Thành phần chất lượng của nước ngầm phụ thuộc vào nguồn gốc của nước ngầm, cấu trúc địa hình của khu vực và chiều sâu địa tầng nơi khai thác nước. Ở các khu vực được bảo vệ tốt, ít có nguồn thải gây nhiễm bẩn, nước ngầm nói chung được đảm bảo về mặt vệ sinh và chất lượng khá ổn định. Người ta chia làm 2 loại khác nhau:
Nước ngầm hiếu khí
Thông thường nước có oxy có chất lượng tốt, có trường hợp không cần xử lý mà có thể cấp trực tiếp cho người tiêu thụ. Trong nước có oxy sẽ không có các chất khử như H2S, CH4, NH4
+
…
___________________________________________________________________________________
Trong quá trình nước thấm qua các tầng đá, oxy bị tiêu thụ. Khi lượng oxy hòa tan trong nước bị tiêu thụ hết, các chất hòa tan như Fe2+, Mn2+ sẽ được tạo thành. Mặt khác các quá trình khử NO3- → NH4+; SO42- → H2S; CO2 → CH4 cũng xảy ra.
3.3.2.1 Các ion trong nước ngầm
Ion canci Ca2+
Nước ngầm có thể chứa Ca2+ với nồng độ cao. Trong đất thường chứa nhiều CO2 do quá trình trao đổi chất của rễ cây và quá trình thủy phân các tạp chất hữu cơ dưới tác động của vi sinh vật. Khí CO2 hòa tan trong nước mưa theo phản ứng sau:
CO2 + H2O → H2CO3
Axit yếu sẽ thấm sâu xuống đất và hòa tan canxi cacbonat tạo ra ion Ca2+ 2H2CO3 + 2CaCO3→ Ca(HCO3)2 + Ca2+ + 2HCO3
-
Ion magie Mg2+
Nguồn gốc của các ion Mg2+ trong nước ngầm chủ yếu từ các muối magie silicat và CaMg(CO3)2, chúng hòa tan chậm trong nước chứa khí CO2. Sự có mặt Ca2+ và Mg2+ tạo nên độ cứng của nước.
Ion natri Na+
Sự hình thành của Na+ trong nước chủ yếu theo phương trình phản ứng sau: 2NaAlSi3O3 + 10H2O → Al2Si2(OH)4 + 2Na+ + 4H4SiO3
Na+ cũng có thể có nguồn gốc từ NaCl, Na2SO4 là những muối có độ hòa tan lớn trong nước biển.
Ion NH4 +
Các ion NH4+ có trong nước ngầm có nguồn gốc từ các chất thải rắn và nước sinh hoạt, nước thải công nghiệp, chất thải chăn nuôi, phân bón hóa học và quá trình vận động của nitơ.
___________________________________________________________________________________
Được tạo ra trong nước nhờ quá trình hòa tan đá vôi khi có mặt khí CO2 CaCO3 + CO2 + H2O → Ca2+ + 2HCO3-
Ion sunfat SO42-
Có nguồn gốc từ muối CaSO4.7H2O hoặc do quá trình oxy hóa FeS2 trong điều kiện ẩm với sự có mặt của O2
2FeS2 + 2H2O + 7O2→ 2Fe2+ + 4SO4 2-
+ 4H+
Ion clorua Cl-
Có nguồn gốc từ quá trình phân ly muối NaCl hoặc nước thải sinh hoạt.
Ion sắt
Sắt trong nước ngầm thường tồn tại dưới dạng ion Fe2+, kết hợp với gốc bicacbonat, sunfat, clorua, đôi khi tồn tại dưới keo của axit humic hoặc keo silic. Các ion Fe2+ từ các lớp đất đá được hòa tan trong nước trong điều kiện yếm khí sau:
4Fe(OH)3 + 8H+→ 4Fe2+ + O2 + 10H2O
Khi tiếp xúc với oxy hoặc các tác nhân oxy hóa, ion Fe2+ bị oxy hóa thành ion Fe3+ và kết tủa thành các bông cặn Fe(OH)3 có màu nâu đỏ.Vì vậy, khi vừa bơm ra khỏi giếng, nước thường trong và không màu, nhưng sau một thời gian để lắng trong chậu và cho tiếp xúc với không khí, nước trở nên đục dần và đáy chậu xuất hiện cặn lắng màu đỏ hung.
Trong các nguồn nước mặt sắt thường tồn tại thành phần của các hợp chất hữu cơ. Nước ngầm trong các giếng sâu có thể chứa sắt ở dạng hóa trị II của các hợp chất sunfat và clorua. Nếu trong nước tồn tại đồng thời đihyđrosunfua (H2S) và sắt thì sẽ tạo ra cặn hòa tan sunfua sắt FeS. Khi làm thoáng khử khí CO2, hyđrocacbonat sắt hóa trị II sẽ dễ dàng bị thủy phân và bị oxy hóa để tạo thành hyđroxyt sắt hóa trị III.
___________________________________________________________________________________
Với hàm lượng sắt cao hơn 0,5 mg/l, nước có mùi tanh khó chịu, làm vàng quần áo khi giặt, làm hỏng sản phẩm của các ngành dệt may, giấy, phim ảnh, đồ hộp. Trên giàn làm nguội, trong các bể chứa, sắt hóa trị II bị oxy hóa thành sắt hóa trị III, tạo thành bông cặn, các cặn sắt kết tủa có thể làm tắc hoặc giảm khả năng vận chuyển của các ống dẫn nước. Đặc biệt là có thể gây nổ nếu nước đó dùng làm nước cấp cho các nồi hơi. Một số ngành công nghiệp có yêu cầu nghiêm ngặt đối với hàm lượng sắt như dệt, giấy, sản xuất phim ảnh….
Nước có chứa ion sắt, khi trị số pH < 7,5 là điều kiện thuận lợi để vi khuẩn sắt phát triển trong các đường ống dẫn, tạo ra cặn lắng gỗ ghề bám vào thành ống làm giảm khả năng vận chuyển và tăng sức cản thủy lực của ống.
Ion mangan
Mangan thường tồn tại song song với sắt ở dạng ion hóa trị II trong nước ngầm và dạng keo hữu cơ trong nước mặt. Do vậy việc khử mangan thường được tiến hành đồng thời với khử sắt. Các ion mangan cũng được hòa tan trong nước từ các tầng đất đá ở điều kiện yếm khí như sau:
6MnO2 + 12H+→ 6Mn2+ + 3O2 + 6H2O
Mangan II hòa tan khi bị oxy hóa sẽ chuyển dần thành mangan IV ở dạng hyđroxyt kết tủa, quá trình oxy hóa diễn ra như sau:
2Mn(HCO3)2 + O2 + 6H2O → 2Mn(OH)4↓ + 4H+ + 4HCO3-
Khi nước ngầm tiếp xúc với không khí trong nước xuất hiện cặn hyđroxyt sắt sớm hơn vì sắt dễ bị oxy hóa hơn mangan và phản ứng oxy hóa sắt bằng oxy hòa tan trong nước xảy ra ở trị số pH thấp hơn so với mangan. Cặn mangan hóa trị cao là chất xúc tác rất tốt trong quá trình oxy hóa khử mangan cũng như khử sắt. Cặn hyđroxyt mangan hóa trị IV Mn(OH)4 có màu hung đen.
Trong thực tế cặn và chất lắng đọng trong đường ống, trên các công trình là do hợp chất sắt và mangan tạo nên. Vì vậy, tùy thuộc vào tỷ số của chúng, cặn có thể có mà từ hung đỏ đến màu nâu đen.
___________________________________________________________________________________
Với hàm lượng tương đối thấp, ít khi vượt quá 5 mg/l. Tuy nhiên, với hàm lượng mangan trong nước lớn hơn 0,1 mg/l sẽ gây nhiều nguy hại trong việc sử dụng giống như trường hợp nước chứa sắt với hàm lượng cao.
3.3.2.2 Các chất khí hòa tan trong nước ngầm
v O2 hòa tan
Tồn tại rất ít trong nước ngầm. Tùy thuộc vào nồng độ của khí oxy trong nước ngầm, có thể chia nước ngầm thành 2 nhóm chính sau:
+ Nước yếm khí: trong quá trình lọc qua các tầng đất đá, oxy trong nước bị tiêu thụ, khi lượng oxy bị tiêu thụ hết, các chất hòa tan như Fe2+, Mn2+ sẽ tạo thành nhanh hơn.
+ Nước dư lượng oxy hòa tan: trong nước có oxy sẽ không có các chất khử như NH4+, H2S, CH4. Đó chính là nước ngầm mạch nông. Thường khi nước có dư lượng oxy sẽ có chất lượng tốt. Tuy nhiên, nước ngầm mạch nông phụ thuộc nhiều vào nguồn nước mặt, nếu nước mặt bị ô nhiễm thì nó cũng sẽ bị ảnh hưởng.
v H2S
Hyđrosunfua được tạo thành trong điều kiện yếm khí từ các hợp chất humic với sự tham gia của vi khuẩn
2SO42- + 14H+ + 8e-→ 2H2S + 2H2O + 6OH-
v Metan CH4 và khí CO2
Được tạo thành trong điều kiện yếm khí từ các hợp chất humic với sự tham gia của vi khuẩn:
4C10H18O10 + 2H2O → 21CO2 + 19CH4
Nồng độ các tạp chất chứa trong nước ngầm phụ thuộc và các vị trí địa lý của nguồn nước, thành phần các tầng đất đá trong khu vực, độ hòa tan của các hợp chất trong nước, sự có mặt của các chất dễ bị phân hủy bằng sinh hóa trong chất đó. Nước ngầm cũng có thể bị nhiễm bẩn do các tác động của con người như phân bón, chất thải hóa học, nước thải sinh hoạt và công nghiệp, hóa chất bảo vệ thực vật. Do
___________________________________________________________________________________
vậy các khu vực khai thác nước ngầm cấp cho sinh hoạt và công nghiệp cần phải được bảo vệ cẩn thận, tránh bị nhiễm bẩn nguồn nước. Để bảo vệ nguồn nước ngầm cần khoanh vùng khu vực bảo vệ và quản lý, bố trí các nguồn thải ở khu vực xung quanh.
Tóm lại, trong nước ngầm có chứa các cation chủ yếu là Na+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, Mn2+, NH4+ và các anion HCO3-, SO4
2-
, Cl-. Trong đó các ion Ca2+, Mg2+ chỉ tồn tại trong nước ngầm khi nước này chảy qua tầng đá vôi. Các ion Na+, Cl-, SO42- có trong nước ngầm trong các khu vực gần bờ biển, nước bị nhiễm mặn. Ngoài ra, trong nước ngầm có thể có nhiều nitrat do phân bón hóa học của người dân sử dụng quá liều lượng cho phép. Thông thường thì nước ngầm chỉ có các ion Fe2+, Mn2+, khí CO2, còn các ion khác đều nằm trong giới hạn cho phép của TCVN đối với nước cấp cho sinh hoạt.