Giáo trình cơ sở môi trường nước

GS. TS. PH Ạ M N G Ọ C H ổ

TS. Đ Ổ NG K IM LOAN - PG S.TS. TR ỊN H T H Ị TH A N H

Giáo trình

Cơ SỞ MÔI TRƯỜNG NƯỚC

(Tái bản lần thứ nhất)

NHÀ XUẤT BẢN G IÁ O DỤC V IỆ T NAM

Công ty cổ phần Sách Đại học - Dạy nghề - Nhà xuất bản Giáo dục Việt Nam

giữ quyền công bố tác phẩm.

19 - 2010/CXB/537 - 2244/GD Mã số : 7K799yO - DAI

(£ '< ìi 'M li, đ ầ u

C a sở M ôi trường nước là giáo trình được các tác giả giàu kinh nghiệm

biên soạn trên cơ sở các bài giảng cho sinh viên ngành Môi trường ờ Trường

Đại học Khoa học Tự nhiên - Đại học Quốc gia Hà Nội trong vòng 10 năm qua

(kể từ khi Khoa Môi trường được thành lập năm 1995 - Khoa đầu tiên hình

thành trong hệ thống đào tạo chính quy Ngành Khoa học Môi trường ở nước ta).

Nội dung của giáo trình không chỉ phản ánh những kiến thức cốt lõi trong

chương trình khung đã được Bộ Giáo dục và Đào tạo thông qua mà còn chứa

đựng một số nội dung nâng cao, giúp sinh viên hiểu biết sâu, rộng về môi

trường nước. Vì vậy, giáo trình được sử dụng làm tài liệu chính thức trong giáng

dạy và học lập cho sinh viên ngành Môi trường tliuộc các trường đại học trong

hệ tliống Đại học Quốc gia cũng nlnc các trường đại học, cao đẳng trên phạm vi

cá nước.

Giáo trình gồm 5 chương:

Chương 1 và 2 trinh bày các khái niệm và định nghĩa về nước tự nhiên, quá

trình hình thành cũng như các đặc trung cấu trúc của nước, vai trò và tác động

của nước đối với môi trường.

Trong chương 3 đề cập đến các loại nước tự nhiên, bao gồm nước mưa,

nước biển, nước mặt và nước ngầm. Thành phần hoá học và các tính chất vật lý

của các loại nước được phãn tích kỹ lưỡng dưới góc độ xem xét ảnh hưởng đến

chất lượng môi trường nước như hàm lượng các ion chính, pH, độ đục, độ muối,

độ hoà tan, độ khoáng, các chất lơ lứng v.v...

Chương 4 trình bày các nguồn gây ô nhiễm nước, các quá trình tự làm sạch

nguồn nước nhằm phục hồi lại trạng thái chất lượng nước ban đầu nhờ các quá

trình thuý động học, vật lý, hoá học, sinh học v.v... diễn ra trong nguồn nước.

Các quá trình lắng đọng, khuếch tán, hoà tan, kết tủa, bay hơi, quang hợp, phân

giái hiếu khí và yếm khí v.v... được phân tích dưới góc độ tác động của các cơ

3

chẽ vật lý, hoá học và sinh học. Trên cơ sờ đó trình bày một số phương pháp xử

lý nước tự nhiên.

Chương 5 đề cập đến việc quản lý và kiểm soát chất lượng nước, trong đó

trình bày những giải pháp quản lý thông qua việc giám sát chất lượng nước để

duy trì tính đa dạng sinh học, phát triển nguồn lợi sinh vật, bảo vệ sự trong sạch

cua nguôn nước đáp ứng nhu cầu thiết yếu của cuộc sông con người và thế giới

sinh vật trên Trái Đất. Đồng thời, trong chương này trình bày về hệ thống quan

trắc chất lượng nước, các phương pháp đánh giá chất lượng nước bằng số liệu

quan trắc thực tế và tính toán từ mô hlnh, các tiêu chí đánh giá chất lượng nước

theo chì tiêu riêng lẻ và tổng hợp của các tác giả nước ngoài và trong nước, làm

cơ sở cho việc đánh giá, kiểm soát và quản lý chất lượng nước.

Giáo trình được biên soạn lần đầu nên không tránh khỏi các khiếm khuyết,

rất mong bạn đọc đóng góp ý kiến để lần tái bản sau giáo trình được cập nhật và

hoàn thiện hơn. Mọi ý kiến đóng góp xin gửi về Ban Biên tập sách Đại học -

Cao đẳng, Công ty c ổ phần sách Đại học - Dạy nghề, 25 Hàn Thuyên, Hà Nội.

Các tác giả

4

DANH MỤC V IẾT TẮT

BVMT Báo vệ môi trường

CTQG Chương trình quốc gia

CDM Cơ chế phát triển sạch

CLMT Chất lượng môi trường

DPSIR Driving Pressures State Impacts Responses

(Mô hình DPSIR theo quan điểm cúa EEA)

EPA Cục Báo vệ môi trường

EEA Cục Môi trường châu Au

OMB Cơ quan quán lý ngân sách

PSD Ngãn chận sự suy giảm nghiêm trọng/sự ô nhiễm nghiêm trọng

RBO Ban quán lý lưu vực

TCCP Tiêu chuẩn cho phép

TCVN Tiêu chuẩn Việt Nam

TLN Tổng lượng nước

TNNQG Tài nguyên nước quốc gia

TNNM Tài nguyên nước mặt

TNNN Tài nguyền nước ngầm

TOC Tổng lượng cacbon

UNEP Chương trình môi trường cùa Liên hợp quốc

WHO Tổ chức Y tế thế giới

5

Trang

Lời nói đ ầ u ............................................................................................................ 3

Danh mục viết t á t .................................................................................................5

Chương 1. ĐẠI CƯƠNG VÊ NƯỚC T ự NHIÊN

1.1. Sự hình thành, vai trò và sự phân bố của nước trong tự nhiên...................... 9

1.1 .1 Sự hình thành nước trên Trái Đất [28, 30]............................................. 9

1.1.2. Tác dộng và vai trò của nước đối với môi trường [25].........................10

1.1.3. Lutmg nưóc, sự phân bố và tiêu thụ nuớc trên Trái Đất [3,25]..........................12

1.2. Sự tuần hoàn của nước..................................................................................17

1.2.1. Chu trình của nước................................................................................17

1.2.2. Thời gian lưu cùa nước......................................................................... 19

1.3. Phân loại nước tự nhiên................................................................................20

1.3.1. Phân loại theo sự phân bô'.....................................................................20

1.3.2. Phân loại theo nhiệt độ (chủ yếu áp dụng đối với nước khoáng)........20

1.3.3. Phân loại theo pH ................................................................................. 20

1.3.4. Phân loại theo độ cứng (H - me/1)........................................................21

1.3.5. Phân loại theo độ khoáng hoá...............................................................21

1.3.6. Phân loại theo thành phần hoá học...................................................... 21

Chương 2. ĐẶC TRƯNG CỦA NƯỚC

2.1. Phân tử nước và liên kết hiđrô [3, 8, 30, 34]...............................................23

2.1.1. Cấu tạo của phân tử nước......................................................................23

2 .1 .2 . L iê n k ế t h i đ r ô ...................................................................................................................24

2.2. Cấu trúc của nước [2, 8, 30, 34].................................................................. 26

2.2.1. Quan niệm vể cấu tạo cùa phân từ nước..............................................26

2.2.2. Ba trạng thái của nước..........................................................................27

2.3. Tính chất vật lý của nước............................................................................. 30

2.3.1. Tỷ trọng và thể tích của nước...............................................................30

2.3.2. Các tính chất nhiệt.................................................................................33

2.3.3. Độ nhớt.................................. ......... .. . ... .........................35

2 .3 .4 . Sức c ă n g bề m ặ t................................................................................................................36

2 .3 .5 . Á p s u ấ t th ẩ m th ấ u ............................................................................................................37

2 .3 .6 . T ín h c h ấ t đ iệ n c ủ a n ư ớ c ................................................................................................38

2 .3 .7 . T ín h c h ấ t q u a n g h ọ c c ủ a n ư ớ c .................................................................................. 39

2 .4 . T ín h c h ấ l h o á h ọ c c ủ a n ư ớ c [1, 2 6 ,3 3 , 3 7 ]................................................................. 40

2 .4 .1 . T ín h c h ấ t d u n g m ô i c ù a n ư ớ c ................................................................... 41

2 .4 .2 . C ân b ằ n g h ó a h ọ c c ù a n ư ớ c ......................................................................... 4 5

2 .4 .3 . P h à n ứ ng õ x i h o á - k h ử c ủ a n ư ớ c ...................................................... 50

M Ụ C L Ụ C

6

2.5. Tính chất sinh học của nước [9,13,32]............................................................51

2.5.1. Nước và sự trao đổi chất......................................................................... 51

2.5.2. Nước, môi trường sống của vi sinh vật.................................................. 54

2.5.3. Các chất dinh dưỡng trong nước............................................................. 55

2.5.4. Vi sinh vật chấtxúc tác cùa các phản ứng hoá học trong nước............ 57

2.5.5. Tầm quan trọng của nước đối với hệ sinh thái..................................... 58

Chương 3. PHẢN LOẠI NƯỚC TRONG T ự NHIÊN

3.1. Nước mưa [1, 10, 30,31].................................................................................65

3.2. Nước biển [4, 5]................................................................................................67

3.2.1. Đặc điểm thành phẩn hoá học.................................................................67

3.2.2. Độ muối, độ clo và mối tương quan cùa các ion chính....................... 70

3.2.3. Giá trị pH cùa nước biển.......................................................................... 73

3.2.4. Các tính chất vật lý khác......................................................................... 74

3.3. Nước bề mặt [3,4, 26,27, 28,36].....................................................................75

3.3.1. Nước tù ...................................................................................................... 76

3 .3 .2 . N ư ớ c đ ộ n g ............................................................................................................................... 8 0

3.3.3. Nước cứa sông...........................................................................................87

3.4. Nuớc ngầm [ 26,27]......................................................................................... 88

3.4.1. Nguồn nước ngẩm ....................................................................................88

3.4.2. Đặc tính chung......................................................................................... 89

3.4.3. Tính chất cùa nước ngầm.........................................................................92

3.5. Một số đặc trưng chính của nước tự nhiên.....................................................93

3.5.1. Nhiệt độ nước........................................................................................... 93

3.5.2. Ion hiđrô.................................................................................................... 94

3.5.3. Các hợp chất tan trong nuớc................................................................... 94

3.5.4. Các khi'........................7.............................................................................. 95

3.5.5. Các chất lơ lửng........................................................................................ 96

3.5.6. Quẩn xã sinh vật....................................................................................... 96

3.5.7. Trạng thái vật lý của nước tự nhiên........................................................97

3.5.8. Sự tạo phức trong nước tự nhiên và nước thải [26,27, 37].............................98

Chương 4. Ô NIIIỄM, QUÁ TRÌNII T ự LÀM SẠCII

VÀ XỬ LÝ NƯỚC T ự NIỈIÊN

4 .1 . M ộ t s ố vấn đ é c h u n g về ô n h iễ m n u ớ c ...........................................................................101

4.1.1. Khái niệm ô nhiễm nước........................................................................101

4.1.2. Các loại ố nhiễm cùa nước..................................................................... 102

4.1.3. Các thông số chính đặc trưng cho chất lượng mồi trường nước..... 105

4.2. Quá irình tự làm sạch nguồn nước................................................................ 111

4.2.1. Một số vấn dề chung về quá trình tự làm sạch................................... 111

4.2.2. Quá trình tự làm sạch nguồn nước mặt.................................................112

4.2.3. Quá trình tự làm sạch nước ngẩm......................................................... 124

4.3. Một số phương pháp xử lý nước ngầm....................................................... '25

4.3.1. Phương pháp làm mềm nước.............................................................. 125

4.3.2. Phương pháp xử lý sắt..........................................................................127

4.3.3. Khử Mangan trong nước ngầm...........................................................130

4.3.4. Phương pháp xử lý Asen......................................................................131

4.3.5. Công nghệ xử lý amoni trong nước ngầm.......................................... 134

4.3.6. Phương pháp khử trùng....................................................................... 136

4.3.7. Loại muối trong nước......................................................................... 139

4.3.8. Các phương pháp khác xù lý nguồn nước cấp....................................141

Chương 5. QUẢN LÝ VÀ KIỂM SOÁT CHẤT LƯỢNG NƯỚC

5.1. Quản lý và sử dụng hợp lý tài nguyên nước.............................................. 143

5.1.1. Một số vãn bản pháp lý chính liên quan đến

quản lý tài nguyên nước [17, 18, 22,23]........................................... 143

5.1.2. Thực hiện mô hình DPSIR trong đánh giá môi tmờng nước.................... 147

5.2. Một số phương pháp đánh giá chất lượng nước [4,13, 28]........................163

5.2.1. Đánh giá chất lượng nước dựa theo tiêu chuẩn môi trường.....................163

5.2.2. Đánh giá theo thang điểm.................................................................. 166

5.2.3. Đánh giá dựa trên chi tiêu tổng hợp.................................................168

5.2.4. Đánh giá tổng hợp chất lượng nguồn nước........................................171

5.2.5. Đánh giá thông qua mô hình............................................................. 172

5.2.6. Đánh giá dựa theo chi thị sinh vật.....................................................179

5.2.7. Đánh giá qua ước tính thiệt hại kinh tế..............................................182

5.3. Hệ thống quan trắc chất lượng nước......................................................... 183

P h ụ l ụ c .................................................................................................................................................. 188

8

Chương 1

ĐẠI CƯƠNG VỀ NƯỚC Tự NHIÊN

1.1. Sự HÌNH THÀNH, VAI TRÒ VÀ sự PHÃN Bố CỦA NƯỚC TRONG

Tự NHIÊN

1 .1 .1 . Sự hình thành nưỏc trên Trái Đ ất [29, 31]

Học thuyết khoa học về quá trình xuất hiện của nước và hình thành sự

sống trên hành tinh Trái Đất được nhiều nhà khoa học công nhận nhất là

thuyết vể sự sống bắt đầu từ những dạng vật thể vô cùng cô đọng, có tỷ trọng

cực lớn tồn tại trong khoảng thời gian cách xa hiện nay như vô tận. Học

thuyết ấy cho rằng, khoảng 15 - 20 tỷ năm trước đây đã xảy ra 1 vụ nổ lớn

(Big Bang). Vụ nổ tạo nên những đám mây khí có nhiệt độ cao vô cùng, hơi

nóng và hạt nguyên tứ lan truyền khắp nơi. Cùng với thời gian, đám mây khí

nguội dần rồi cô đọng thành các thiên thể. Hơn 10 tỷ nãm sau vụ Big Bang,

tinh vân Ngàn Hà được hình thành, trong đó có Mặt Trời và Trái Đất của

chúng ta. Khoảng 4,4 - 4,5 tỷ năm truớc đây đã có Trái Đất với lớp vỏ cứng

nằm cách xa Mặt Trời khoảng 150.000.OOOkm. Từ thời gian đó, những thay

đổi chính đã xuất hiện theo một tỷ lệ tăng dần vối thời gian. K hí quyển Trái

Đất dần hình thành' và nước xuất hiện khi bãng giá tan chảy trẽn mặt đất2.

Như vậy, cùng với quá trình hình thành Trái Đất, Khí quyển, thì nước và

sự sống cũng hình thành và dần dần xuất hiện trẽn các yếu tố cấu thành nên

môi trường sống của chúng ta.

1 K hi n g h iên cứu các lớp ngoài của M ặt T rời, các hành tinh và các ngôi sao. m ôi

trường giữ a các vì sao. T inh vân. Sao chổi và các đôi tượng khác trong vũ trụ, người ta đã

phát hiện ra ràng: tro n g các đỗi tư ợng đó có m ặt hầu h ết m ọi n g uyên tố hoá học m à khoa

học đã biết. N hững n g u y ên tố phổ biến nhất trong vũ trụ là h iđ rô và heli. T ổ n g sô' các

ng uyên tứ c ù a c h ú n g trong nhiều vì sao. T inh vãn và trong m ôi trư ờng giữa các ngôi sao lớn

gấp trâm n gàn lần SO với số n g uyên tứ cúa các n g uyên tố còn lại. C ác n g uyên tố c . N. o ,

Ne. Na. C a. T i. Si. He.... là nhữ ng n g uyên tố phổ biến. T rong vũ trụ. các n g uyên tố này ở

dưới d ạng n g uyên tử và phân tứ. hợ p chất của chúng chù yếu ớ trạng thái ion hoá.

2 N ước có m ật làm cho sự sổng dẩn hình thành, cách đây 3 tỷ nãm sự sống đáu tiên đã

xuất h iện ớ biến có d ạng n h ư vi khuẩn và lảo ngày nay.

9