IV. GIỚI THIỆU MỘT SỐ TIÊU CHUẨN, QUY CHUẨN ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MÔ
2. CÁC THÔNG SỐ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC
2.2. Các thông số hóa học môi trường nước
2.2.1. Thế pH
Nồng độ ion H+ trong dung dịch được biểu thị bằng trị số pH được phát triển từ quá trình ion hóa của nước:
H2O + H2O = H3O+ + OH- H3O+ = H2O + H+
Hoặc có thể viết là: H2O = H+ + OH-
Hằng số cân bằng (Kw) của quá trình phân ly trên phụ thuộc vào nhiệt độ của nước: [H+][OH-] = Kw cho bởi bảng sau:
Bảng 2.12. Hệ số cân bằng phân ly của nước phụ thuộc nhiệt độ
Nhiệt độ (oC) Kw 0 0,1139 10-14 5 0,1846 10-14 10 0,2920 10-14 15 0,4505 10-14 20 0,6809 10-14 25 1,0080 10-14 30 1,4960 10-14 35 2,0890 10-14 40 2,9190 10-14
Nguồn: Garrels và Christ, 1965
Ví dụ trường hợp nhiệt độ nước là 25oC, khi đó mỗi phân tử nước phân ly thành 1 ion H+ và 1 ion OH- do đó: [H+][OH-] = [H+][H+] = 2[H+] = Kw = 1,0080 10-14. Do đó, nồng độ [H+] = 10-7 = 0,0000001 mol/l. Để tránh sử dụng trị số quá nhỏ, từ đầu thế kỷ XX người ta sử dụng pH thay thế cho nồng độ ion H+.
pH = -lg[H+]
Mặc dù hiện nay, nhiều người cho rằng giá trị pH trung tính là 7 nhưng trên thực tế, giá trị pH trung tính của một mẫu nước phải gắn với nhiệt độ của mẫu nước đó, ví dụ, pH trung tính ở 35oC là 6,84. Thang đo pH thường là 0 – 14 nhưng trên thực tế có thể có các giá trị pH cao hơn 14 hoặc nhỏ hơn 0 ví dụ một dung dịch có nồng độ H+ lớn hơn 1 (mol/l) hoặc nhỏ hơn 10-14 (mol/l).
pH của nước tự nhiên có thể bị ảnh hưởng bởi các quá trình sau đây:
+ Quá trình phân hủy chất hữu cơ
Phân hủy hiếu khí các vật chất hữu cơ hay oxy hóa chất hữu cơ cũng như quá trình hô hấp của sinh vật trong môi trường nước ảnh hưởng tới pH của nước do giải phóng CO2:
C6H12O6 + O2 = CO2 + H2O + Q CO2 + H2O = H2CO3
H2CO3 = H+ + HCO3-
+ Quá trình quang hợp
Quá trình quang hợp sử dụng khí CO2 và thải ra khí O2 do hoạt động của các sinh vật tự dưỡng quang năng. Khi quá trình quang hợp xảy ra, thực vật hấp thu CO2 làm tăng pH. Ví dụ trong nước tự nhiên khi CO2 bị hấp thụ hoàn toàn thì pH tăng lên 8,34. Trên thực tế, tốc độ sử dụng CO2 do quang hợp nhanh hơn tốc độ sản sinh CO2 do hô hấp của sinh vật vào ban ngày, nên giá trị pH của các mẫu nước tự nhiên thường xuyên cao hơn so với pH trung tính.
2HCO3- = CO2 + CO32- + H2O
Quá trình quang hợp diễn ra theo chu kỳ ngày đêm nên sự biến động pH diễn ra tương đối mạnh theo ngày. Ban ngày có ánh sáng, thực vật quang hợp làm pH nước tăng dần đạt cao nhất vào lúc 14 – 16h. Ban đêm chỉ có quá trình hô hấp làm tăng nồng độ CO2 dẫn tới giảm pH đến mức thấp nhất trước bình minh 4 – 6h. Mức độ biến động pH phụ thuộc vào mức độ dinh dưỡng của môi trường do ảnh hưởng của nó tới mật độ của thực vật. Do đó, khi một thủy vực giàu dinh dưỡng, biên độ biến động pH theo ngày đêm cũng mạnh hơn.
+ Các phản ứng hóa học khác
Ion H+ trong nước có thể là do quá trình thủy phân các ion Fe3+ và Al3+ trao đổi trong keo đất, quá trình oxy hòa các hợp chất của Fe và S (ví dụ quá trình oxy hòa đất phèn tiềm tàng chứa FeS2) là những quá trình có thể dẫn tới giảm mạnh pH của nước:
2FeS2 + 7O2 + 2H2O = 2FeSO4 + 4H+ + 2SO42- 2FeSO4 + 1/2H2O + H2SO4 = Fe2(SO4)3 + H2O
FeS2 + 7Fe2(SO4)3 + 8H2O = 15FeSO4 + 18H+ + 8SO42- Fe2(SO4)3 + 6H2O = 2Fe(OH)2 + 6H+ + 3SO42-
+ Các nguồn thải gây thay đổi pH nước
Giá trị pH của các nguồn nước thải có thể gây ra sự thay đổi pH của môi trường nước trong tự nhiên khi tiếp nhận các nguồn thải này. Giá trị pH của nguồn thải bị thay đổi trực tiếp do việc sử dụng và sử dụng dư thừa các hợp chất mang tính axit hoặc bazơ trong các quá trình sản xuất.
pH là một nhân tố môi trường ảnh hưởng cả trực tiếp và gián tiếp tới đời sống thủy sinh vật như: sinh trưởng, phát triển, tỷ lệ sống, sinh sản, dinh dưỡng… Có nhiều loài sinh vật thủy sinh thích nghi được ở pH từ 6,5 đến 8,5 hoặc 9, sinh vật thủy sinh chống chịu pH kiềm yếu tốt hơn axit yếu. Khi pH môi trường quá cao hoặc quá thấp đều gây ra những bất lợi tới đời sống của thủy sinh vật. Tác động trực tiếp của pH đến sinh vật là làm thay đổi thế thẩm thấu của tế bào, nếu quá trình này bị rối loạn, quá trình trao đổi nước và muối sẽ bị rỗi loạn. pH còn ảnh hưởng tới sự phát triển của phôi, quá trình sinh dưỡng, sinh sản ví dụ khi pH quá thấp cá chậm phát dục, tỷ lệ đẻ ít, tỷ lệ trứng nở thấp…
Chết
Không
sinh sản Sinh sản bình thường Không sinh sản Chết
Sinh trưởng chậm Sinh trưởng tốt Sinh trưởng chậm
4 5 6 7 8 9 10 11
Hình 2.8. Ảnh hưởng của pH tới sinh trưởng và phát triển của các loài cá
2.2.2. Độ kiềm của nước
Độ kiềm toàn phần (Alkalinity) là tổng hàm lượng các ion HCO3-, CO32-, OH- có trong nước. Độ kiềm trong nước tự nhiên thường gây nên bởi các muối của acid yếu, đặc biệt là các muối carbonat và bicarbonat. Độ kiềm cũng có thể gây nên bởi sự hiện diện của các ion silicat, borat, phosphat… và một số acid hoặc baz hữu cơ trong nước, nhưng hàm lượng của những ion này thường rất ít so với các ion HCO3-, CO32-, OH- nên thường được bỏ qua.
Khái niệm về độ kiềm (alkalinity – khả năng trung hòa acid) và độ acid (acidity – khả năng trung hòa baz) là những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá động thái hóa học của một nguồn nước vốn luôn luôn chứa carbon dioxyd và các muối carbonat. Xét một dung dịch chỉ chứa các ion carbonat HCO3- và CO32-. Ở các giá trị pH khác nhau, hàm lượng carbonat sẽ nằm cân bằng với hàm lượng CO2 (cân bằng carbonat) vì trong nước luôn diễn ra quá trình :
2HCO3- <-->CO32- + H2O + CO2 CO32- + H2O <--> 2OH- + CO2
Giả sử ngoài H+ ion dương có hàm lượng nhiều nhất là Na+ thì ta luôn luôn có cân bằng sau: [H+ ] + [Na+ ] = [HCO3- ] + 2[CO32- ] + [OH- ]
Độ kiềm được định nghĩa là lượng acid mạnh cần để trung hòa để đưa tất cả các dạng carbonat trong mẫu nước về dạng H2CO3.Như vậy ta có các biểu thức :
[Alk] = [Na+ ]
Hoặc [Alk] = [HCO3- ] + 2[CO32- ] + [OH- ] + [H+ ]
Người ta còn phân biệt độ kiềm carbonat (còn gọi là độ kiềm m hay độ kiềm tổng cộng T vì phải dùng metyl cam làm chất chỉ thị chuẩn độ đến pH = 4,5; liên quan đến hàm lượng các ion OH-, HCO3- và CO32-) với độ kiềm phi carbonat (còn gọi là độ kiềm p vì phải dùng phenolphtalein làm chất chỉ thị chuẩn độ đến pH = 8,3; liên quan đến ion OH-). Hiệu số giữa độ kiềm tổng m và độ kiềm p được gọi là độ kiềm bicarbonat. Trên sơ đồ cân bằng carbonat trong nước cho thấy, ở pH = 6,3, nồng độ CO2 hòa tan trong nước và nồng độ ion HCO3- bằng nhau, còn ở pH = 10,3 thì nồng độ các ion HCO3- và CO32- sẽ bằng nhau. Ở pH < 6,3 các ion carbonat chuyển sang dạng CO2 hòa tan, ở pH > 10,3 dạng tồn tại chủ yếu là dạng CO32-, còn trong khoảng 6,3 < pH < 10,3 dạng tồn tại chủ yếu là HCO3-.
2.2.3. Độ cứng của nước
Độ cứng của nước gây nên bởi các ion đa hóa trị có mặt trong nước. Chúng phản ứng với một số anion tạo thành kết tủa. Các ion hóa trị 1 không gây nên độ cứng của nước. Trên thực tế vì các ion Ca2+ và Mg2+ chiếm hàm lượng chủ yếu trong các ion đa hóa trị nên độ cứng của nước xem như là tổng hàm lượng của các ion Ca2+ và Mg2+. Đơn vị đo độ cứng được dùng khác nhau.
1o cứng Đức 1 dH = 10 mg CaO/l 1o cứng Anh 1eH = 10 mg CaCO3/0,7L 1o cứng Pháp 1 fH = 10 mg CaCO3/l 1o cứng Mỹ 1 aH = 1 mg CaCO3/l 1 mEq/l = 5 fH 1 fH = 0,56 dH = 0,7 eH = 10 mg CaCO3/l 1 dH =1,786 fH =1,25 eH = 17,86 mgCaCO3/l = 10 mg CaO/l 1 eH = 1,438 fH = 0,8 dH = 14,38 mg CaCO3/l 1 mg CaCO3/l = 0,1 fH = 0,056 dH = 0,7 eH
Một đơn vị khác cũng hay được dùng để đánh giá độ cứng là ppm 1 dH = 17 ppm.
Các ion Ca2+ và Mg2+ có thể tạo kết tủa với một số chất khoáng có trong nước, tạo lắng cặn trong nồi hơi, bình đun nước hoặc hệ thống dẫn nước. Người ta còn phân biệt các loại độ cứng:
•Độ cứng carbonat (thường được ký hiệu CH : Carbonate Hardness): là độ cứng gây ra bởi hàm lượng Ca2+ và Mg2+ tồn tại dưới dạng HCO3-. Độ cứng carbonat còn được gọi là độ cứng tạm thời vì sẽ mất đi khi bị đun sôi.
•Độ cứng phi carbonat (thường được ký hiệu là NCH : Non-Carbonate Hardness) là độ cứng gây ra bởi hàm lượng Ca2+ và Mg2+ liên kết với các anion khác HCO3- như SO42-, Cl-…Độ cứng phi carbonat còn được gọi là độ cứng thường trực hay độ cứng vĩnh cữu.
2.2.4. Nhóm các chất khí trong nước
Có nhiều thành phần khí hòa tan ở trong môi trường nước, trong đó, các chất khí quan trọng liên quan đến hoạt động sống trong môi trường nước là oxy và cacbonic, các chất khí độc hại quan trọng là: amoniac, hydro sunphit và metan. Hầu hết các chất khí đều có thể hòa tan hoặc phản ứng với nước trừ khí mêtan (CH4). Các khí hòa tan trong nước có thể từ nhiều nguồn: sự hấp thụ của không khí vào nước (O2 và CO2) hoặc do các quá trình sinh hóa của nước. Sự hòa tan của các chất khí vào nước chỉ đến một giới hạn nhất định, giới hạn này được gọi là độ bão hòa. Giá trị độ bão hòa trong một đối tượng nước nhất định sẽ quyết định khoảng nồng độ của chất khí đó trong môi trường.
a. Oxy hòa tan (DO - Disolved Oxygen)
Một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của nước là hàm lượng oxy hoà tan, vì oxy không thể thiếu được đối với tất cả các sinh vật sống trên cạn cũng như dưới nước. Oxy duy trì quá trình trao đổi chất, sinh ra năng lượng cho sự sinh trưởng, sinh sản và tái sản xuất. Oxy là chất khí khó hoà tan trong nước, không tác dụng với nước về mặt hoá học, nồng độ ôxi hoà tan trong nước phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ muối có trong nước. Lượng DO trong nước thường nhỏ khoảng 8-10 mg/l và dao động mạnh phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ, các đặc tính của nước, sự phân hủy hóa chất, sự quang hợp của tảo. Độ bão hòa của oxy hòa tan trong nước ngọt sạch ở 0oC là 14-15 mg/l.
Oxy hòa tan trong nước chủ yếu là do khuếch tán từ không khí vào, đặc biệt là các thủy vực nước chảy. Sự hòa tan của oxy cũng tuân theo quy luật Henry và có thể được tính theo công thức sau đây:
Cs = Ks x P
Ks – hiệu suất hòa tan của khí P – Áp suất riêng phần của chất khí
Thí dụ, ở 30oC và 1 atm (760 mm Hg) hàm lượng oxy hòa tan = 26,1 mL/l x 0,209 = 5,5 mL/l hoặc = 5,5 mL/l x 1,4 = 7,7 mg/l (32.000mg/22.400 mL = 1,4). Phần trăm bão hòa của oxy trong nước phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và nồng độ muối nhất định (Bảng 3-4). Nước hòa tan nhiều hơn hay ít hơn nồng độ bão hòa được gọi là quá bão hòa hay dưới bão hòa. Hiện tượng oxy hòa tan quá bão hòa thường xảy ra do sự thay đổi nhiệt độ và áp suất. Oxy hòa tan trong nước còn do sự quang hợp của thực vật trong nước, quá trình này thường diễn ra mạnh trong các thủy vực nước tĩnh. Trong nước hàm lượng oxy hòa tan có thể mất đi do quá trình hô hấp của thủy sinh vật hay quá trình oxy hóa vật chất hữu cơ trong nước và trong nền đáy ao.
Trong thủy vực nước chảy hàm lượng oxy hòa tan thường ít khi vượt quá bão hòa. Trong khi đó, ở các thủy vực nước tĩnh thực vật quang hợp tạo ra oxy lớn hơn gấp nhiều lần so với quá trình hô hấp của thủy sinh vật, do đó hàm lượng oxy hòa tan có thể vượt quá mức bão hòa trên 200%.
Trong các ao nuôi thủy sản hàm lượng oxy có sự biến động lớn theo ngày đêm, mức độ biến động phụ thuộc vào mức độ dinh dưỡng và sự phát triển của thực vật. Trong ao nuôi nghèo dinh dưỡng, thực vật kém phát triển nên biên độ dao động của oxy nhỏ. Trong ao giàu dinh dưỡng thực vật phát triển mạnh, vào ban ngày chúng quang hợp làm hàm lượng oxy hòa tan tăng cao vượt quá mức bão hòa và đạt mức cao nhất vào khoảng 14:00-16:00 giờ. Ngược lại, ban đêm quá trình hô hấp của thủy sinh vật tiêu thụ nhiều oxy làm hàm lượng oxy hòa tan giảm dần và đạt mức thấp nhất vào sáng sớm. Những ao quá giàu dinh dưỡng, hàm lượng oxy hòa tan vào sáng sớm có thể giảm đếm mức 0 mg/l và đạt đến mức quá bão hòa 200% vào giữa trưa (Hình)
Trong một ao nuôi thủy sản hàm lượng dinh dưỡng và mật độ thực vật phù du có khuynh hướng tăng dần vào cuối vụ nuôi, do đó sự biến động hàm lượng oxy hòa tan theo ngày đêm cũng tăng dần. Đầu vụ nuôi, hàm lượng dinh dưỡng và mật độ thực vật phù du thấp nên hàm lượng oxy hòa tan thường thấp hơn mức bão hòa và ít biến động. Càng về cuối vụ nuôi, thực vật phù du phát triển làm hàm lượng oxy hòa tan biến động mạnh, khi thực vật phù du phát triển quá mức thì hàm lượng oxy hòa tan lúc thấp nhất (sáng sớm) sẽ thấp hơn nhu cầu của cá, cần phải có biện pháp khắc phục.
Oxy là chất khí quan trọng nhất trong số các chất khí hòa tan trong môi trường nước. Nó rất cần đối với đời sống sinh vật đặc biệt đối với thủy sinh vật, vì hệ số khuếch tán của oxy trong nước nhỏ hơn rất nhiều so với trong không khí. Theo Krogh (1919) (trích dẫn bởi Boyd, 1990) thì hệ số khuếch tán của oxy trong không khí là 11 còn trong nước chỉ là 34.10-6. Do đó, dễ đưa đến hiện tượng thiếu oxy cục bộ trong thủy vực. Hơn nữa, trong thủy quyển oxy hòa tan chỉ chiếm 3,4% thể tích, còn trong khí quyển nó chiếm tới 20,98% thể tích. Theo Swingle (1969) thì nồng độ oxy hòa tan trong nước lý tưởng cho tôm, cá là trên 5 ppm. Tuy nhiên, nếu hàm lượng oxy hòa tan vượt quá mức độ bão hòa cá sẽ bị bệnh bọt khí trong máu, làm tắt nghẽn các mạch máu dẫn đến não và tim đưa đến sự xuất huyết ở các vây, hậu môn.
Bảng 2.13. Ảnh hưởng của nồng độ oxy hòa tan tới sinh vật
DO (mg/l) Ảnh hưởng đến sức khỏe cá nuôi
0 – 0,3 Cá sống được trong thời gian rất ngắn
1 – 3 Sống được nhưng sinh trưởng phát triển rất chậm 3 – 5 Sống được nhưng sinh trưởng phát triển chậm 5 – 100% bão hòa Sống được, sinh trưởng và phát triển bình thường > 100% bão hòa Có thể gây tổn thương cơ quan hô hấp
Theo Swingle (1969) và Boyd (1990)
Hình 2.9. Thay đổi sự phân tầng DO theo thời gian đối với hồ giàu và hồ nghèo dinh dưỡng
Khi hàm lượng DO thấp, các loài sinh vật nước thiếu oxy sẽ giảm hoạt động hoặc chết. Nồng độ oxy hoà tan tối thiểu đối với các loài hoạt động mạnh như cá hồi là 5-8 mg/l, còn đối với cá có nhu cầu oxy thấp như cá chép là 3 mg/l. Vậy DO là một chỉ số quan trọng để đánh giá sự ô nhiễm nước của thủy vực và là yếu tố quyết định các quá trình phân hủy sinh học các chất gây ô nhiễm trong nước trong điều kiện yếm khí hay háo khí. Trong quá trình xử lý hiếu khí luôn phải giữ