IV. GIỚI THIỆU MỘT SỐ TIÊU CHUẨN, QUY CHUẨN ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MÔ
b.Khí cacbonic (cacbon dioxyt – CO2)
CO2 là nguồn cung cấp cacbon đầu tiên trong các hệ thống thủy vực. CO2 hòa tan trong nước được cung cấp từ một số quá trình:
+ Khuếch tán từ khơng khí: Q trình khuếch tán của một chất khí vào nước trong đó có CO2 theo
đó, độ hịa tan của khơng khí vào nước tn theo định luật Henry phụ thuộc vào nhiệt độ, các chất hịa tan (ví dụ độ mặn). Ví dụ ở áp suất khơng khí là 1 atm, nhiệt độ 30oC thì độ tan của CO2 trong nước tinh khiết là Cs = 665 (ml/l) x 0,03% = 0,2 ml/l CO2 (tương ứng 0,4 mg/l).
Độ hòa tan của CO2 được cho bởi bảng sau:
Bảng 2.15. Ảnh hưởng của nhiệt độ và nồng độ muối tới độ hòa tan của CO2 (mg/l) trong nước ở áp suất 1 atm Nhiệt độ (oC) Nồng độ muối (‰) 0 5 10 15 20 25 30 35 40 0 1,09 1,06 1,03 1,00 0,98 0,95 0,93 0,90 0,88 5 0,89 0,87 0,85 0,83 0,81 0,79 0,77 0,75 0,73 10 0,75 0,73 0,71 0,69 0,68 0,66 0,64 0,63 0,61 15 0,63 0,62 0,60 0,59 0,57 0,56 0,54 0,53 0,52 20 0,54 0,53 0,51 0,50 0,49 0,48 0,47 0,46 0,45 25 0,46 0,45 0,44 0,43 0,42 0,41 0,41 0,40 0,39 30 0,40 0,39 0,39 0,38 0,37 0,35 0,35 0,35 0,34 35 0,35 0,35 0,34 0,33 0,33 0,31 0,31 0,31 0,30 40 0,31 0,30 0,30 0,29 0,29 0,28 0,28 0,27 0,27
Bài giảng: Ơ nhiễm mơi trường, 2012Bộ môn: Công nghệ môi trường
trong môi trường nước thông thường khơng lớn hơn q trình quang hợp của sinh vật tự dưỡng vào ban ngày. Ban đêm, nồng độ CO2 có thể tăng lên nhanh chóng do q trình phân hủy chuyển hóa hữu cơ của sinh vật dị dưỡng đồng thời với q trình hơ hấp của sinh vật tự dưỡng.
C6H12O6 + O2 = CO2 + H2O + Q
+ Sự hòa tan của khống (đá vơi, đá vơi đen): Các hệ thống thủy vực tự nhiên phát triển trên nền
đất hình thành từ đá vôi hoặc các hệ thống sản xuất có bón đá vơi, dolomit… để điều hịa pH có thể xảy ra các quá trình sau:
H2CO3 + CaCO3 → Ca(HCO3)2 → Ca2++ 2HCO3- CaMg(CO3)2 + 2CO2 + 2H2O → Ca2+ + Mg2+ + 4HCO3-
+ Chuyển hóa từ HCO3-: Q trình này xảy ra khi có sự quang hợp của thực vật, thực vật hấp thu
mạnh CO2 dẫn tới đẩy cân bằng của q trình về phía sản sinh CO2 trong mơi trường nước: 2HCO3- → CO2 + CO32- + H2O
Khi hòa tan trong nước, một phần nhỏ CO2 sẽ liên kết với nước hình thành H2CO3, phần lớn bị phân ly thành ion HCO3- và CO32- hình thành một hệ thống cân bằng động: CO2 trong khơng khí, CO2 trong nước, H2CO3, Ca(HCO3)2, CaCO3 hòa tan trong nước và CaCO3 kết tủa. Tỷ lệ của các thành phần trên trong muối phụ thuộc vào nhiệt độ và pH của nước. Sự phân ly của H2CO3 và hằng số cân bằng (K1) được trình bày như sau:
CO2 + H2O ⇔ H2CO3 H2CO3 ⇔ H+ + HCO3- K1 = 10-6,35
H2CO3 là một chất phân ly mạnh nên chúng luôn tồn tại trong nước với tỉ lệ dưới 1%, đo đó hàm lượng của H2CO3 và CO2 được gộp chung gọi là tổng CO2 (Total CO2):
CO2 + H2O ⇔ H+ + HCO3-.
Như vậy, có thể trình bày phương trình cân bằng động của phản ứng như sau: - [H+][HCO3]
= K1 = 10-6,35 [Tổng CO2]
Nước sạch bão hòa CO2 ở 25oC và áp suất khí quyển (760 mm Hg) có hàm lượng tổng CO2 là 0,46 mg/l (Bảng 3-3) và theo lý thuyết nếu tính tốn dựa trên phương trình cân bằng (3.2) thì độ pH của nước là 5,68. Ở hàm lượng tổng CO2 cao hơn thì pH sẽ thấp hơn. Thí dụ, hàm lượng tổng CO2 là 30 mg/l thì độ pH khoảng 4,8. CO2 hịa tan trong nước khơng thể làm giảm pH xuống dưới 4,5. Độ hịa tan của CO2 trình bày ở Bảng 3-3 chỉ áp dụng cho điều kiện nước sạch. Trong nước có chứa hàm lượng bicarbonate (HCO3-) cao hơn thì hàm lượng CO2 ở trạng thái cân bằng sẽ cao hơn nhiều. Thí dụ, ở pH bằng 7 và hàm lượng bicarbonate là 61 mg/l thì hàm lượng tổng CO2 ở trạng thái cân bằng được tính như sau:
-[H+][HCO3] = (10-7) (10-3) = 10-6,35 [Tổng CO2] [Tổng CO2] Tổng CO2 = 10-10/10-6,35 = 10-3,65 = 9,8 mg/l
Bài giảng: Ơ nhiễm mơi trường, 2012Bộ mơn: Cơng nghệ mơi trường
Bicarbonate được hình thành từ sự phân ly của acid carbonic có thể tiếp tục bị phân ly với hàng số cân bằng (K2) theo phương trình:
HCO3- ⇔ H+ + CO32- K2 = 10-10,33
Phương trình cân bằng động của phản ứng (3.3) như sau: -[H+][CO32-]
= K2 = 10-10,33 [HCO3]
Bởi vì K2 rất nhỏ nên hàm lượng CO32- không đáng kể ngay cả trong nước sạch với hàm lượng CO2 cao. Tuy nhiên, nếu pH tăng thì hàm lượng CO32- và tổng CO2 giảm để duy trì hằng số cân bằng K1 và K2. Khi pH cao hơn 8,34 thì trong nước khơng tồn tại CO2 tự do và khi pH thấp hơn 8,34 thì khơng tồn tại CO32- trong nước. Như vậy, sự tồn tại của các dạng CO2, HCO3-, CO32- có liên quan đến độ kiềm và pH của nước. Trong nước các ion HCO3-, CO32-, NH4+, OH-, PO43-, SIO32- đều có tính bazơ gây nên độ kiềm của nước. Tuy nhiên, nước dùng trong ni trồng thủy sản thì HCO3-, CO32- tạo nên độ kiềm của nước là chính. Có thể phân biệt làm 2 loại độ kiềm:
•Độ kiềm tổng cộng: tổng hàm lượng bazơ chuẩn độ trong nước thể hiện bằng đơn vị mg CaCO3/l pH>4,5
• Độ kiềm phenoltalein hay độ kiềm carbonate, pH > 8,34
Hình 2.10. Thành phần các dạng tồn tại của cacbonat theo pH mơi trường
Nước thiên nhiên thường có độ kiềm biến động trong khoảng 5-500 mg/l. Theo Boyd & Walley (1975) (trích dẫn bởi Boyd, 1990), ao có độ kiềm thấp thường ở vùng đất cát, trong khi ao có độ kiềm cao thường ở vùng đất thịt và sét, nơi có chứa nhiều CaCO3. Hàm lượng kiềm lớn hơn 20 mg CaCO3/l là thích hợp cho ao ni giúp ổn định pH và tăng lượng khoáng. CO2 và HCO3- tồn tại trong nước sẽ giúp ổn định pH, hệ thống CO2 – HCO3- được gọi là hệ đệm của nước. Khả năng đệm của nước dùng để chỉ khả năng chống lại sự thay đổi pH khi mơi trường tăng tính acid hay bazơ nhờ khả năng trung hòa acid của HCO3- và khả năng trung hòa bazơ của CO2.
H+ + HCO3- → H2O + CO2 OH- + CO2 → HCO3-
Bài giảng: Ơ nhiễm mơi trường, 2012Bộ mơn: Cơng nghệ mơi trường
Nếu ion H+ tăng (pH giảm) thì HCO3- sẽ phản ứng với H+ tạo ra CO2, hằng số cân bằng K1 được duy trì và pH ít thay đổi. Ngược lại, khi ion bazơ tăng, CO2 sẽ phản ứng nước sinh ra H+ để trung hòa bazơ ngăn cản q trình tăng pH. CO2 đóng vai trị rất quan trọng trong đời sống của vùng nước, CO2 là một bộ phận cơ bản tham gia vào việc tạo thành chất hữu cơ trong quá trình quang hợp. CO2 gắn liền với vịng tuần hồn của các chất trong thủy vực, trong đó có việc tạo thành và phân hủy các hợp chất hữu cơ trao đổi Ca, Mg và các muối bicacbonate, cacbonate trong nước. Vì vậy, nếu hàm lượng CO2 hịa tan trong nước thấp sẽ hạn chế năng suất sinh học sơ cấp. Tuy nhiên, CO2 tồn tại dưới dạng tự do ở nồng độ cao cũng khơng có lợi cho đời sống của thủy sinh vật. Nếu áp suất của CO2 trong nước lớn hơn áp suất của CO2 trong máu cá sẽ làm cản trở quá trình bài tiết CO2 từ máu cá ra mơi trường ngồi, đưa đến sự tích tụ CO2 trong máu cá dẫn đến những sự thay đổi mạnh mẽ các phản ứng sinh lý của cơ thể cá:
• Làm giảm khả năng vận chuyển oxy của máu. • Làm tăng ngưỡng oxy của cá.
• Làm tăng độ acid của máu (pH giảm sẽ ảnh hưởng đến các trạng thái tồn tại protid máu).
Theo Hart (1944), Haskel & Davies (1958) thì hầu hết lồi cá có thể tồn tại trong nước có hàm lượng CO2 tự do khoảng 60 mg/l. Theo Ellis (1937) thì quần thể cá phát triển tốt khi mơi trường nước chứa đựng hàm lượng CO2 tự do nhỏ hơn hoặc bằng 5ppm. Trong ao nuôi thủy sản hàm lượng CO2 biến động từ 0 (giữa trưa) đến 5 hay 10 mg/l (ban đêm) là không ảnh hưởng xấu đến sức khỏe của cá (trích dẫn bởi Boyd, 1990).