Bài giảng hóa kỹ thuật môi trường

i
MỤC LỤC

MỤC LỤC i
DANH SÁCH HÌNH iv
DANH SÁCH BẢNG v
CÁC TỪ VIẾT TẮT vi
GIỚI THIỆU CHUNG vii
CHƯƠNG 1 1
TỔNG QUAN VỀ TÍNH CHẤT HÓA HỌC CỦA NƯỚC THẢI VÀ KHÍ THẢI 1
1 Tổng quan về tính chất hóa học của nước thải 1
1.1 Sự ô nhiễm nước 1
1.2 Phân loại và các đặc tính của nước thải 1
1.3 Một số các thông số hóa học quan trọng của nước thải 3
1.4 Các đặ
c tính hóa học của nước thải 4
1.5 Các tác nhân độc hại và các hợp chất liên quan về mặt sinh thái 7
1.6 Nước thải sinh hoạt 8
1.7 Nước thải công nghiệp 10
2 Tổng quan về tính chất hóa học của khí thải 10
CHƯƠNG 2 14
ĐẶC ĐIỂM DI CHUYỂN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG TỰ
NHIÊN 14
1 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự di chuyển các nguyên tố trong môi trường tự nhiên 14
1.1 Thế ion 14
1.2 Thế oxi hóa khử của nguyên t
ố (E
o
) 14
1.3 Độ hòa tan của hợp chất 15

1.4 Clac và clac tập trung 15
1.5 Dạng tồn tại các nguyên tố trong tự nhiên 15
2 Dạng di chuyển các nguyên tố hóa học trong môi trường tự nhiên 16
2.1 Khái niệm 16
2.2 Cường độ di chuyển các nguyên tố hóa học trong môi trường tự nhiên 16
2.3 Các dạng di chuyển của nguyên tố trong môi trường tự nhiên 17
3 Đặc điểm tập trung, phân tán các nguyên tố hóa học 19
3.1 Sự tập trung các nguyên tố trong môi trường tự nhiên 19
3.2 Phân tán các nguyên tố trong môi trường tự nhiên 19
3.3 Tính thố
ng nhất và mâu thuẩn của các tập trung và phân tán các nguyên tố hóa
học 20
4 Phân loại nguyên tố theo đặc điểm di chuyển 20
5 Di chuyển các nguyên tố do hoạt động kỹ thuật của con người 21
CHƯƠNG 3 21
XỬ LÝ CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC 21
1 Trung hòa nước thải 22
1.1 Trộn các loại nước thải có độ pH khác nhau để đạt được giá trị pH gần trung
tính 22
1.2 Cho nước thải có pH axit chảy qua nền đá vôi 23
1.3 Tr
ộn nước thải có pH axit với dung dịch vôi 23
1.4 Cho thêm lượng chính xác NaOH hoặc Na
2
CO
3
vào nước thải có pH axit 23

ii
1.5 Thổi khí thải (từ các lò đốt) qua nước có pH kiềm 24

1.6 Cho nén CO
2
vào nước thải có pH kiềm 25
1.7 Cho axit sunfuric vào nước thải có pH kiềm 25
2 Quá trình keo tụ 25
2.1 Khái niệm 25
2.2 Cấu tạo của hạt keo 28
2.3 Các phương pháp keo tụ 28
2.4 Các cơ chế của quá trình keo tụ tạo bông 30
2.5 Các bước thực hiện trong quá trình keo tụ 34
3 Khử trùng bằng phương pháp hóa học 34
3.1 Khử trùng bằng clo 34
3.2 Khử trùng bằng Ozon 40
3.3 Các phương pháp hóa học khác 41
4 Làm mềm nước 41
4.1 Làm mềm nước bằng vôi Ca(OH)
2
42
4.2 Làm mềm nước bằng vôi kết hợp với sođa 43
4.3 Làm mềm nước bằng trinatriphotphat (Na
3
PO
4
) 44
4.4 Các biện pháp đẩy nhanh quá trình làm mềm nước 45
4.5 Làm mềm nước bằng phương pháp nhiệt 45
5 Khử sắt 45
5.1. Các phương pháp khử sắt trong xử lý nước cấp 45
5.2 Các biện pháp khử sắt bằng quá trình oxi hóa 47
5.3 Khử sắt bằng hóa chất 48

6 Khử mangan 49
6.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình khử mangan 49
6.2 Các phương pháp khử Mangan 50
7 Sử dụng hóa chất để loại bỏ photpho trong nước thải 51
8 Kết tủa các kim loại nặ
ng 54
8.1 Asen 55
8.2 Bari 55
8.3 Cadimi 56
8.4 Crom 57
8.5 Đồng 58
8.6 Florit 59
8.7 Chì 60
8.8 Thủy ngân 60
8.9 Niken 61
8.10 Bạc 61
8.11 Kẽm 62
CHƯƠNG 4 64
XỬ LÝ KHÍ THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP THỤ 64
1 Cơ sở lý thuyết của quá trình hấp thụ 64
2 Hấp thụ SO
2
66
2.1 Hấp thụ bằng nước 66
2.2 Xử lý khí SO
2
bằng đá vôi (CaCO
3
) hoặc vôi nung (CaO) 67
2.3 Xử lý khí SO

2
bằng amoniac 67
2.4 Xử lý SO
2
bằng magie oxit (MgO) 68
2.5 Xử lý SO
2
bằng kẽm oxit ZnO 69
2.6 Hấp thụ bằng muối natri 69

iii
2.7 Hấp thụ bằng hỗn hợp muối nóng chảy 70
2.8 Xử lý SO
2
bằng các chất hấp thụ hữu cơ 70
3 Hấp thụ H
2
S 70
3.1 Hấp thụ H
2
S bằng phương pháp cacbonat 70
3.2 Hấp thụ H
2
S bằng phương pháp photphat 71
3.3 Hấp thụ H
2
S bằng phương pháp kiềm – asen 71
3.4 Hấp thụ H
2
S bằng phương pháp sođa – sắt 71

3.5 Hấp thụ H
2
S bằng phương pháp hydroquinon – kiềm 72
4 Hấp thụ CS
2
, COS và mercaptan (RSH) 72
5 Hấp thụ các oxit nitơ 72
5.1 Hấp thụ bằng nước 73
5.2 Hấp thụ bằng kiềm 73
5.3 Hấp thụ chọn lọc 74
5.4 Phương pháp hấp thụ đồng thời SO
2
và NO
x
75
6 Hấp thụ Halogen và các hợp chất của chúng 75
6.1 Xử lý các hợp chất chứa flo 75
6.2 Xử lý clo và clorua hydro 76
6.3 Xử lý brom và hợp chất của nó 77
7 Hấp thụ CO
x
78
7.1 Xử lý oxit carbon 78
7.2 Xử lý dioxit cacbon 78
TÀI LIỆU THAM KHẢO 80

iv
DANH SÁCH HÌNH

Hình 3.2: Mô tả hiệu quả của cơ chế hấp phụ - trung hòa điện tích các ion trái dấu 32

Hình 3.3: Quan hệ giữa thành phần HOCl và ClO
-
và giá trị pH của môi trường 35
Hình 3.4: Quan hệ của các thành phần Cl
2
, HOCl và ClO
-
phụ thuộc vào giá trị pH 35
Hình 3.5: Biểu đồ tương quan giữa lượng clo vào hấp thụ và lượng clo dư khi trong
nước không có amoniac hoặc muối amon 37
Hình 3.6: Biểu đồ tương quan giữa lượng clo cho vào hấp thụ và lượng clo dư khi trong
nước có amoniac hoặc muối amon 37
Hình 3.7: Các kiểu xử lý photpho bằng hóa chất 53


v
DANH SÁCH BẢNG

Bảng 1.1: Thành phần hóa học đặc trưng của nước thải và nguồn phát sinh 3
Bảng 1.2: Các thành phần quan trọng trong nước thải 4
Bảng 1.3: Các chất gây ô nhiễm nguy hiểm trong nước thải công nghiệp, nông nghiệp
và thương mại 6
Bảng 1.4: Tải trọng chất thải trung bình một ngày tính theo đầu người 8
Bảng 1.5: Thành phần nước thải sinh hoạt phân tích theo phương pháp của APHA
*
9
Bảng 1.6: Tính chất đặc trưng của nước thải một số ngành công nghiệp 10
Bảng 1.7: Nguồn sinh ra CFC trên thế giới (%, năm 1985) 11
Bảng 1.8: Thành phần và nguồn gốc của một số loại bụi 11
Bảng 2.1: Sự di chuyển của các nguyên tố hóa học trong môi trường tự nhiên 17

Bảng 3.1: Độ kiềm của một số hóa chất được sử dụng trong quá trình trung hòa 24
Bảng 3.2: Các hóa chất thường được sử d
ụng để trung hòa nước thải 26
Bảng 3.3: Tác dụng của quá trình keo tụ trong xử lý nước cấp 27
Bảng 3.4: Các hóa chất thường sử dụng trong quá trình keo tụ 33
Bảng 3.5: Mức độ phân ly của HOCl phụ thuộc vào pH ở 20
o
C 36
Bảng 3.6: Hàm lượng clo dư tối thiểu để diệt trùng hoàn toàn 39
Bảng 3.7: Các số liệu về độ hòa tan của ozon theo nhiệt độ 40
Bảng 3.8: Nồng độ của một số ion kim loại nặng có khả năng tiêu diệt vi trùng và rêu
tảo 41
Bảng 3.9: Liều lượng phèn nhôm sử dụng và hiệu suất khử photpho của nó 52
Bảng 3.10: Lưu lượng nạp nước thải cho bể lắng trong trường hợp có sử
dụng hóa chất
trợ lắng 52
Bảng 3.11: Hiệu quả quá trình kết tủa kim loại với muối cacbamat 55
Bảng 3.12: Kết quả quá trình xử lý Cadimi bằng cách cho kết tủa dưới dạng hydroxit 56
Bảng 3.13: Hiệu quả của quá trình xử lý crom 58
Bảng 3.14: Hiệu quả xử lý đồng với các loại nguồn thải và hóa chất khác nhau 59
Bảng 3.15: Hiệu suất xử lý florua bằng các phương pháp khác nhau 60
Bảng 3.16: Hiệu quả của mộ
t số biện pháp xử lý thủy ngân 60
Bảng 3.17: Hiệu quả các biện pháp xử lý Niken 61
Bảng 3.18: Hiệu quả quá trình kết tủa kẽm dưới dạng hydroxit 62
Bảng 3.19: Nồng độ kim loại trong nước thải đầu ra của các quá trình xử lý kim loại 63
Bảng 4.1: Các khí độc cần khử và các chất hấo thụ tương ứng 65
Bảng 4.2: Lượng nước lý thuyết tính bằng m
3
cần để hấp thụ 1 tấn SO

2
66
Bảng 4.3: Hoạt tính của các dung dịch kiềm 74

vi
CÁC TỪ VIẾT TẮT
Từ viết tắt Chú thích
Ag Bạc
As Asen
Ba Bari
BOD Biochemical Oxygen Demand
C
10
H
10
Cl
8
Toxaphen
C
12
H
8
OCl
6
Endrin
C
6
H
6
Benzen

C
6
H
6
Cl
6
Lindan
Ca Canxi
COD Chemical Oxygen Demand
Cr Crom
DDT Dicloro-Diphenyl-Tricloroetan
DO Disolved Oxygen
Hg Thủy ngân
Me Kim loại
PAH Polycyclic Aromatic Hydrocacbon
Pb Chì
ppb Phần tỷ
ppm Phần triệu
Q Nhiệt lượng
Se Selen
THM Trihalometan
TN Tổng Nitơ
TP Tổng Photpho
TSS Tổng chất rắn lơ lửng

vii
GIỚI THIỆU CHUNG
Tài liệu giảng dạy Hóa kỹ thuật môi trường được viết cho sinh viên ngành Kỹ thuật
môi trường. Mục đích của tài liêu là cung cấp các kiến thức về thành phần tính chất hóa
học của nước thải, khí thải, chất thải rắn và chất thải độc hại, đặc điểm di chuyển của

các nguyên tố hóa học trong môi trường tự nhiên cũng như các biện pháp xử lý nước
thải, khí thải bằng phương pháp hóa học.
Hóa kỹ thuật môi trường là nền tảng giúp sinh viên trang bị kiến thức nền để học tốt các
môn chuyên ngành về thiết kế các hệ thống xử lý nước thải ở các học kỳ sau.
Trong tài liệu giảng dạy này không đề cập đến các biện pháp xử lý chất thải rắn và chất
thải nguy hại để tránh trùng lấp nội dung với môn học Quản lý và x
ử lý chất thải rắn.
Ngoài những phương pháp hóa học dùng trong xử lý các chất ô nhiễm trong nước và
không khí còn có các phương pháp khác như vật lý và sinh học. Các nội dung này sẽ
được trình bày trong các môn học khác.

1
CHƯƠNG 1
TỔNG QUAN VỀ TÍNH CHẤT HÓA HỌC CỦA NƯỚC THẢI VÀ KHÍ THẢI
1 Tổng quan về tính chất hóa học của nước thải
1.1 Sự ô nhiễm nước
Nước tự nhiên là nước được hình thành cả số lượng và chất lượng dưới sự ảnh hưởng
của quá trình tự nhiên, không có tác động của nhân sinh. Do tác động của nhân sinh,
nước tự nhiên bị nhiễm bẩn bởi các chất khác nhau dẫn đến kết quả là làm ảnh hưởng
đến chất lượng nguồn nước.
Các khuynh hướng thay đổi chất lượng nước dưới ảnh hưởng các ho
ạt động của con
người bao gồm:
- Giảm độ pH của nước ngọt do ô nhiễm bởi H
2
SO
4
, HNO
3
từ khí quyển, nước

thải công nghiệp, tăng hàm lượng SO
3
2-
và NO
3
-
trong nước.
- Tăng hàm lượng các ion Ca, Mg, Si trong nước ngầm và nước sông do
nước mưa hòa tan, phong hóa các quặng cacbonat.
- Tăng hàm lượng các ion kim loại nặng trong nước tự nhiên, trước hết là Pb,
Cd, Hg, As, Zn và các nhóm anion PO
4
3-
, NO
3
-
, NO
2
-

- Tăng hàm lượng các muối trong nước bề mặt và nước ngầm do chúng đi vào
môi trường nước từ nước thải, khí quyển và chất thải rắn
- Tăng hàm lượng chất hữu cơ trước hết là các chất khó bị phân hủy sinh học
(các chất hoạt động bề mặt, thuốc trừ sâu )
- Giảm nồng độ oxi hòa tan trong nước. Tăng khả năng nguy hiểm củ
a ô
nhiễm nước tự nhiên do các nguyên tố phóng xạ.
Các chỉ tiêu quan trọng cần được xem xét trong cấp nước là pH, độ trong, độ cứng, hàm
lượng sắt, mangan và chỉ số ecoli.
Các tính chất đặc trưng của nước thải công nghiệp bao gồm pH, hàm lượng chất rắn,

nhu cầu oxi sinh hóa BOD, nhu cầu oxi hóa học COD, các dạng nitơ, photpho, dầu mỡ,
mùi, màu, các kim loại nặng
Việc thải nước thải chỉ qua xử lý bằng phương pháp thông thườ
ng đã đẩy nhanh quá
trình phú dưỡng do sự phát triển bùng nổ của tảo và các thực vật khác, làm giảm chất
lượng nước, cản trở việc sử dụng lại nguồn nước và các hoạt động nghỉ ngơi giải trí.
1.2 Phân loại và các đặc tính của nước thải
Thông thường nước thải được phân loại theo nguồn phát sinh. Đây cũng là cơ sở cho
việc lựa chọn phương pháp và công nghệ xử
lý. Nước thải được phân làm các dạng
dưới đây:
Nước thải sinh hoạt: nước thải từ các khu dân cư, khu hoạt động thương mại, công sở,
trường học và các cơ sở tuơng tự khác.
Nước thải công nghiệp (nước thải sản xuất): là nước thải từ các nhà máy đang hoạt
động, có cả nước thải sinh hoạt trong đó nhưng nước thải công nghiệp là chủ y
ếu.
Nước thấm qua: đây là nước mưa thấm vào hệ thống cống bằng nhiều hình thức khác
nhau qua các khớp nối, các ống có khuyết tật hoặc thành hố ga hay hố chôn người.

2
Nước thải tự nhiên: nước mưa được xem là nước thải tự nhiên. Ở những thành phố lớn,
nước thải tự nhiên được thu gom theo một hệ thống thoát nước riêng.
Nước thải đô thị: là tổng hợp tất cả các loại nước thải kể trên
Theo quan điểm quản lý môi trường, các nguồn gây ô nhiễm nước còn được phân thành
2 loại: nguồn xác định và nguồn không xác định.
Nguồn xác định bao gồm nước thải đô thị và nước thải công nghiệp, các cửa xả nước
mưa và tất cả các nguồn thải vào nguồn tiếp nhận nước có tổ chức qua hệ thống cống và
kênh thải.
Các nguồn thải không xác định bao gồm nước rửa trôi trên bề mặt đất, nước mưa và các
nguồn phân tán khác.

Sự phân loại này được sử dụng trong điề
u chỉnh, kiểm soát ô nhiễm.
Các nguồn xác định thường có thể định lượng và kiểm soát trước khi thải, ngược lại các
nguồn không xác định thường rất khó quản lý. Nguồn ô nhiễm không xác định thường
gây ra các vấn đề sau:
- Xói mòn đất và vận chuyển sa lắng dẫn đến hậu quả là thay đổi chỗ ở và gây
ảnh hưởng xấu đến các loài thủy sinh vật, lắp đầy các dòng sông, hồ chứa, gây khó
khă
n, tăng chi phí cho việc xử lý nước và giảm chất lượng nước cho mục đích sử
dụng.
- Các chất dinh dưỡng như nitơ, photpho giải phóng từ phân bón, chất thải
động vật kích thích sự phát triển của thực vật và vi khuẩn trong nước dẫn đến hiện
tượng phú dưỡng.
- Tích tụ các kim loại nặng như kẽm, đồng, thủy ngân từ các chất được sử
dụ
ng trong bảo vệ thực vật, sơn, hàn chì và nhiều quá trình khác.
- Các hóa chất độc hại: chủ yếu là thuốc bảo vệ thực vật
- Ngoài ra, nước chảy trôi trên bề mặt đất qua các khu vực chăn nuôi gia súc
có thể chứa lượng lớn chất thải động vật sẽ làm tăng nồng độ các chất hữu cơ và chất
rắn lơ lửng, gây ô nhiễm môi trường nước.

3
1.3 Một số các thông số hóa học quan trọng của nước thải
Bảng 1.1: Thành phần hóa học đặc trưng của nước thải và nguồn phát sinh
Thành phần hóa học Nguồn phát sinh
Hữu cơ
Cacbohydrat Các chất thải sinh hoạt, thương mại và sản xuất
Mỡ, dầu, dầu nhờn Các chất thải sinh hoạt, thương mại và sản xuất
Thuốc trừ sâu Chất thải nông nghiệp
Phenol Chất thải nông nghiệp

Protein Các chất thải sinh hoạt và thương mại
Các chất hoạt động bề mặt Các chất thải sinh hoạt và sản xuất
Các chất khác Phân rã tự nhiên của cac chất hữu cơ
Vô cơ
Độ kiềm Nước thải sinh hoạt, nước cấp sinh hoạt, quá trình thấm
của nước ngầm
Clorua Nước thải sinh hoạt, nước cấp sinh hoạt, quá trình thấm
của nước ngầm, các chất làm mềm nước
Các kim loại nặng Chất thải công nghiệp
Nitơ Nước thải sinh hoạt và công nghiệp
pH Nước thải công nghiệp
Photpho Nước thải sinh hoạt và công nghiệp
Lưu huỳnh Nước th
ải sinh hoạt, nước cấp sinh hoạt và công nghiệp
Các chất độc Các chất thải công nghiệp
Các khí: H
2
S, CH
4
, O
2
Phân hủy các chất thải sinh hoạt, sự thấm của nước bề
mặt

4
Bảng 1.2: Các thành phần quan trọng trong nước thải
Thành phần Ghi chú
Các chất rắn lơ lửng Các chất rắn lơ lửng có thể dẫn đến tăng khả năng lắng
bùn và điều kiện kỵ khí khi thải nước thải không qua xử
lý vào môi trường nước

Các chất hữu cơ phân
hủy sinh học
Gồm protein, cacbohydrat và chất béo. Các chất hữu cơ
phân hủy sinh học được đo bằng chỉ tiêu BOD và COD.
Nếu thải chúng trực tiếp vào môi trường; quá trình ổn
định sinh học của chúng có thể dẫn đến giảm lượng oxi
trong nước tự nhiên và là nguyên nhân gây mùi hôi khó
chịu
Các nhân tố gây bệnh Coliform và các vi khuẩn gây bệnh khác trong nước
thải là nguyên nhân gây ra các bệnh về nước
Các chất dinh dưỡng Nitơ và photpho là nhữ
ng chất dinh dưỡng quan trọng
cho sự phát triển của sinh vật. Khi thải chúng vào môi
trường nước, các chất dinh dưỡng này có thể dẫn đến sự
phát triển của các sinh vật ngoài ý muốn (phú dưỡng
hóa) và làm ô nhiễm nước ngầm
Các chất hữu cơ trơ Không bị phân hủy bởi các phương pháp xử lý thông
thường. Ví dụ điển hình là các chất hoạt động bề mặt,
phenol và một số hóa chất trong nông nghiệp
Kim lo
ại nặng Nhiễm vào nước do hoạt động công nghiệp, cần được
khử ra khỏi nước thải
Các chất vô cơ hòa tan Các thành phần vô cơ như canxi, natri, sulfat có mặt
trong nước thải sinh hoạt. Nếu nước thải muốn sử dụng
lại thì phải khử bỏ chúng

Mỗi loại chất trên đều có thể được phân loại tiếp trên cơ sở tính bay hơi của chúng ở
nhiệt độ 55
o
C. Phần hữu cơ sẽ bị oxi hóa thành khí, phần vô cơ còn lại là phần tro.

1.4 Các đặc tính hóa học của nước thải
Các chất hữu cơ có thể bị phân hủy sinh học
Trong nước thải có mức ô nhiễm trung bình, khoảng 70% SS và 40% chất rắn qua lọc là
chất hữu cơ. Trong các chất hữu cơ có trong nước thải, protein chiếm 40 – 60%,
cacbohydrat chiếm 25 – 50%, dầu mỡ chiếm 10%. Đôi khi còn chứa các chất hữu cơ
t
ổng hợp như các chất tạo bọt, chất hữu cơ bay hơi, các loại thuốc trừ sâu đa số các
chất này phân hủy rất chậm bằng con đường sinh học.
Mức độ ô nhiễm chất hữu cơ được biểu thị bằng các thông số nhu cầu oxi sinh hóa, nhu
cầu hóa học, tổng cacbon hữu cơ.

5
Chất tạo bọt (Foam-producing matter)
Các nước thải từ nhà máy hóa chất chứa các chất tạo bọt, đây là một dạng ô nhiễm dễ
phát hiện và gây phản ứng mạnh của cộng đồng lân cận.
pH của nước thải
pH nước thải có ý nghĩa quan trọng trong quá trình xử lý. Các công trình xử lý nước
thải sinh học làm việc tốt ở pH nằm trong giới hạn từ 7 -7,6. pH cũng ảnh hưởng đế
n
quá trình tạo bông cặn của các bể lắng bằng phèn nhôm. Nước thải sinh hoạt có pH nằm
trong khoảng 7,2 – 7,6, trong khi đó chất thải công nghiệp có pH rất khác nhau phụ
thuộc vào từng loại công nghiệp.
Các xí nghiệp sản xuất có thể thải ra nước thải có tính axit hoặc kiềm rất cao chẳng
những làm cho nguồn nước không còn hữu dụng đối với hoạt động giải trí như bơi lội,
chèo thuyền mà còn ảnh h
ưởng đến hệ sinh vật. Nồng độ axit sunfuric cao sẽ làm ảnh
hưởng đến mắt của người bơi lội vùng nước này, ăn mòn thân tàu thuyền, hư hại lưới
đánh cá. Nguồn nước lân cận một số xí nghiệp có thể có giá trị pH thấp đến 2 hoặc cao
đến 11; trong khi cá chỉ có thể tồn tại trong môi trường có 4,5 < pH < 9,5. Hàm lượng
NaOH cao thường phát hiện trong nước thải ở các xí nghiệp sản xuất bột giặ

t, thuộc da,
nhuộm vải sợi NaOH ở nồng độ 25ppm đã có thể làm chết cá.
Các dưỡng chất (Nitơ, photpho) – Hóa môi trường 1
Muối
Nhiều xí nghiệp, nhà máy có nước thải chứa hàm lượng muối khá cao; ngoài ra ở các
nước ôn đới người ta còn dùng muối để rải lên mặt đường vào mùa đông và sau đó muối
lại bị rửa trôi vào hệ thống cống rãnh. Hàm lượng muối cao sẽ làm cho nguồn nước
không còn hữu dụ
ng cho mục đích cấp nước hay tưới tiêu, làm hoa màu bị thiệt hại và ô
nhiễm đất.
Các loại muối khoáng Ca, Mg còn làm cho nguồn nước bị cứng, đóng cặn đường ống
gây thất thoát áp lực trên đường ống. Nước cứng sẽ làm ảnh hưởng đến nhuộm vải sợi,
sản xuất bia và chất lượng của các sản phẩm đóng hộp. Nước cứng còn đóng vảy trong
các đường ố
ng của lò hơi làm giảm khả năng truyền nhiệt. Magie sunfat gây sổ nhẹ ở
người, ion clorua làm tăng độ dẫn điện của giấy cách điện, ion sắt gây các vết bẩn trên
vải sợi và giấy, cacbonat tạo vảy cứng đóng trên đậu Hà Lan trong quá trình chế biến và
đóng hộp chúng.
Các loại muối chứa nitơ và photpho làm cho tảo phát triển nhanh gây hiện tượng tảo nở
hoa ảnh hưởng đến h
ệ thủy sinh vật và mất mỹ quan.
Các kim loại độc và các chất hữu cơ độc
Nước chảy tràn qua khu vực sản xuất nông nghiệp có chứa dư lượng thuốc trừ sâu và
thuốc trừ cỏ trong khi chảy tràn ở các khu đô thị chứa chì và kẽm (chì từ khói xe ôtô,
kẽm từ việc bào mòn các lốp xe). Nhiều ngành công nghiệp thải ra các kim loại và các
chất hữu cơ độc khác. Các chất này có khả năng tích tụ và khu
ếch đại trong chuỗi thức
ăn, do đó cần phải được quản lý tốt.
Hàm lượng clorua 4000ppm gây độc cho cá nước ngọt, ở nồng độ 5ppm Cr
+6

gây độc
cho cá. Đồng ở hàm lượng 0,1 – 0,5% đã gây độc cho vi khuẩn và một số vi sinh vật
khác. P
2
O
5
ở nồng độ 0,5ppm gây trở ngại cho quá trình tạo bông cặn và lắng trong các
nhà máy nước cấp. Phenol ở nồng độ 1ppb đã gây nên vấn đề cho các nguồn nước.

6
Bảng 1.3: Các chất gây ô nhiễm nguy hiểm trong nước thải công nghiệp, nông
nghiệp và thương mại
Tên Lý do được xếp vào loại hóa chất gây ô nhiễm nguy hiểm
Asen (As) Là chất gây ung thư, biến dị. Các tác hại lâu dài như gây mệt
mỏi, mất năng lượng và bệnh ngoài da
Selen (Se) Các tác hại lâu dài bao gồm việc tạo thành các vết rỉ đỏ trên
móng tay, răng và tóc, kích thích mũi, miệng
Bari (Ba) Ở dạng bột có khả năng bắt lửa ở nhiệt độ bình thường trong
phòng. Tác hại lâu dài là tăng huyết áp
Canxi (Ca) Ở dạng bột có khả năng bắt lửa. Gây độc khi hít phải, là chất
gây ung thư. Ở dạng hòa tan rất độc. Tác hại lâu dài bao gồm
sự tích tụ trong gan, thận, bóng đái, tuyến giáp
Crom (Cr) Cr hóa trị
6 là chất gây ung thư và ăn mòn các mô. Tác hại lâu
dài là làm da nhạy cảm và hại thận
Chì (Pb) Gây độc khi hít phải, nuốt phải. Tác hại lâu dài là làm hại não,
thận và giảm chức năng sinh sản
Thủy ngân (Hg) Gây độc khi tiếp xúc qua da hay hít phải. Tác hại lâu dài là gây
độc hệ thần kinh và giảm khả năng sinh sản
Bạc (Ag) Kim loại độc. Tác hại lâu dài làm mất màu xám trên da, mắt và

các màng cơ vĩnh viễn
Benzen (C
6
H
6
) Chất ung thư, độc tính cao, có nguy cơ bắt lửa cao
Etylbenzen (C
6
H
5
C
2
H
5
) Có nguy cơ bắt lửa cao. Gây độc khi nuốt, hít hay tiếp xúc qua
da
Chloroeten (CH
2
CHCl)
Dichlorometan (CH
2
Cl
2
)
Rất độc, nguy hiểm, chất gây ung thư
Tetrachloroeten
(CCl
2
CCl
2

)
Độc, gây ung thư, gây mê
Endrin (C
12
H
8
OCl
6
) Kích thích mắt và da
Lindan (C
6
H
6
Cl
6
) Gây độc khi hít hay tiếp xúc, chất gây ung thư
Toxaphen (C
10
H
10
Cl
8
) Gây độc khi hít, nuốt hay tiếp xúc


7
1.5 Các tác nhân độc hại và các hợp chất liên quan về mặt sinh thái
1. Trihalometan (THM)
Trihalometan được tạo thành khi các nguyên tố hóa học trong nhóm halogen (clo, brom,
iod) tác dụng với hợp chất hữu cơ. Trong xử lý nước thải, dạng THM quan tâm là

cloroform (CHCl
3
), bromodiclomentan (CHBrCl
2
), clorodibromometan (CHClBr
2
) và
bromomentan (CHBr
3
).
THM là nguyên nhân gây ung thư. Clo sử dụng để khử trùng nước và nước thải có thể
tác dụng với một số chất hữu cơ tạo thành các hydrocacbon. Những hợp chất này cũng
là nguyên nhân gây ung thư. Chính vì lý do này mà nhiều sự lựa chọn các chất khác
nhau làm chất khử trùng thay thế clo đã được nghiên cứu tỉ mỉ và áp dụng.
2. Các hợp chất hữu cơ
Quá trình công nghiệp hóa và phát triển công nghệ đã dẫn đến số l
ượng các hợp chất
hữu cơ thải vào môi trường ngày càng tăng. Trong hầu hết các hợp chất đó chúng ta còn
biết rất ít về tác động của chúng đối với môi trường và con người. Nhiều hợp chất được
biết đã gây ung thư cho động vật ví dụ như dioxin. Ở Canada người ta phát hiện dioxin
trong nước cấp trong vài phút. Gần đây dioxin đã phát hiện trong sữa mẹ ở tỉnh Quebec,
Canada.
3. Các kim loại nặ
ng
Hầu hết các kim loại nặng tồn tại trong nước dạng ion, chúng có nguồn gốc phát sinh do
hoạt động của con người và có tính độc đối với con người và sinh vật. Các chất này
gồm As, Ba, Cd, Cr, Cu, Pb, Hg, Ni, Ag, Zn Chúng phát sinh từ các nguồn gốc khác
nhau chủ yếu là do hoạt động công nghiệp. Ví dụ, kẽm là do các nhà máy sơn, mực in;
Hg và kẽm do thuốc trừ sâu
Do tính bền không phân rã nên các kim loại nặng tích tụ trong chuỗi thức ăn của hệ sinh

thái. Quá trình này bắt đầ
u với nồng độ thấp của các kim loại nặng tồn tại trong nước
hoặc cặn lắng, rồi sau đó tích tụ nhanh trong các thực vật và động vật sống dưới nước.
Tiếp đến các sinh vật khác sử dụng thực vật, động vật này làm thức ăn dẫn đến nồng độ
được tích tụ trong cơ thể sinh vật trở nên cao hơn. Cuối cùng sinh vật ở bật cao nh
ất
trong chuỗi thức ăn, nồng độ kim loại nặng đủ lớn để gây độc. Trường hợp nhiễm độc
nặng hàng loạt đầu tiên trong lịch sử hiện đại là bệnh Minamata xảy ra năm 1950 ở
Nhật do ngư dân ở vùng vịnh Minamata đã ăn cá có chứa hàm lượng thủy ngân cao do
nhà máy sản xuất nhựa gần đó thải vào.
4. Các hóa chất bảo vệ thực vật
Các hóa chấ
t bảo vệ thực vật bao gồm: thuốc trừ sâu (insecticides), thuốc trừ nấm
(fungicides), thuốc diệt cỏ (herbicides) và thuốc diệt tảo (algicides). Thuốc bảo vệ thực
vật gồm có các hydrocacbon clo hóa cao như eldrin, clodan, hợp chất DDT, dieldrin,
heptaclo, metoxyclo, toxaphen, hexaclorobenzen. Các photphat hữu cơ như diazinon,
malathion, parathion Thuốc diệt cỏ gồm cacbamat (cacbyl); các hydrcacbon clo hóa
như 2,4 – D, 1,3,5 – T thuốc diệt nấm gồm đồng sunfat, ferbam, ziram. Thuốc diệt tảo
chủ yếu là các hợp chất đồng.
Rấ
t nhiều loại thuốc trừ sâu trước đây như DDT, toxaphen và dieldrin rất bền trong môi
trường tự nhiên. Tương tự như kim loại nặng, chúng tích tụ trong chuỗi thức ăn của hệ
sinh thái. Các nhuyễn thể ăn bằng cách lọc chứa hàm lượng DDT cao hơn so với môi
trường nước xung quanh hàng triệu lần. Sản lượng DDT tới những năm 60 khoảng

8
10.000tấn/năm. Do thời gian bán phân hủy của DDT có thể lên đến 20 năm. Vì vậy dù
trên thực tế thuốc DDT đã bị cấm sử dụng ở nhiều nước nhưng một lượng lớn thuốc này
vẫn còn trong môi trường trong nhiều năm sau.
1.6 Nước thải sinh hoạt

Lượng nước thải sinh hoạt dao động trong phạm vi rất lớn. Tùy thuộc vào mức sống và
thói quen của người dân có thể ướ
c tính bằng 80% lượng nước cấp. Nước thải đô thị
thường gồm khoảng 50% là nước sinh hoạt, 14% là các loại nước thấm và 36% là nước
thải sản xuất. Lưu lượng nước thải phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện khí hậu và tính
chất đặc trưng của thành phố.
Đặc trưng nước thải sinh hoạt là thường chứa nhiều tạp chất khác nhau, trong đó khoả
ng
52% là các chất hữu cơ, 48% là các chất vô cơ và một số lớn vi sinh vật (vi khuẩn gây
bệnh tả, lị, thương hàn ). Đồng thời trong nước thải cũng chứa các vi khuẩn không có
hại có tác dụng phân hủy các chất thải.
Bảng 1.4: Tải trọng chất thải trung bình một ngày tính theo đầu người
Các chất
Tổng chất thải
(g/người.ngày)
Chất thải hữu cơ
(g/người.ngày)
Chất th
ải vô cơ
(g/người.ngày)
Tổng lượng chất
thải
190 110 80
Các chất tan 100 50 50
Các chất không tan 90 60 30
Chất lắng 60 40 20
Chất không lắng 30 20 10

Nước thải sinh hoạt thường có thành phần điển hình như sau: COD = 500mg/l; BOD
5

=
250mg/l; SS = 220mg/l; TP = 8mg/l; N-NH
3
và N-hữu cơ = 40mg/l; pH = 6,8; TS =
720mg/l.
Như vậy nước thải sinh hoạt có hàm lượng các chất dinh dưỡng khá cao, đôi khi vượt cả
yêu cầu cho quá trình xử lý sinh học. Thông thường quá trình xử lý sinh học cần các
chất dinh dưỡng theo tỉ lệ sau: BOD
5
: N: P = 100: 5: 1. Một tính chất đặc trưng nữa của
nước thải sinh hoạt là không phải tất cả các chất hữu cơ điều có thể bị phân hủy bởi các
vi sinh vật. Khoảng 20 - 40% BOD thoát ra khỏi quá trình xử lý sinh học cùng với bùn.

9
Bảng 1.5: Thành phần nước thải sinh hoạt phân tích theo phương pháp của
APHA
*

Mức độ ô nhiễm (mg/l)
Các chất
Nặng Trung bình Thấp
Tổng chất rắn 1000 500 200
Chất rắn hòa tan 700 350 120
Chất rắn không tan 300 150 8
Tổng chất rắn lơ
lửng
600 350 120
Chất rắn lắng 12 8 4
BOD
5

300 200 100
DO 0 0 0
TN 85 50 25
N-hữu cơ 35 20 10
N-NH
3
50 30 15
N-NO
2
0.1 0.05 0
N-NO
3
0.4 0.2 0.1
Clorua 175 100 15
Độ kiềm 200 100 50
Chất béo 40 20 0
TP - 8 -

(Nguồn: Wastewater treatment - Mc Graw Hill)

(*) APHA (American Public Health Association): Hiệp hội Sức khoẻ Cộng đồng Hoa
Kỳ.Phương pháp APHA là phương pháp xác định các thông số ô nhiễm trong Nước sinh hoạt,
nước uống, nước tinh khiết, nước khoáng, nước cho đổ bê tông và vữa theo tiêu chuẩn của
APHA ban hành

10
1.7 Nước thải công nghiệp
Trong công nghiệp, nước được sử dụng như là một loại nguyên liệu thô hoặc phương
tiện sản xuất (nước cho các quá trình) và phục vụ cho mục đích truyền nhiệt. Nước cấp
cho sản xuất có thể lấy từ mạng nước cấp sinh hoạt chung hoặc lấy trực tiếp từ nguồn

nước ngầm hay nước mặt. Nhu cầu cấp n
ước và lượng nước thải của các xí nghiệp công
nghiệp được xác định chủ yếu bởi đặc tính sản phẩm được sản xuất.
Thành phần nước thải sản xuất rất đa dạng phụ thuộc vào mức độ hoàn thiện của công
nghệ sản xuất hoặc điều kiện môi trường.
Bảng 1.6: Tính chất đặc trưng của nước thải một số
ngành công nghiệp
Các chỉ tiêu Chế biến sữa
Sản xuất thịt
hộp
Dệt sợi tổng
hợp
Sản xuất
clorophenol
BOD
5
, mg/l 1000 1400 1500 4300
COD, mg/l 1900 2100 3300 5400
TS, mg/l 1600 3300 8000 53000
TSS, mg/l 300 1000 2000 1200
TN, mg/l 50 150 30 0
TP, mg/l 12 16 0 0
pH 7 7 5 7
Nhiệt độ,
o
C 29 28 - 17
Dầu mỡ, mg/l - 500 - -
Clorua, mg/l - - - 27000
Phenol, mg/l - - - 140
(Nguồn: Lê Hoàng Việt, 2000)

2 Tổng quan về tính chất hóa học của khí thải
Trong khí quyển có các phân tử khí, các hợp chất, các hạt bụi, các ion và các gốc hóa
học tự do, các vi sinh vật Thành phần của khí quyển không chỉ biến đổi theo thời gian
mà còn tiến hóa theo thời gian. Sự tiến hóa, biến đổi thành phần khí quyển phụ thuộc
vào nhiều yếu tố khác nhau nhưng vai trò của con người ngày càng lớn.
Khí quyển được sinh ra do nhiều quá trình khác nhau, chủ yếu là phân rả phóng xạ,
phản ứng quang hóa, hoạt động địa chất và quá trình hình thành, phát triể
n sự sống cũng
như hoạt động của con người.
- Phân rã phóng xạ tạo ra các khí H
2
, He các kim loại như U, Pb
- Các phản ứng quang hóa tạo O
3
, O
2
, O, NO
x

- Quá trình địa chất (hoạt động núi lửa) làm xuất hiện các khí và hợp chất
như HCl, HF, H
2
S, I
2
, Br
2
, CO
- Quá trình hình thành và phát triển sự sống là nguồn gốc của nhiều phân
tử và hợp chất khác nhau trong khí quyển, quan trọng nhất là CO
2

, O
2
, CH
4
Hoạt

11
động nhân sinh làm xuất hiện và đưa vào khí quyển nhiều hợp chất không có trong
tự nhiên như CFC, thuốc diệt trừ vật hại, muội than (bồ hống), các chất phóng xạ
nhân tạo
Bảng 1.7: Nguồn sinh ra CFC trên thế giới (%, năm 1985)
Nguồn % góp phần
Chất phun sương 25
Chất làm xốp 26
Dung môi 19
Thiết bị điều hòa nhiệt độ 12
Thiết bị làm lạnh 8
Các nguồn khác 10

Bụi trong khí quyển
Bụi là thành phần cơ bản của không khí tầng đối lưu. Chúng là chất có kích thước nhỏ
(dưới 500µm) ở dạng rắn, lỏng, được đặc trưng bởi các thành phần hóa học, khoáng vật
xác định
Bảng 1.8: Thành phần và nguồn gốc của một số loại bụi
Loại bụi Thành phần Nguồn gốc
Bụi tro, bồ hóng SiO
2
, 2CaO.SiO
2
, CaO,

CaSO
4
, CaCO
3
, C,
Ca(AlO
2
)
2

Sản xuất năng lượng
Bụi than Cacbon, than cốc Khai thác chế biến than
Bụi khoáng Thạch cao, xỉ, asbet, xi
măng
Công nghiệp khai khoáng
và xây dựng
Bụi công nghiệp Thủy tinh, sunfat, photphat,
clorua, oxit kim loại, vải,
bông, sợi
Công nghiệp hóa chất, thủy
tinh, công nghiệp dệt
Bụi đường phố Dầu, bồ hống, cặn cao su,
hơi chứa các hợp chất hữu
cơ, hợp chất của chì
Giao thông
Bụi gỗ Xenlulo Công nghiệp gỗ
Bụi phân bón, thuố
c trừ sâu Phân bón, thuốc trừ sâu Sản xuất nông nghiệp
Bụi núi lửa Tro, silicat, HCl Phun trào núi lửa
Bụi phấn hoa Phấn nhụy hoa Hoạt động của sinh vật

Dựa vào kích thước hạt người ta phân bụi thành hai nhóm: bụi mịn (d < 3µm) và bụi thô
(d > 3µm). Bụi có kích thước càng lớn càng dễ sa lắng nhanh, kích thước càng nhỏ càng

12
tồn tại lâu trong không khí. Sol khí là hỗn hợp những phân tử lơ lửng phân tán trong
không khí với kích thước hạt keo khó lắng, là nguồn gốc tạo ra các ngưng tụ hình thành
mây mưa.
Tùy thuộc vào mức độ tinh khiết của không khí mà hàm lượng bụi thay đổi từ khoảng
10µm/m
3
tương đương vài hạt/cm
3
(trong không khí không bị ô nhiễm) đến 2000µm/m
3

tương đương khoảng > 105 hạt/cm
3
(trong không khí bị ô nhiễm nặng).
Các hạt bụi có thể cấu thành từ các chất vô cơ, hữu cơ và hỗn hợp vô cơ – hữu cơ. Các
hạt bụi có thể là vi khuẩn trong không khí, sương mù, phấn, nhụy hoa, tro núi lửa
Thành phần của bụi trong khí quyển ở các đô thị Hoa Kỳ như sau: tổng các chất lơ lửng
trong không khí (105µm/m
3
); NH
4
(1,3); NO
3
-
(2,6); SO
4

2-
(10,6); các chất hữu cơ tan
trong benzen (6,8); Sb (0,01); As (0,02); Cd (0,002); Cr (0,015); Cu (0,09); Fe (1,58);
Pb (0,79); Mn (0,1); Ni (0,034); Sn (0,02); Ti (0,04); V (0,05); Zn (0,67µm/m3).
Khi phân các hạt bụi tồn tại trong tự nhiên người ta phát hiện được các phân đoạn chứa
các chất hữu cơ tan trong bezen có công thức hóa học như sau:
C
32,4
H
48
S
0,083
Halogen
0,065
Alkoxi
0,12
.
Trong số đó, các hydrocacbon đa vòng thơm (PAH – Polycyclic Aromatic
Hydrocacbon) là chất gây ung thư. Một số hợp chất PAH điển hình là benzo (α) – pyren
và crysen. Trong khí quyển thành phố có chứa khoảng 20µmPAH/m
3
. PAH được tìm
thấy chủ yếu trong các pha rắn, đặc biệt được hấp thụ trên các muội than (bồ hóng). Bồ
hóng rất độc vì chứa khoảng 100 vòng thơm ngưng tụ và các kim loại như Be, Cd, Cr,
Mn, Ni, V
Ngoài tính chất hóa học, kích thước các hạt bụi có ảnh hưởng lớn tới sự tác động của
con người và động vật. Kích thước các hạt càng nhỏ, khả năng hấp thụ các chất vô cơ,
hữu c
ơ càng tăng, càng dễ dàng khuếch tán đi xa và xâm nhập vào cơ thể người và động
vật

Các hạt được tạo thành nhờ các quá trình tự nhiên và nhân sinh khác nhau. Các hạt có
nguồn gốc tự nhiên có kích thước < 0,2µm sinh ra do sóng biển, khói, sự bay hơi của
các chất hóa học (từ cây, quả). Các oxit kim loại là thành phần chính tạo ra các hạt vô
cơ trong khí quyển. Các hạt này có thể được tạo ra trong quá trình đốt cháy nguyên liệu
chứa pyrit:
3FeS
2
+ 8O
2
→ Fe
3
O
4
+ 6SO
2

Khi nung CaCO
3
sẽ xảy ra phản ứng:
CaCO
3
→ CaO + CO
2

Các động cơ dùng xăng là nguồn gốc sinh ra các hạt chứa hợp chất của Pb và halogen.
Khi đốt cháy xăng xảy ra phản ứng giữa Pb(C
6
H
5
)

4
và các chất chống muội cho nhiên
liệu (diclometan và dibrometan) với oxi:
2Pb(C
6
H
5
)
4
+ 64O
2
+ C
2
H
4
Cl
2
+ C
2
H
4
Br
2
→ 52CO
2
+ 24H
2
O + PbCl
2
+ PbBr

2

Các hạt bụi chứa Ba, Pb, Br, Mn, Ca, Cu, V, Zn, Mg, Be, Ti, Fe được sinh ra là do tác
động của con người. Bụi tạo ra từ nước biển có thể chứa K. Al, I, Na, Si, Fe, Cl, Ti
Các hạt sol khí được tạo ra nhờ sự tương tác của các chất lỏng với chất khí và chất lỏng
với chất rắn. Trong khí quyển còn xảy ra phản ứng oxi hóa khí SO
2
thành SO
3
sau đó
SO
3
+ H
2
O → H
2
SO
4
. H
2
SO
4
khi gặp các hạt có chứa NH
3
, CaO phản ứng tạo ra
các hạt ở thể rắn (CaSO
4
) thể lỏng như (NH
4
)

2
SO
4


13
2NH
3
(khí) + H
2
SO
4
(giọt) → (NH
4
)
2
SO
4
(giọt)
CaO (hạt) + H
2
SO
4
(giọt) → CaSO
4
(hạt) + H
2
O
Ngoài ra các hạt và sol khí còn chứa HBr, NO
2

, SO
2
, NH
3
, HCl, H
2
O, NO
3
-
, SO
3
-
, SO
4
2-
,
NH
4
+
được sinh ra từ nhiều quá trình khác nhau.
Các hạt tồn tại trong khí quyển có ý nghĩa môi trường quan trọng, chúng đóng vai trò
chính trong các hiện tượng tích điện của khí quyển, duy trì cân bằng nhiệt, tham gia vào
phản ứng quang hóa và là chất xúc tác cho các phản ứng đặc biệt là phản ứng oxi hóa
khử.
Các ion, gốc tự do, oxi, ozon, oxit nitơ, oxit lưu hùynh và các chất hữu cơ trong khí
quyển (Hóa Môi trường 1)
Các chất khí đi vào khí quyển qua hàng loạt biến đổi, tương tác với nhau và lạ
i theo khí,
mây, mưa quay trở về mặt đất và con người

Di chuyển, khuếch tán
Tích tụ tron
g
khôn
g
khí
Biến đổi khô Biến đổi ướt Lọc sạch (mây)
L
ắ
n
g
nước (
m
ưa, tu
y
ế
t)L
ắ
n
g

khô
Ô nhiễm môi t
r
ườn
g

Con n
g
ười Quá trình tự nhiên

14
CHƯƠNG 2
ĐẶC ĐIỂM DI CHUYỂN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC TRONG
MÔI TRƯỜNG TỰ NHIÊN
1 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự di chuyển các nguyên tố trong môi trường tự
nhiên
Sự di chuyển của nguyên tố hóa học trong môi trường phụ thuộc vào đặc điểm của môi
trường (yếu tố di chuyển ngoài) và tính chất của nguyên tố (yếu tố di chuyển trong).
Những tính chất quyết định hành vi của nguyên tố bao gồm cấu tạo nguyên tử, bán kính
nguyên tử, bán kính ion, số phối trí, thế ion hóa (năng lượng cần thiết để tách 1e ra khỏi
nguyên tố), hóa trị (Z) thế ion, ái lực điện t
ử, tính âm điện, thế oxi hóa khử, đặc tính
năng lượng (E
k
), ái lực hóa học, kiên kết hóa học và khả năng tạo phức, độ hòa tan các
hợp chất và pH kết tủa, khả năng thay thế đồng hình, khả năng tạo keo, dạng tồn tại
trong tự nhiên, clac và clac tập trung
1.1 Thế ion
Thế ion được tính theo công thức Tn = Z/R trong đó Z là hóa trị, R là bán kính ion. Thế
ion có ý nghĩa đặc biệt quan trọng trong quá trình biểu sinh vì đó là thước đo điện tích

bề mặt của ion và ái lực của ion
đối với H
+
hay OH
-
trong phân tử H
2
O.
Dựa vào Tn có thể phân các nguyên tố hóa học ra làm 3 nhóm:
- Nhóm nguyên tố có thế ion nhỏ hơn 3 (Na, K, Ca, Mg, Ba, Sr, Fe
2+
, Mn,
Cu, Zn…). Chúng có ái lực rất lớn với OH
-
, dễ dàng tạo ion hòa tan và linh động
trong môi trường tự nhiên, có pH phổ biến từ 3 – 9, di chuyển mạnh ở dạng
dung dịch thật, thường tồn tại ở dạng ion đơn giản trong nước.
- Nhóm nguyên tố có thế ion trung bình (Tn = 3 – 10) dễ dàng bị thủy
phân, kết tủa ở dạng hydroxit trong môi trường nước với pH = 3 – 9 và được gọi
là nguyên tố thủy phân (Al, Fe
3+
, Ti, Be, Ga, Cr
3+
, Y, Zr, Ge, Nb, Th…).
- Nhóm nguyên tố có thế ion lớn (Tn = 10 – 50 hoặc lớn hơn), có ái lực
nhỏ nhất với OH
-
, tạo phức ion dễ tan, cũng linh động trong môi trường sống
của trái đất (V
5+

, P
5+
, Mo
6+
, S
6+
).
Như vậy những nguyên tố nhóm 1 và 3 dễ dàng thâm nhập vào các hợp phần khác nhau
của môi trường tự nhiên và con người.
Thế ion quyết định sự di chuyển của các nguyên tố hóa học trong quá trình trầm tích và
mọi quá trình tạo khoáng xảy ra trong môi trường nước. Tn quyết định khả năng phân
chia và hấp thụ của nguyên tố trong quá trình tương tác giữa các hợp phần của môi
trường tự nhiên.
1.2 Thế oxi hóa khử của nguyên tố (E
o
)
Thế oxi hóa – khử (E
o
) của ion hoặc kim loại là thế năng (suất điện động) giữa hai điện
cực: điện cực chuẩn và điện cực ion (hoặc kim loại đó). Nó đặc trưng cho sự biến đổi
năng lượng xuất hiện khi trao – nhận điện tử. Thế E
o
của ion phụ thuộc vào cấu tạo lớp
điện tử ngoài cùng, bán kính hiệu dụng của ion, thế ion hóa. E
o
của nguyên tử hay ion

15
còn phụ thuộc đặc trưng hóa lý của môi trường như nhiệt độ, áp suất, pH, E
h

, thành
phần và nồng độ các chất trong dung dịch…
Phần lớn các kim loại có thế oxi hóa khử nhỏ (Na, K…) là những chất khử mạnh, dễ
dàng tham gia các phản ứng hóa học, có khả năng di chuyển mạnh trong môi trường tự
nhiên. Các nguyên tố có thế oxi hóa khử rất lớn (Au, Pd, Ag…) khó tham gia các phản
ứng hóa học, kém linh động trong điều kiện bề mặt Trái Đất, thường tồn tại ở dạng tự
sinh.
1.3 Độ hòa tan c
ủa hợp chất
Độ hòa tan của hợp chất (khoáng vật, quặng, đá…) là khả năng của chúng tan trong môi
trường nào đó. Quá trình hòa tan là quá trình dẫn tới sự tách các phân tử của chất tan và
phân bố chúng trong toàn bộ thể tích của chất hòa tan (dung môi). Độ hòa tan được đặc
trưng bởi tích số tan – là tích nồng độ mol của các ion tạo nên chất rắn trong dung dịch
bão hòa. Độ hòa tan của hợp chất phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, E
h
, pH và thành phần
dung môi, năng lượng hydrat hóa, hiệu ứng nhiệt độ của quá trình hòa tan.
Độ hòa tan của hợp chất quyết định khả năng di chuyển của nguyên tố dạng ion (độ hòa
tan càng lớn, khả năng di chuyển ở dạng ion càng lớn), và qui định vai trò nguyên tố
hóa học với đặc trưng của môi trường: nguyên tố có độ hòa tan lớn càng có khả năng
ảnh hưởng tới điều kiện môi trường và nhữ
ng nguyên tố đó gọi là nguyên tố đặc trưng.
Các độc tố (nguyên tố và hợp chất) có độ hòa tan càng lớn, càng linh động, càng có khả
năng lan truyền ô nhiễm trong các hợp phần môi trường khác nhau và càng nguy hiểm.
Nguyên tố càng kém hòa tan càng có thể tập trung cao trong môi trường tự nhiên.
1.4 Clac và clac tập trung
Clac là hàm lượng trung bình của nguyên tố trong một hệ địa hóa xác định (vỏ Trái Đất,
Trái Đất…). Clac có ý nghĩa rất lớn đối với hành vi các nguyên tố trong môi trường tự
nhiên.
Clac nguyên t

ố có ảnh hưởng rất lớn đến độ hòa tan của nguyên tố và hợp chất của nó;
clac quyết định số lượng khoáng vật độc lập có thể có, nguyên tố có clac càng lớn càng
có khả năng tạo nhiều khoáng vật. Ví dụ như O
2
trong vỏ Trái Đất có clac bằng 49% tạo
ra 1390 khoáng vật. Nguyên tố có clac càng lớn thường tồn tại ở dạng khoáng vật độc
lập, nguyên tố có clac nhỏ tồn tại ở dạng phân tán. Đa số các nguyên tố độc hại có clac
nhỏ, dễ phân tán và lan tỏa trong nhiều hợp phần môi trường, do đó cũng dễ dàng gây ô
nhiễm môi trường không khí, đất, nước…Những nguyên tố có clac lớn chi phối đặc
trưng địa hóa củ
a môi trường gọi là các nguyên tố tiêu hình.
Clac tập trung (KK) được tính bằng công thức KK = C
i
/C
t
trong đó C
i
là hàm lượng
nguyên tố trong thành tạo cụ thể, C
t
là clac nguyên tố. KK thể hiện khả năng của
nguyên tố tập trung hay phân tán trong môi trường. Nguyên tố có KK > 1 là nguyên tố
tập trung, nguyên tố có KK < 1 là nguyên tố phân tán.
1.5 Dạng tồn tại các nguyên tố trong tự nhiên
Theo B.A. Gavruxevich trong vỏ Trái Đất các nguyên tố hóa học có thể tồn tại ở các
dạng như sau: khoáng vật độc lập, thay thế đồng hình (hiện tượng một khoáng vật có
hình dạng tinh thể nhất định bị biến đổi, thay thế hoàn toàn bằng m
ột khoáng vật mới
hoặc một tập hợp khoáng vật mới nhưng vẫn giữ nguyên hình dạng cũ của nó, khoáng

16
vật mới giả hình theo khoáng vật cũ), dung thể macma, dung dịch nước và hỗn tạp khí
(phân tử, nguyên tử, ion phân ly…), cơ thể sinh vật và dạng phân tán.
A.I.Perenman phân biệt hai dạng tồn tại chính của các nguyên tố trong đới biểu sinh
thành dạng linh động và dạng trơ. Khi ở dạng linh động các nguyên tố hóa học dễ dàng
chuyển sang dạng dung dịch và di chuyển. Khi ở trạng thái trơ, các nguyên tố rất khó
chuyển sang dạng dung dịch và khó di chuyể
n. Do đó độ nguy hại của các nguyên tố
dạng linh động lớn hơn hẳn dạng trơ. Theo khả năng tồn tại, A.I.Perenman phân ra 7
dạng tồn của nguyên tố hóa học trong môi trường tự nhiên như sau:
- Trạng thái khí: O
2
, N
2
, CO
2
, H
2
, Ar, CH
4
, He… trong khí quyển, thủy quyển,
sinh vật…
- Dạng muối dễ hòa tan và ion trong dung dịch: NaCl, Na
2
CO
3
, MnSO
4
, CuSO
4

,
ZnSO
4
, Na
+
, Cu
2+
… trong thổ nhưỡng, vỏ phong hóa, trầm tích…
- Dạng muối khó tan: CaCO
3
, CaSO
4
.2H
2
O, Cu(OH)
2
, PbSO
4
, CuCO
3
… trong thổ
nhưỡng, vỏ phong hóa, trầm tích…
- Dạng keo rắn và dung dịch keo lỏng: humic (keo mùn, keo sét – mùn), keo của
các hydroxit Fe, Mn, Al và khoáng vật sét trong thổ nhưỡng, vỏ phong hóa, bùn…
- Dạng ion hấp thụ: các cation Ca
2+
, Mg
2+
, Na
+

, K
+
, Ni
2+
, Cu
2+
… trong thổ
nhưỡng, vỏ phong hóa, trầm tích…
- Dạng sinh học và sản phẩm hoạt động của sinh vật: protein, mỡ, vitamin, cấu tạo
từ C, O, H, N, S, P, K, Ca, Cu, Zn…trong sinh quyển, phần trên của thủy quyển…
- Dạng chiếm chỗ khuyết tật của khoáng vật và nút mạng tinh thể khoáng vật như
Si, Al, Zn, Hf, W, Sn, Ta, Nb, Th… trong khoáng vật nguyên sinh còn sót lại trong vỏ
phong hóa, thổ nhưỡng, đá trầm tích… Khi tồn tại ở các dạng chiếm chỗ khuy
ết tật
trong khoáng vật và dạng muối khó tan… các nguyên tố rất khó di chuyển từ hợp phần
môi trường này sang hợp phần môi trường khác.
2 Dạng di chuyển các nguyên tố hóa học trong môi trường tự nhiên
2.1 Khái niệm
Sự di chuyển của các nguyên tố hóa học là sự chuyển dời của chúng trong không gian.
Sự biến đổi của môi trường tự nhiên là một trong những nguyên nhân quan trọng dẫn
đến sự di chuyển nguyên tố hóa học và các hợp chất của chúng. Tuy có qui luật chung
chi phối, nhưng di chuyển của các nguyên tố hóa học trong mội trường sống (một phần
của khí quyển, thủy quyển, phần trên của thạch quyển, sinh quy
ển) có những khác biệt
của chúng trong điều kiện nội sinh.
2.2 Cường độ di chuyển các nguyên tố hóa học trong môi trường tự nhiên
Cường độ di chuyển (P
c
) của các nguyên tố hóa học trong môi trường tự nhiên đo bằng
khối lượng của nguyên tố đó chuyển vào trạng thái linh động so với khối lượng của nó

có trong hệ
(
)
dt
bd
dt
db
b
P
c
ln1
==

Trong đó:

17
P
c
: Cường độ di chuyển của các nguyên tố hóa học trong thời gian t
b: Khối lượng ban đầu của nguyên tố trong hệ trước khi di chuyển
db: Khối lượng nguyên tố chuyển sang trạng thái linh động trong khoảng thời gian là dt
P
c
là một hàm số theo thời gian nên rất khó xác định. Giả sử P
c
là một hằng số theo thời
gian thì có thể xây dựng được công thức tính tổng lượng di chuyển của nguyên tố được
mang ra khỏi hệ trong khoảng thời gian từ t
1
- t

2
là db
)1(
)(
121
12
ttP
c
ebbbdb
−
−=−=

Trong đó: b
1
, b
2
là khối lượng nguyên tố có trong hệ ở thời điểm t
1
và t
2
.
P
c
(const) = (lnb
2
- lnb
1
)/(t
2
- t

1
)

Bảng 2.1: Sự di chuyển của các nguyên tố hóa học trong môi trường tự nhiên
Di chuyển trong môi trường sống Di chuyển trong điều kiện nội sinh
Di chuyển trong điều kiện nhiệt độ, áp suất
thấp, có sự tham gia của sinh vật và nước
chủ yếu ở dạng lỏng, rắn
Di chuyển trong điều kiện nhiệt độ, áp suất
cao, nước ở dạng hơi, không có sinh vật
tham gia
Có sự tham gia tích cực của quá trình thủy
phân, hydrat hóa, hoạt động của chất keo
Ít có sự tham gia tích cực của quá trình
thủy phân, hydrat hóa
Bị chi phối bởi Eh, pH môi trường, thế
ion, thế oxi hóa, tích hòa tan, trường bền
vững Eh - pH, khả năng tạo phức, dạng tồn
tại ở dạng khí, dung dịch, chỉ số biofil,
technofil
Bị chi phối mạnh bởi nhiệt độ, áp suất, thứ
yếu Eh, pH, thế ion hóa, ái lực đi
ện tử, số
phối trí, khả năng thay thế đồng hình có
vai trò đặc biệt lớn
Các thành phần và hoạt động nhân sinh
ảnh hưởng rất lớn đến sự di chuyển các
nguyên tố hóa học
Con người không ảnh hưởng đến sự di
chuyển các nguyên tố hóa học

2.3 Các dạng di chuyển của nguyên tố trong môi trường tự nhiên
Trong môi trường tự nhiên nguyên tố có thể di chuyển theo nhiều dạng khác nhau: di
chuyển cơ học; di chuyển trong môi trường nước, không khí, di chuyển dạng keo, sinh
học và di chuyển nhân sinh.
Di chuyển cơ học là sự chuyển dời các nguyên tố tuân theo các qui luật cơ học. Tác
nhân chính của di chuyển cơ học là trọng lực, nước chảy, chuyển động kiến tạo, kích
thước và tỉ tr
ọng của hạt. Dạng di chuyển này đặc trưng cho các nguyên tố tạo hợp chất
vững bền trong đới biểu sinh như Ti (inmenit), Zr (Zicon), đất hiếm và Th (trong
monazit). Do di chuyển cơ học mà các khoáng vật chứa chất phóng xạ (monazit) có thể
được tập trung với hàm lượng đạt đến giá trị gây nguy hiểm cho sinh vật và con người.
Di chuyển cơ học góp phần làm biến đổi thành phần các thành tạo ngoại sinh, tạo ra các
sản phẩm đặ
c trưng như: proluvi, deluvi, băng tích, sa khoáng

18
Di chuyển trong môi trường nước là sự di chuyển các nguyên tố hóa học trong dung
dịch nước dưới dạng ion, phân tử, keo Cường độ di chuyển trong môi trường nước
được tính theo công thức:
xx
x
n
an
m
K
×
×
=
100

m
x
: Hàm lượng nguyên tố x trong nước, g
n
x
: Hàm lượng nguyên tố x trong đá và trong nước chảy qua (%)
a: Hàm lượng nguyên tố x trong tổng cặn khô của nước, g
Phần lớn các ion hóa trị 1 và 2 hoặc lớn hớn 5 di chuyển chủ yếu trong môi trường nước
như K, Na, Ca, Cg, Pb, Zn,
Cường độ di chuyển của các nguyên tố hóa học trong môi trường nước phụ thuộc rất
nhiều vào độ hòa tan, đặc tính hóa học, dạng tồn tại của nguyên tố, thành phần, thế năng
hóa học và ho
ạt động của nước (vận tốc, lưu lượng dòng chảy), Eh, pH, nhiệt độ Khối
lượng và khoảng cách di chuyển trong môi trường nước rất lớn. Do đó nước là môi
trường rất thuận lợi cho sự lan truyền độc tố.
Di chuyển trong môi trường khí được thực hiện nhờ quá trình khuếch tán và thấm lọc.
Các yếu tố ảnh hưởng đến sự di chuyển các nguyên tố hóa học trong môi trường khí là
thành ph
ần và khả năng khuếch tán, nhiệt độ, áp suất, mật độ, độ ẩm và khả năng lưu
thông của không khí, lượng nước và thành phần giáng thủy (nước thoát ra khỏi những
đám mây dưới các dạng mưa, mưa tuyết, mưa đá, tuyết.). Hoạt động của con người có
vai trò đặc biệt với dạng di chuyển này. Di chuyển ở dạng khí có tốc độ và cường độ rất
lớn, nh
ạy cảm nhất đối với mọi tác động tự nhiên và con người.
Di chuyển dạng keo khá phổ biến trong môi trường tự nhiên. Chất keo là hệ phân tán
hai pha: pha phân tán (với kích thước hạt phân tán 10
-5
- 10
-7
cm) và môi trường phân

tán. Trong đới biểu sinh và môi trường tự nhiên chất keo rất phổ biến, có thể gặp trong
thổ nhưỡng, cỏ phong hóa, trầm tích bề mặt, trong nước (đặc biệt nước thải sinh hoạt,
sản xuất công nghiệp, nông nghiệp)
Chất keo có nhiều loại: keo sét, keo hydroxit Fe, Ti, Al, Mn, keo SiO
2
, hữu cơ, keo
humic. Chất keo có một đặc tính đặc khác biệt, nó là trạng thái trung gian giữa dung
dịch thật và huyền phù, không bền vững và dễ dàng chuyển về một trong hai trạng thái
trên.
Các hạt keo đều tích điện và chia làm hai loại, keo dương (Fe(OH)
3
, Al(OH)
3
, Ti(OH)
4
,
Cr(OH)
3
…) keo âm (keo sét, keo humic, SiO
2
vô định hình, Mn(OH)
2
…). Do diện tích
bề mặt các hạt keo rất lớn nên chất keo có khả năng hấp phụ rất cao. Vì vậy di chuyển
dạng keo của các nguyên tố hóa học trong tự nhiên là dạng di chuyển phổ biến và quan
trọng trong môi trường tự nhiên.
Khả năng di chuyển nguyên tố hóa học ở dạng keo được quyết định bởi độ keo (D
k
)
a

C
C
D
k
k
=

C
k
: Hàm lượng nguyên tố ở dạng keo, g
C: Hàm lượng nguyên tố trong đất đá chứa chất keo, g