo vét, nồng độ thủy ngân trung bình lớp bùn đáy vịnh 4,65 ppm.

Ngoài chi phí đền bù nói trên, tập đồn Chisso cịn khoản tiền lớn năm cho khoản bồi thường khác, ví dụ bồi thường cho ngư dân, chi phí cho phịng chống kiểm sốt nhiễm…

3.5.2.2 Các chất hữu cơ

Dựa vào khả bị phân hủy tác dụng vi sinh vật, trình bày mục 3.2.4, chất hữu có nước thường chia thành hai loại:

• Các chất hữu dễ bị phân hủy sinh học (các chất tiêu thụ oxy)

Cacbonhydrat, protein, chất béo thường có mặt nước thải sinh hoạt, nước thải đô thị, nước thải công nghiệp chế biến thực phẩm chất hữu dễ bị phân hủy sinh học Trong nước thải sinh hoạt, có khoảng 60 − 80% lượng chất hữu thuộc loại dễ bị phân hủy sinh học

Có thể biểu diễn q trình phân hủy chất hữu loại sơ đồ sau:

− Phân hủy hiếu khí:

Chất hữu O hịa tan nc2

Vi sinh hiêu khí

      → H2O + CO2 + lượng

Vi sinh vật lấy oxy nước để phân hủy chất hữu làm suy giảm oxy nước

− Phân hủy kỵ khí:

Chất hữu      →Vi sinh vât ky khí CH

4 + axit hữu

Chất hữu dễ bị phân hủy sinh học thường ảnh hưởng có hại đến nguồn lợi thủy sản, bị phân hủy chất làm giảm oxy hòa tan nước, dẫn đến chết tơm cá

• Các chất hữu bền vững

Các chất hữu có độc tính cao thường chất bền vững, khó bị vi sinh vật phân hủy môi trường Một số chất hữu có khả tồn lưu lâu dài mơi trường tích lũy sinh học thể sinh vật Do có khả tích lũy sinh học, nên chúng thâm nhập vào chuỗi thức ăn từ vào thể người

biphenyls), hydrocacbon đa vòng ngưng tụ (PAHs: polycyclic aromatic hydrocarbons), hợp chất dị vòng N, O hợp chất hữu bền vững Các chất thường có nước thải cơng nghiệp, nước chảy tràn từ đồng ruộng (có chứa nhiều thuốc trừ sâu, diệt cỏ, kích thích sinh trưởng ) Các hợp chất thường tác nhân gây nhiễm nguy hiểm, có mặt với nồng độ nhỏ môi trường

− Nhóm hợp chất phenol

Phenol dẫn xuất phenol có nước thải số ngành cơng nghiệp (lọc hóa dầu, sản xuất bột giấy, nhuộm, ) Các hợp chất loại làm cho nước có mùi, gây tác hại cho hệ sinh thái nước, sức khỏe người, số dẫn xuất phenol có khả gây ung thư (carcinogens) TCVN 5942−1995 quy định nồng độ tối đa hợp chất phenol nước bề mặt dùng cho sinh hoạt 0,001 mg/L

− Nhóm hóa chất bảo vệ thực vật (HCBVTV) hữu cơ

Hiện có hàng trăm, chí hàng ngàn loại HCBVTV sản xuất sử dụng để diệt sâu, côn trùng, nấm mốc, diệt cỏ Trong số đó, phần lớn hợp chất hữu cơ, chúng chia thành nhóm:

− Photpho hữu

− Clo hữu

− Cacbamat

− Phenoxyaxetic

− Pyrethroid tổng hợp

Hầu hết chất có độc tính cao người động vật Nhiều chất số đó, đặt biệt clo hữu cơ, bị phân hủy chậm mơi trường, có khả tích lũy thể sinh vật người Nhiều số HCBVTV tác nhân gây ung thư TCVN 5942−1995 quy định nồng độ tối đa cho phép tổng HCBVTV nước bề mặt 0,15 mg/L, riêng với DDT 0,01 mg/L

Phần đọc thêm: Thuốc trừ sâu clo

DDT (Dichloro−Diphenyl TrichloroEthane) loại thuốc trừ sâu quân đội đồng minh dùng lần vào năm 1940 chiến tranh giới lần thứ Trong thời kỳ này, DDT thảo mãn nhu cầu tiêu diệt sốt rét rừng rậm nhiệt đới bệnh khác lây lan trùng Sau DDT cịn dùng rộng rãi trong nơng nghiệp để dệt côn trùng Do hiệu cao DDT, người ta tiếp tục sản xuất thuốc trừ sâu clo khác lindane diedrin.

Tuy nhiên đến thập niên 1970 DDT thuốc trừ sâu clo bị cấm sử dụng ở nước phát triển Trong môi trường DDT bền (5 − 15 năm), đầu được xem ưu điểm DDT, trở thành vấn đề đáng quan tâm khía cạnh mơi trường Do bền tan mỡ, nên DDT có khả tích lũy và khuếch đại chuỗi thức ăn, gây nguy cho động vật đỉnh dây chuyền này, có người.

(a) DDT: 1,1,1-trichloro-2,2-di-(p-chlorophenyl)ethane (Dichloro Diphenyl Trichloroethane)

Cl C Cl

H C Cl Cl

H

Cl C Cl

H C Cl Cl

(b) DDD: 1,1-dichloro-2,2-di-(p-chlorophenyl)ethane

(c) DDE: 1,1-dichloro-2,2-di-(p-chlorophenyl)ethene

Hình 3.8 Công thức cấu tạo hợp chất DDT, DDD, DDE

Độc tính DDT người không cao DDT ảnh hưởng đến cân trao đổi natri màng não gây tác hại đến hệ thần kinh Da người động vật khác không hấp thụ DDT, côn trùng lại có lớp vỏ kitin có khả cho DDT thấm qua gây hại.

Hình 3.9 Cơng thức cấu tạo số hóa chất bảo vệ thực vật thơng dụng

Người ta cho rằng, tác hại DDT xảy sau bị nhiễm độc mạn

(CH3O)2 P H S

S CH C O

OC2H5

C

H2 C OC2H5 O

Malathion

O2N O P

H (OCH3)2 S

Methyl Parathion

O C N H CH3

O

Carabyl

Cl

Cl

O CH2COOH

2,4−D

Cl

Cl

O CH2COOH Cl

2,4,5−T

CH2 Cl2 Cl

Cl

Aldrin Cl2

Cl Cl

Cl Cl O

Dieldrin

Cl2 Cl

Cl

Cl Cl Cl Cl

Chlordane

Cl Cl

Cl Cl Cl Cl

tính thời gian dài, bị nhiễm độc lượng lớn DDT, lý đó lượng DDT tích lũy mơ mỡ bị giải phóng trở lại.

DDT bị phân hủy mơi trường tạo thành sản phẩm DDE DDD DDE có độc tính thấp trùng.

Cơng thức cấu tạo số loại HCBVTV khác trình bày Hình 3.9. − Nhóm hợp chất dioxin (Dioxins)

Dioxin hai nhóm hợp chất tạp chất sinh trình sản xuất hợp chất hữu clo hóa Dioxin tạo thành đốt cháy hợp chất clo hóa nhiệt độ thấp (dưới 1000°C) Hai nhóm hợp chất polychlorinated dibenzo-p-dioxins (PCDDs) (Hình 3.10a) polychlorinated dibenzofurans (PCDFs) (Hình 3.10b).

(a) Dibenzo−p−dioxin (b) Dibenzofuran

(c) 2,3,7,8−tetrachlorodibenzo−p−dioxin (Dioxin 2,3,7,8−TCDD TCDD)

Hình 3.10 Cơng thức cấu tạo nhóm dioxin chất dioxin (TCDD)

Nhóm PCDD có 75 chất, có hợp chất gọi dioxin, hợp chất 2,3,7,8−tetrachlorodibenz−p−dioxin (2,3,7,8−TCDD) (Hình 3.10c)

Nhóm PCDF có 135 chất Độc tính hợp chất dioxin khác Độc hợp chất loại hợp chất có tên gọi dioxin nêu Các chất độc chất có chứa đến ba nguyên tử clo thay

Tuy có chứng cho thấy dioxin tác nhân gây ung thư cho động vật, chứng người lại chưa chắn Vào năm 1976, nhà máy hóa chất Seveso, Ý bị phát nổ làm ô nhiễm dioxin khu vực rộng gần km2 Nhiều loại

động vật chết cố này, 36.000 người dân khu vực lại sống sót, 193 người bị nhiễm độc nặng mắc hội chứng chloracne (một chứng bệnh rối loạn da) Nhưng cuối sau 10 năm, cịn trường hợp khơng chữa trị khỏi chứng chloracne

Do hợp chất nhóm hợp chất dioxin có độc tính khác nhau, để đánh giá độc tính hỗn hợp nhiều chất khác nhau, người ta sử dụng đại lượng TEQ (toxic equivalent) Mỗi hợp chất dioxin có giá trị TEF (toxic equivalent factor) riêng Giá trị TEF 2,3,7,8−TCDD xem 1, hợp chất độc số hợp chất dioxin Giá trị TEF hợp chất khác nhóm nhận giá trị từ đến 1, tùy thuộc vào độc tính tương đối chúng so với 2,3,7,8−TCDD TEQ hỗn hợp dioxin xác định ví dụ sau:

Nguồn phát thải 1:

Lượng dioxin phát thải từ nguồn 1:

1 g 2,3,7,8−TCDD + g PeCDD (pentachlorodibenzo−p−dioxin) = g dioxin/ngày

TEQ = (1 × 1) + (4 × 0) = g/ngày

3

O O

7

4

7

9

O

O

O Cl

Cl Cl

Nguồn phát thải 2:

Lượng dioxin phát thải từ nguồn 2:

0,75 g 2,3,7,8−TCDD + g 2,3,4,7,8−PeCDF = 2,75 g dioxin/ngày

TEQ = (0,75 × 1) + (2 × 0,5) = 1,75 g/ngày đó: 2,3,7,8−TCDD có TEF = 1;

PeCDD có TEF = 0;

2,3,4,7,8−PeCDF có TEF = 0,5

Kết xác định cho thấy phát thải lượng dioxin cao nhiều nguồn phát thải 2, lại có TEQ nhỏ TEQ nguồn phát thải 2, nguy hiểm nguồn Tuy vậy, cần lưu ý giá trị TEF hợp chất dioxin giá trị ước tính độ độc nên mang tính tương đối; ngồi ra, việc tổ hợp cộng đơn giản giá trị tích TEF lượng chất chưa thể ảnh hưởng kết hợp hỗn hợp dioxin phức tạp thực tế

− Nhóm hợp chất polychlorinated biphenyl (PCBs)

PCB nhóm hợp chất có từ đến 10 nguyên tử clo gắn vào vị trí khác phân tử biphenyl Có thể có đến 209 hợp chất thuộc loại Công nghiệp thường sản xuất hỗn hợp chứa nhiều loại PCB khác nhau, tùy thuộc vào điều kiện, thơng thường có tạp chất dioxin

PCBs bền hóa học cách điện tốt, nên dùng làm dầu biến tụ điện, ngồi chúng cịn dùng làm dầu bôi trơn, dầu thủy lực, tác nhân truyền nhiệt

Hình 3.11 Cấu trúc phân tử biphenyl

(mỗi vị trí đánh số có nguyên tử clo vào tạo thành phân tử PCB) Đến khoảng thập niên 1960, người ta phát nguy ô nhiễm PCBs từ ngành cơng nghiệp PCBs lúc có mặt gần khắp nơi, đặc biệt nguy tích lũy PCB mô mỡ động vật Trong mô mỡ nhiều loại động vật có vú biển có chứa nồng độ PCBs lớn gấp mười triệu lần nồng độ PCBs nước Những năm cuối thập niên 1970, việc sản xuất PCBs bắt đầu bị đình hầu

PCBs làm giảm khả sinh sản, giảm khả học tập trẻ em; chúng tác nhân gây ung thư Tuy vậy, dioxin, chứng tác hại PCBs chưa rõ ràng lắm, nồng độ chúng môi trường thường nhỏ tác hại lại có xu hướng diễn sau thời gian đủ dài

− Nhóm hợp chất hydrocacbon đa vòng ngưng tụ (polynuclear aromatic hydrocarbon, PAHs)

Các hợp chất PAH thường chứa hai hay nhiều vòng thơm PAH sản phẩm phụ q trình cháy khơng hồn tồn như: cháy rừng, cháy thảo nguyên, núi lửa phun trào (quá trình tự nhiên); động xe máy, lò nung than cốc, sản xuất nhựa asphalt, sản xuất thuốc lá, nướng thịt, (quá trình nhân tạo)

3

6

4

3

5' 6' '

Hình 3.12 Chrysence benzo(a)pyrene hợp chất thuộc nhóm PAHs

Các PAH thường gây hại tiếp xúc với liều lượng nhỏ thời gian dài, không gây hại đáng kể dùng liều lượng lớn lần Trong số hợp chất PAH, có hợp chất xem tác nhân gây ung thư Thông thường, thực phẩm ngày nguồn đưa PAHs vào thể người (95%), thuốc lá, rau khơng rửa sạch, ngũ cốc chưa tinh chế, thịt cá xơng khói nguồn đưa lượng đáng kể PAHs vào thể

• Các thơng số đánh giá chung chất hữu

Để đánh giá tổng lượng chất hữu nước người ta thường dùng thông số sau:

− Nhu cầu oxy hóa học (COD−Chemical Oxygen Demand): lượng chất oxy hóa (thể

hiện gam miligam O2 đơn vị thể tích) cần để oxy hóa hóa học chất hữu

trong nước Giá trị COD cho phép đánh giá lượng chất hữu tổng cộng có mẫu

Hiện tác nhân oxy hóa thường sử dụng kali bicromat mơi trường axit sulfuric, chất oxy hóa 95 − 100% chất hữu

Khi xác định COD phương pháp bicromat, người ta đun nóng mẫu nước 150°C với kali bicromat axít sunfric đặc Sau đó, chuẩn độ lượng bicromat lại dung dịch chuẩn muối Mo (muối (NH4)2Fe(SO4)2), phương pháp quang phổ UV−VIS

Căn vào lượng kali bicromat tiêu tốn, tính giá trị COD Đơn vị biểu diễn: mg (O2)/L

Bên cạnh phương pháp sử dụng kali bicromat để oxy hóa chất hữu mẫu, người ta sử dụng kali pemangnat để tiến hành phản ứng oxy hóa chất hữu Giá trị COD xác định phương pháp ký hiệu CODMn CODP (P, Mn: potasium

permanganat; nhiều trường hợp sử dụng ký hiệu COD) Do khả oxy hóa chất hữu KMnO4 yếu K2Cr2O7 nên CODMn (CODP) thường nhỏ COD không đại diện

tốt cho lượng chất hữu có mẫu, ưu điểm phương pháp xác định CODMn tốn thời gian không sử dụng Hg2+ (ion kim loại độc hại) xác định COD

− Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD−Biochemical Oxygen Demand): lượng oxy (thể

hiện gam miligam O2 đơn vị thể tích) cần cho vi sinh vật tiêu thụ để oxy

hóa sinh học chất hữu điều kiện nhiệt độ thời gian xác định Giá trị BOD phản ánh lượng chất hữu dễ bị phân hủy sinh học có mẫu nước

Thơng số BOD có tầm quan trọng thực tế; BOD sở để thiết kế vận hành trạm xử lý nước thải BOD cịn thơng số để đánh giá mức độ ô nhiễm nguồn nước, giá trị BOD lớn nghĩa mức độ ô nhiễm hữu cao Giá trị BOD phụ thuộc vào nhiệt độ thời gian, nên để xác định BOD cần tiến hành điều kiện chuẩn, thường nhiệt độ 20°C thời gian ngày Vì vậy, giá trị BOD thường công bố BOD520, viết tắt BOD5

Nhu cầu oxy sinh học mẫu nước xác định cách đo DO(1) mẫu sau

khi lấy DO(2) sau ngày bảo quản 20°C điều kiện khơng có ánh sáng Giá trị BOD5

pháp pha loãng dung dịch pha loãng chứa chất dinh dưỡng cần cho phát triển vi sinh vật, cấy thêm vi sinh,… Đơn vị biểu diễn: mg (O2)/L

BOD5 nguồn nước mặt khơng bị nhiễm vượt q giá trị mg/L Khi

nước chứa nhiều chất ô nhiễm hữu dễ bị phân hủy sinh học BOD nước tăng cao TCVN 5942−1995 quy định nguồn nước dùng cho mục đích sinh hoạt phải có giá trị BOD5 <

4 mg/L

Phần đọc thêm: Sự khác giá trị COD giá trị BOD

Cả hai thông số COD BOD sử dụng để xác định lượng chất hữu có khả bị oxy hóa nước; giá trị BOD đại diện cho lượng chất hữu cơ dễ bị phân hủy tác dụng vi sinh vật; giá trị COD đại diện cho tồn các chất hữu có mặt nước bị oxy hóa tác nhân oxy hóa hóa học mạnh Vì vậy, tỷ số BOD/COD mẫu nước nhỏ 1.

Trong nhiều trường hợp, lượng chất hữu dễ bị phân hủy sinh học mẫu nước lớn, song có mặt tác nhân ức chế hoạt động vi sinh vật ngăn cản trình phân hủy chất hữu này, nên kết xác định BOD gần không Lúc này, kết xác định COD cao

Nhìn chung, mặt lý thuyết khơng thể từ giá trị COD suy BOD ngược lại Tuy nhiên, số nguồn nước, nước thải có chất lượng ổn định, kết xác định thực nghiệm biết tỷ số BOD5/COD gần loại nguồn

nước này, chuyển đổi gần đại lượng.

Sự oxy hóa nitơ

Các thông số COD, BOD thể lượng oxy cần thiết để oxy hóa lượng cacbon trong chất hữu Tuy nhiên, thực tế nước nước thải cịn chứa hợp chất nitơ có khả tiêu thụ oxy bị oxy hóa chuyển thành nitrat.

Q trình oxy hóa nước thải sinh hoạt có thành phần tổng quát C4H10O3N xảy

ra sau:

C4H10O3N + 4,25O2 → 4CO2 + 3,5H2O + NH3

Khi vào nguồn nước NH3 NH4+ bị vi khuẩn oxy hóa thành nitrit (NO2

−) sau thành nitrat (NO

3−):

NH4+ + 3/2O2

Nitrosomonas

    → NO2− + 2H+ + H 2O

NO2− + ½ O2

Nitrobacter

    → NO3−

Do có mặt hợp chất nitơ nước làm tăng đáng kể làm sai lệch giá trị BOD xác định Để khắc phục, xác định BOD, người ta phải thêm chất ức chế vi sinh vật tham gia trình nitrat hóa nêu trên, để đảm bảo có hợp chất hữu dễ bị phân hủy sinh học bị oxy hóa sinh vật đóng góp vào kết xác định BOD.

Ngồi thông số COD BOD thường dùng để đại diện cho lượng chất hữu nước nước thải, người ta cịn sử dựng thơng số sau:

− Tổng cacbon hữu (TOC−Total Organic Carbon): thường xác định

cách định lượng CO2 tạo thành oxy hóa cacbon hữu mẫu chất oxy hóa

mạnh (có thể kết hợp chất xúc tác, UV, siêu âm,…) Đơn vị biểu diễn: mg (C)/L

− Nhu cầu oxy lý thuyết (ThOD−Theoretical Oxygen Demand): lượng oxy cần

thiết để oxy hóa hồn tồn chất hữu ThOD tính dựa theo phương trình phản ứng Đơn vị biểu diễn: mg (O2)/L

oxy hóa chất điều kiện nhiệt độ cao (900°C) với xúc tác thích hợp (thường xúc tác Pt) Nhiều chất khơng thể oxy tác nhân oxy hóa sử dụng phép xác định COD, bị oxy hóa điều kiện xác định TOD Vì vậy, kết xác định TOD cao kết xác định COD Đơn vị biểu diễn: mg (O2)/L

3.5.2.3 Dầu mỡ

Dầu mỡ chất khó tan nước tan dung môi hữu Dầu mỡ có thành phần hóa học phức tạp Dầu thơ có chứa hàng ngàn phân tử khác nhau, phần lớn hydrocacbon có số cacbon từ đến 26 Trong dầu thơ cịn có hợp chất lưu huỳnh, nitơ, kim loại Các loại dầu nhiên liệu sau tinh chế (dầu DO, FO) số sản phẩm dầu mỡ khác chứa chất độc PAHs, PCBs, Do đó, dầu mỡ thường có độc tính cao tương đối bền mơi trường nước Độc tính tác động dầu mỡ đến hệ sinh thái nước không giống mà phụ thuộc vào loại dầu mỡ

Hầu hết loại động thực vật bị tác hại dầu mỡ Các loại động thực vật thủy sinh dễ bị chết dầu mỡ ngăn cản q trình hơ hấp, quang hợp cung cấp lượng Tuy nhiên, số loại tảo lại nhạy cảm với dầu mỡ, điều kiện nhiễm dầu mỡ, nhiều loại tảo lại phát triển mạnh

Giao thông thủy, khai thác đặc biệt việc vận chuyển dầu thô nguồn gây ô nhiễm dầu mỡ chủ yếu mơi trường nước

3.5.2.4 Các chất có màu

Nước ngun chất khơng có màu, nước tự nhiên thường có màu chất có mặt nước như:

− Các chất hữu xác thực vật bị phân hủy (các hợp chất humic)

− Sắt mangan dạng keo dạng hòa tan

− Các chất thải công nghiệp (phẩm màu, crôm, tanin, lignin, )

Màu thực nước tạo chất hịa tan chất keo có nước Màu biểu kiến nước (apparent color) chất rắn lơ lửng nước gây

Ngồi tác hại có chất gây màu nước, nước có màu cịn xem không đạt tiêu chuẩn mặt cảm quan, gây trở ngại cho nhiều mục đích sử dụng khác

3.5.2.5 Các chất gây mùi vị

Nhiều chất gây mùi vị cho nước Trong đó, nhiều chất có tác hại đến sức khỏe người gây tác hại khác đến động thực vật hệ sinh thái nước như:

− Các chất hữu từ nước thải đô thị, nước thải công nghiệp

− Các sản phẩm trình phân hủy xác động thực vật

− Dầu mỡ sản phẩm dầu mỏ,

Cũng chất gây màu, chất gây mùi vị gây hại cho đời sống động thực vật làm giảm chất lượng nước mặt cảm quan Tuy nhiên, số chất khống có mặt nước tạo vị nước tự nhiên, thiếu nước uống sạch, chúng nguồn cung cấp chất vi lượng cần thiết cho thể người Khi hàm lượng chất khống thấp khơng có, nước uống trở nên nhạt nhẽo

3.5.2.6 Các vi sinh vật gây bệnh (pathogens)

sinh sản Một số sinh vật gây bệnh sống thời gian dài nước nguy truyền bệnh tiềm tàng Các sinh vật vi khuẩn, vi rút, động vật đơn bào, giun sán

• Vi khuẩn

Vi khuẩn vi sinh vật đơn bào, có cấu tạo tế bào, chưa có cấu trúc nhân phức tạp, thuộc nhóm prokaryotes thường khơng màu Vi khuẩn dạng sống thấp có khả tự tổng hợp nguyên sinh chất từ môi trường xung quanh Vi khuẩn thường có dạng que (bacilli), dạng hình cầu (cocci) dạng hình phẩy (spirilla, vibrios, spirochetes) Các loại vi khuẩn gây bệnh có nước thường gây bệnh đường ruột, dịch tả (cholera, vi khuẩn Vibrio comma), bệnh thương hàn (typhoid, vi khuẩn Salmonella typhosa),

• Vi rút

Vi rút nhóm vi sinh vật chưa có cấu tạo tế bào, có kích thước bé, cui qua màng lọc vi khuẩn Cho đến nay, vi rút cấu trúc sinh học nhỏ biết đến, thấy vi rút qua kính hiển vi điện tử Vi rút có mang đầy đủ thơng tin gen cần thiết giúp cho trình sinh sản vật ký sinh cần phải sống bám vào tế bào sinh vật chủ (từ vi khuẩn đén tế bào động vật, thực vật) Vi rút có nước gây bệnh có liên quan đến rối loạn hệ thần kinh trung ương, viêm tủy xám, viêm gan, Thông thường khử trùng trình khác giai đoạn xử lý nước diệt vi rút Nhưng hiệu cụ thể trình khử trùng chưa đánh giá mức vi rút, kích thước vi rút nhỏ chưa có phương pháp kiểm tra nhanh để phân tích

• Động vật đơn bào (protozoa)

Động vật đơn bào dạng động vật sống nhỏ nhất, thể có cấu tạo đơn bào có chức hoạt động phức tạp vi khuẩn vi rút Động vật đơn bào sống độc lập ký sinh, thuộc loại gây bệnh khơng, có loại có kích thước nhỏ, có loại kích thước lớn nhìn thấy Các loại động vật đơn bào dễ dàng thích nghi với điều kiện bên ngồi nên chúng tồn phổ biến nước tự nhiên, có số thuộc loại sinh vật gây bệnh

Trong điều kiện môi trường không thuận lợi, loại động vật đơn bào thường tạo lớp vỏ kén bao bọc (cyst), khó tiêu diệt trình khử trùng Vì vậy, thơng thường q trình xử lý nước sinh hoạt cần có cơng đoạn lọc để loại bỏ động vật đơn bào dạng vỏ kén

• Giun sán (helminths)

Giun sán loại sinh vật ký sinh có vòng đời gắn liền với hai hay nhiều động vật chủ, người số vật chủ Chất thải người động vật nguồn đưa giun sán vào nước Nước môi trường vận chuyển giun sán quan trọng Tuy nhiên, phương pháp xử lý nước tiêu diệt giun sán hiệu Người thường tiếp xúc với loại nước chưa xử lý có nguy nhiễm giun sán

Các sinh vật thị cho sinh vật gây bệnh

Việc phân tích nước để phát toàn sinh vật gây bệnh thường thời gian công sức Thông thường, người ta thực phép kiểm nghiệm cụ thể để xác định có mặt sinh vật gây bệnh xác định có lý để nghi ngờ có mặt chúng nguồn nước Khi cần kiểm tra thường kỳ chất lượng nước, người ta sử dụng sinh vật thị

Các sinh vật thị sinh vật mà diện chúng biểu thị cho thấy nước bị ô nhiễm sinh vật gây bệnh, đồng thời phản ảnh sơ chất mức độ ô nhiễm

(2) luôn có mặt có mặt sinh vật gây bệnh

(3) ln ln khơng có mặt khơng có mặt sinh vật gây bệnh

(4) xác định dễ dàng thông qua phép kiểm nghiệm, không bị ảnh hưởng cản trở có mặt sinh vật khác nước

(5) sinh vật gây bệnh, khơng có hại cho kiểm nghiệm viên

Trong thực tế, khơng thể tìm sinh vật thị hội đủ điều kiện nêu

Hầu hết sinh vật gây bệnh có mặt nước thường xuất phát từ nguồn gốc phân người động vật Do đó, sinh vật có mặt đường ruột người động vật và thỏa mãn điều kiện nêu dùng làm sinh vật thị Tổng coliforms (total coliforms), fecal coliforms, fecal streptococci, clostridium perfringens, thường sinh vật thị dùng để phát ô nhiễm phân nước Trong số đó, nhóm tổng coliform (total coliform group) bao gồm Escherichia coli, Enterobacter aerogenes, Citrobacter fruendii, thường sử dụng

Total coliforms thường dùng để đánh giá khả bị ô nhiễm phân nước uống Fecal coliforms dùng với loại nước sông suối bị ô nhiễm, nước cống, nước hồ bơi, Ở nước vùng ôn đới Escherichia coli (E coli) loại chiếm ưu đường ruột người, lúc nước vùng nhiệt đới E coli loại vi khuẩn chủ yếu ruột người Vì vậy, total coliform test thường dùng để phát khả ô nhiễm phân nguồn nước vùng

Fecal streptococci, loại vi khuẩn đường ruột, có nhiều động vật hơn người Do đó, tỷ số Fecal coliforms Fecal streptococci (FC/FS) cho biết nước bị ô nhiễm phân người hay phân động vật Khi tỷ số lớn 4,0, nước xem bị ô nhiễm phân người Khi tỷ số nhỏ 0,7, nước xem bị nhiễm phân động vật

Sinh vật (vi khuẩn) thị thường xác định cách, phương pháp lọc màng (membrane filter, hay gọi phương pháp MF, kết biểu diễn số vi khuẩn/100 mL) phương pháp MPN (Most Probable Number, hay gọi phương pháp lên men ống nghiệm, kết biểu diễn số MPN/100 mL)

3.5.3 Các yêu cầu chất lượng nước − Tiêu chuẩn chất lượng nước

Yêu cầu chất lượng nước thay đổi tùy theo mục đích sử dụng nước Một loại nước khơng đạt u cầu cho mục đích sử dụng đạt yêu cầu cho mục đích sử dụng khác

Khi khơng có nước có chất lượng tốt để sử dụng người ta buộc phải chấp nhận sử dụng loại nước có chất lượng yêu cầu

Các tổ chức quốc tế, quốc gia quan có thẩm quyền thường phải ban hành tiêu chuẩn chất lượng nước (water quality standards), yêu cầu chất lượng nước mang tính pháp lý

Ở Việt Nam, Bộ Khoa học Công nghệ Môi trường ban hành tiêu chuẩn chất lượng cho nước mặt, nước ngầm, nước biển ven bờ, nước thải

Tiêu chuẩn chất lượng nước cho mục đích sử dụng khác nước sử dụng cho mục đích ni trồng thủy sản, nước tưới tiêu nông nghiệp, nước uống, Bộ, Ngành ban hành cụ thể theo chức riêng

trong nước mặt (TCVN 5942−1995)

TT Thông số Đơn vị Giá trị giới hạn

A B

1 pH − − 8,5 5,5 −

2 BOD5 (20oC) mg/l < < 25

3 COD mg/l < 10 < 35

4 Oxy hòa tan mg/l ≥ ≥

5 Chất rắn lơ lửng mg/l 20 80

6 Asen mg/l 0,05 0,1

7 Bari mg/l

8 Cadmi mg/l 0,01 0,02

9 Chì mg/l 0,05 0,1

10 Crom (VI) mg/l 0,05 0,05

11 Crom (III) mg/l 0,1

12 Đồng mg/l 0,1

13 Kẽm mg/l

14 Mangan mg/l 0,1 0,8

15 Niken mg/l 0,1

16 Sắt mg/l

17 Thủy ngân mg/l 0,001 0,002

18 Thiếc mg/l

19 Amoniăc (tính theo N) mg/l 0,05

20 Florua mg/l 1,5

21 Nitrat (tính theo N) mg/l 10 15

22 Nitrit (tính theo N) mg/l 0,01 0,05

23 Xianua mg/l 0,01 0,05

24 Phenola (tổng số) mg/l 0,001 0,02

25 Dầu, mỡ mg/l không 0,3

26 Chất tẩy rửa mg/l 0,5 0,5

27 Coliform MPN/100 ml 5,000 10,000

28 Tổng hóa chất bảo vệ thực vật (trừ DDT) mg/l 0,15 0,15

29 DDT mg/l 0,01 0,01

30 Tổng hoạt động phóng xạ α Bq/l 0,1 0,1

31 Tổng hoạt động phóng xạ β Bq/l 1,0 1,0

Chú thích: − Cột A áp dụng nước mặt dùng làm nguồn cấp nước sinh hoạt (nhưng phải qua trình xử lý theo quy định)

− Cột B áp dụng nước mặt dùng cho mục đích khác Nước dùng cho nơng nghiệp ni trồng thủy sản có quy định riêng

trong nước thải công nghiệp (TCVN 5945 -1995)

TT Thông số Đơn vị Giá trị giới hạn

A B C

1 Nhiệt độ oC 40 40 45

2 pH − ÷ 5.5 ÷ ÷

3 BOD5 (20oC) mg/l 20 50 100

4 COD mg/l 50 100 400

5 Chất rắn lơ lửng mg/l 50 100 200

6 Asen mg/l 0,01 0,2 0,5

7 Cadmi mg/l 0,01 0,02

8 Chì mg/l 0,1 0,5

9 Clo dư mg/l 2

10 Crom (VI) mg/l 0,05 0,1 0,5

11 Crom (III) mg/l 0,2

12 Đồng mg/l 0,2

13 Kẽm mg/l

14 Mangan mg/l 0,2

15 Niken mg/l 0,2

16 Sắt mg/l 10

17 Thủy ngân mg/l 0,005 0,005 0,01

18 Thiếc mg/l 0,2

19 Amoniac (tính theo N) mg/l 0,1 10

20 Tổng nitơ mg/l 30 60 60

21 Florua mg/l

22 Xianua mg/l 0,05 0,1 0,2

23 Sulfua mg/l 0,2 0,5

24 Phenol mg/l 0,001 0,05

25 Dầu mỡ khoáng mg/l ND

26 Dầu động thực vật mg/l 10 30

27 Phot hữu mg/l 0,2 0,5

28 Phot tổng số mg/l

29 Tricloetylen mg/l 0,05 0,3 0,3

30 Tetracloetylen mg/l 0,02 0,1 0,1

31 Coliform MPN/100 ml 5000 10000 −

32 Tổng hoạt độ phóng xạ α Bq/l 0,1 0,1

33 Tổng hoạt độ phóng xạ β Bq/l 1,0 1,0

Chú thích: − Nước thải cơng nghiệp có giá trị thơng số nồng độ chất thành phần nhỏ giá trị quy định cột A đổ vào vực nước dùng làm nguồn cấp nước cho sinh hoạt

− Nước thải cơng nghiệp có giá trị thông số nồng độ chất thành phần nhỏ giá trị quy định cột B đổ vào vực nước dùng cho mục đích giao thơng thủy, tưới tiêu, bơi lội, nuôi thủy sản, trồng trọt

loại nước sau:

− Nước sông, suối, hồ, biển ven bờ (in-stream quality) Tiêu chuẩn chất lượng phải đảm bảo trì mặt pháp lý chất lượng nước cho nước đủ an tồn cho mục đích đánh bắt cá, bơi lội cần vài công đoạn xử lý đơn giản cấp cho sinh hoạt

− Nước uống Tiêu chuẩn chất lượng nước uống phải đảm bảo nước đạt tiểu chuẩn cảm quan, không màu, không mùi vị lạ, mà cịn phải an tồn cho người sử dụng Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) ban hành hướng dẫn tiêu chuẩn chất lượng nước uống (1984, 1993), nhiều quốc gia dựa vào hướng dẫn để ban hành tiêu chuẩn chất lượng nước uống riêng cho nước

− Nước thải Tiêu chuẩn chất lượng nước thải quy định nồng độ tối đa cho phép tác nhân ô nhiễm nước thải thải vào môi trường Tùy theo đặc trưng riêng (lưu lượng, khả tự làm sạch, mục đích sử dụng, ) nguồn nhận thải (sơng, suối, hồ, biển, ), quyền địa phương cịn có tiêu chuẩn quy định riêng thích hợp, nhằm bảo đảm chất lượng nước nguồn nhận thải đạt yêu cầu chất lượng nước sông, suối, hồ, nước biển ven bờ nêu

Các tiêu chuẩn chất lượng nước sông, suối, hồ, nước biển ven bờ, nước uống, nước thải có liên quan mật thiết với

Các tiêu chuẩn chất lượng nước nêu thường xuyên thay đổi theo chiều hướng ngày khắt khe dựa vào kết nghiên cứu độc học, y học, thành tựu lĩnh vực phân tích hóa học, phân tích sinh học, khả kinh tế − kỹ thuật, phương pháp xử lý nước nước thải, nhằm mục đích đảm bảo an tồn cho sức khỏe người hệ sinh thái môi trường nước nói riêng hệ sinh thái tự nhiên nói chung

3.6 Xử lý nước thải

Nguồn gây ô nhiễm môi trường nước quan trọng nước thải Nước thải sinh hoạt nước thải công nghiệp chứa tác nhân độc hại gây suy thối chất lượng nước sơng, hồ, nước ngầm Vì vậy, việc xử lý nước thải trước thải vào môi trường công việc tối cần thiết để bảo vệ tài ngun nước nói riêng mơi trường nói chung Có thể nói hầu hết quốc gia có quy định cụ thể nồng độ tối đa cho phép tác nhân gây ô nhiễm nước thải thải vào môi trường Tiêu chuẩn Việt Nam mơi trường, TCVN 5945−1995, tiêu chuẩn nước thải Việt Nam

3.6.1 Các phương pháp sinh học để xử lý nước thải

Hầu hết chất hữu nước thải trở thành thức ăn cho vi sinh vật phát triển Đây sở phương pháp sinh học để xử lý nước thải Các phương pháp sinh học thường sử dụng để xử lý loại nước thải chứa nhiều chất hữu cơ, nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp thực phẩm, công nghiệp thủy sản, chế biến sản xuất giấy,

Các vi sinh vật thuộc loại hiếu khí (cần có oxy tự để hoạt động, aerobic), loại kỵ khí (khơng cần oxy tự để hoạt động, anaerobic), loại tùy nghi (có thể phát triển có hoặc khơng có oxy tự do, facultative) Loại vi sinh vật sử dụng oxy liên kết (ví dụ oxy NO3−, ) để phát triển, thường gọi vi sinh vật thiếu khí (anoxic).

Trong q trình xử lý sinh học, vi sinh vật phát triển dạng lơ lửng dung dịch phát triển vật bám (giá thể)

3.6.1.1 Các phương pháp hiếu khí

Trong q trình xử lý hiếu khí, vi khuẩn hiếu khí dị dưỡng (lấy cacbon từ hợp chất hữu cơ) oxy hóa khoảng 1/3 hợp chất hữu tan dạng keo nước thành sản phẩm cuối đơn giản (CO2 + H2O) chuyển hóa 2/3 lượng chất hữu lại thành tế

bào vi sinh vật mới, phần loại bỏ khỏi nước thải cách lắng Q trình biểu diễn phương trình phản ứng sau [12]:

Chất hữu + O2  CO2 + H2O + tế bào

Trong điều kiện hiếu khí, vi khuẩn tự dưỡng (lấy cacbon từ hợp chất vơ cơ) chuyển hợp chất hữu có chứa nitơ thành nitrat qua phản ứng sau:

Chất hữu chứa N  NH3 (phân hủy)

NH3 + O2       →Vi khuân nitrat hóa NO2−     →Nitrat hóa NO3−

Nitrat tạo thành khơng thể chuyển hóa thành dạng khác, trừ môi trường chuyển sang điều kiện thiếu khí (chỉ có oxy liên kết hệ), lúc vi khuẩn dị dưỡng chuyển NO3− tạo thành N2:

NO3−        →Vi khuân denitrat hóa NO2−  N2 (đề nitrat hóa)

cũng điều kiện thiếu khí, SO42− bị khử thành khí H2S có mùi thối:

SO42−       →Vi khuân khu sunfat H2S

Theo phương pháp hiếu khí, số kỹ thuật sau thường sử dụng:

• Kỹ thuật bùn hoạt hóa (activated sludge process)

Đây kỹ thuật sử dụng rộng rãi để xử lý nước thải đô thị nước thải công nghiệp thực phẩm Nước thải sau thu gom sàng lọc sơ để loại chất rắn lơ lửng đưa vào bể xử lý Trong bể xử lý, vi khuẩn hiếu khí trì dạng lơ lửng nước thải nhờ hệ thống cánh khuấy có kết hợp sục khơng khí Sinh khối tạo quá trình xử lý (tế bào vi sinh vật sống chết) gọi bùn hoạt hóa (cịn gọi bùn hoạt tính) Để trì mật độ vi khuẩn cao bể xử lý, phần bùn hoạt hóa từ bể lắng được đưa ngược lại vào bể xử lý (bùn hồi lưu) Phần bùn thải cịn lại làm khơ (tách nước) tiêu hủy nhiều biện pháp khác Quá trình loại dến 90% BOD, 40% nitơ 60 ÷ 90% coliform

Hình 3.13 Sơ đồ hệ xử lý nước thải theo kỹ thuật bùn hoạt hóa

Nước thải

Cặn thơ Khơng khí Khuấy

Nước thải xử lý

Bùn hoạt hóa hồi lưu

Hệ nén bùn

Phân hủy kỵ khí

Bùn phân hủy

Sàng lọc sơ bộ,

• Kỹ thuật màng mỏng cố định (fixed film process)

Trong kỹ thuật này, nước thải tiếp xúc với vi sinh vật bám vào giá thể đá, chất dẻo, cát, gốm, sứ, gỗ, Hệ lọc nhỏ giọt (lọc sinh học, trickling filter) sử dụng phổ biến để xử lý chất hữu nước thải, ví dụ kỹ thuật màng mỏng cố định

Trong hệ lọc nhỏ giọt, nước thải phun từ bên tháp, chảy qua vật liệu xốp rỗng đặt cách thành lớp tháp Vi sinh vật hiếu khí phát triển bề mặt lớp vật liệu nói (gọi màng sinh học) tiếp xúc với nước thải phân hủy chất hữu nước thải theo chế phân hủy hiếu khí

Hình 3.14 Bể lọc nhỏ giọt để xử lý nước thải đô thị [18]

3.6.1.2 Các phương pháp kỵ khí

Trong q trình xử lý kỵ khí, hai nhóm vi khuẩn kỵ khí dị dưỡng tham gia vào giai đoạn phân hủy để phân hủy 90% chất hữu nước thải thành sản phẩm trung gian (thường axít hữu rượu), sau thành mêtan cacbonic

Chất hữu      →vi khuân tao axit Hợp chất trung gian + CO

2 + H2S + H2O

Các axít hữu      →vi khuân mêtan CH

4 + CO2

So với phân hủy hiếu khí, phân hủy kỵ khí có ưu điểm sau:

− Tạo sản phẩm mêtan, dùng làm nhiên liệu

− Tạo bùn thải (chỉ 10% so với xử lý hiếu khí)

Theo phương pháp kỵ khí số kỹ thuật sau thường sử dụng:

• Bể phân hủy kỵ khí (anaerobic digestion)

Bể phân hủy kỵ khí phương pháp sử dụng sớm để xử lý bùn thải trình xử lý sinh học Trong bể phân hủy kỵ khí xảy phân hủy khơng hợp chất hữu mà hợp chất vô Ngày phương pháp sử dụng hiệu để xử lý loại bùn thải số loại chất thải công nghiệp khác

• Kỹ thuật UASB (upflow anaerobic sludge − blanket)

Trong kỹ thuật UASB, nước thải cần xử lý đưa vào bể xử lý kỵ khí từ phía đáy Trong bể, dịng nước thải lên gặp lớp hạt bùn tạo thành trình sinh học bể xử lý, đồng thời sinh khí CH4, CO2, Khí sinh tạo thành dịng

đối lưu bể, giúp tạo thành lớp hạt bùn sinh học Một phần khí sinh bám vào hạt bùn, làm chúng lên đỉnh bể, hạt bùn va chạm với phểu thu khí lắp đặt đỉnh bể làm bọt khí tách khỏi hạt bùn Hạt bùn tách khỏi bọt khí lại chìm xuống Bọt khí tách thu vào hệ thu khí bể xử lý Tốc độ đưa nước thải vào bể xử lý khống chế thích hợp để trì trạng thái lơ lửng lớp hạt bùn sinh học bể

Hình 3.15 Sơ đồ hệ thống UASB

3.6.1.3 Một số phương pháp xử lý sinh học thơng dụng khác • Ao tùy nghi (facultative ponds)

Ao tùy nghi thường dùng để xử lý nước thải đô thị Nước thải dẫn vào ao có độ sâu nhỏ, từ đến m Tùy theo độ sâu mức nước thải ao, có q trình phân hủy hiếu khí, tùy nghi kỵ khí xảy ao Ở lớp nước mặt, tiếp xúc với khơng khí nên DO cao, xảy q trình hiếu khí chuyển hóa chất hữu thành CO2 Trong tầng nước mặt tảo đóng vai trị hỗ trợ đáng kể cho trình phân hủy chất hữu

do cung cấp thêm DO cho nước qua trình quang hợp Ngược lại, tầng đáy trình phân hủy kỵ khí lại xảy chủ yếu (Hình 3.16)

Mặc dù ao tùy nghi đơn giản, hoạt động không cần nhiều công lao động chuyên môn để vận hành, song có nhiều điểm yếu Tảo phát triển ao bên cạnh vai trị tích cực nêu trên, lại khó loại khỏi nước sau xử lý, chí cịn làm tăng BOD nước nhiều so với phần BOD chất hữu xử lý ao Hiệu xử lý ao tùy nghi phụ thuộc mạnh vào điều kiện khí hậu, thời tiết, đặc biệt nước vùng ơn đới vào mùa Đơng Diện tích để xây dựng ao lớn, không phù hợp với vùng có mật độ dân cư cao

• Kỹ thuật đất ngập nước (wetland)

Các vùng đất ngập nước tự nhiên hay nhân tạo, vùng đầm lầy, mơi trường thích hợp cho q trình sa lắng hoạt động vi khuẩn để xử lý loại nước thải qua số công đoạn xử lý trước (tải lượng chất ô nhiễm không cao) Các loại thực vật thủy sinh bèo Nhật Bản, cỏ chồn (cattail), tham gia vào q trình xử lý làm

Nước thải vào

Nước thải xử lý Khí

vào hệ thu khí

nước thải thân thực vật hấp thụ bớt chất dinh dưỡng (N, P) nước, thân rễ chúng giá thể tốt cho vi sinh vật phát triển phân hủy chất ô nhiễm hữu nước thải Người ta cịn ni số số loại cá ăn tạp vùng ngập nước để tận dụng nguồn thực vật phát triển, xem biện pháp hỗ trợ cho hiệu xử lý nước thải vùng đất ngập nước

Hình 3.16 Sơ đồ biểu diễn hoạt động ao tùy nghi [11]

3.6.2 Các phương pháp lý − hóa học để xử lý nước thải

Có phương pháp lý − hóa học thường dùng để xử lý nước thải:

− Phương pháp lắng keo tụ

− Phương pháp hấp phụ

− Phương pháp trung hòa

− Phương pháp dùng chất oxy hóa

3.6.2.1 Phương pháp lắng keo tụ

Nước thải đưa vào bể chứa để lắng chất rắn Thông thường chất rắn lơ lửng lắng chậm khó lắng Để tăng tốc độ lắng, người ta thường dùng chất gây keo tụ như:

− Al2(SO4)3.nH2O (n = 13 ÷ 18) − Hỗn hợp Na2CO3 + Al2(SO4)3

Tảo

CO2, NO3, PO4, SO4 O2

Vi khuẩn hiếu khí

Gió Ánh sáng Mặt trời CO2

Axít hữu sản phẩm khử khác

C, N, P, S

Tầng bùn

Lớp chống thấm Sinh

khối Sinh khối

V

ùng

tùy ng

hi

S

ự

ch

uyể

n đ

ổi g

iữa

điều kiện

hiếu khí

và

kỵ khí ph

ụ

thu

ộc và

o đ

iều

ki

ện kh

í

hậu

và tải lư

ợng

nước thải

V

ùng

kỵ khí

Vùn

g

hiếu khí

− FeSO4.7H2O − Ca(OH)2 − NaAlO2,…

3.6.2.2 Phương pháp hấp phụ

Phương pháp hấp phụ dựa nguyên tắc chất ô nhiễm tan nước bị hấp phụ bề mặt số chất rắn (chất hấp phụ) Các chất hấp phụ thường dùng than hoạt tính dạng hạt hay dạng bột, than bùn sấy khơ, đất sét hoạt hóa

Các chất hữu cơ, chất màu, kim loại nặng dễ bị hấp phụ Lượng chất hấp phụ sử dụng tùy thuộc vào khả hấp phụ chất hàm lượng chất cần hấp phụ nước Trong nhiều trường hợp người ta lợi dụng khả hấp phụ sắt (III) hydroxit nhôm hydroxit tạo thành trình keo tụ để xử lý loại kim loại nặng chất ô nhiễm hữu độc hại nước

3.6.2.3 Phương pháp trung hòa

Nước thải có độ axít cao cần cho qua bể chứa vật liệu lọc có tính kiềm vơi, đá vôi, đôlômit, dùng nước vôi, dung dịch kiềm (NaOH, Na2CO3) để trung hịa

Nước thải có tính kiềm, dùng axít lỗng để trung hịa

Trước trung hịa cần chuẩn bị tính tốn lượng hóa chất cho sau trung hịa pH mơi trường đạt giá trị mong muốn

3.6.2.4 Phương pháp oxy hóa

Nhiều tác nhân nhiễm độc hại nước thải xử lý cách thêm chất oxy hóa mạnh vào nước Ví dụ, nhiều chất hữu bị oxy hóa oxy khơng khí, Cl2, O3,

H2O2,… phân hủy thành chất hữu đơn giản độc hại

Q trình oxy hóa chất hữu nước thải thực nhiệt độ thường, nhiệt độ cao Trong nhiều trường hợp người ta sử dụng áp suất cao để nâng nhiệt độ xử lý lên 300°C

Các tác nhân oxy hóa hóa học thường sử dụng kết hợp với chất xúc tác, tia UV, vi sóng, siêu âm, để nâng cao hiệu oxy hóa chất hữu

ĐỊA QUYỂN VÀ Ô NHIỄM MÔI TRƯỜNG ĐẤT 4.1 Khái niệm đất

Đất lớp mỏng khoáng vật bề mặt Trái đất bị phong hóa kết hợp với thành phần hữu Thực vật phát triển đất, đất yếu tố nông nghiệp Với người hầu hết sinh vật cạn, đất thành phần tối quan trọng địa Mặc dù lớp mỏng so với kích thước Trái đất, song đất lại môi trường sản sinh lương thực, thực phẩm cho hầu hết dạng sinh vật

Bên cạnh vai trò sản xuất lương thực thực phẩm, đất nơi tiếp nhận lượng lớn chất gây ô nhiễm Một số chất người đưa vào đất phân bón, hóa chất bảo vệ thực vật,… góp phần làm nhiễm mơi trường đất, nước khơng khí

Vì vậy, nói đất khâu quan trọng chu trình hóa học mơi trường

Đất tạo thành phong hóa đá gốc, trình tự nhiên bao gồm trình địa chất, thủy văn sinh học kết hợp lại Đất xốp phân thành tầng theo độ sâu Sự phân tầng sản phẩm trình thấm nước xuống đất, trình sinh học bao gồm tạo thành phân hủy sinh khối

Có thể nói đất vật thể thiên nhiên tạo thành nhờ kết hợp sáu yếu tố đá, sinh vật (gồm động vật thực vật), khí hậu, địa hình, nước thời gian Các loại đá cấu tạo nên vỏ Trái đất, tác dụng khí hậu, địa hình, nước, sinh vật, trải qua thời gian lâu dài, bị phá hủy, vụn thành đất Nhiều nhà nghiên cứu cho có lồi người, người yếu tố đặc biệt quan trọng tác động đến hình thành thối hóa đất

Đất hệ mở, hệ thường xuyên trao đổi chất lượng với khí quyển, thủy sinh

Trên quan điểm sinh thái học mơi trường, xem đất thể sống có nhiều sinh vật khác như: vi khuẩn, nấm, tảo, thực vật, động vật Do đó, đất tuân thủ quy luật sống: phát sinh, phát triển, thối hóa già cỗi

Thực tế người quan tâm tới vỏ ngồi Trái đất có độ sâu khoảng 16 km 4.2 Bản chất thành phần đất

Đất hỗn hợp chất khoáng, chất hữu nước, có khả trì sống cho thực vật bề mặt Trái đất Trong đất có chứa khơng khí, nước chất rắn

Chất rắn thành phần chủ yếu đất, chiếm gần 100% khối lượng đất chia thành hai loại: chất rắn vô chất rắn hữu

Đất canh tác khơ thường có chứa khoảng 5% chất hữu 95% chất vô Một số loại đất, đất than bùn chứa đến 95% chất hữu Một số loại đất khác chứa khoảng 1% chất hữu

Hợp phần hữu đất chứa:

− Sản phẩm phân hủy giai đoạn khác sinh khối động thực vật,

− Vi khuẩn, nấm mốc động vật côn trùng, giun đất,…

Thông thường đất phân bố thành tầng theo độ sâu Các tầng đất hình thành tương tác phức tạp q trình xảy suốt q trình phong hóa Nước mưa thấm qua đất kéo theo chất tan hạt keo rắn xuống tầng khác bên tích tụ lại Các q trình sinh học, ví dụ phân hủy sinh khối thực vật tác dụng vi sinh vật tạo CO2, axit hữu cơ, hợp chất tạo phức Sau đó, chất bị nước mưa

Tầng đất dày khoảng vài đến vài chục centimet, gọi tầng A, hay gọi tầng đất mặt Đây lớp đất chứa nhiều chất hữu vùng đất có vi sinh vật hoạt động mạnh Ion kim loại hạt sét tầng A dễ bị theo nước Tầng đất gọi tầng B, hay tầng đất Tầng tiếp nhận chất hữu cơ, loại muối, hạt sét từ tầng đất mặt Tầng C tạo thành từ đá gốc phong hóa (sản phẩm từ hình thành đất)

Hình 4.1 Các tầng đất

Có nhiều loại đất có đặc tính khác nhau, sử dụng loại đất vào mục đích sử dụng riêng, ví dụ đất canh tác, đất làm đường, đất làm bãi chơn lấp Loại đá gốc từ tạo thành đất định thành phần tính chất đất tạo thành

4.2.1 Các thành phần vô đất

Các chất rắn vô thành phần chủ yếu đất, chiếm 97 - 98% đất khơ [14] Thành phần ngun tố hóa học có mặt đất trình bày Bảng 4.1 Năm nguyên tố cuốí bảng H, C, S, P N cần cho trồng, nguyên tố chứa đá đất Cacbon đất nhiều đá đến 20 lần, nitơ gấp 10 lần, mà đất trồng ni sống

Ion oxalat, tạo thành trình đồng hóa nấm mốc, tồn đất dạng muối canxi; nước đất chứa ion oxalat hòa tan số khống, thúc đẩy q trình phong hóa, làm gia tăng ion dinh dưỡng cho thực vật Phản ứng tạo phức ion oxalat ion sắt hay nhơm khống biểu diễn phương trình phản ứng sau:

3H+ + M(OH)

3(r) + 2CaC2O4(r) ⇌ M(C2O4)2−(dd) + 2Ca2+(dd) + 3H2O

trong đó, M Al hay Fe

Khoáng vật chứa nguyên tố thường gặp vỏ Trái đất oxy, silic, nhôm, sắt, canxi, natri, kali magiê thành phần khống đất Các loại khoáng phổ biến đất thạch anh (SiO2), orthoclase (KAlSi3O8), albite (NaAlSi3O8), epidote

(4CaO.3(AlFe)2O3.6SiO2.H2O), geothite (FeO(OH)), magnetite (Fe3O4), canxi magiê

cacbonat (CaCO3, CaCO3.MgCO3) oxit mangan titan Các khoáng sét loại khoáng

Thực vật

Đá gốc Tầng C (tầng đá gốc bị phong hóa)

Tầng A (tầng đất mặt)

quan trọng đất Khống sét có cơng thức chung nSiO2.Al2O3.mH2O; khống sét

kaolinite có tỷ lệ n:m = 2:2; khống sét montmorillonite có tỷ lệ n:m = 4:2; khống sét illite dạng trung gian loại khoáng trên, gần với montmorillonite Các khoáng hấp thụ mạnh cation Ca2+, Mg2+, Na+, K+, NH

4+, nên cation khơng bị

nước rửa trơi mà giải phóng dần vào đất làm thức ăn cho

Một sản phẩm cuối q trình phong hóa đá gốc hạt keo vơ Các hạt keo đóng vai trò quan trọng đất Hạt keo giữ nước chất dinh dưỡng cho thực vật hấp thụ Ngồi ra, hạt keo đất có chất vơ cịn hấp thụ chất độc đất, chúng đóng vai trị tác nhân làm giảm độc tính chất gây độc cho thực vật Bản chất mật độ hạt keo vô yếu tố quan trọng để xác định suất sinh học đất

Sự hấp thụ chất dinh dưỡng rễ thường liên quan đến tương tác phức tạp với nước pha vơ đất Ví dụ, chất dinh dưỡng bị hạt keo vô giữ phải vượt qua bề mặt phân cách khống/nước, sau bề mặt phân cách nước/rễ Quá trình thường bị ảnh hưởng mạnh cấu trúc ion chất vô nước

Bảng 4.1 Hàm lượng nguyên tố hóa học đá đất (‰ w/w) [6]

Nguyên tố Đá Đất

Oxy 47,2 49,0

Silic 27,6 33,0

Nhôm 8,8 7,13

Sắt 5,1 3,8

Canxi 3,6 1,37

Natri 2,64 0,63

Kali 2,6 1,36

Magiê 2,1 0,6

Titan 0,6 0,46

Hydro 0,15 −

Cacbon 0,1 2,0

Lưu huỳnh 0,09 0,08

Photpho 0,08 0,09

Nitơ 0,01 0,1

4.2.2 Các thành phần hữu đất

Mặc dù chiếm 5% thành phần đất canh tác, hợp phần hữu đóng vai trị quan trọng yếu tố định chất lượng mặt suất sinh học Các chất hữu đất nguồn thức ăn vi sinh vật, chúng tham gia vào phản ứng hóa học phản ứng trao đổi, đồng thời ảnh hưởng đến tính chất vật lý đất

Trong đất chứa số hợp chất hữu hoạt động sinh học polysaccarit, đường amino, nucleotic, hợp chất hữu chứa lưu huỳnh, photpho

Điều đáng ý có mặt hợp chất đa vòng ngưng tụ (PAH), fluoranthene, pyrene chrysene đất Các hợp chất xếp vào loại chất có khả gây ung thư Các hợp chất phát sinh đất nguồn tự nhiên (đồng cỏ cháy) lẫn nguồn nhân tạo (đốt chất thải, nguồn thải gây ô nhiễm khác)

Sự tích tụ chất hữu đất phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ lượng oxy Ở vùng có nhiệt độ thấp, chất hữu bị phân hủy sinh học chậm tích lũy đất nhiều Trong nước đất úng nước, chất hữu khơng có đủ oxy để phân hủy Vì vậy, vùng đất úng nước có nhiều thực vật phát triển phân hủy, thành phần hữu đất lên đến 90%

Khi chiết đất hỗn hợp ete rượu thu dung dịch chứa sắc tố b-carotein, chlorophyll xanthophyll

Bảng 4.2 Các loại hợp chất hữu đất [14]

Loại hợp chất Thành phần Ghi chú

Mùn Phần cịn lại khó phân hủy xác

thực vật Chủ yếu chứa C, H O

Là thành phần hữu phổ biến nhất, cải thiện tính chất vật lý đất, khả trao đổi chất dinh dưỡng, nơi lưu giữ lượng N sinh cố định đạm

Chất béo, chất nhựa sáp

Các chất béo chiết dung môi hữu

Thường chiếm vài % so thành phần hữu cơ, có hại cho đất khơng thấm nước, độc hại trồng

Saccarit Cellulose, tinh bột, hemi-cellulose,

chất gơm

Nguồn thức ăn cho vi sinh vật, làm ổn định độ liên kết đất Hợp chất hữu

chứa N

Mùn chứa N, amino axit, đường amino, chất khác

Cung cấp nitơ làm cho đất màu mỡ Hợp chất photpho Các este photphat, inositol

photphat (axit phytic), photpholipit

Nguồn cung cấp P cho thực vật

Dưới tác động khơng khí, nước, nhiệt độ vi sinh vật, chất hữu từ xác động vật thực vật bị biến đổi theo hai q trình: q trình khống hóa q trình mùn hóa

• Q trình khống hóa

Khống hóa q trình phân hủy hợp chất hữu để tạo thành chất vô đơn giản, muối khống, khí CO2, H2S, NH3, H2O

• Q trình mùn hóa

Q trình tạo thành mùn gọi q trình mùn hóa

Mùn thành phần hữu quan trọng đất Mùn sản phẩm lại phân hủy xác thực vật vi khuẩn nấm mốc có đất

Trong trình mùn hóa, vi sinh vật chuyển hóa chất hữu thành CO2 lấy

năng lượng từ q trình Vi sinh vật cịn liên kết nitơ với hợp chất tạo thành trình phân hủy Tỷ lệ nitơ/cacbon tăng từ 1/100 sinh khối thực vật tươi đến 1/10 mùn trình mùn hóa kết thúc Vì vậy, mùn chứa nhiều hợp chất nitơ hữu

Mặc dù chiếm vài phần trăm thành phần đất, hợp chất mùn có ảnh hưởng mạnh đến tính chất đất:

− Có khả liên kết mạnh với ion kim loại, giữ nguyên tố kim loại vi lượng đất

− Có tính axit bazơ nên cịn đóng vai trò tác nhân đệm pH đất

− Mùn liên kết hạt đất làm tăng khả giữ ẩm khả hấp thụ chất hữu đất

4.3 Nước khơng khí đất 4.3.1 Nước đất

Thơng thường, hạt đất có kích thước nhỏ, đồng thời đất cịn có mao quản lỗ xốp nhỏ, nên nước đất khơng tồn hồn toàn độc lập với phần chất rắn đất Thực vật sử dụng nước lỗ xốp lớn đất, loại nước chảy khỏi đất Nước chứa lỗ xốp nhỏ lớp khoáng sét bị giữ chặt hơn, thực vật khó hấp thụ phần nước

Đất chứa nhiều chất hữu thường giữ lượng nước nhiều loại đất khác, thực vật khó sử dụng lượng nước này, bị hấp phụ vật lý hóa học lên thành phần hữu

Nước tương tác mạnh với khoáng sét đất Nước bị hấp phụ lên bề mặt hạt sét Do có diện tích bề mặt riêng lớn nên hạt keo sét giữ lượng nước lớn Nước cịn bị giữ lớp sét biến tính, khống sét montmorillonite

Khi bị úng nước, tính chất lý, hóa, sinh đất bị biến đổi:

− Oxy đất bị suy kiệt nhanh chóng hoạt động hơ hấp vi sinh vật tham gia trình phân hủy chất hữu

− Liên kết hạt keo đất bị bẻ gãy, cấu trúc đất bị phá vỡ

− Nước dư thừa đất gây hại cho trồng, lúc đất khơng chứa đủ lượng khơng khí cần thiết cho rễ Ngoại trừ lúa, hầu hết lương thực khác phát triển đất úng nước

− pE đất giảm (chuyển sang môi trường khử) tác dụng chất khử hữu tác dụng xúc tác vi sinh vật pE giảm mạnh xuống khoảng nhỏ (so với giá trị 13,7 pH điều kiện nước cân với khơng khí)

Hậu thay đổi di động sắt mangan, oxit khơng tan mức oxy hóa cao chúng bị khử dạng sắt (II) mangan (II) tan được:

MnO2 + 4H+ + 2e− → Mn2+ + 2H2O

Fe2O3 + 6H+ + 2e− → Fe2+ + 3H2O

Mangan tan dạng ion Mn2+, sắt (II) tan thường tồn dạng ion phức

tích điện âm với phối tử hữu Do sắt (II) tạo phức mạnh với axit fulvic đất, nên sắt (III) dễ bị khử thành sắt (II) điều kiện

Cùng với số ion khác, Fe2+ Mn2+ nồng độ cao ion độc hại với thực vật

“nước phèn” đóng thành váng mặt đất (“đóng phèn”)

4.3.2 Khơng khí đất

Trong loại đất thông thường, lỗ xốp chứa khơng khí chiếm khoảng 35% tổng thể tích đất Thành phần khơng khí đất hồn tồn khác khơng khí bình thường (chứa khoảng 21% O2 0,03% CO2 tínhtheo thể tích) Nguyên nhân khác biệt giải

thích phân hủy chất hữu đất:

{CH2O} + O2 → CO2 + H2O

Quá trình tiêu thụ oxy tạo thành CO2 Do hàm lượng oxy khơng khí

trong đất giảm xuống cịn khoảng 15%, lúc hàm lượng CO2 tăng lên đến khoảng vài

phần trăm Sự phân hủy làm tăng CO2 nước ngầm, làm giảm pH làm tăng

sự phong hóa khống cacbonat, đặc biệt khống canxi cacbonat CO2 cịn làm chuyển

dịch cân hấp thụ ion kim loại rễ [10]: Đất}Ca2+ + 2CO

2 + 2H2O ⇌ Đất}(H+)2 + Ca2+(rễ cây) + 2HCO3−

Khi trình trao đổi chất đất khí khơng tốt bên cạnh CO2, khơng

khí đất cịn chứa khí khác NO2, NO, H2, CH4, C2H4, H2S 4.4 Dịch đất

Dịch đất phần nước đất chứa chất tan tạo thành từ q trình hóa học sinh học đất, từ trình trao đổi đất với thủy sinh Dịch đất vận chuyển chất hóa học đến khỏi hạt đất Ngoài tác dụng cung cấp nước cho phát triển thực vật, dịch đất tạo điều kiện cần thiết cho trình trao đổi chất dinh dưỡng rễ hạt đất

Rất khó thu dịch đất phần lớn dịch đất giữ mao quản tạo thành lớp màng mỏng bề mặt hạt đất Một cách trực tiếp để lấy dịch đất thu nước rỉ từ đất Ngồi ra, tách dịch đất từ đất ẩm cách thay nước với chất lỏng không trộn lẫn với nước, dùng biện pháp học ly tâm, nén ép hay xử lý chân khơng

Hầu hết chất khống hòa tan dịch đất tồn dạng ion Các cation chủ yếu thường H+, Ca2+, Mg2+, K+, Na+ Các ion Fe2+, Mn2+, Al3+ thường có mặt với nồng độ

thấp, chúng thường dạng hydrat hóa FeOH+, hay dạng tạo phức với hợp chất

hữu mùn Các anion dịch đất thường gặp HCO3−, CO

32−, SO42−, Cl− F−

Các anion tạo phức với ion kim loại, AlF2+ Các cation anion đa hóa trị

có thể kết hợp tạo thành cặp ion hợp chất CaSO4, FeSO4 4.5 Phản ứng axit-bazơ phản ứng trao đổi ion đất 4.5.1 Sự tạo thành axit vơ đất

Khống pyrite (FeS2) có mặt số loại đất tiếp xúc với khơng khí bị

ơxi hóa thành axit sulfuric

FeS2 + 7/2O2 + H2O ⇌ Fe2+ + 2H+ + 2SO42− + 7H2O

lúc đất chứa nhiều sulfat axit gọi đất sulfat-axit (acid-sulfate soil).

Các vùng đất hình thành từ trầm tích biển trung tính chứa FeS2, bị chuyển

thành đất sulfat-axit tiếp xúc với khơng khí Các mỏ khống sản có chứa FeS2 ngừng

hoạt động tạo thành loại đất tương tự đất sulfat-axit từ trầm tích biển

Nếu khơng xử lý thích hợp khơng thể canh tác đất sulfat-axit loại đất chứa yếu tố bất lợi có pH thấp, nồng độ H2S cao gây hại cho rễ cây, chứa

4.5.2 Điều chỉnh độ axit đất

Hầu hết loại thực vật phát triển tốt đất có pH gần trung tính Đất chua thường xử lý vôi CaCO3:

Đất}(H+)

2 + CaCO3 ⇌ Đất}Ca2+ + CO2 + H2O

Ở vùng có lượng mưa thấp, đất có mơi trường kiềm chứa muối bazơ Có thể xử lý đất kiềm muối nhôm sắt sulfat, muối tan vào nước bị thủy phân tạo mơi trường axit

2Fe3+ + 3SO

42− + 6H2O ⇌ 2Fe(OH)3 (r) + 6H+ + 3SO42−

Cũng sử dụng lưu huỳnh để xử lý đất kiềm Vi khuẩn đất ơxi hóa lưu huỳnh thành axit sulfuric Đây phương pháp có hiệu mặt kinh tế, lưu huỳnh sử dụng sản phẩm phụ dồi cơng nghệ tách loại lưu huỳnh khỏi nhiên liệu hóa thạch (nhằm mục đích giảm thiểu nhiễm khơng khí SO2)

4.5.3 Cân trao đổi ion đất

− Khả trao đổi cation tính chất quan trọng đất Nhờ trình trao đổi cation đất mà đất có ion đa lượng kali, canxi, magiê ion vi lượng khác cho thực vật Khi ion kim loại rễ hấp thụ, H+ thay vị trí

của ion kim loại, ví dụ:

Đất}Ca2+ + 2CO

2 + 2H2O ⇌ Đất}(H+)2 + Ca2+(rễ) + HCO3−

Do trình nên canxi, magiê ion kim loại khác đất bị nước chứa axit cacbonic rửa trôi đất bị chua hóa

Để đánh giá khả trao đổi cation đất người ta sử dụng thông số CEC (cation-exchange capacity: khả trao đổi cation) CEC số mili đương lượng gam (meq) cation mang điện tích +1 trao đổi 100 g đất khô CEC đất thay đổi theo pE pH

Cả khoáng sét thành phần hữu đất có khả trao đổi cation CEC loại đất có thành phần hữu khác thường dao động khoảng 10 – 30 meq/100 g Mùn có khả trao đổi cation cao CEC than bùn lên đến 300 – 400 meq/100 g

− Trên bề mặt oxit khống đất cịn xảy trình trao đổi anion Cơ chế q trình giải thích ví dụ minh họa với kim loại M trình bày

Ở pH thấp, bề mặt oxit kim loại có điện tích dương, chúng giữ anion (ví dụ Cl−) lực hút tĩnh điện:

Ở pH cao, bề mặt oxit kim loại có điện tích âm, phân tử nước bị giữ bề mặt oxit H+ tạo thành OH−:

Lúc anion HPO42− thay vị trí OH− để liên kết trực tiếp lên bề

mặt oxit:

M O

M O OH− + HPO

4

2− ⇌ OPO

3H

2− + OH− O

M H+ OH2

Cl

4.6 Chất dinh dưỡng vi lượng đa lượng đất

Cung cấp chất dinh dưỡng đa lượng vi lượng chức quan trọng đất Chất dinh dưỡng đa lượng chất có mặt thực vật hay dịch thực vật mức nồng độ cao Trong lúc đó, chất dinh dưỡng vi lượng có mặt mức nồng độ thấp lại cần thiết cho hoạt động enzim thực vật

4.6.1 Chất dinh dưỡng đa lượng

Cacbon, hydro, ôxi, nitơ, photpho, kali, canxi, magiê lưu huỳnh xem chất dinh dưỡng đa lượng thực vật

Thực vật hấp thụ cacbon, hydro ôxi từ khí Các nguyên tố đa lượng khác hấp thụ từ đất Trong số đó, nitơ, photpho kali chất dinh dưỡng quan trọng ảnh hưởng đến phát triển thực vật, suất vụ mùa, thường khơng có đủ đất nên phải bổ sung dạng phân bón

Thường gặp loại đất thiếu canxi Bón vơi để xử lý đất chua cung cấp lượng đáng kể canxi cho thực vật Đất chua chứa lượng lớn canxi, cạnh tranh ion canxi ion hydro nên thực vật hấp thụ lượng canxi Xử lý độ chua đất khắc phục tình trạng thiếu canxi Trong đất kiềm, ion natri, magiê, kali có mặt nồng độ lớn cạnh tranh với canxi, gây tình trạng thiếu canxi

Hầu hết magiê vỏ Trái đất (2,1%) liên kết bền với khoáng Thục vật hấp thụ dạng magiê trao đổi liên kết với chất hữu hay khống sét Magiê đất có đủ cho thực vật hay khơng cịn phụ thuộc vào tỷ số Ca/Mg Nếu tỷ số cao, đất bị thiếu magiê Tương tự vậy, đất có chứa nhiều natri, kali gây thiếu magiê

Thực vật hấp thụ lưu huỳnh dạng SO42− Ngoài ra, vùng khơng khí bị

nhiễm SO2, lưu huỳnh cịn hấp thụ qua

Thực vật phát triển chậm vùng đất thiếu lưu huỳnh nguyên tố thành phần số amino axit cần thiết, thiamin biotin Ion sulfat thường tồn đất dạng khoáng sulfat di động không tan, dạng muối tan Không trường hợp kali, sulfat bị đất hấp thụ phần (liên kết theo kiểu trao đổi ion), nên mặt ngăn chặn tình trạng rửa trơi, mặt khác cung cấp sulfat cho thực vật hấp thụ

Nhiều vùng đất thiếu lưu huỳnh phát tồn giới Trong đó, hầu hết loại phân bón thị trường lại khơng chứa, chứa lưu huỳnh Cùng với xu hướng sử dụng phân bón thiếu lưu huỳnh nay, khả lưu huỳnh trở thành yếu tố dinh dưỡng giới hạn xảy số nơi

Như trình bày trên, FeS2 phản ứng với axit đất sulfat-axit giải phóng

H2S độc với trồng, H2S có khả tiêu diệt nhiều vi sinh vât có lợi Khí H2S

độc hại tạo thành từ phản ứng khử ion sulfat chất hữu cơ, tác dụng xúc tác vi sinh vật Có thể ngăn chặn tạo thành H2S đất ngập nước tác

nhân oxy hóa, KNO3 chất ơxi hóa sử dụng hiệu 4.6.1.1 Nitơ

Hình 4.2 trình bày chuyển hóa nitơ đất Trong hầu hết loại đất, 90% nitơ tồn dạng nitơ hữu Các hợp chất hữu chứa nitơ sản phẩm sơ cấp trình phân hủy xác động, thực vật Các sản phẩm cuối bị phân hủy thành NH3, NH4+, sau bị oxy hóa tác dụng vi khuẩn đất thành NO2− NO3−

Phân đạm Nitơ cố định sấm chớp

các đám cháy

Đề nitrat hóa

Nitrat hóa

N hữu

Phân Nước tiểu

Xác Thực vật

cố định

đạm Xác thực vật

Động vật

NH4+ {đất}

Rễ hấp thụ

Trao đổi ion,

Giữ NH +

N2 N

2O

NO

2 −

Hình 4.2 Sự chuyển hóa nitơ đất

Không photpho kali, q trình phong hóa khơng tạo nhiều hợp chất nitơ Các loại vi sinh vật có khả cố định đạm không cung cấp đủ nitơ cho nhu cầu phát triển tối đa thực vật Vì vậy, lượng lớn phân bón chứa nitơ sử dụng nông nghiệp

Các hợp chất nitơ vơ từ phân bón từ nước mưa dễ bị thất rửa trơi Do gắn kết chặt chẽ với mùn đất, nên nitơ hợp chất mùn đóng vai trị quan trọng độ phì đất Mùn nguồn chứa hợp chất nitơ đất Các hợp chất bị phân hủy từ từ, giải phóng vừa đủ lượng nitơ cần thiết cho thực vật hấp thụ Quá trình phân hủy xảy gần song song với phát triển thực vật, nhanh vào mùa ấm (lúc thực vật phát triển mạnh) chậm vào tháng mùa Đông

Thực vật ngũ cốc phát triển đất có giàu nitơ khơng cho suất cao mà cung cấp sản phẩm giàu protein chất dinh dưỡng

Thông thường thực vật hấp thụ nitơ dạng nitrat Một số loại thực vật, ví dụ lúa, hấp thụ nitơ dạng amoni Khi bón phân dạng amoni, vi khuẩn có đất chuyển hóa amoni thành nitrat Thực vật hấp thụ tích lũy lượng dư nitrat, tượng thường xảy loại đất bón nhiều phân điều kiện khô hạn được gọi tượng tăng tích lũy (hyperaccumulation) Thức ăn từ loại thực vật hấp thụ nhiều nitrat độc hại động vật nhai lại trâu, bò, cừu Khi sử dụng kỹ thuật ủ chua để chế biến thức ăn cho gia súc từ loại thực vật này, người chế biến bị ngộ độc NO2 sinh từ trình khử nitrat Trong thực tế, người ta ghi nhận

nhiều trường hợp tử vong nguyên nhân

với lượng nitơ từ phân bón nhân tạo sử dụng nông nghiệp

Việc sử dụng nhiều phân bón nitơ gây số hậu mặt môi trường Các hợp chất nitơ bị vi sinh vật đất chuyển hóa thành N2O, NO NO2 gây nhiễm

khơng khí Nguồn nước mặt nước ngầm vùng nông nghiệp bị nhiễm nitrat Hậu tác nhân gây ô nhiễm trình bày chương nhiễm khơng khí ô nhiễm nước

4.6.1.2 Photpho

Mặc dù chiếm tỷ lệ nhỏ thành phần sinh khối thực vật, photpho chất dinh dưỡng thiếu thực vật Cũng nitơ, photpho trồng hấp thụ dạng vô Thực vật hấp thụ dạng octophotphat khác Ở pH hầu hết loại đất, octophotphat thường tồn chủ yếu dạng H2PO4− HPO42− Thực vật

hấp thụ octophotphat tốt pH gần trung tính Người ta cho rằng, trongđất chua, octophotphat tạo kết tủa với Al(III) Fe(III) Trong đất kiềm, octophotphat phản ứng với canxi cacbonat tạo thành hydroxyapatite tan:

3HPO42− + 5CaCO3(r) + 2H2O → Ca5(PO4)3(OH)(r) + 5HCO3− + OH−

Do phản ứng mà phân bón photpho bị rửa trơi Vì vậy, việc sử dụng phân bón photpho gây tình trạng nhiễm nước

4.6.1.3 Kali

Để phát triển thực vật cần hấp thụ lượng lớn kali Kali cần thiết cho hoạt động số enzim đóng vai trị quan trọng cân nước thực vật Nguyên tố cần cho số chuyển hóa cacbohydrat Khi đất thiếu kali, suất trồng giảm mạnh Sản lượng thu hoạch cao kali đất bị giảm sút Sử dụng nhiều phân nitơ để tăng suất trồng làm giảm kali đất Vì vậy, kali trở thành yếu tố dinh dưỡng giới hạn đất bổ sung nhiều chất dinh dưỡng khác

Kali số nguyên tố phổ biến lớp vỏ Trái đất (chiếm 2,6%), kali thường liên kết chặt khống silicat, ví dụ khống leucite K2O.Al2O3.4SiO2, thực vật khơng thể hấp thụ Thực vật hấp thụ dạng

kali trao đổi liên kết khoáng sét

4.6.2 Chất dinh dưỡng vi lượng

Bo, clo, đồng, sắt, mangan, molipden kẽm nguyên tố vi lượng cần thiết cho phát triển thực vật, nhiên nồng độ cao chúng lại gây hại cho trồng

Hầu hết nguyên tố tham gia vào thành phần enzim quan trọng Mangan, sắt, clo kẽm có liên quan đến q trình quang hợp thực vật Natri, silic coban nguyên tố vi lượng cần thiết số thực vật

Một số loại thực vật tích lũy lượng lớn nguyên tố kim loại vi lượng Nguyên tố vi lượng gọi tích lũy cao (hyperaccumulators) hàm lượng sinh khối thực vật khô lớn mg/g Một số lồi thực vật tăng tích lũy (hyperaccumulate) niken đồng Một ví dụ điển hình cho tượng loại cây Aeolanthus biformifolius DeWild, phát triển vùng đất có hàm lượng đồng cao vùng Shaba, Zaire tích lũy đến 1,3% đồng tính theo khối lượng khơ, hoa gọi “Hoa đồng”

uranium cao

Phần đọc thêm: Phân bón [14]

Phân bón dùng nơng nghiệp chứa thành phần nitơ, photpho kali Ngồi ra, phân bón cịn chứa magiê, sulfat nguyên tố vi lượng Phân bón ký hiệu số thành phần trăm (w/w) nitơ (tính theo N), photpho (tính theo P2O5) kali (tính theo K2O) Ví dụ, phân bón 6-12-8

chứa 6% N, 12% P2O5, 8% K2O Phân chuồng có thành phần gần tương đương với

phân 0,5-0,24-0,5 Phân chuồng cần ủ để phân hủy sinh học giải phóng các cấu tử vơ thực vật hấp thụ (NO3−, HxPO4x-3 K+).

• Phân nitơ: hầu hết loại phân nitơ ngày tổng hợp dựa vào phản ứng:

N2 + 3H2 ⇌ 2NH3

khi có mặt xúc tác thích hợp nhiệt độ 500°C, áp suất 1000 atm.

Có thể đưa trực tiếp NH3 vào đất tan nước tạo ion amoni,

nhưng NH3 khí độc, nên phải dùng thiết bị đặc biệt cho mục đích Trong

một số trường hợp, người ta sử dụng dung dịch NH3 30% (w/w) để thêm trực tiếp

vào nước thủy lợi.

Phân nitơ thường có thị trường amoni nitrat (NH4NO3) dạng hạt nhỏ

được phủ lớp chất chống ẩm Amoni nitrat chứa 33,5% nitơ Mặc dù thuận tiện cho việc sử dụng, sản xuất bảo quản loại phân cần phải tuân theo các chế độ an toàn nghiêm ngặt NH4NO3 dễ phát nổ Hỗn hợp amoni nitrat dầu

nhiên liệu loại chất nổ thường sử dụng xây dựng khai thác đá. Bên cạnh amoni nitrat, ngày urê dạng phân nitơ dùng phổ biến Phân urê tổng hợp dựa vào phản ứng:

CO2 + 2NH3 ⇌ CO(NH2)2 + H2O

Một số hợp chất dùng làm phân bón nitơ natri nitrat, canxi nitrat, kali nitrat, amoni photphat, amoni sulfat Các nitrat kim loại kiềm có xu hướng kiềm hóa đất, lúc amoni sulfat lại làm chua đất

• Phân lân: nhiều loại phân lân sản xuất từ loại khống photphat Trong đó, fluorapatite, Ca5(PO4)3F, loại khoáng sử dụng nhiều Thực vật

không hấp thụ photphat fluorapatite Khoáng thường xử lý axit photphoric hay axit sulfuric để sản xuất supephotphat:

2Ca5(PO4)3F(r) + 14H3PO4 + 10H2O → 2HF(k) + 10Ca(H2PO4)2.H2O

2Ca5(PO4)3F(r) + 7H2SO4 + 3H2O → 2HF(k) + 3Ca(H2PO4)2.H2O + 7CaSO4

Supephotphat tan nước tốt fluorapatite nhiều Sản phẩm phụ HF các phản ứng gây nhiễm khơng khí.

Các khống photphat cịn chứa nhiều nguyên tố vi lượng cần cho thực vật bo, đồng, mangan, molipden kẽm Nhưng tiếc q trình xử lý khống photphat để sản xuất phân bón, hầu hết nguyên tố vi lượng bị thất thoát một phần đáng kể.

Amoni photphat loại phân lân tốt, tan nhiều nước Phân amoni polyphotphat lỏng chứa muối amoni pyrophotphat, triphotphat lượng nhỏ anion polyphotphat Các polyphotphat tạo phức với sắt ion kim loại vi lượng, giúp cho thực vật hấp thụ chúng thuận lợi hơn.

nhất phân kali clorua Có thể sản xuất phân kali clorua cách điều chế nhân tạo, khai thác từ nước ót q trình sản xuất muối ăn từ nước biển.

Một số loại trồng thường hấp thụ lượng kali vượt nhu cầu cần thiết để phát triển Hiện tượng làm lượng lớn kali từ đồng ruộng sau vụ mùa trường hợp sản phẩm thu hoạch hay thân cây.

4.7 Sự xói mịn thối hóa đất

Đất nguồn tài nguyên nhạy cảm Đất bị xói mịn nước, gió, bị thối hóa đến mức khơng thể sử dụng cho nơng nghiệp

4.7.1 Xói mịn đất

Cả nước gió gây xói mịn đất, xói mịn nước thường xảy phổ biến mức độ cao Hàng năm, sơng Mississippi xói mịn hàng triệu đất tầng mặt chúng biển Một phần ba đất tầng mặt Mỹ bị xói mịn trôi đại dương kể từ lục địa bắt đầu có hoạt động canh tác Hiện nay, số liệu tính tốn cho thấy năm, mẫu Anh (1 acre ≈ 4047 m2) Mỹ bị 14 đất tầng mặt, tốc

độ xói mịn đáng phải ý

Ngun nhân chủ yếu tình trạng đất bị xói mịn hoạt động canh tác khơng hợp lý Xói mòn xảy mạnh đồng ruộng trồng theo luống Khoảng đất trống không phủ thực vật luống dễ bị nước gió Ngoài ra, việc tổ chức thâm canh liên tục nhiều năm, không dành thời gian cho trình tự khơi phục, làm đất trở nên kiệt quệ để trì suất phải tăng lượng phân bón sử dụng

Xói mịn gió thường xảy vùng đất cao bị ảnh hưởng tình trạng khơ hạn Để ngăn chặn tình trạng xói mịn đất gió, trồng cỏ để bảo vệ lớp đất tầng mặt Bộ rễ cỏ tác nhân bảo vệ mặt học cho lớp đất tầng mặt Một số biện pháp khác áp dụng nông nghiệp để chống xói mịn, ví dụ biện pháp trồng tiếp vụ mùa phần đất canh tác năm trước không loại bỏ loại rơm rạ, thân lại vụ mùa trước; biện pháp trồng ruộng bậc thang, quy hoạch ruộng theo đường viền cao độ

Trồng lấy gỗ biện pháp vừa chống xói mịn hữu hiệu,vừa mang lại lợi ích kinh tế cao Bằng cách chọn giống tốt, sản lượng sinh khối khô thu hàng năm hecta lên đến 30 Gỗ thu được dùng vào nhiều mục đích khác nhau, khoảng 50% (w/w) sinh khối cellulose Có thể thủy phân cellulose để sản xuất glucose dùng làm thực phẩm, lên men glucose sản xuất rượu dùng làm nhiên liệu (gasohol) hay dùng để cung cấp nguồn cacbon lượng cho men sử dụng quy trình sản xuất protein

4.7.2 Sa mạc hóa

Sa mạc hóa q trình gắn liền với tình trạng bạc màu, hạn hán, đất khơng cịn khả ni sống trồng Ngun nhân chủ yếu tình trạng sa mạc hóa tồn cầu hoạt động người Nuôi thả gia súc ăn cỏ vùng đất khô hạn cằn cỗi nguyên nhân đáng ý tượng sa mạc hóa Achentina, Sahara, Uzbekistan, vùng Tây Nam nước Mỹ, Syria Mali vùng đất bị sa mạc hóa mạnh hoạt động nhân tạo

Một cách tổng quát, sa mạc hóa q trình có liên quan đến nhiều yếu tố như, xói mịn, thay đổi thời tiết, tình trạng khơ hạn, giảm màu mỡ hàm lượng mùn, thối hóa thành phần hóa học đất

các loài động thực vật tồn Trái đất Cùng với biến loài này, nạn phá rừng cịn dẫn đến suy thối đất xói mịn thất chất dinh dưỡng

4.7.3 Đất tài nguyên nước

Bảo tồn đất có liên quan chặt chẽ trực tiếp đến việc bảo vệ tài nguyên nước Hầu hết lượng nước bề mặt Trái đất xuất phát từ nước mưa rơi mặt đất Vùng đất thu nước mưa trước chảy vào sông suối gọi vùng lưu vực

Tính chất tình trạng đất lưu vực khơng có ảnh hưởng định đến tính chất nước mà cịn đóng vai trị quan trọng việc giữ nước Lưu vực định hướng, tốc độ dòng chảy, mức độ thấm nước vào túi nước ngầm Tốc độ dòng chảy lớn, làm hạn chế trình thấm, gây lũ qt, làm xói mịn đất

Các biện pháp cải thiện khả sử dụng đất vùng lưu vực thường thực nhằm mục đích hạn chế xói mịn đất Có nhiều biện pháp để thực mục đích như, điều chỉnh độ dốc lưu vực; tạo cấu bậc thang; xây đường dẫn nước; tạo hồ chứa Đường dẫn nước phủ cỏ loại có khả cản nước Tạo hành lang xanh theo đường viền cao độ, trồng rừng kiểm soát hoạt động chăn thả súc vật có tác dụng vừa bảo tồn đất vừa bảo tồn tài nguyên nước

4.8 Ô nhiễm mơi trường đất

Trong q trình sinh hoạt sản xuất, người đưa vào đất nhiều chất thải chất gây ô nhiễm Các chất khơng gây tình trạng nhiễm đất mà ảnh hưởng nghiêm trọng đến nguồn nước tự nhiên, bao gồm nước mặt nước ngầm

4.8.1 Ảnh hưởng hoạt động nông nghiệp

Trong số hoạt động nhân tạo, sản xuất nông nghiệp xem hoạt động gây nhiều ảnh hưởng đến mơi trường đất

4.8.1.1 Sử dụng phân bón

Chế độ thâm canh nông nghiệp làm suy giảm nguồn chất dinh dưỡng đất Để bổ sung nguồn dinh dưỡng cho trồng, người sử dụng phân bón hóa học với số lượng ngày gia tăng, điều làm thay đổi tính chất, thành phần tự nhiên đất dẫn đến nhiều hậu xấu

Việc sử dụng phân hóa học vào nơng nghiệp giới ngày tăng (trung bình tăng khoảng triệu /năm) Người ta ước tính có khoảng 50% nitơ bón vào đất trồng sử dụng, lượng cịn lại nguồn gây nhiễm mơi trường

Nói chung, bón phân hóa học vào đất, có phần phân trồng sử dụng, phần giữ lại đất bị hấp phụ chuyển hóa hóa học, phần bị rửa trôi vào nguồn nước mặt hay ngấm vào nguồn nước ngầm phần khác bị bay vào khơng khí dạng khí

4.8.1.2 Sử dụng hóa chất bảo vệ thực vật

Để tăng sản lượng lương thực, giảm bớt tác động phá hoại sâu bệnh (trung bình hàng năm có khoảng 10 − 20% sản lượng lương thực bị sâu bệnh phá hại), lượng hóa chất bảo vệ thực vật sử dụng nông nghiệp ngày tăng Trung bình có khoảng 50% lượng thuốc trừ sâu phun rơi xuống đất, tồn đất bị lơi vào chu trình đất−cây−động vật−người

nghiệp nhiều tổ chức quốc tế quan tâm [6]

Các loại thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ bị phân hủy đất, trình phân hủy loại hóa chất bảo vệ thực vật không giống phụ thuộc nhiều vào điều kiện mơi trường, có mặt loại vi sinh vật đất, Do đó, ảnh hưởng chúng đến môi trường khác

Hiện nay, nhiều quốc gia yêu cầu phải công bố rõ thơng tin khả q trình phân hủy trước cấp phép lưu hành loại thuốc trừ sâu Các yếu tố quan trọng thường xem xét là, hấp phụ thuốc trừ sâu đất; khả rửa trôi thuốc trừ sâu vào nguồn nước (liên quan đến khả gây ô nhiễm nguồn nước); ảnh hưởng thuốc trừ sâu đến hệ sinh vật vi sinh vật đất; khả phân hủy tạo thành sản phẩm độc hại

Khả bị hấp phụ vào đất yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến tốc độ mức độ phân hủy loại thuốc trừ sâu Khả bị hấp phụ tốc độ phân hủy lại phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác như, độ tan, độ bay hơi, điện tích, độ phân cực, khối lượng kích thước phân tử

Q trình phân hủy loại thuốc trừ sâu đất xảy chủ yếu nhờ ba đường: phân hủy hóa học, phân hủy quang hóa quan trọng phân hủy sinh học

4.8.1.3 Chế độ tưới tiêu

Bên cạnh việc sử dụng phân bón hóa học, hóa chất bảo vệ thực vật, chế độ tưới tiêu bất hợp lý làm biến đổi thành phần hóa học tính chất lý đất

Các hệ thống tưới tiêu hoạt động mạnh mùa khơ làm hạ thấp mức nước ngầm dẫn đến nguy xâm nhập mặn vào nước ngầm

Mặt khác, tưới nhiều nước gây ngập úng, xói mịn, rửa trơi

Một hậu đáng quan tâm việc tưới không hợp lý muối hóa đất (salinization of soil), làm giảm suất trồng, số trường hợp làm khả sử dụng đất nơng nghiệp

Hình 4.3 Muối tích tụ bề mặt đất vùng canh tác [19]

Ngun nhân tượng muối hóa giải thích gồm giai đoạn sau: − Nước tưới thấm sâu vào lòng đất,

− Nước bay để lại muối bề mặt đất

4.8.2 Ảnh hưởng hoạt động sinh hoạt công nghiệp

Sản xuất công nghiệp, giao thông vận tải nguồn gây nhiễm khơng khí mà cịn ảnh hưởng xấu đến mơi trường đất Ví dụ:

− SO2 tạo thành đốt nhiên liệu chứa lưu huỳnh thải vào khí

Trong khơng khí SO2 tham gia nhiều q trình khác tạo thành SO42− theo nước

mưa lắng đọng xuống đất

− Các oxit nitơ bị cuyển hóa thành nitrat khí theo nước mưa vào đất Mặt khác, đất hấp thụ khí NO NO2 khí bị oxy hóa chuyển thành

nitrat đất

− Bụi chì khí thải từ động đốt phương tiện giao thơng lắng xuống tích tụ mặt đất dọc theo đường có mật độ ô tô lại cao

− Ở vùng khai khoáng mỏ, kim loại từ mỏ phát tán vùng đất xung quanh, làm cho đất vùng bị nhiễm nhiều kim loại

Các chất thải rắn công nghiệp sinh hoạt (rác sinh hoạt, chất xỉ, giấy, gỗ, kim loại, cao su, gạch vữa, chất thải khai thác mỏ, bùn sinh học xử lý nước thải ) đưa vào đất làm cho đất bị nhiễm bẩn, làm thay đổi thành phần đất gây ô nhiễm nước, nước ngầm, gây bụi mùi làm ô nhiễm không khí

Ở số nước quy định chôn lấp chưa chặt chẽ, chất gây nhiễm từ khu vực chơn lấp rò rỉ vào đất Đáng ý khu gần khu công nhiệp Nhiều chất hữu dễ bay (Volatile organic compounds – VOC) benzene, toluene, xylene, diclorometan phát đất gần khu cơng nghiệp

5. HĨA CHẤT ĐỘC TRONG MƠI TRƯỜNG 5.1 Hóa chất độc mơi trường

Trên giới có triệu loại hóa chất khác nhau, hàng năm có khoảng 30.000 chất phát minh đưa vào sử dụng Trong số hóa chất có khoảng 60000 − 70000 loại dùng thường xuyên rộng rãi [8] Việc sử dụng hàng ngàn hóa chất phục vụ cho sản xuất công, nông nghiệp đời sống mối nguy hiểm đe dọa đến sức khỏe người

Bên cạnh tác dụng tích cực hóa chất nghiên cứu khoa học, làm cho sản xuất, mức sống sức khỏe tăng lên, đóng góp vào phát triển kinh tế xã hội, có nhiều hóa chất có tiềm độc hại

Khi xâm nhập vào môi trường, chất khí độc nhanh chóng bị phát tán vào khơng khí, lúc chất lỏng rắn bị trôi vào nguồn nước mặt (hoặc nước ngầm) vận chuyển xa nguồn thải ban đầu Vì vậy, phạm vi ảnh hưởng hóa chất độc hại mơi trường rộng đáng phải quan tâm Để hạn chế tác hại chất độc, nhiều quốc gia đưa quy định nghiêm ngặt nồng độ hóa chất độc hại chất thải

Các chất độc phân loại thành nhóm dựa vào tác hại, cơng dụng, chất hóa học chúng:

− Dựa vào tác hại: chất gây đột biến gen, chất gây ung thư,

− Dựa vào công dụng: phụ gia thực phẩm, hóa chất bảo vệ thực vật,

− Dựa vào chất hóa học: kim loại nặng, cacbonyl kim loại, hợp chất clo, Bảng 5.1 trình bày ngun tố độc hại có nguồn nước thiên nhiên nước thải Các nguyên tố nồng độ thấp lại cần thiết cho trình phát triển thể sống, chúng có tác dụng chất dinh dưỡng cho đời sống động thực vật, nồng độ cao, chúng chất có tác dụng độc hại nguy hiểm

5.2 Độc học môi trường

Độc học môi trường ngành nghiên cứu tồn ảnh hưởng hóa chất

độc môi trường [9]

Mặc dù theo định nghĩa này, đối tượng nghiên cứu độc học mơi trường bao gồm chất độc có nguồn gốc tự nhiên nọc độc động vật, độc tố vi khuẩn, độc tố thực vật, thực tế ngành thường tập trung quan tâm đến chất độc có nguồn gốc nhân tạo

Độc học môi trường thường chia thành ngành nhỏ:

− Độc học sức khỏe môi trường (Environment Health Toxicology): nghiên cứu tác hại hóa chất mơi trường sức khỏe người

− Độc học sinh thái (Ecotoxicology): nghiên cứu tác hại chất ô nhiễm đến hệ sinh thái thành phần (cá, động vật hoang dã, )

Để nghiên cứu tác hại hóa chất độc mơi trường, cần phải có kiến thức tổng hợp nhiều lĩnh vực khác Các nghiên cứu nhằm mục đích giải thích tác hại chất độc có mơi trường đồng thời dự đốn ảnh hưởng có hại chất độc trước chúng thải môi trường

Bảng 5.1 Các nguyên tố độc hại nước thiên nhiên nước thải [8] Nguyên tố Nguồn thải ra Tác dụng gây độc

As − Thuốc trừ sâu

− Chất thải hóa học − Độc, có khả gây ung thư

Cd

− Chất thải công nghiệp mỏ

− Chất thải công nghiệp mạ kim loại − Từ ống dẫn nước

− Độc, làm đảo lộn vai trị sinh hóa enzim; gây cao huyết áp, suy thận, phá hủy mô hồng cầu Gây độc cho động thực vật nước

Be

− Công nghiệp than đá − Năng lượng hạt nhân

− Công nghiệp vũ trụ

− Gây ngộ độc cấp tính mãn tính; có khả gây ung thư

B

− Công nghiệp than đá

− Sản xuất chất tẩy rửa tổng hợp − Các nguồn thải công nghiệp

− Độc, đặc biệt với số loại Cr − Công nghiệp mạ, sản xuất hợp

chất crôm, công nghiệp thuộc da − Là nguyên tố vi lượng cần cho thể, Cr (VI) có khả gây ung thư Cu

− Công nghiệp mạ

− Chất thải CN sinh hoạt − Công nghiệp mỏ

− Nguyên tố cần thiết cho sống dạng vết, không độc động vật, độc với cối nồng độ trung bình

Florua

− Các nguồn địa chất tự nhiên − Chất thải công nghiệp − Chất bổ sung cho nước

− Ở nồng độ mg/L ngăn cản phá hủy men Ở nồng độ (5 mg/L phá hủy xương gây vết

Pb

− Công nghiệp khai thác mỏ − Công nghiệp than đá, ét xăng, hệ thống ống dẫn

− Độc, gây bệnh thiếu máu, bệnh thận, rối loạn thần kinh

Hg − Chất thải công nghiệp mỏ

− Thuốc trừ sâu, than đá − Độc tính cao Mn

− Chất thải công nghiệp mỏ − Tác động VS vật lên khống kim loại pE nhỏ

− Ít độc đối vớí động vật

− Độc cho thực vật nông độ cao Mo − Chất thải công nghiệp

− Các nguồn tự nhiên

− Độc động vật

− Ở dạng vết cần cho phát triển thực vật

Se − Các nguồn địa chất tự nhiên − Than đá, lưu huỳnh

− Ở nồng độ thấp cần cho phát triển thực vật, nồng độ cao gây độc hại Zn

− Chất thải công nghiệp − Công nghiệp mạ − Hệ thống ống dẫn

− Độc với thực vật nồng độ cao, chất cần thiết cho enzim kim loại

5.3 Tính bền vững độc chất mơi trường

Có nhiều q trình sinh học phi sinh học tự nhiên liên quan đến phân hủy chất độc môi trường Nhiều loại hóa chất xâm nhập vào mơi trường bị phân hủy, có thời gian sống có tác hại hạn chế cho môi trường xung quanh Nhưng bên cạnh chất độc dễ bị phân hủy có nhiều chất độc bền mơi trường có khả gây hại lâu dài (DDT, PCBs, TCDD, ví dụ điển hình loại chất độc này)

Thời gian bán hủy số chất độc khó phân hủy (bền vững) nêu Bảng 5.2 Phát thải liên tục chất độc loại vào mơi trường, làm nồng độ chúng tăng lên đến mức độc hại tích lũy theo thời gian Ngay ngừng sử dụng thải chúng, hóa chất độc mối nguy lâu dài mơi trường

Có thể lấy trường hợp nhiễm thuốc trừ sâu hồ Ontario (là năm hồ Ngũ Đại Hồ, Bắc Mỹ) thập niên 50 đến thập niên 70, kỷ 20 làm ví dụ Những nghiên cứu khu vực cho thấy, sau 20 năm, tổng lượng thuốc trừ sâu tích tụ hồ đến khoảng 80% so với lượng ban đầu

Ô nhiễm thuốc trừ sâu DDT diclofol hồ Apopka, Florida, sau 10 năm ảnh hưởng nghiêm trọng làm giảm khả sinh sản loại cá sấu sinh sống

Bảng 5.2 Thời gian bán hủy số hóa chất độc bền vững mơi trường [9] Hóa chất độc Thời gian bán phân hủy Môi trường

DDT 10 năm Đất

TCDD năm Đất

Atrazine 25 tháng Nước

Benzoperylene (PAH) 14 tháng Đất

Phenanthrene (PAH) 138 ngày Đất

Carbofuran 45 ngày Nước

5.3.1 Phân hủy phi sinh học

Nhiều trình tự nhiên làm thay đổi cấu trúc hóa chất Nhiều q trình phân hủy phi sinh học chịu ảnh hưởng ánh sáng (quang phân – photolysis) nước (thủy phân – hydrolysis).

− Quang phân: ánh sáng, chủ yếu ánh sáng tử ngoại, có khả phá vỡ liên kết hóa học, đóng góp cách đáng kể vào q trình phân hủy nhiều hóa chất môi trường Phản ứng quang phân thường xảy khơng khí hay nước mặt, cường độ ánh sáng môi trường lớn Phản ứng quang phân phụ thuộc vào cường độ ánh sáng lẫn khả hấp thụ ánh sáng phân tử chất gây nhiễm Các hợp chất vịng thơm không no, hợp chất hydrocacbon thơm đa vòng dễ bị phân hủy ánh sáng, chúng có khả hấp thụ quang Năng lượng ánh sáng cịn đẩy mạnh q trình oxy hóa chất gây nhiễm thơng qua q trình thủy phân q trình oxy hóa Phản ứng oxy hóa quang hóa parathion (một loại thuốc trừ sâu photpho) trình bày Hình 5.1

hợp chất loại có thời gian bán phân hủy môi trường ngắn Tốc độ thủy phân hóa chất mơi trường nước phụ thuộc vào nhiệt độ pH Tốc độ thủy phân tăng tăng nhiệt độ Tốc độ cao môi trường pH thấp cao

Hình 5.1 Ảnh hưởng nắng (quang phân) mưa (thủy phân) đến phân hủy parathion

5.3.2 Phân hủy sinh học

Mặc dù nhiều chất gây ô nhiễm bị phân hủy phi sinh học mơi trường, trình phân hủy thường xảy với tốc độ chậm Nhờ tác dụng vi sinh vật, tốc độ phân hủy chất độc hóa học tăng lên cách đáng kể Vi sinh vật, mà chủ yếu vi khuẩn nấm mốc, phân hủy hóa chất để lấy lượng từ q trình phân hủy Các q trình phân hủy sinh học xảy tác dụng enzim thường kết thúc khống hóa hồn tồn chất độc mơi trường thành nước, cacbon dioxit chất vô đơn giản

5.3.3 Q trình suy giảm nồng độ khơng phân hủy

Hàm lượng nhiều chất gây ô nhiễm mơi trường bị suy giảm cách đáng kể, khơng phải q trình phân hủy, mà thay đổi phân bố chúng từ khu vực sang khu vực khác môi trường

Các chất nhiễm dễ bay bay từ đất, nước vào khơng khí di chuyển đến vùng khác Người ta cho rằng, số hóa chất bảo vệ thực vật clo dễ bay lindane hexachlorobenzene phân bố khắp nơi toàn cầu nhờ vào cách phát tán

Nhiều chất ô nhiễm nước bị hấp phụ lên hạt chất rắn lơ lửng, sau lắng vào trầm tích, làm cho nồng độ chúng cột nước giảm xuống

NO2 O

P O (OC2H5)2

NO2 O

P S (OC2H5)2

O P S (OC2H5)2

NO2 O

H

Parathion

Paraoxon

Diethylphosphorothioate

para-nitrophenol

+

Các chất dễ tan nước bị nước chảy tràn rửa trôi thấm xuống đất làm ô nhiễm nước ngầm Ví dụ, trước atrazine loại thuốc diệt cỏ sử dụng phổ biến Mỹ, nghiên cứu sau cho thấy 92% nước hồ nghiên cứu có chứa atrazine Atrazine tan nhiều nước lại bị đất hấp thụ, nên thấm xuống đất vào túi nước ngầm Nghiên cứu thực địa cho thấy, nước ngầm khu vực có sử dụng atrazine bị nhiễm loại hóa chất [9]

5.4 Tích lũy sinh học

Khả tồn lâu dài mơi trường số hóa chất độc thực không đáng lo ngại nhiều, chất độc không vào thể sinh vật Điều đáng quan tâm nhiều chất độc bền vững, khó bị phân hủy, có khả xâm nhập, tích lũy thể sinh vật Khi vào thể sinh vật, chất độc phải cần thời gian để tích lũy đến lúc đạt mức nồng độ gây độc

Tích lũy sinh học định nghĩa q trình sinh vật tích lũy hóa chất trực tiếp từ mơi trường vơ sinh (nước, đất, khơng khí) từ nguồn thức ăn vào thể [9]

Các chất độc thường xâm nhập vào thể sinh vật qua màng thể màng phổi, mang (cá), đường ruột Da thành phần khác da, vảy, lơng, thường có tác dụng hạn chế xâm nhập loại hóa chất độc hại, có số hóa chất có khả xâm nhập vào thể qua đường da mạnh

Muốn vào thể sinh vật, hóa chất khơng phải thấm qua màng mà cịn phải qua lớp mỡ màng, khả tích lũy hóa chất độc hại có liên quan đến khả tan chất béo (tính ưa dầu – lipophilicity) chúng Môi trường nước thường nơi hóa chất có khả hịa tan chất béo chuyển từ mơi trường vơ sinh vào môi trường hữu sinh (cơ thể sinh vật) Điều giải thích hai lý do:

− Sông, hồ, biển nơi nhận lượng lớn hóa chất thải từ q trình sản xuất sinh hoạt

− Trong trình hô hấp, động vật thủy sinh chuyển lượng nước lớn qua màng hô hấp (mang cá), điều tạo điều kiện thuận lợi để hóa chất thâm nhập vào thể

Bảng 5.3 Tích lũy sinh học cá số chất gây nhiễm [9] Hóa chất Hệ số tích lũy ∗

DDT 127000

TCDD 39000

Endrin 6800

Pentachlorobenzene 5000

Lepthophos 750

Trichlorobenzene 183

∗Hệ số tích lũy: tỷ số nồng độ chất độc cá và nồng độ nước trạng thái cân

ví dụ, mỡ bị chuyển hóa thời kỳ chuẩn bị sinh sản Vì vậy, nhiều trường hợp thể sinh vật tích lũy sẵn lượng lớn chất độc mỡ, sinh vật chưa bị tác hại, đến bước vào tuổi chuẩn bị sinh sản chúng bị ngộ độc chết Ngoài ra, chất độc loại cịn di chuyển từ sinh vật mẹ sang sinh vật qua trứng, sữa gây độc cho sinh vật

Hình 5.2 Tương quan hàm lượng chất béo thể nhiều loại động vật hồ Ontario (thuộc Ngũ Đại Hồ) hàm lượng PCBs toàn thể [9]

5.4.1 Nhưng yêu tô anh hương đên tich luy sinh hoc

Sự tích lũy sinh học chất ô nhiễm môi trường phụ thuộc vào nhiều yếu tố: − Khả bị phân hủy môi trường Đây yếu tố đáng quan tâm chất độc Các chất dễ bị phân hủy môi trường tồn thời gian đủ dài để tích lũy vào thể sinh vật, trừ trường hợp chất ô nhiễm thải liên tục vào môi trường

− Nồng độ môi trường

− Tính ưa dầu (lipophilicity) Là yếu tố quan trọng định khả tích lũy sinh học hóa chất

Tuy nhiên, hóa chất tan chất béo cịn có xu hướng bị hấp phụ mạnh vào trầm tích, nên nồng độ chúng nước giảm, dẫn đến giảm khả tích lũy sinh học Ví dụ, bị axit humic hấp phụ nên khả tích lũy sinh học benzo[a]pyren cá thái dương (sunfish) bị giảm khoảng lần [9]

Ở hồ nghèo dinh dưỡng, có chất rắn lơ lửng, nên tích lũy DDT cá sống hồ cao cá sống hồ phú dưỡng có chứa nhiều chất rắn lơ lửng

− Khả chuyển hóa sinh học Khi bị hấp thụ vào thể sinh vật, dạng tồn chất ô nhiễm ảnh hưởng đến tích lũy sinh học Các chất dễ bị chuyển hóa sinh học thường dễ tan nước chất béo Các chất bị tích lũy mỡ thường dễ bị đào thải khỏi thể

lũy sinh học thấp nhiều giá trị dự tính dựa vào tính ưa dầu chúng

Bảng 5.4 Giá trị phân tích giá trị tính tốn hệ số tích lũy sinh học cá của số hóa chất có khả chuyển hóa sinh học khác nhau

Chemical Khả chuyển hóa sinh học

Hệ số tích lũy sinh học Dự đốn Xác định

Chlordane Thấp 47900 38000

PCB Thấp 36300 42600

Mirex Thấp 21900 18200

Pentachloro-phenol Cao 4900 780

Tris(2,3-dibromo-propyl)phosphate Cao 4570

5.5 Độc tính

5.5.1 Độ độc cấp tính

Độ độc cấp tính định nghĩa độ độc thể sau phơi nhiễm thời gian ngắn với chất độc

Thơng thường gặp trường hợp ngộ độc cấp tính động vật người cố (ví dụ: tai nạn giao thơng làm chất độc rị rỉ từ phương tiện vận chuyển vào khơng khí, đất, sơng hồ, ) việc sử dụng hóa chất thiếu cẩn thận (ví dụ: phun thuốc trừ sâu máy bay không vị trí)

Độc tính chất thường đặc trưng đại lượng LC50 LD50 − LD50 (Median Lethal Dose): liều lượng chất độc làm chết 50%

số động vật thí nghiệm, đơn vị tính thường mg/kg động vật

− LC50 (Median Lethal Concentration): nồng độ chất độc làm chết

50% số động vật thí nghiệm, đơn vị tính mg/L dung dịch hóa chất LC50 thường dùng

để đánh giá độc tính chất độc dạng lỏng chất độc tan dung dịch nước Có thể so sánh độ độc chất dựa vào thang độ độc, biết giá trị LD50

chúng Công việc thường dễ gây nhầm lẫn, có nhiều thang xếp loại độ độc khác sử dụng

Hai thang xếp loại độ độc dùng nhiều thang “Hodge & Sterner” “Goselin, Smith & Hodge” Các thang xếp loại độ độc trình bày Bảng 5.5 Bảng 5.6

Bảng 5.5 Phân loại độ độc theo Hodge & Sterner [22] Phân loại

độ độc Cấp độc

LD50 (ăn uống)

(chuột - liều đơn) mg/kg

LC50 (hô hấp)

(chuột - phơi nhiễm giờ)

ppm

LD50 (qua da)

(thỏ - liều đơn) mg/kg

Liều chết người Gần đúng

1 Cực độc < < 10 < grain ≈ 0,0648 g

2 Rất độc – 50 10 – 100 – 43 ml

3 Khá độc 50 – 500 100 – 1000 44 – 340 30 ml

4 Độc nhẹ 500 – 5000 1000 – 10.000 350 – 2810 600 ml

5 Thực tế

6 Ít có hại ≥ 15.000 100.000 ≥ 22.600 lít

Bảng 5.6 Phân loại độ độc (liều độc qua đường ăn uống gây chết người) theo Gosselin, Smith & Hodge [22]

Phân loại độ độc Cấp độc Liều lượng (mg/kg) Đối với người 70 kg

6 Siêu độc ≤ grain ≈ 0,0648 g

5 Cực độc – 50 ml

4 Rất độc 50 – 500 30 ml

3 Khá độc 500 – 5.000 30 – 600 ml

2 Độc nhẹ 5.000 – 15.000 600 – 1.200 ml

1 Thực tế không độc > 15.000 > 1200 ml

Từ bảng thấy khác biệt cách xếp loại độ độc hai thang Ví dụ, chất độc có LD50 theo đường ăn uống mg/kg, xếp loại “2”

là loại chất “rất độc” theo “Hodge & Sterner”, lại xếp vào loại “6” chất “siêu độc” theo thang “Gosselin, Smith and Hodge” Vì vậy, xếp độ độc chất, cần nêu rõ sử dụng thang phân loại

Từ đại lượng suy nồng độ tối đa cho phép chất độc mơi trường Có thể thấy rằng, nồng độ tối đa cho phép phải thấp nhiều giá trị LC50 chất độc khảo sát Tuy vậy, đại lượng LC50 LD50 cung cấp giá trị

thống kê để đánh giá độ độc cấp tính tương đối hóa chất độc Bảng 5.7 trình bày khoảng giá trị LC50 LD50 tương đối hóa chất độc với cá động vật cạn

Độ độc cấp tính chất độc môi trường xác định thực nghiệm loài lựa chọn đại diện cho bậc dinh dưỡng hệ sinh thái (ví dụ, động vật có vú, chim, cá, động vật khơng xương sống, thực vật có mạch nhựa, tảo) Ví dụ, Tổ chức Bảo vệ Mơi trường Mỹ (US-EPA) u cầu phải thí nghiệm lồi khác nước nước mặn (16 thí nghiệm) bao gồm cá, động vật không xương sống thực vật để xây dựng tiêu chuẩn chất lượng nước cho loại hóa chất

Ngồi ra, người ta cịn cố gắng xếp loài sinh vật dựa vào mức độ nhạy cảm chúng với chất độc Trong thực tế lồi sinh vật có độ nhạy cảm ổn định với độ độc cấp tính loại hóa chất Thêm vào đó, thí nghiệm thực lồi sinh vật với giả thiết loài đại diện cho sinh vật bậc hệ sinh thái, giả thiết thường không

Bảng 5.7 Phân loại độ độc cấp tính hóa chất độc cá động vật [9] Cá

LC50 (mg/L)

Chim/ Đ.vật có vú LD50 (mg/kg)

Cấp độc Ví dụ chất độc

> 100 > 5000 Tương đối không độc Bari

10 – 100 500 – 5000 Ít độc Cadmi

1 – 10 50 – 500 Rất độc 1,4-Dichlorobenzene

< 1 < 50 Cực độc Aldrin

5.5.2 Cơ chế gây độc cấp tính

thường gặp

• Ức chế cholinesterase: Tác dụng ức chế cholinesterase chế gây độc cấp tính thường gặp thuốc trừ sâu nhóm clo, photpho nhóm carbamate Hiện tượng ngộ độc cấp tính ức chế cholinesterase cá chim việc sử dụng thuốc trừ sâu loại nông nghiệp mục đích khác thường gặp

• Hơn mê: Các hóa chất cơng nghiệp thường gây ngộ độc cấp tính (đặc biệt với động vật thủy sinh) biểu dạng hôn mê Hôn mê xảy hóa chất độc tích lũy màng tế bào gây ảnh hưởng đến chức hoạt động bình thường màng Biểu thường thấy mê tình trạng hoạt động lờ đờ, giảm phản xạ với kích thích bên ngồi, thay đổi màu da (ở cá) Bị mê kéo dài dẫn đến tử vong Động vật bị ngộ độc, hôn mê chưa chết, hồi phục hóa chất độc bị đào thải khỏi thể

Khoảng 60% loại hóa chất cơng nghiệp thất vào mơi trường nước thể độc tính cấp tính thơng qua tác dụng gây mê Các hóa chất loại thường độc nhiều loài khác thường loại hợp chất ưa dầu tích tụ lớp mỡ màng đến nồng độ đủ để biến đổi chức màng Các hóa chất gây độc qua tác dụng gây hôn mê thường gặp loại rượu, keton, benzen, ete andehyt

• Tác động vật lý: Các cố môi trường gây ngộ độc cấp tính theo kiểu tác động vật lý thường gặp cố gây dầu tràn Các vết dầu tràn bề mặt nước bám vào tạo thành lớp bao phủ loại động vật hoạt động vùng mặt nước (như chim, động vật có vú biển,…)

Các vật bị nạn thường chết nhiệt Cơ thể loại động vật có lơng thường có khả chịu lạnh nước, khơng khí lớp lông tạo thành lớp cách nhiệt tốt Khi thấm dầu, lớp lơng bị dính chặt vào nhau, lúc lơng khơng cịn xốp có tác dụng cách nhiệt nữa, vật khơng chịu giá lạnh, nhanh chóng bị nhiệt chết

Bên cạnh nguy chết nhiệt, động vật cịn bị ngộ độc dầu Ăn uống, rỉa lơng, hít thở khơng khí có chứa dầu làm tích lũy hydrocacbon đến mức độc hại

Ở rái cá biển, ngộ độc dầu gây chứng bệnh khác bệnh bọt khí phổi (pulmonary emphysema), xuất huyết đường ruột hoại tử gan.

5.5.3 Độ độc mãn tính

Độ độc cấp tính định nghĩa độ độc thể sau phơi nhiễm thời gian dài với chất độc

Ngộ độc mãn tính thường xảy với liều chưa đủ gây chết thường ảnh hưởng có hại đến phát triển, khả sinh sản, hệ miễn dịch hệ nội tiết thể sinh vật Tuy vậy, số chất độc, ngộ độc mãn tính lại gây tử vong, lúc ngộ độc cấp tính chất lại khơng gây chết Ví dụ, phơi nhiễm thời gian dài với hóa chất có tính ưa dầu mạnh dẫn đến tình trạng tích lũy sinh học loại hóa chất thể đến mức nồng độ gây chết

Ngồi ra, trình bày phần trên, lượng chất độc tích lũy mơ mỡ sau thời gian dài bị giải phóng gây tử vong thời kỳ động vật chuẩn bị sinh sản

Độc tính mãn tính đặc trưng đại lượng:

− Mức thấp phát hiệu ứng (lowest observed effect level,

LOEL): liều lượng độc chất thấp gây hiệu ứng quan sát động

vật thí nghiệm phơi nhiễm liên tục thời gian dài

− Giá trị mãn tính (chronic value, CV): giá trị trung bình nhân NOEL LOEL

− Đại lượng ACR (acute:chronic ratio): tỷ số LC50/CV Các chất có ACR nhỏ

10 thường có độc tính mãn tính thấp khơng độc

Bảng 5.8 Độ độc cấp tính độ độc mãn tính số loại thuốc trừ sâu xác định phịng thí nghiệm lồi cá [9]

Thuốc trừ sâu LC50 (µg/L)

Độ độc cấp tính

CV

(µg/L) ACR

Độ độc mãn tính

Endosulfan 166 Cực độc 4,3 39 Độc

Chlordecone 10 Cực độc 0,3 33 Độc

Malathion 3000 Rất độc 340 8,8 Khơng độc

Carbaryl 15000 Ít độc 378 40 Độc

5.6 Tác dụng độc hại số chất 5.6.1 Hóa chất bảo vệ thực vật

Hóa chất bảo vệ thực vật (HCBVTV) sử dụng phổ biến nông nghiệp đời sống Chúng thường chia thành nhiều nhóm thuốc diệt nấm, thuốc diệt cỏ, thuốc trừ sâu, thuốc xông để bảo vệ ngũ cốc, thuốc diệt chuột loài gặm nhấm

HCBVTV loại chất ô nhiễm đặc biệt mơi trường, chúng loại hóa chất người đưa vào môi trường để tiêu diệt vài dạng sinh vật tự nhiên

Về lý thuyết, HCBVTV lý tưởng phải có tính chọn lọc cao, nghĩa tiêu diệt vài loài sinh vật đích, lại khơng gây hại cho lồi khác Trong thực tế, hầu hết loại HCBVTV khơng chọn lọc

Bên cạnh lợi ích khống chế số loài gây hại, nâng cao suất trồng, HCBVTV gây nhiều lo ngại khía cạnh mơi trường sức khỏe Các hóa chất độc hại thâm nhập vào chuỗi thức ăn, vào môi trường nước, số HCBVTV bền tích lũy mơi trường, đặc biệt nà khả tích lũy sinh học thể sinh vật, người

Tổ chức US-EPA chia HCBVTV thành nhóm Nhóm I gồm chất độc có LD50 (theo đường ăn uống) nhỏ 1,0 mg/kg thể trọng, loại thuộc nhóm bị

hạn chế sử dụng; Nhóm II gồm HCBVTV có LD50 (theo đường ăn uống) nhỏ

bằng 500 mg/kg thể trọng; Nhóm III gồm chất khơng độc có LD50 (theo đường ăn uống)

nhỏ 15.000 mg/kg thể trọng Ngoài ra, US-EPA phân loại HCBVTV dựa vào khả gây ung thư

5.6.1.1 Tác dụng độc hại thuốc trừ sâu clo

Mặc dù phát minh vào năm 1874, tác dụng diệt trùng DDT (diclo−diphenyl−tricloetan) (Hình 3.8) Paul Mueller, nhà hóa học người Thụy Sỹ, phát vào năm 1939 (nhờ đó, nhà hóa học nhận giải Nobel)

Trong Chiến tranh Thế giới thứ 2, quân đội Mỹ dùng lượng lớn DDT để diệt muỗi côn trùng truyền bệnh sốt rét Sau chiến tranh, DDT dùng rộng rãi nông nghiệp, y tế gia đình Tổ chức Y tế Thế giới (WHO) sử dụng DDT công cụ đắc lực chương trình kiểm sốt sốt rét tồn cầu

Do chậm bị phân hủy mơi trường tính chất độc hại khác, nên DDT loại thuốc trừ sâu clo khác bị cấm sử dụng vào năm 1972 Mỹ

Tác dụng hóa sinh DDT môi trường nghiên cứu kỹ Tương tự thuốc trừ sâu khác, DDT tác động lên hệ thần kinh trung ương, làm tê liệt hệ thần kinh, dẫn đến chết DDT tan vào mơ mỡ, tích lũy màng mỡ bao quanh tế bào thần kinh can thiệp vào chuyển dịch xung thần kinh dọc tế bào thần kinh Kết dẫn đến phá hủy hệ thần kinh trung ương, giết chết sâu bọ

Acetylcholine chất có tác dụng kích thích tế bào thần kinh Enzim acetylcholinesterase tham gia vào trình phân hủy acetylcholine, ngăn cản q trình kích thích tế bào thần kinh

Quá trình phân hủy acetylcholine enzim acetylcholinesterase xảy qua bước (phản ứng 2), cuối tái tạo enzim acetylcholinesterase [8]:

(1)

(2)

Thuốc trừ sâu clo ức chế enzim acetylcholinesterase làm tích tụ acetylcholine gây kích thích tế bào thần kinh

Cơ chế tác dụng hóa sinh loại thuốc trừ sâu clo với thể người chưa biết cách chắn Người ta cho chúng bị hòa tan màng mỡ bao quanh dây thần kinh can thiệp vào chuyển vận ion vào hay dây thần kinh, điều dẫn đến chuyển dịch xung thần kinh, làm xuất co giật dẫn đến tử vong

DDT tích lũy chuỗi thức ăn vào thể người sau: phiêu sinh vật biển có chứa khoảng 0,04 ppm DDT; động vật ăn phiêu sinh vật tích lũy lại thể, có nồng độ gấp 10 − 15 lần, nghĩa chúng có chứa khoảng 0,4 ppm DDT; cá to ăn sinh vật trôi nổi, trai chim ăn cá lại tích tụ lại thể đến 0,17 − 0,27 ppm (ở cá) 3,15 − 75,5 ppm (ở chim) Quá trình tóm tắt Hình 5.3

Các thuốc trừ sâu loại clo DDT, 666 bền vững, tồn môi trường thời gian dài Mặc dù DDT không tác dụng lên hệ thần kinh người theo chế hệ thần kinh trùng, song DDT có khả tích lũy thể có tác dụng độc hại lâu dài sức khỏe

CH3 C O

O

CH2CH2N(CH3)2

EO C CH3

O EOH +

enzim

acetylcholinesterase acetylcholine enzim acetyl choline

+ HOCH2CH2N(CH3)2

EO C CH3

O

Hình 5.3 Sự tích lũy DDT qua chuỗi thức ăn môi trường nước [8]

5.6.1.2 Tác dụng độc hại thuốc trừ sâu photpho cacbamat

Các loại thuốc trừ sâu photpho (organophosphorus pesticides – OPs) este axit photphoric hay thiophotphoric (Hình 3.9) Các hợp chất loại nghiên cứu từ năm thuộc thập niên 30 40, kỷ 20 bắt đầu dùng làm thuốc trừ sâu vào cuối Chiến tranh Thế giới thứ Ngày nay, OPs loại thuốc trừ sâu sử dụng rộng rãi để diệt côn trùng, sâu bọ

Thuốc trừ sâu cacbamat este axit N-methyl cacbamic (CH3NHCOOH),

trong số trường hợp axit N,N-dimethyl cacbamic Độc tính thuốc trừ sâu cacbamat phụ thuộc vào nhóm vị trí nhóm −OH Một số cacbamat thuốc trừ sâu phổ rộng Thuốc trừ sâu cacbamat đuợc sử dụng rộng rãi nông nghiệp, làm vườn thường dùng dạng bột mịn Các loại thuốc trừ sâu cacbamat khơng bị xếp vào loại hóa chất bền vững, môi trường chúng dễ bị thủy phân phân hủy

Các loại thuốc trừ sâu photpho cacbamat ức chế enzim acetylcholinesterase chúng tác dụng với enzim acetylcholinesterase giống acetylcholine, tạo thành enzim phosphoryl enzim cacbaryl (phản ứng 5), gây tích tụ acetylcholine tế bào thần kinh

(3)

(4)

(5)

P OR

OR' X

O

P OR

OR' EO

O

EOH + + HX

hợp chất photpho enzim photphoryl

P OR

OR' EO

O

P OR

OR' O

H O + H2O (chậm) EOH +

C

RO N

O

R' H

C

EO N

O

R' H

EOH + + ROH

cacbamat enzim cacbaryl

Phiêu sinh vật 0,04 ppm

Cá 0,17 − 0,27 ppm

Chim ăn cá 3,15 −75,5 ppm

(6)

Quá trình phân hủy hợp chất trung gian enzim photphoryl enzim cacbaryl xảy chậm nhiều so với q trình thủy phân enzim acetyl, làm giảm nồng độ enzim hoạt động (chậm tái tạo enzim acetylcholinesterase, EOH) Hậu acetylcholine không phân hủy đủ nhanh, gây kích thích tế bào thần kinh làm chết trùng

Ngồi khả gây ngộ độc cấp tính, số OPs cịn liên quan đến chứng bệnh thần kinh, có tên gọi tắt OPIDN (organophosphorus-induced delayed neuropathy) Triệu chứng lâm sàng điển hình bệnh tình trạng khả điều khiển ngoại biên, chủ yếu chi dưới, sau tiếp xúc với OPs qua đường tiêu hóa từ đến 10 ngày Cho đến nay, chất bệnh OPIDN chưa hiểu rõ, bệnh không liên quan đến ức chế enzim acetylcholinesterase Có thể OPs ảnh hưởng đến enzim thần kinh khác (vai trò enzim thể chưa biết rõ)

Thuốc trừ sâu photpho cacbamat có độc tính cao loại clo, chúng bị biến đổi nhanh môi trường Sản phẩm phân hủy hợp chất không độc Vì vậy, thuốc trừ sâu photpho cacbamat sử dụng

5.6.1.3 Tác dụng độc hại metyl izocyanat (MIC)

Metyl izocyanat (CH3NCO, viết tắt MIC) nguyên liệu để sản xuất thuốc trừ sâu

loại cacbamat MIC chất lỏng, dễ bay hơi, điểm sôi 43 − 45°C, hút ẩm mạnh MIC tổng hợp phản ứng metyl amoni clorua với phosgene (COCl2) Sản phẩm tạo

được phân hủy cách đun nóng với vơi sống thu MIC: CH3NH3Cl + COCl2 → CH3NHCOCl + 2HCl

2CH3NHCOCl + 2CaO

o

t

 → 2CH3NCO + CaCl2 + Ca(OH)2

MIC tạo thành ln có lẫn khoảng 2% phosgene chưa bị phản ứng hết (Phosgene, COCl2, chất khí độc, sử dụng Chiến tranh Thế giới I)

Khi tiếp xúc với MIC, bị tức ngực, khó thở, quan hơ hấp bị kích thích mạnh Vì MIC ln có lẫn phosgene, nên bị nhiễm độc MIC thường bị nhiễm phosgene, nạn nhân chết vịng 24 Các triệu chứng bị nhiễm độc phosgene: co thắt khí quản, ho tức đau ngực, 80% nạn nhân chết 24 đầu, người lại bị chết chứng viêm phổi

Theo tài liệu Tổ chức Y tế Thế giới, hàng năm giới có khoảng 750.000 người bị nhiễm độc thuốc trừ sâu, số có khoảng 140.000 người chết Các nước phát triển hàng năm dùng khoảng 30% lượng thuốc trừ sâu toàn cầu, song số người bị nhiễm độc thuốc trừ sâu nước lại chiếm 60% số ca nhiễm độc toàn giới [8]

5.6.2 Kim loại

Đất, đá, quặng, nước khơng khí có chứa kim loại, nồng độ chúng thường thấp không tập trung Các hoạt động nhân tạo nguồn gây ô nhiễm kim loại đáng quan tâm Ngày nay, kim loại sử dụng công nghiệp, nông nghiệp, công nghiệp sản xuất dược phẩm Việc sử dụng rộng rãi kim loại nhiều lãnh vực khác nhau, làm tăng nguy nhiễm độc không công nhân hoạt động ngành sản xuất liên quan đến kim loại, mà người tiêu dùng bình thường

Mặc dù, kim loại độc có độc tính khác nhau, thấy số tính chất độc chung thường gặp nhiều kim loại Để thể độc tính, kim loại phải qua màng thâm nhập vào tế bào

C

EO N

O

R' H

C O

H N

O

Kim loại dạng hợp chất tan dầu thấm qua màng tế bào (ví dụ thủy ngân dạng metyl thủy ngân); kim loại liên kết với protein (như cadmium-metallothionein) có thể thâm nhập vào tế bào qua trình nhập bào (endocytosis - q trình chất vào bên tế bào không theo đường thấm qua màng tế bào, lúc màng tế bào gập lại thu tóm chất bên ngồi tế bào tạo thành bọng có màng bao bọc bên tế bào); số kim loại khác (ví dụ chì) hấp thụ đường khuếch tán thụ động (khuếch tán qua màng chênh lệch nồng độ bên bên tế bào theo hướng làm giảm gradient nồng độ)

Hình 5.4 Quá trình nhập bào (endocytosis) trình xuất bào (exocytosis)

Tác dụng gây độc kim loại thường liên quan đến tương tác kim loại thành phần đích tế bào Các đích bị cơng thường q trình sinh hóa riêng biệt, màng tế bào hay màng thành phần tế bào

5.6.2.1 Các chế gây độc phổ biến phận thể bị tổn hại

Ức chế kích hoạt enzim: chế gây độc kim loại

tương tác với enzim, gây ức chế kích hoạt enzim Kim loại gây ức chế enzim hai đường sau:

− Kim loại độc tác dụng với nhóm sulfhydryl (−SH) enzim, phản ứng sau ion thủy ngân (II) với enzim:

+ Hg2+ → + 2H+

− Kim loại độc thay kim loại có mặt enzim Ví dụ: chì thay kẽm trong enzim axit δ-aminolevulinic dehydratase (ALAD) gây ức chế trình tổng hợp hem (là nhóm khơng chứa protein, có nhân sắt bao bọc dị vòng hữu porphyrin; thành phần quan trọng hemoglobin enzim có chứa hem sắc tố tế bào - cytochrome)

Cơ quan nội bào: kim loại độc hủy hoại cấu trúc chức nội

bào quan Ví dụ, ức chế enzim thể lưới nội chất (endoplasmic reticulum); tích tụ kim loại thể men (lysosome); ức chế enzim hô hấp thể hạt sợi (mitochondria)…

Khả gây ung thư: số kim loại có khả gây ung thư cho người động

vật Ví dụ: hợp chất asen, số hợp chất crom, niken tác nhân có khả gây ung thư người; beri, cadmi cisplatin (Pt(NH3)2Cl2) tác nhân

có khả gây ung thư SH SH [Enzim]

S S

Người ta cho rằng, số kim loại có khả gây ung thư chúng tương tác với ADN thể động vật

Thận: quan tiết thể, nên thận thường quan bị ảnh

hưởng chất độc kim loại thể Cadmi, thủy ngân thường kim loại độc có ảnh hưởng mạnh đến thận

Hệ thần kinh: hệ thần kinh thường bị tác động kim loại độc, đặc biệt

các kim loại dạng hợp chất hữu Ví dụ metyl thủy ngân, tan chất béo, nên dễ qua màng tế bào xâm nhập vào hệ thần kinh

Ngược lại dạng thủy ngân vô dễ tan nước hơn, nên có khả xâm nhập vào hệ thần kinh, mà thường chất độc gây hại cho thận

Tương tự vậy, hợp chất chì hữu thường chất độc thần kinh, cịn dạng chì vơ lại gây ức chế enzim

Hệ nội tiết khả sinh sản: quan sinh sản người hoạt động theo

cơ chế phức tạp liên quan đến thần kinh nội tiết hóc mơn, chất độc có khả tham gia vào trình ảnh hưởng đến hệ sinh sản Chì cadmi kim loại độc gây tác hại hệ sinh sản người

Hệ hô hấp: tiếp xúc với kim loại dạng bụi hủy hoại phổi Phơi nhiễm cấp tính

có thể làm kích thích gây tổn thương đường hơ hấp Phơi nhiễm mãn tính làm xơ hóa (nhơm) gây ung thư (asen, crom, niken)

5.6.2.2 Tác dụng độc hại asen

Thông thường nồng độ asen khơng khí nước thấp, nguồn phơi nhiễm asen người thực phẩm

Tuy vậy, số vùng giới, Đài Loan, Nam Mỹ, Banglades,…nồng độ asen nước ngầm cao Cư dân sinh sống sử dụng nước ngầm vùng có nồng độ asen cao thường bị mắc bệnh bệnh sừng hóa, tăng sắc tố da,… Phơi nhiễm mức nồng độ cao dẫn đến hậu nghiêm trọng bị hoại tử đầu ngón tay, ngón chân, bệnh “blackfoot”, ung thư …

Hình 5.5 Nhiễm độc asen gây hoại tử bàn tay ngón tay [28]

thuốc diệt nấm, diệt cỏ Ngồi ra, asen cịn dùng để sản xuất dụng cụ thủy tinh, sơn, chất màu, vật liệu bán dẫn

Asen tồn hợp chất ba mức oxy hóa: asen (+5) hợp chất asenat; asen (+3) asenit; asen (-3) khí asin Độc tính dạng asen khác tăng dần theo thứ tự sau: As(+5) < As(+3) < As(-3)

Trong mơi trường, vi sinh vật chuyển hóa asen thành dimethylasenate, chất tích lũy sinh học cá, nghêu sị làm ảnh hưởng đến người qua chuỗi thức ăn

Các hợp chất asen (+3) tan dầu mỡ thâm nhập vào thể đường tiêu hóa, hơ hấp tiếp xúc qua da Trong vòng 24 sau hấp thụ, asen phân bố khắp thể,liên kết với nhóm −SH protein tế bào Chỉ phần nhỏ vào tế bào thần kinh Asen thay photpho tích tụ xương nhiều năm

Asen (III) độc cơng vào nhóm −SH enzim, làm cản trở hoạt động enzim:

AsO43− có tính chất tương tự PO43− thay ion PO43− gây ức chế enzim, ngăn cản

tạo ATP chất sản sinh lượng

Nếu có mặt AsO43− q trình phụ xảy ra, tạo thành 1−aseno, 3−photphat glyxerat, nên

sự tạo thành 1,3−diphotphat glyxerat khơng xảy ra, khơng hình thành phát triển ATP: SH

SH

S S

As

[Enzim] + AsO33 - [Enzim] O- + 2OH

-C CH2 SH

CH2 SH

C

+ AsO3

3-(dihyrolipoic axit - protein) (phức bị thụ động hóa) CH2

(CH2)5 O Protein CH2 S

CH2 S

As O + 2OH CH2

(CH2)5 O Protein

C CH

O

CH2 OPO3

2-OH

H

C CH

O

CH2 OPO3

2-OH

OPO3

2-PO4

3-Glyxeraldehyt - phosphat

ATP

1,3 - D iphosphat G lyxerat Adenosine Triphosphat C CH O

CH2 OPO3

2-OH

H

C CH

O

CH2 OPO3

2-OH

OAsO3

2-AsO4

3-Glyxeraldehyt - phosphate

ATP

1-arseno,3 - phosphate

Asen (+3) nồng độ cao làm đơng tụ protein, có lẽ asen (+3) cơng liên kết có nhóm sulfua

Sau bị nhiễm độc cấp tính từ 30 phút đến giờ, nhiều triệu chứng đường ruột nặng xuất Các triệu chứng nôn mửa, tiêu chảy máu, đau bụng dội, đau có cảm giác cháy bỏng thực quản Sau số triệu chứng kèm tình trạng giãn mạch, co thắc tim, phù não, đau thần kinh ngoại biên Cuối nạn nhân bị vàng da, rối loạn thận chết vòng từ 24 đến ngày rối loạn tuần hồn

Nhiễm độc mạn tính thường kèm với triệu chứng không rõ ràng tiêu chảy, đau bụng, tăng sắc tố tăng sừng hóa Cuối dẫn đến hoại tử đầu ngón tay, ngón chân; thiếu máu; ung thư da, phổi tế bào mũi

Các chất chống độc asen hóa chất chứa nhóm −SH 2,3− dimercapto propanol (HS−CH2−CH(SH)−CH2OH) (BAL), chất có khả tạo liên kết với AsO33−,

nên khơng cịn As (III) để liên kết với nhóm −SH enzim

5.6.2.3 Tác dụng độc hại cadmi

Trong tự nhiên cadmi chủ yếu kèm với chì kẽm quặng Cadmi bị phát tán vào môi trường gần mỏ khai thác khu vực luyện kim Trong công nghiệp cadmi sử dụng để làm chất màu sơn, chất dẻo, mạ điện, chế tạo hợp kim, pin sạc

Nguồn gây nhiễm độc cadmi thường nước ngầm bị ô nhiễm công nghiệp luyện kim, sử dụng công nghiệp, sử dụng bùn nước thải thị làm phân bón Lưỡi câu, xiên đâm cá, sản phẩm ngũ cốc, rau, nguồn gây nhiễm cadmi thực phẩm

Nhiễm độc cấp tính gây đau rát vùng tiếp xúc Sau ăn uống bị nhiễm độc cadmi, triệu chứng thường gặp buồn nơn, nơn, đau bụng Nhiễm độc qua đường hơ hấp dẫn đến phù phổi

Nhiễm độc mạn tính thường quan tâm đặc biệt cadmi bị đào thải khỏi thể chậm, thời gian bán phân hủy thể vào khoảng 30 năm Vì vậy, phơi nhiễm nồng độ thấp dẫn đến tình trạng tích lũy cadmi thể

Phần lớn cadmi thâm nhập vào thể người đào thải từ từ qua thận, khoảng 1% giữ lại thận, cadmi liên kết với protein tạo thành metallotionein có thận Phần lại thể tích lũy với tuổi tác Khi lượng Cd2+ tích

lũy đủ lớn, chỗ ion Zn2+ enzim quan trọng gây rối loạn tiêu hóa

các chứng bệnh rối loạn chức thận, thiếu máu, tăng huyết áp, gây dòn xương, phá hủy tủy xương, gây ung thư

Sự cố nhiễm độc cadmi xảy tỉnh Toyama, Nhật Bản, vào năm 1940 hoạt động khai khống làm nhiễm cadmi sơng Jinzu phụ lưu Nước sông sử dụng cho thủy lợi dùng để sản xuất nước uống Hậu làm hàng trăm người dân sống khu vực bị mắc chứng bệnh nhiễm độc cadmi có tên gọi “bệnh itai-itai” Hầu hết nạn nhân bị tổn thương thận loãng xương, nhiều người chết Vụ nhiễm độc Toyama xem vụ nhiễm độc cadmi nghiêm trọng từ trước đến

5.6.2.4 Tác dụng độc hại chì

Trung bình người dân thành phố lớn ngày đưa vào thể 10 µg Pb từ khơng khí, 15 µg Pb từ nước (dạng hòa tan dạng phức) 200 µg Pb từ nguồn lương thực thực phẩm; tiết ngồi khoảng 200 µg Pb, cịn khoảng 25 µg giữ lại xương

các sắc tố khác sắc tố tế bào (cytochromes).

Hình 5.6 Cơng thức cấu tạo ALA−dehydraza enzim porphobilinogen

Chì cịn gây hại đến hệ thần kinh, đặc biệt trẻ sơ sinh trẻ em tuổi phát triển hệ thần kinh Ngay phơi nhiễm chì mức độ thấp, trẻ có biểu hiếu động thái quá, giảm ý, thiểu trí tuệ, suy giảm thị lực Khi bị phơi nhiễm mức nồng độ cao hơn, nạn nhân (cả trẻ em người lớn) bị bệnh não Chì phá hủy động mạch nhỏ mao mạch làm phù não thoái hóa thần kinh Triệu chứng lâm sàng gây tác hại trạng thái lờ đờ, co giật, mê

Do có tính chất hóa học tương tự Ca nên thể Pb tích lũy xương, chì kết hợp với photphat xương di chuyển vào mô mềm thể độc tính

Ngồi ra, chì cịn ảnh hưởng đến hệ sinh sản, gây sẩy thai, ảnh hưởng có hại cho trẻ sơ sinh Khi hàm lượng máu khoảng 0,3 ppm, chì ngăn cản q trình sử dụng oxy để oxy hóa glucoza tạo lượng cho q trình sống, làm cho thể mệt mỏi Khi nồng độ máu nằm khoảng > 0,5 − 0,8 ppm, chì gây rối loạn chức thận phá hũy não Ở nồng độ cao (> 0,8 ppm) chì gây thiếu máu thiếu hemoglobin

Các chất chống độc chì hóa chất có khả tạo phức chelat tan với Pb2+

Ví dụ, dung dịch phức chelat canxi dùng để giải độc chì phức chelat chì bền phức chelat canxi nên Pb2+ chỗ Ca2+ phức chelat, kết phức chelat chì

tạo thành tan đào thải qua nước tiểu Các hóa chất dùng để giải độc chì EDTA, 2,3-dimercaptopropanol, penicillamin , chúng tạo với chì phức chelat sau:

Hình 5.7 Phức chelat chì với chất chống độc

5.6.2.5 Tác dụng độc hại thủy ngân

Thủy ngân có nhiều ứng dụng rộng rãi cơng nghiệp, sản xuất NaOH, Cl2

bằng cách điện phân dung dịch muối ăn bão hòa với điện cực thủy ngân Ngành công nghiệp sản xuất thiết bị điện sản xuất đèn thủy ngân cao áp, pin thủy ngân, rơle điện dùng nhiều thủy ngân Trong nông nghiệp, người ta dùng lượng lớn hợp chất thủy ngân để chống nấm làm hạt giống Các hợp chất thường dùng là:

CH2

HOOC CH2 C CH

NH2

COOH O

(I) delta-aminolevulinic axit (ALA dehydrase enzym)

HOOC CH2 C C CH2 CH2 COOH

C C N H H CH2 N H2 (II) porphobilinogen CH2 CH2 N N CH2 CH2 C C O O O O CH2 CH2 Pb C C O O O O

Phức P b - E D TA

C

H2 CH

S S

Pb

S S

C

H2 CH CH2OH

CH2OH

C OH O C H C C H3 N H S Pb CH3

P hức P b - BAL

Metyl nitril thủy ngân: CH3−Hg−CN

Metyl dixian diamit thủy ngân:

Metyl axetat thủy ngân: CH3−Hg−OOC−CH3

Etyl clorua thủy ngân: C2H5−Hg−Cl

Các hợp chất thủy ngân dùng làm hạt giống, gieo hạt giống xuống đất, hợp chất phân tán rộng đất Sau đó, thủy ngân vào thực vật, động vật chuyển vào thức ăn người

Thủy ngân kim loại có độc tính cao Vào năm 1953 − 1960, Nhật có nhiều trường hợp bị nhiễm độc nặng ăn phải cá nhiễm thủy ngân từ vịnh Minamata Nước vịnh bị nhiễm thủy ngân nước thải nhà máy hóa chất Cá vịnh có chứa 27 − 102 ppm thủy ngân dạng metyl thủy ngân (xem “Phần đọc thêm” mục ) Năm 1972, 450 nông dân Irắc chết ăn phải loại lúa mạch bị nhiễm thủy ngân từ thuốc trừ sâu Hai kiện chứng tỏ thủy ngân chất gây độc mạnh

Hình 5.8 Bàn tay bị biến dạng nạn nhân bị ngộ độc Hg Minamata [20] Tính độc thủy ngân phụ thuộc vào dạng hợp chất hóa học

− Thủy ngân kim loại tương đối trơ không độc, nuốt thủy ngân vào bụng sau lại thải ngồi, khơng gây hậu nghiêm trọng Nhưng thủy ngân hít phải độc Khi hít phải thủy ngân, thủy ngân vào não qua máu, hủy hoại hệ thần kinh trung ương

− Thủy ngân (I) Hg22+ vào thể tác dụng với ion Cl− có dày tạo thành

hợp chất không tan Hg2Cl2 bị đào thải ngồi, nên Hg22+ khơng độc

− Thủy ngân (II) Hg2+ độc, dễ dàng kết hợp với amino axit có chứa lưu huỳnh protein Hg2+ tạo liên kết với hemoglobin albumin huyết

hai chất có chứa nhóm −SH Song Hg2+ khơng thể chui qua màng sinh học nên

không thể thâm nhập vào tế bào sinh học

− Các hợp chất hữu thủy ngân có độc tính cao nhất, đặc biệt ion metyl thủy ngân CH3Hg+, chất tan mỡ, phần chất béo màng não tủy

Trong ankyl thủy ngân, liên kết cộng hóa trị Hg với C bền vững, khơng dễ

C

H3 Hg N C NH2

NH2 N

dàng bị phá vỡ nên ankyl thủy ngân bền Đặc tính nguy hiểm ankyl thủy ngân (RHg+) thấm qua màng ngăn cản thâm nhập vào mô bào thai qua

nhau thai Khi mẹ bị nhiễm metyl thủy ngân trẻ sinh thường chịu thương tổn hồi phục hệ thần kinh trung ương, gây nên bệnh tâm thần phân liệt, co giật, trí tuệ phát triển

Hg liên kết vào màng tế bào ngăn cản trình vận chuyển đường qua màng, lại cho K qua màng Đối với tế bào não, trình vừa nêu làm suy giảm lượng tế bào, gây rối loạn việc truyền xung thần kinh Nhiễm độc metyl thủy ngân dẫn tới phân chia nhiễm sắc thể, phá vỡ nhiễm sắc thể ngăn cản phân chia tế bào Các triệu chứng nhiễm độc thủy ngân bắt đầu xuất nồng độ metyl thủy ngân (CH3Hg+) máu vào

khoảng 0,5 ppm Đặc tính độc hại thủy ngân hợp chất thủy ngân trình bày tóm tắt Bảng 5.9

Bảng 5.9 Đặc tính hóa học sinh hóa thủy ngân hợp chất [8] Loại Đặc tính hóa học sinh hóa

Hg Nguyên tố thủy ngân tương đối trơ, khơng độc Hơi thủy ngân hít phải độc Hg22+ Tạo hợp chất không tan với clorua (Hg2Cl2) có độ độc thấp

Hg2+ Độc, khó di chuyển qua màng sinh học

RHg+ Rất độc, thông thường dạng CH3Hg+, nguy hiểm cho hệ thần kinh não, dễ di

chuyển qua màng sinh học, tích trữ mơ mỡ

R2Hg Độc tính thấp, chuyển thành RHg+ mơi trường axit trung bình

HgS Khơng tan khơng độc, có đất

Trong môi trường nước, thủy ngân muối thủy ngân bị số vi khuẩn kỵ khí chuyển hóa thành metyl thủy ngân hay dimetyl thủy ngân (CH3)2Hg Dimetyl thủy

ngân môi trường axit trung bình chuyển hóa thành metyl thủy ngân (CH3Hg+) tan

trong nước Quá trình lan truyền thủy ngân cuối vào thể người tóm tắt sơ đồ sau:

Hình 5.9 Sự khuếch đại sinh học thủy ngân chuỗi thức ăn [8]

Có thể ngăn chặn tình trạng nhiễm thủy ngân tn thủ qui tắc Tổ chức Bảo vệ Môi trường Mỹ Thụy điển đề nghị:

− Chuyển hướng cơng nghệ thay sử dụng điện cực thủy ngân công nghiệp sản xuất NaOH Cl2,

− Cấm sản xuất sử dụng thuốc trừ sâu loại ankyl thủy ngân,

Hg2+ CH

3Hg +

Phiêu sinh vật VK kỵ khí

Cơn trùng Cá nhỏ

Chim Cá lớn

Người

− Hạn chế sản xuất sử dụng loại thước trừ sâu khác có chứa thủy ngân, sử dụng chọn lọc số vùng,

Trầm tích nhiễm thủy ngân sơng hồ tạo ion metyl thủy ngân tan vào nước Ở Thụy Điển, người ta thử nghiệm bao phủ trầm tích đáy vật liệu nghiền mịn có khả hấp phụ cao để tránh trình tái hịa tan thủy ngân vào nước Cũng chơn lấp trầm tích nhiễm thủy ngân vật liệu vô trơ

5.6.3 Tác dụng độc hại số chất độc khác

5.6.3.1 Tác dụng độc hại cacbon monooxit (CO)

Cacbon monooxit khí độc, tạo hợp chất bền với hemoglobin CO O2 hemoglobin tạo cacboxy-hemoglobin, làm giảm khả tải O2 máu:

O2Hb + CO  COHb + O2

Khi cấp cứu người bị nhiễm độc CO, trước hết phải đưa nạn nhân chỗ thoáng cho thở oxy để phản ứng giải hấp CO xảy ra:

HbCO + O2  HbO2 + CO

Bảng 5.10 Ảnh hưởng độc hại CO người nồng độ khác [8] Nồng độ CO

(ppm)

% chuyển hóa HbO2→HbCO

Ảnh hưởng độc hại người

10 Rối loạn khả phán đốn, giảm tầm nhìn

100 15 Đau đầu, chóng mặt, mệt mỏi

250 32 Ngất, bất tỉnh

750 60 Chết sau vài

1000 66 Chết nhanh

5.6.3.2 Tác dụng độc hại oxit nitơ (NOx) Trong khí tồn hai oxit nitơ NO NO2

NO có khả tạo liên kết với hemoglobin CO, làm giảm hiệu suất vận chuyển oxy máu Song, khơng khí bị nhiễm, lượng NO thấp nhiều lần so với khí CO, tác động đến hemoglobin nhỏ nhiều

NO2 độc hại sức khỏe người Cơ chế gây độc NO2 chưa biết

rõ Người ta cho rằng, số enzim catalase lactic dehydrogenase bị phân hủy tác dụng NO2

Thuốc chống ngộ độc NO2 thường sử dụng chất chống oxy hóa

vitamin E

Bảng 5.11 Ảnh hưởng độc hại NO2 với người nồng độ khác [8]

Nồng độ NO2

(ppm)

Thời gian

phơi nhiễm Mức độ độc hại người

50 − 100 Dưới Viêm phổi phơi nhiễm 6−8 tuần

150 − 200 − Hủy hoại khí quản, chết phơi nhiễm 3−5 tuần

5.6.3.3 Tác dụng độc hại khí sunfurơ (SO2)

Khí sunfurơ gây tác hại chủ yếu đường hơ hấp, kích thích gây ngạt Hầu hết người bị kích thích nồng độ SO2 khơng khí cao ppm Những

người nhạy cảm bị kích thích nồng độ thấp − ppm SO2 Nhiễm độc SO2

ở nồng độ cao − 10 ppm SO2 gây co thắt phế quản mạnh

Ô nhiễm SO2 kèm với khói gây tượng synergism, đặc biệt

cố sương khói kiểu London

Mặc dù nồng độ gây chết người lớn, đến 500 ppm, khí SO2 xem

là tác nhân gây nhiễm khơng khí đáng kể nhất, gây tác hại đến người già, người có bệnh đường hơ hấp, tim mạch

Đối với thực vật, nồng độ cao, SO2 phá hủy mơ lá, làm hư hại vùng rìa vùng

nằm gân Khi độ ẩm tương đối khơng khí tăng lên tác hại SO2

thực vật tăng lên Tác hại trở nên nghiêm trọng lỗ nhỏ lớp biểu bì bề mặt dùng để trao đổi khí bị nở Tiếp xúc lâu dài với khí chứa SO2 nồng độ thấp

nguy hiểm với trồng tiếp xúc với nồng độ cao thời gian ngắn

5.6.3.4 Tác dụng độc hại ozon PAN

Ozon PAN (peroxyaxetyl nitrat CH3−COO−ONO2) sản phẩm trình

quang hóa Cả hai khí gây tác hại mắt quan hô hấp người Con người cần tiếp xúc với không khí chứa 50 ppm O3 vài dẫn tới tử

vong bị tràn dịch màng phổi Ở nồng độ thấp không dẫn đến chết người, gây tích lũy chất lỏng phổi phá hoại mao quản phổi Trẻ em động vật non nhạy cảm với tác động độc hại ozon

Tác dụng hóa sinh ozon PAN chủ yếu tạo gốc tự Nhóm −SH (sulphydril) enzim bị tác nhân oxy hóa cơng, ngồi cịn bị axêtyl hóa bới PAN

Các tác nhân oxy hóa quang hóa làm tê liệt hoạt động enzim izocitric dehydrogenase; malic dehydrogenase glucose−6−photphate−dehydrogen −ase Các enzim có liên quan đến chu trình axit citric làm phân hủy glucose, chất tạo lượng tế bào Các tác nhân oxy hóa ngăn cản hoạt tính enzim tổng hợp xenluloza chất béo thực vật

5.6.3.5 Tác dụng độc hại cyanua (CN−)

Cyanua có hạt loại táo, mơ, anh đào, đào, mận, Cyanua thực vật thưòng liên kết với gốc đường gọi amygdalin Đường amygdalin bị enzim hay axit thủy phân tạo cyanua (ví dụ: dày):

Cyanua ức chế enzim oxy hóa làm ngăn cản giai đoạn trung gian trình sử dụng oxy để tạo ATP Quá trình tạo ATP (adenozin triphotphat) xảy qua bước sau:

Bước 1: Fericytochrom oxidaza (một protein chứa sắt, viết tắt Fe(III)−oxit) bị glucoza khử thành ferrocytochrom oxidaza (viết tắt Fe(II)−oxit):

Fe(III)−oxit + glucoza → Fe(II)−oxit + glyxeraldehyt

CH

O C6H10O4 C N

C6H11O5

+ 2H2O HCN + 2C6H12O6 + C6H5CHO

Benzaldehyt Glucose

Amydalin

Bước 2: Fe(II)−oxit nhường e cho oxy biến thành Fe(III)−oxit: Fe(II)−oxit + ½ O2 + 2H+ → Fe(III)−oxit + H2O

Sau glyxeraldehyt kết hợp với PO43−, tạo ADP (adenozin diphotphat), chất

tiếp tục kết hợp với PO43− để tạo thành ATP chất sản sinh lượng:

ADP   →PO43- ATP

Nếu có mặt xianua Fe(III)−oxit kết hợp với CN−:

Fe(III)−oxit + CN− → Fe(III)−oxit−CN

làm bước bị ngăn cản, bước sau khơng xảy để tạo thành ATP Thêm vào CN− tạo phức với hợp chất hematin khác.

Để điều trị nhiễm độc cyanua, người ta tiêm NaNO2 vào mạch máu, cho nạn

nhân ngửi amylnitrit, xảy phản ứng sau:

− NO2− oxy hóa hemoglobin HbFe(II) thành methemiglobin HbFe(III), chất không

vận chuyển O2 tới mô hemoglobin HbFe(II):

HbFe(II)   →NO2− HbFe(III)

(phản ứng xem nguyên nhân gây độc NO2−, làm thiếu oxy, có dẫn đến tử

vong)

− HbFe(III) lấy CN− phức ferricytochrom oxidaza với CN−:

HbFe(III) + Fe(III)−oxit−CN → HbFe(III)−CN + Fe(III)−oxit

− Điều trị tiếp với S2O32− để loại bỏ CN−:

HbFe(III)−CN + S2O32−→ SCN− + SO32− + HbFe(II)

Phản ứng cần xúc tác men chứa nhóm SCN− (rhodanase) hay mitocrondrial

sulfua transferase

5.6.3.6 Các chất gây ung thư (carcinogens)

Các nghiên cứu dịch tễ học cung cấp nhiều chứng cho thấy người phơi nhiễm số loại hóa chất, tác nhân độc hại xác định mắc bệnh ung thư

Thuật ngữ carcinogens dùng để hóa chất , tác nhân (tia phóng xạ, tia xạ, ), có khả gây ung thư người động vật

Dựa vào khả gây ung thư, Tổ chức Thế giới Nghiên cứu Ung thư (IARC – International Agency for Reseach on Cancer) Tổ chức Bảo vệ Môi trường (EPA) phân loại chất độc thành nhóm (Bảng 5.12)

Bên cạnh chất xếp vào loại có khả gây ung thư (carcinogen), cịn có số chất thân khơng có khả gây ung thư, kết hợp với tác nhân khác lại có khả gây ung thư, chất loại gọi tên co-carcinogens.

Để đánh giá khả gây ung thư tác nhân nghi vấn, người ta thường sử dụng kết nghiên cứu dịch tễ học nghiên cứu động vật loài gặm nhấm Bằng chứng quan trọng để kết luận khả gây ung thư tác nhân thường dựa vào kết nghiên cứu dịch tễ học

Bảng 5.12 Phân loại chất gây ung thư theo IARC EPA [9] IARC EPA

Nhóm Nhóm A Đã biết gây ung thư cho người (Đã có đủ chứng dịch tễ học để chứng minh có liên quan tác nhân phơi nhiễm việc phát bệnh ung thư nạn nhân)

Nhóm 2A Nhóm B Gần chắn gây ung thư cho người

Nhóm B1 Chưa có nhiều chứng dịch tễ học khả gây ung thư người, khơng tính đến chứng động vật thí nghiệm. Nhóm B2

Có đủ chứng dịch tễ học khả gây ung thư động vật thí nghiệm, chưa có khơng có chứng thỏa đáng khả gây ung thư người

Nhóm 2B Nhóm C Có thể gây ung thư cho người Khơng có chứng khả gây ung thư người, chứng động vật.

Nhóm Nhóm D

Khơng thể đánh giá khả gây ung thư cho người Chưa có khơng có chứng thỏa đáng khả gây ung thư người động vật

Nhóm Nhóm E

Gần chắn khơng gây ung thư cho người Khơng có chứng khả gây ung thư thí nghiệm hồn chỉnh lồi động vật khác khơng có chứng khả gây ung thư thí nghiệm đầy đủ dịch tễ học thí nghiệm động vật

Danh mục hóa chất, tác nhân IARC xếp loại tác nhân gây ung thư trình bày Bảng 5.13 Bảng cịn cung cấp thơng tin nghề nghiệp có bị phơi nhiễm với loại hóa chất tương ứng

Bảng 5.13 Danh mục tác nhân, chất, hỗn hợp chất gây ung thư người và ngành nghề có nguy bị phơi nhiễm [9]

Aflatoxins 4-Aminobiphenyl

Asen số hợp chất asen Amiăng

Azathioprine Benzene Benzidine

Beri số hợp chất beri

N,N-bis-(2-Chloroethyl)-2-naphthylamine (chlornaphazine)

Bis(chloromethyl) ether chloromethyl methyl ether 1,4-Butanediol dimethylsulfonate (Myleran)

Cadmi số hợp chất cadmi Chlorambucil

(Bảng 5.13 tiếp theo)

Cyclophosphamide

Cyclosporin A (cyclosporin) Diethylstilbestrol

Virut Epstein-Barr Erionite

Liệu pháp Estrogen

Estrogens, không thuộc loại steroid Estrogens, thuộc loại steroid Etylen oxit

Etoposide kết hợp với cisplatin bleomycin

Helicobacter pylori

Virut Hepatitis B (gây viêm gan B, mãn tính) Virut Hepatitis C (gây viêm gan C, mãn tính)

Thuốc nam có chứa hoạt chất từ lồi Aristolochia (một lồi dây leo) HIV, nhóm

Virut Papilloma, nhóm 16 Virut Papilloma, nhóm 18

Virut tế bào lymphotropic T, nhóm

Melphalan (2-amino-3-[4-[bis(2-chloroethyl)amino]phenyl]-propanoic a.) Methoxsalen với liệu pháp UV-A (PUVA)

MOPP liệu pháp hóa học kết hợp khác kể tác nhân ankyl hóa Mustard Gas (Bis (2-chloroethyl) sulfide; dùng làm vũ khí hóa học) 2-Naphthylamine

Neutron

Các hợp chất Nicken

Opisthorchis viverrini (một loại sán lá)

Thuốc ngừa thai Tia phóng xạ α Tia phóng xạ β Radon

Schistosoma haematobium (một loại ký sinh trùng)

Silica

Bức xạ Mặt trời

Bột Talc chứa khoáng dạng sợi amiăng

(Bảng 5.13 tiếp theo)

Thiotepa [tris(1-aziridinyl)phosphine sulfide] Thori dioxit

Treosulfan Vinyl clorua

Bức xạ tia X tia γ Hỗn hợp

Đồ uống có cồn

Hỗn hợp giảm đau chứa phenacetin Nhai trầu với thuốc

Tro than đá hắc ín từ than đá Dầu khoáng (mineral oils) Cá muối

Shale oils (loại dầu tách từ đá trầm tích chứa chất hữu cơ) Muội than

Khói thuốc sản phẩm thuốc khơng khói Mùn cưa

Tình phơi nhiễm Sản xuất nhôm

Sản xuất phẩm nhuộm auramine Sản xuất sửa chữa giày da Khí hóa than đá

Khí hóa than cốc Săn xuất đồ gỗ

Bị phơi nhiễm radon khai thác hematit Đúc, luyện sắt thép

Sản xuất isopropanol

Sản xuất thuốc nhuộm fucsin Thợ sơn

Công nghiệp cao su

Khói axit vơ mạnh có chứa axit sulfuric

Khơng phải loại hóa chất nhân tạo gây ung thư người, tự nhiên có nhiều tác nhân gây ung thư, sợi amiăng, aflatoxin B1, cau, niken số hợp chất asen có khả gây ung thư người

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1] Lê Huy Bá Độc học Môi trường, NXB.ĐHQG TP HCM, tái lần (2002) [2] Lê Huy Bá Môi trường (Tập 1), NXB KH&KT (1997)

[3] Đặng Kim Chi Hóa học mơi trường (Tập 1), NXB KH&KT (1998) [4] Vũ Đăng Độ Hóa học ô nhiễm môi trường, NXB Giáo dục (1997)

[5] Lê Trình Quan trắc kiểm sốt ô nhiễm môi trường nước, NXB KH&KT (1997) [6] Phạm Hùng Việt, Trần Tứ Hiếu, Nguyễn Văn Nội Hóa học môi trường sở, Trường

Đại học Khoa học Tự nhiên Hà Nội (1999)

[7] Andrew R.W Jackson & Julie M Jackson Environmental ScienceThe Natural Environment and Human Impact, Longman Group Limited, 1st ed (1996) [8] Anil Kumar De Environmental Chemistry, Wiley Eastern Ltd, 2nd ed (1989) [9] Ernest Hodgson A textbook of modern toxicology, John Wiley & Sons, Inc., 3rd ed

(2004)

[10] Eugene R Weiner Applications of Environmental Chemistry, Lewis Publishers, 1st ed (2000)

[11] Howard S Peavy, Donald R Rowe, George Tchobanoglous Environmental Engineering, McGraw-Hill Book Co., 1st ed (1985)

[12] J Glynn Henry, Gary W Heinke Environmental Science and Engineering, Prentice Hall, Inc., 1st ed (1989)

[13] Malcolm Grant, Richard Hawkins The Concise Lexicon of Environmental Terms, John Wiley & Sons, 1st ed (1995)

[14] Manahan Stanley E “Frontmatter” Fundamentals of Environmental Chemistry, CRC Press, 2nd ed (2001)

[15] Metcalf & Eddy, Inc Wastewater Engineering: Treatment, Disposal, and Reuse, McGraw-Hill, Inc., 3rd ed (1991)

[16] Peter O’Neill Environmental Chemistry, Chapman & Hall, 2nd ed (1993)

[17] http://curriculum.calstatela.edu/courses/builders/lessons/less/les4/genes/eut_and_pro.gif [18] http://industrial-landscape.com/FG-image-gallery/source/image/

trickling_filter_8983.jpg

[19] http://umanitoba.ca/institutes/natural_resources/gallery/canada/manitoba_prairies/ lgmanitobaprairies3.jpg

[20] http://upload.wikimedia.org/wikipedia/en/thumb/8/8d/Tomokos_hand.gif/190px-Tomokos_hand.gif

[21] http://whyfiles.org/201mercury/images/minamata_child.jpg [22] http://www.ccohs.ca/oshanswers/chemicals/ld50.html

[23] http://www.elmhurst.edu/~chm/vchembook/images2/196sculpture.gif [24]

http://www.eoearth.org/upload/thumb/b/b7/London_Smog.jpg/300px-London_Smog.jpg

[25] http://www.mrfs.net/trips/2004/Southern_California/Los_Angeles/la_skyline.jpg [26] http://www.nasa.gov/images/content/160658main2_OZONE_large_350.jpg [27] http://www.robl.w1.com/Pix/C900991.jpg