Độ kiềm của nước được hiểu là khả năng thu nhận acid (H⁺) của nước do sự có mặt của các bazơ trong đó. Khi đưa acid vào nước, pH của nước giảm, mức độ giảm pH của nước (cùng lượng acid đưa vào) phụ thuộc vào loài và nồng độ bazơ trong nước. Bazơ chủ yếu trong nước là các thành phần: nhóm OH^-, bicarbonate (HCO₃^-), carbonate (CO₃^2-), phosphate, silicat (HSiO₃^-). Độ kiềm của nước thường được xác định theo phương pháp chuẩn độ hóa học với acid và 2 loài chất chỉ thị khác nhau là phenolphthalein (p), metyl da cam. Chỉ thị p có điểm chuyển màu tại pH= 8.3 và của metyl da cam tại pH=4.3. Khi đưa một lượng acid vào nước có pH > 8.3, sử dụng chỉ thị p, màu của dung dịch chuyển từ hồng sang không màu khi pH giảm xuống 8.3 tương ứng với độ kiềm p và được qui cho là do nhóm OH^- và ion carbonate. Tiếp tục đưa acid vào cho đến khi pH của dung dịch đạt tới 4.3 khi dùng chỉ thị là metyl da cam (chuyển từ màu vàng da cam sang màu gạch non). Lượng acid tiêu hao để làm hạ pH của nước về pH=4.3, tương ứng với độ kiềm tổng. Độ kiềm tổng trừ đi độ kiềm p chủ yếu gây ra bởi ion bicarbonate trong các nguồn nước tự nhiên.
 
Đơn vị đo độ kiềm được sử dụng khác nhau ở mỗi nước, ở Mĩ đơn vị hay sử dụng là mg/l tính theo CaCO₃ (1 mg CaCO₃ tương đương với 1.22 mg HCO₃^-), tính theo mg HCO₃^-/l tính theo đương lượng gam HCO₃^- (1 đương lượng gam HCO₃^- tương đương với 61 g HCO₃^-/l).
 
Thủy động vật phát triển bình thường trong một khoảng rộng của độ kiềm, tức là mức độ tác động trực tiếp của độ kiềm là không lớn. Sự tác động của độ kiềm lên đời sống và hiệu quả  nuôi thủy sản là gián tiếp: tăng (giảm) tính đệm của nước (ít biến động pH), hiệu quả phát triển của thủy thực vật, ảnh hưởng tới độc tố của kim loại nặng.
 
Độ kiềm tổng của nước nuôi trồng biến động trong khoảng rất rộng, từ 5 đến 50mg/l (CaCO₃) được quyết định bởi cấu trúc địa chất liên quan đến nguồn nước sử dụng. Bicarbonate và carbonate thường có nguồn gốc từ các loại khoáng (đá) mang tính kiềm như đá vôi (CaCO₃), dolomite (CaCO₃. MgCO₃). Hòa tan đá vôi là nguồn kiềm chủ yếu của nhiều nguồn nước. Đá vôi CaCO₃ có độ tan rất thấp trong nước, quá trình hòa tan đá vôi, dolomite sẽ được thúc đẩy nhanh khi có mặt của dioxit carbon với tư cách là một acid yếu (H₂CO₃) theo phản ứng:
 
CaCO₃ + CO₂ + H₂O --> Ca²⁺ + 2 HCO₃^- (1.1)
 
CaMg(CO₃)₂ + 2 CO₂ + 2 H₂O --> Ca²⁺ + Mg²⁺ + 4 HCO₃^- (1.2)
 
Nước ngầm thường chứa nhiều CO₂ nên độ kiềm của chúng thường cao (50 – 400 mg/l CaCO₃) ở các vùng có đá vôi. Nguồn nước ngầm ở các vùng cát thạch anh hay khoáng silicat thường có độ kiềm thấp. Nước có độ kiềm rất cao (>500 mg/l) thường có độ cứng thấp do hình thành đá vôi nằm ở dạng kết tủa. Nước ở các vực ven biển thường có đặc trưng trên do quá trình làm mềm tự  nhiên và chúng thường chứa nhiều ion natri và bicarbonate.
 
Nước mặt ở trong cùng một vùng thường có độ kiềm thấp hơn nước ngầm do nước mặt chứa ít CO₂. Nước sông, suối chảy qua vùng khoáng vật silicat và vùng đất chua phèn có độ kiềm và độ cứng đều thấp. Nước chảy qua vùng khai thác đá vôi hoặc nước hòa trộn với nguồn nước ngầm của vùng đá vôi có độ kiềm khá cao. Độ kiềm của nước vùng ven biển trước hết phụ thuộc vào mức độ pha loãng của nước sông, độ kiềm của nước biển khá ổn định, khoảng 120 mg/l CaCO₃
 
Độ kiềm của ao hồ nuôi trồng thủy sản trước hết phụ thuộc vào nguồn nước cấp và bản chất của nền đáy ao hồ. Acid thấm ra từ đất của một số nền ao sẽ làm giảm độ kiềm của nước. Ngược lại độ kiềm của nước tăng trong ao hồ có chứa đá vôi, đặc biệt với nguồn nước có độ cứng và độ kiềm ban đầu thấp. Sauk hi nguồn nước đã ổn định, với ao hồ mới thì sự thay đổi lớn về độ kiềm chỉ xảy ra khi: pha loãng (mưa to), bốc hơi (hạn hán) hoặc đưa thêm các chất tạo acid hoặc bazơ vào ao hồ.
 
Vai trò của độ kiềm trong nuôi trồng thủy sản:
 
Độ kiềm trong nước ít có tác động trực tiếp đến đời sống của các loài thủy động vật mà tác động lên các yếu tố có liên quan và ảnh hưởng trực tiếp hơn cũng như ảnh hưởng đến trạng thái của ao hồ, ví dụ sự phát triển của thủy thực vật (tảo). Yếu tố tác động gián tiếp chính có thể kể ra là: ảnh hưởng tới pH, ảnh hưởng tới sinh trưởng của thủy thực vật và đặc tính của kim loại nặng trong nước.
 
pH của một nguồn nước được quyết định bởi dioxit carbon tan trong nước, acid carbonic (H₂CO­₃), bicarbonate (HCO₃^-), carbonate (CO₃^2-), khoáng vật chứa carbonate (đá vôi, dolomite). Khi dioxit carbon từ khí quyển tan vào nước, phần lớn sẽ chuyển hóa thành acid carbonic. Acid carbonic là một acid yếu nên phân li kém, mức độ phân li phụ thuộc vào pH của môi trường theo các phản ứng sau:
 
H₂CO₃ --> H⁺ + HCO₃^-(1.3)
 
HCO₃^- --> H⁺ + CO₃^- (1.4)
 
Bước phân li thứ nhất hằng số phân li của phản ứng là pK­_A = 6.3, hằng số phân li của bước sau là 10.3. Điều đó có nghĩa là: tại pH= 6.3 nồng độ của H₂CO₃ và HCO₃^- là bằng nhau, khi dịch chuyển pH 2 đơn vị (pH=8.3 và 6.3) thì nồng độ của cấu tử bên trái hoặc phải sẽ lớn hơn nhau 100 lần. Ví dụ khi pH=8.3 nồng độ của HCO₃^- sẽ lớn hơn H₂CO₃100 lần. Tương tự, khi pH=10.3 thì nồng độ của CO₃^2- cũng lớn gấp 100 lần so với nồng độ của HCO₃^-. Trong môi trường tự nhiên, ít khi pH vượt ra khỏi khoảng 5 – 9 , vì vậy thành phần phân li của H₂CO₃ chủ yếu là bicarbonate HCO₃^-
 
Độ kiềm do các thành phần từ dioxit carbon hay acid carbonate gọi là độ kiềm carbonate.
 
pH ban đầu của nước được xác định bởi bicarbonate trong nước nguồn và carbon dioxit trong khí quyển. Với nguồn nước mặt có độ kiềm ban đầu =0, nằm ở trạng thái cân bằng với carbon dioxit trong không khí, pH của nước sẽ tăng từ 5.6 lên 8.4 khi độ kiềm tăng từ 0 đến 100 mg/l CaCO₃. pH của môi trường biến động sau đó là do hoạt động sinh hóa xảy ra trong ao hồ, chủ yếu do hao hụt (quang  hợp) hay sinh ra (hô hấp của động thực vật) của khí dioxit carbon.
 
Độ kiềm carbonate của nước chẳng những quyết định giá trị pH ban đầu (chưa xảy ra quá trình sinh hóa) của nước mà còn quyết định tính đệm của nước, tức là sự biến động pH của môi trường nước khi đưa thêm vào nước một lượng pH hay kiềm nào đó.
 
Từ phản ứng 1.3. 1.4 có thể nhận biết được tính đệm của kiềm carbonate, ví dụ khi đưa thêm acid vào nước, cân bằng của phản ứng 1.3, 1.4 sẽ dịch chuyển về phía bên trái, tức là lượng acid H⁺ đưa vào được sử dụng (một phần, nhiều ít tùy thuộc vào HCO₃^-) để hình thành H₂CO₃, do bị tiêu hao H⁺ cho phản ứng trên nên pH (pH=-lg [H⁺]) của nước sẽ bị biến động. tương tự như vậy khi đưa thêm bazơ (OH^-) vào nước thì cân bằng của phản ứng 1.2, 1.3 dịch chuyển về phía bên phải do phản ứng giữa OH^- và H⁺ tạo thành nước, lượng H⁺ ở phía phải mất đi sẽ được bù từ các cấu tử ở phía bên trái để duy trì thế cân bằng của phản ứng, vì vậy nồng độ H⁺ (pH) của môi trường thay đổi không nhiều khi đưa thêm bazơ vào nước. Đó chính là tính đệm của kiềm carbonate, tính đệm càng cao (pH ít biến đổi) khi độ kiềm carbonate của nước càng lớn.
 
Do quá  trình quang hợp, hô hấp của động thực vật trong ngày thay đổi nên pH thay đổi theo (thấp về sáng sớm, cao về chiều hôm) nhưng khi độ kiềm carbonate của nước cao thì mức độ dao động pH trong ao hồ không lớn so với nguồn nước có độ kiềm thấp.
 
Nguồn: Nước Nuôi Thủy Sản – Chất Lượng & Giải Pháp Cải Thiện Chất Lượng, NXB KH&KT, 2006)

 

Độ Kiềm và độ cứng của nước

 
Độ Kiềm và Độ cứng của nước rất dễ bị nhầm lẫn vì chúng đều được đo bằng cùng một đơn vị là mg/L CaCO3. Bài viết dưới đây làm rõ độ Kiềm và độ cứng để giúp người nuôi tôm hiểu tốt hơn và có thêm kiến thức quản lý ao tôm của mình.

Độ Kiềm:

Độ Kiềm là khả năng đệm pH của nước. Lượng bazơ hiện diện trong nước là tổng độ Kiềm. Các ba zơ phổ biến trong ao nuôi thủy sản là Carbonate , Bicarbonate, Hydroxyte, Photphates và Berates. Carbonate (CO₃^2-) và Bicarbonate (HCO₃^-) là 2 ba zơ phổ biến nhất và thành phần chủ yếu của Kiềm. Tổng Độ Kiềm được đo bằng đơn vị mg/L CaCO₃ và giá trị thích hợp cho động vật nuôi thủy sản là 75 đến 200 mg/L CaCO₃.

Độ Kiểm Carbonate-Bicarbonate trong nước mặt hoặc nước giếng được tạo thành do sự tương tác giữa CO₂, vôi và nước trong khi nước mưa đa phần là nước a xít do sự tiếp xúc lượng khí Carbonic (CO₂) trong không khí vì vậy nước mưa làm tuột pH của ao nuôi.

Thường bản chất của các nguồn nước giếng cũng chứa nhiều khí Carbonic (CO₂) nhưng pH và oxy hòa tan thấp là do tiến trình hoạt động của vi khuẩn trong đất, tuy nhiên sự thành lập của các lớp đá trong đất chứa vôi can xi (CaCO₃) hoặc đá vôi dolomite nên CO₂ sẽ hòa tan đá vôi đề giải phóng Can xi và  muối Bicarbonate Magiê nên kết quả một số nguồn nước giếng thường có độ Kiềm cao, pH cao và độ cứng cao.

Nguồn nước có độ kiềm cao tương đối là nguồn nước có khả năng đệm pH tốt vì có nhiều ba zơ để trung hòa a xít. Khí CO₂ là nguồn tạo ra a xít chủ yếu trong ao nuôi làm pH giảm vì vậy khi độ Kiềm cao thì khả năng trung hòa CO₂ càng tốt. CO₂, pH và độ Kiềm có quan hệ mật thiết nhau cũng chính vì vậy mà việc đo pH của mẫu nước sẽ ít sai số hơn khi thực hiện đo nhanh trong vòng 30 phút kể từ khi lấy mẫu nước.

Độ Kiềm cao đưa đến khả năng đệm và duy trì pH cao giúp cho năng suất các loài vi tảo trong ao ổn định bởi vì khi độ Kiềm cao thì càng gia tăng tính hòa tan của Photphate trong nước là nguồn dinh dưỡng cho tảo phát triển. 

Khi độ Kiềm cao, khả năng bắt giữ CO₂ càng tốt nhờ vậy chúng gia tăng quá trình quang hợp của tảo – khi quang hợp thì tảo sử dụng CO₂ nên làm gia tăng pH, ngoài ra tảo và một số thực vật có khả năng kết hợp Bicarbonate (HCO₃^-) để lấy CO₂ cho quá trình quang hợp của chúng và giải phóng CO₃^2- và sự phóng thích Carbonate từ Bicarbonate bởi thực vật làm cho pH nước gia tăng đột ngột sẽ rất nguy hiểm cho tôm cá khi quá trình quang hợp quá mức làm dày tảo.

Sự gia tăng pH do Bicarbonate xảy ra đối với nguồn nước có độ Kiềm thấp hoặc trong nước có độ Kiềm Bicarbonate cao (với độ cứng thấp). Độ kiềm Bicarbonate cao trong nước mềm thường do muối Carbonate Kali hoặc Carbonate Natri là những muối dễ hòa tan hơn muối Carbonate can xi và Carbonate Ma giê.
 
Độ cứng:

Độ cứng nước là quan trọng đối vớ tôm cá nuôi và luôn là yếu tố quan trọng của chất lượng nước. Khác với độ Kiềm thì độ cứng đo lường bằng lượng ion hóa trị 2. Độ cứng là hỗn hợp của các muối hóa trị 2, tuy nhiên Can xi và Ma giê là nguồn ion hóa trị 2 chủ yếu của độ cứng. Độ cứng cũng được đo bằng mg/L CaCO₃ nên dễ bị hiểu lầm với độ Kiềm. Nếu đá vôi là nguồn hình thành độ cứng và độ kiềm thì thường độ cứng và độ kiềm là giống nhau nhưng ở những nguồn nước có độ Kiềm cao do Bicarbonate (NaHCO₃) thì thường có độ cứng thấp.

Can xi và Ma giê là 2 ion chủ yếu và quan trọng đối với tôm và cá trong quá trình thành lập xương, vẩy và một số quá trình trao đổi chất. Sự hiện diện ion tự do can xi trong nước còn giúp ngăn ngừa quá trình thất thoát muối Natri và Kali ra khỏi màng tế bào trong cơ thể tôm cá. Can xi tự do được đề nghị cho ao nuôi cá từ 25 đến 100 mg/L (tương đương 63 đến 250 mg/L CaCO₃ của độ cứng), một số loài cá nước ngọt khác (strip bass, crawfish) cần lượng can xi tự do từ 40 đến 100 mg/L (tương đương 100 đến 250 mg/L CaCO₃ độ cứng).

Chú ý:

- Khi nước có pH cao hơn 8,3 thì vôi không hòa tan được trong nước pH cao này vì vậy nên dùng Canxi Sulfate (CaSO₄) hoặc Can xi Chlorua (CaCl₂) để gia tăng can xi độ cứng khi pH nước > 8,3.
         
- Độ Kiềm làm ổn định pH cao nên gia tăng độc tính đối với khí ammonia vì ở pH cao đa số ammonia tồn tại ở dạng NH₃ trong khi độ cứng cao không ảnh hưởng đến độc tính ammonia.

- Kim loại như đồng (copper) và kẽm (Zinc) dễ hòa tan khi môi trường có tính a xít vì vậy độ Kiềm cao sẽ giảm độc tính kim loại. Các ion Can xi và Ma giê cũng khóa các kim loại nên độ cứng cao cũng giảm độc tính kim loại.Nước cho nuôi tôm cá nên có độ Kiềm từ 75 đến 200 mg/L và độ cứng từ 100 đến 250 mg/L CaCO₃.
Tác giả bài viết: TS. Nguyễn Duy Hòa 
Nguồn tin: SRAC