Vật lý của môi trường nước - Chương 4: Tính chất hóa học của nước

CHƯƠNG 4 TÍNH CHẤT HÓA HỌC CỦA NƯỚC Thành phần các yếu tố đa lượng hòa tan trong nước biển và nước sông (Theo Nicol, 1960; Burton, 1976 và Liss, 1976) Yếu tố Nước biển Nước sông Nồng độ (mg/l) Xếp hạng Nồng độ (mg/l) Xếp hạng Cl- 19.340 1 8 5 Na+ 10.770 2 6 6 SO4 2- 2.712 3 11 4 Mg2+ 1.294 4 4 7 Ca2+ 412 5 15 2 K+ 399 6 2 8 HCO3 - 140 7 58 1 Br- 65 8 - - pH của nước và đời sống thủy sinh vật H2O =H + + OH- [H+][OH-] = Kw = 10 -14 (ở nhiệt độ 25oC) [H+][H+] = Kw = 10 -14  [H+] = 10-7 = 0,0000001 mole/L Để tránh sử dụng giá trị quá nhỏ, các nhà khoa học chuyển thành giá trị pH pH = - log10[H +] = - lg[H+] pH = -lg[10-7] = 7 Nhiệt độ Kw Nhiệt độ Kw 0 0,1139 x 10-14 5 0,1846 x 10-14 10 0,2920 x 10-14 15 0,4505 x 10-14 20 0,6809 x 10-14 25 1,008 x 10-14 30 1,496 x 10-14 35 2,089 x 10-14 40 2,919 x 10-14 Hằng số ion hóa của nước, Kw theo Garrels và Christ (1965) pH của nước và đời sống thủy sinh vật Môi trường trung tính thì pH = ? Môi trường trung tính ([H+][OH-]) khi pH=7, ở ĐK 25oC Khi nhiệt độ  25oC thì môi trường trung tính có pH7 Thí dụ: Ở nhiệt độ 35oC, Kw = 2,1 x 10 -14 [H+]2 = 2,1 x 10-14 =10-13,68 (2,1=100,32) [H+] = 10-6,84 pH = 6,84 pH của nước và đời sống thủy sinh vật Thang đo pH? Thông thường pH nằm trong khoảng 0 - 14 pH có thể 14 [H+] > 1  pH 14 vd: [H+] = 10 thì pH = -lg[10] = -1 hay [H+] = 10-16 thì pH = -lg[10-16] = 16 pH của nước và đời sống thủy sinh vật Ion H+ sinh ra từ đâu?  Quá trình oxy hóa đất phèn 2FeS2 + 7O2 + 2H2O = 2FeSO4 + 4H + + 2SO4 2- 2FeSO4 + 1/2O2 + H2SO4 = Fe2(SO4)3 + H2O FeS2 + 7Fe2(SO4)3 + 8H2O = 15FeSO4 + 16H + + 8SO4 2- Fe2(SO4)3 + 4H2O = 2Fe(OH)2 + 4H + + 3SO4 2-  Quá trình phân hủy hữu cơ  Hô hấp của thủy sinh vật CO2 + H2O  H2CO3  H + + HCO3 -  H+ + CO3 2- pH của nước và đời sống thủy sinh vật Nguyên nhân làm pH tăng?  Quá trình quang hợp Làm giảm CO2 hoặc làm tăng CO3 2-  Bón vôi CaCO3 + CO2 + H2O  Ca 2+ + 2HCO3 - CaO + 2CO2 + H2O  Ca 2+ + 2HCO3 - Ca(OH)2 + 2CO2  Ca 2+ + 2HCO3 - pH của nước và đời sống thủy sinh vật pH thấp  Tăng tiết dịch nhờn trên bề mặt mang  Giảm trao đổi khí và ion  Mất cân bằng acid-base, giảm NaCl trong máu, rối loạn điều hòa áp suất thẩm thấu  Tế bào máu trương phồng, mất khả năng điều hòa chất điện giải  Làm giảm khả năng vận chuyển oxy pH của nước và đời sống thủy sinh vật pH cao  Biểu bì phiến mang bị sưng phồng  Tổn thương thủy tinh thể và giác mạc  Mất cân bằng acid-base Ảnh hưởng gián tiếp  Ảnh hưởng lên NH3 và H2S  Ảnh hưởng hoạt tính của hoá chất pH của nước và đời sống thủy sinh vật Chết Không sinh sản Không sinh sản 4 5 6 7 8 9 10 11 Chết Sinh trưởng chậmSinh trưởng chậm Sinh trưởng tốt pH pH của nước và đời sống thủy sinh vật Sự biến động pH theo ngày đêm pH t 6:00 14:00 18:00 Dinh dưỡng TB (tảo phát triển vừa) Nghèo dinh dưỡng (tảo ít phát triển) Giàu dinh dưỡng (tảo phát triển mạnh) pH của nước và đời sống thủy sinh vật Biện pháp tránh pH thấp:  Ở vùng đất phèn không phơi đáy ao nứt nẻ  Tránh trường hợp đất phèn tiếp xúc với không khí (đất đào ao bị phơi khô)  Trước những cơn mưa đầu mùa cần bón vôi xung quanh bờ ao (đối với ao mới đào) Biện pháp tránh khi pH cao  Cải tạo ao tốt ở đầu vụ nuôi  Không cho thức ăn quá thừa và bón phân quá liều pH của nước và đời sống thủy sinh vật Biện pháp khắc phục pH thấp:  Thay nước mới có pH cao hơn  Bón vôi  Bón phân pH của nước và đời sống thủy sinh vật Thuốc diệt tảo: CuSO4 . 5H2O: ức chế quá trình quang hợp và hô hấp, đặc biệt tác dụng mạnh với quá trình quang hợp. Liều lượng: 0,025 – 2 mg/L Chú ý: CuSO4 có tác dụng độc với cá, mức độ nhạy cảm từng loài. pH của nước và đời sống thủy sinh vật Simazine: ức chế mạnh quá trình quang hợp của tảo, đặc biệt là tảo lam. Liều lượng: 0.25 - 0,5 mg/L Simazine không độc đối với tôm cá Tên khác: Aquazine (80% simazine) Liều lượng: 0,63 - 1,25 mg/L pH của nước và đời sống thủy sinh vật Cá ăn tảo: Thả ghép các loài cá ăn tảo như cá rô phi, cá mè trắng... (trong nước ngọt), cá rô phi, cá măng, cá đối... (trong nước lợ) Tác dụng: duy trì mật độ tảo trong ao và kéo dài chu kỳ của tảo. pH của nước và đời sống thủy sinh vật Thực vật lớn: Sử dụng thực vất lớn sống nổi như lục bình, bèo hay rau muống. Tác dụng: hạn chế ánh sáng đi vào ao nuôi và làm giảm muối dinh dưỡng trong ao Mật độ thả: không vượt quá 1/3 diện tích mặt nước ao Chú ý: Thực vật lớn có thể gây tích tụ hữu cơ trong ao và gây nên hiện tượng oxy thấp. pH của nước và đời sống thủy sinh vật Chất nhuộm màu: Sử dụng chất nhuộm màu làm hạn chế ánh sáng đi vào trong nước, làm giảm sự phát triển của tảo Tên chất: Aquashade Liều lượng: 3 mg/L pH của nước và đời sống thủy sinh vật Nguồn CO2 trong thủy vực có nguồn gốc từ một số quá trình: 1. Hòa tan từ CO2 của không khí theo quy luật Henry Ở 1 atm, 30oC Cs= 665mL/L x 0,03% = 0,2 mL/L hoặc 0,4 mg/L trong điều kiện nước sạch 2. Sản phẩm hô hấp từ sinh vật dị dưỡng và tự dưỡng C6H12O6 + O2  CO2 + H2O CO2 hòa tan và đời sống thủy tinh vật 3. Hòa tan từ đá trầm tích (đá vôi, dolomite...) H2CO3 + CaCO3  Ca(HCO3)2  Ca 2+ + HCO3 - CaMg(CO3)2 + CO2 + H2O  Ca 2+ + Mg2+ + HCO3 - CO2 hòa tan và đời sống thủy tinh vật 1. Hàm lượng CO2 thường nhỏ hơn 5 mg/L, chúng biến động theo không gian và thời gian. CO2 có thể ảnh hưởng đến hô hấp của cá khi hàm lượng lớn hơn 10 mg/L, đặc biệt khi hàm lượng oxy thấp. 2. Hàm lượng CO2 thấp có thể giới hạn năng suất sinh học sơ cấp. 3. Hàm lượng CO2 quá cao có thể dẫn đến pH của nước thấp. CO2 hòa tan và đời sống thủy tinh vật CO2 hòa tan và đời sống thủy tinh vật Khắc phục CO2 cao  Thay nước  Sử dụng Ca(OH)2 2CO2 + Ca(OH)2  Ca(HCO3)2 88 mg : 74.08 mg 1 mg/L : ? mg ? = 0.84 mg  Chú ý: Dùng Ca(OH)2 quá nhiều có thể làm tăng nhanh pH đến mức gây chết cá; khí NH3 cũng tăng theo sự gia tăng pH. CO2 hòa tan và đời sống thủy tinh vật Dùng Na2CO3 Na2CO3 + CO2 + H2O  2NaHCO3 105. 98 mg : 44 mg  ? mg/L : 1 mg/L Dùng NaCO3 thì an toàn hơn Ca(OH)2, nhưng chi phí cao. Oxy hòa tan và đời sống thủy sinh vật Nhiều loại khí hòa tan có liên quan đến nuôi trồng thủy sản: N2, O2, CO2, NH3, H2S and CH4. Độ hòa tan của mỗi loại khí trong nước bị chi phối bởi các nhân tố sau:  Có mối quan hệ nghịch với nhiệt độ và độ mặn  Độ hòa tan của một loại khí trong nước phụ thuộc vào áp lực không khí - quy luật Henry. Oxy hòa tan và đời sống thủy sinh vật Hệ số hòa tan (Ks) của O2, CO2 và N2 ở 1 atm (ml/L) thay đổi theo nhiệt độ Nhiệt độ 0 20 30 O2 48,9 31,0 26,1 CO2 1713 878 665 N2 23,5 15,4 13,4 Oxy hòa tan và đời sống thủy sinh vật Độ hòa tan của CO2, O2, N2 từ không khí ở 1 atm có thể được tính thep phương trình sau: Cs = Ks x P Trong đó: Cs là độ hòa tan của khí Ks là hệ số hòa tan P là áp lực của khí Thí dụ độ hòa tan oxy ở 30oC và 1atm Hàm lượng DO = 26,1 mL/L x 0,209 = 5,5 mL/L Oxy hòa tan và đời sống thủy sinh vật  Oxy hòa tan trong nước từ hai nguồn chính: Khuếch tán từ không khí (các thủy vực nước chảy) Quá trình quang hợp (các thủy vực nước tĩnh)  Oxy hòa tan trong nước bị mất đi: Quá trình hô hấp của thủy sinh vật Quá trình phân hủy hữu cơ Oxy hòa tan và đời sống thủy sinh vật Oxy hòa tan và đời sống thủy sinh vật DO (mg/L) 6:00 14:00 6:00 Mức bão hòa Giới hạn dưới 3 8 Dinh dưỡng TB (tảo phát triển vừa phải) Nghèo dinh dưỡng (tảo ít phát triển Giàu dinh dưỡng (tảo phát triển quá mức) Oxy hòa tan và đời sống thủy sinh vật Bão hòa Sốc Giới hạn trên Phytoplankton Oxy hòa tan Thay nước Oxy hòa tan và đời sống thủy sinh vật Oxy rất cần thiết cho hoạt động sống của thủy sinh vật 0,0 - 0,3ppm : cá có thể sống nếu nhiệt độ thấp 0,3 - 1,0 ppm : cá có thể sống nếu nhiệt độ cao 1,0 - 5,0 ppm : cá sống nhưng phát triển chậm > 5,0 - bão hòa : nồng độ lý tưởng cho tôm cá Quá bão hòa : bệnh bọt khí Hệ số khuếch tán của oxy thấp nên trong ao thường xảy ra hiện tượng thiếu oxy cục bộ gây chết cá tôm. Nhóm cá đồng có cơ quan hô hấp phụ nên không bị thiếu oxy Oxy hòa tan và đời sống thủy sinh vật Biện pháp hạn chế hiện tượng thiếu oxy  Ao nuôi cần thoáng  Không bón phân quá liều lượng hoặc cho ăn thức ăn quá dư thừa  Ao nuôi cần có hệ thống trao đổi nước Oxy hòa tan và đời sống thủy sinh vật Biện pháp khắc phục hiện tượng thiếu oxy  Thay nước với nguồn nước có chất lượng tốt.  Sử dụng sục khí.  Sử dụng chất oxy hóa như KMnO4 (2-6 mg/L), nhưng hiệu quả không cao bởi vì phải dùng 6.58 mg/L để tạo ra 1 mgO2/L. – 4 KMnO4 + 2H2O  4 KOH + 4 MnO2 + 6 O – Hàm lượng KMnO4 quá mức sẽ gây độc cho vi khuẩn, cá, vài mg/L thì gây chết vi khuẩn và phiêu sinh vật. – KMnO4 có tác dụng làm giảm các chất như H2S, Fe 2+... Oxy hòa tan và đời sống thủy sinh vật  Sử dụng H2O2 2H2O2  2H2O + O (O + O  O2) Theo lý thuyết, 0,05mL (1 giọt) của 6% H2O2 cho vào 1 lít nước sẽ sản sinh ra 1,5 mg O2.  Sử dụng CaO2 dạng hạt CaO2 + H2O  Ca(OH)2 + O2 Theo Chamberlian (1988) bón CaO2 (60%) bón vào đáy ao với liều lượng 25-100g/m2, CaO2 phân hủy dần và giải phóng O2. 2,7 kg CaO2 sẽ sinh ra 1 kg O2 Oxy hòa tan và đời sống thủy sinh vật Cần phân biệt các trường hợp cá bị nổi đầu trong ao nuôi  Do oxy trong nước quá thấp Bình thường:, nổi đầu 1-2 giờ, cá phản ứng với tiếng động, bắt mồi (DO> 2 mg/L) Nghiêm trọng: nổi đầu hơn 2 giờ, không phản ứng với tiếng động, không bắt mồi (DO < 2 mg/L)  Oxy trong nước không thấp (DO > 3 mg/L) Hệ hô hấp của cá bị tổn thương Chất độc H2S, NO2 -, CO2 Nhiều phù sa  Cá có cơ quan hô hấp phụ không bị thiếu oxy Ammonia và đời sống thủy sinh vật Amomnia (NH3 và NH4 +)  NH3 sinh ra từ quá trình phân hủy chất chất hữu cơ có chứa N  Sản phẩm bài tiết hay từ phân bón: (NH2)2CO + H2O  (NH4)2CO3 (NH4)2CO3  2NH3 + CO2 + H2O  NH3 hòa tan trong nước tạo thành NH4 + NH3 + H2O  NH4 + + OH- Ammonia và đời sống thủy sinh vật  Ammonia ở dạng tự do (NH3) rất độc đối với tôm cá  Nồng độ của NH3 tăng khi pH và nhiệt độ tăng  Khi NH3 trong nước cao, NH3 bị tích lũy trong máu dẫn đến rối loạn trao đổi chất, có thể dẫu đến chết cá.  Hàm lượng NH3 thích hợp cho cá, tôm là nhỏ hơn 0,1 mg/L  NH4 + không độc nhưng hàm lượng quá cao (>2 mg/L) dẫn đến tảo phát triển gây biến động pH, DO và CO2 Ammonia và đời sống thủy sinh vật NH3 dước mức gây chết cũng gây ra một số tác hại như:  Gia tăng tính mẫn cảm của động vật đối với những điều kiện không thuận lợi của môi trường như sự dao động của nhiệt độ, thiếu oxy  Ức chế sự sinh trưởng và sinh sản  Giảm khả năng chống bệnh. Ammonia và đời sống thủy sinh vật Biện pháp duy trì hàm lượng ammonia thích hợp  Cải tạo ao tốt trước mỗi vụ nuôi  Duy trì mật độ nuôi thích hợp  Không bón phân quá liều và cho thức ăn quá thừa  Khống chế mức dao động pH nước ao theo ngày đêm không vượt quá 1.  Thay nước khi hàm lượng amnonia vượt quá mức cho phép  Bón phân khi hàm lượng ammonia quá thấp H2S và đời sống thủy sinh vật H2S sinh ra từ đâu?  Phân hủy vật chất hữu cơ yếm khí hay phản sulfat hóa yếm khí  Quá trình này thường diễn ra ở đáy thủy vực  H2S là chất khí cực độc đối với thủy sinh vật, làm mất khả năng vận chuyển O2 của Hemoglobin làm cá chết ngạt  Hàm lượng H2S phụ thuộc vào pH và nhiệt độ nước, H2S tăng khi nhiệt độ giảm và pH giảm H2S và đời sống thủy sinh vật Biện pháp tránh tích lũy H2S  Cải tạo ao tốt trước mỗi vụ nuôi  Tránh bón phân quá liều và cho thức ăn quá dư thừa  Không đào ao quá sâu H2S và đời sống thủy sinh vật Biện pháp khắc phục H2S cao  Thay nước  Sục khí  Sử dụng chế phẩm vi sinh Nitrite và đời sống thủy sinh vật NO2 - sinh ra từ đâu?  Nitrite hóa NH4 + + 3/2 O2  NO2 - + 2H+ + H2O + 76kcal Nhóm vi khuẩn tham gia vào quá trình nitrite hóa gồm Nitrosomonas (nước ngọt) Nitrosococcus (nước lợ) Nitrite và đời sống thủy sinh vật Tác dụng độc của NO2 - ?  NO2 - kết hợp với Hb tạo thành Methemoglobin làm máu có màu nâu và mất khả năng kết hợp với oxy, hiện tượng này được gọi là bệnh thiếu máu hay máu màu nâu  Độ độc của NO2 - phụ thuộc vào độ mặn, độ mặn càng cao độc tính càng giảm.►? Biện duy trì hàm lượng NO2 - thích hợp?  Hàm lượng NO2 - thích hợp là nhỏ hơn 0,1 mg/L  Biện pháp duy trì hàm lượng NO2 - thích hợp tương tự như duy trì ammonia. Nitrate và đời sống thủy sinh vật  NO3 - trong nước được cung cấp bởi quá trình nitrate hóa (oxy hóa nitrite) theo phản ứng: NO2 - + O2  NO3 - + 24 kcal  Các nhóm vi khuẩn tham gia vào quá trình này gồm Nitrobacter (nước ngọt), Nitrospina, Nitrosococcus (nước lợ)  Quá trình nitrate hóa chỉ xảy ra trong điều kiện có oxy, trong điều kiện yếm khí nitrate bị khử thành NO2 -, NO, N2O, NH3 và N2. Quá trình này có sự tham gia của các nhóm vi khuẩn Bacillus, Pseudomonas  NO3 - cũng được cung cấp từ quá trình oxy hóa N2 trong khí quyển do sấm sét N2+ O2  NO2 NO2 + H2O  HNO3  H + + NO3 - Nitrate và đời sống thủy sinh vật  Nitrate không độc đối với tôm cá và rất cần thiết đối với thủy vực cho sự phát triển của các sinh vật là thức ăn tự nhiên cho tôm cá.  Hàm lượng nitrate trong nước quá cao cũng làm cho tảo phát triển quá mức dẫn đến một số tác hại cho tôm cá.  Hàm lượng nitrate cho phép dao động 0,1-10 ppm  Để duy trì nitrate ở mức thích hợp cũng thực hiện một số biện pháp như để duy trì hàm lượng Ammonia Phospho và đời sống thủy sinh vật  Orthophosphate hòa tan: H2PO4 -, HPO4 2- và PO4 3-  Pyrophosphate: P2O7 4-  Metaphosphate: PO3 - Phospho và đời sống thủy sinh vật  Muối hòa tan của Phosphore trong nước bị lớp bùn đáy của thủy vực hấp thụ,do lớp bùn đáy chứa nhiều acid hữu cơ hay CaCO3 dễ hấp thu mạnh các muối orthophosphate hòa tan trong nước.  Ở môi trường có pH cao có nhiều ion Ca2+, các muối orthophosphate hòa tan có thể bị kết tủa dưới dạng Ca3(PO4)2. Phospho và đời sống thủy sinh vật  Giống như đạm, lân là nhân tố giới hạn đối với đời sống thực vật thủy sinh, là một nguyên tố dinh dưỡng rất cần thiết, thiếu nó thì không những thực vật bật cao mà cả nguyên sinh động vật cũng không sống được.  Các quá trình trao đổi chất , đặc biệt là quá trình tổng hợp protein chỉ tiến hành được khi có sự tham gia của H3PO4 và sự thiếu hụt nó trong thủy vực còn hạn chế quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ bởi vi sinh vật Fe và Mn và đời sống thủy sinh vật  Trong nước thiên nhiên sắt tồn tại ở các dạng Fe2+ , Fe3 + và trong các hợp chất hữu cơ hòa tan hay không hòa tan.  Dạng Fe2+ thường gây độc đối với thủy sinh vật. ► vì quá trình oxy hóa thành Fe3+ làm tiêu hao nhiều oxy và tạo thành các rỉ sắt bám trên mang cá làm cá không hô hấp được.  Sắt rất cần thiết cho đời sống thủy sinh vật, sắt là thành phần cấu tạo của Hemoglobin chứa trong hồng cầu, đóng vai trò quan trọng trong vận chuyển oxy trong máu Fe và Mn và đời sống thủy sinh vật  Sắt có vai trò quan trọng trong quá trình tạo diệp lục tố ở thực vật (xúc tác)  Hàm lượng sắt thích hợp cho ao nuôi tôm cá khoảng 0,1 - 0,2 ppm  Hàm lượng sắt trong nước biển thấp, trong nước ngọt hàm lượng sắt có lên đến hàng chục ppm.  Mangan trong nước tồn tại ở hai dạng ion và keo, dạng ion có hoạt tính cao. Ở nồng độ thấp (0,001-0,002ppm) chúng kích thích sự tăng trưởng của thực vật nhưng ở nồng độ cao (0,1ppm) sẽ gây độc cho thủy sinh vật. Kim loại nặng Bảng 13. Độc tính của kim loại nặng đối với sinh vật nước ngọt và biển Kim loại Khoảng LC50-96h (µg/l) Hàm lượng an toàn được khuyến cáo bởi Cơ quan bảo vệ Môi trường Hoa Kỳ Cadmium Chronium Đồng Chì Thủy ngân Kẽm 80-420 2.000-20.000 300-1.000 1.000-40.000 10-40 1.000-10.000 10 100 25 100 0.10 100