Giáo trình Hóa học nước - vi sinh vật nước - thí nghiệm (Ngành: Công nghệ kỹ thuật tài nguyên nước - Cao đẳng) - Trường Cao đẳng Xây dựng số 1

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:104

Thêm vào BST

Báo xấu

13
lượt xem 2
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Giáo trình "Hóa học nước - vi sinh vật nước - thí nghiệm (Ngành: Công nghệ kỹ thuật tài nguyên nước - Cao đẳng)" được biên soạn với mục tiêu nhằm giúp sinh viên nắm được các kiến thức về: Nguồn nước, chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước, yêu cầu chất lượng nước cấp; Cấu tạo, hình thái, thành phần hóa học của tế bào vi sinh vật; Vi sinh vật gây bệnh - vai trò của vi sinh vật trong quá trình tự làm sạch nguồn nước;... Mời các bạn cùng tham khảo!

Chủ đề:

Bình luận(0) Đăng nhập để gửi bình luận!

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Hóa học nước - vi sinh vật nước - thí nghiệm (Ngành: Công nghệ kỹ thuật tài nguyên nước - Cao đẳng) - Trường Cao đẳng Xây dựng số 1

BỘ XÂY DỰNG TRƯỜNG CAO ĐẲNG XÂY DỰNG SỐ 1 Giáo trình HÓA HỌC NƯỚC – VI SINH VẬT NƯỚC + THÍ NGHIỆM NGÀNH: Công nghệ Kỹ thuật tài nguyên nước TRÌNH ĐỘ: Cao đẳng Ban hành kèm theo Quyết định số 368ĐT/QĐ- CĐXD1 ngày 10 tháng 08 năm 2021 của Hiệu trưởng trường CĐXD số 1 Hà Nội –
TUYÊN BỐ BẢN QUYỀN Tài liệu này thuộc loại sách giáo trình nên các nguồn thông tin có thể được phép dùng nguyên bản hoặc trích dùng cho các mục đích về đào tạo và tham khảo. Mọi mục đích khác mang tính lệch lạc hoặc sử dụng với mục đích kinh doanh thiếu lành mạnh sẽ bị nghiêm cấm. 2
LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình “Xử lý nước thải” bao gồm những kiến thức về cở sở lý, hoá, vi sinh của một số quá trình xử lý nước thiên nhiên và nước thải, quá trình chuyển hoá các thành phần của nước sau khi sử dụng các biện pháp xử lý nước và quá trình chuyển hoá chất bẩn trong nước bởi vi sinh vật và quá trình vi sinh vật trong công trình Cấp thoát nước. Giáo trình do các giảng viên trong Bộ môn Cấp nước và Thoát nước, thuộc khoa Quản lý Xây dựng và đô thị, trường Cao đẳng Xây dựng số 1 biên soạn. Chúng tôi rất mong được sự góp ý của các đồng nghiệp và bạn đọc để giáo trình được hoàn thiện hơn. Trân trọng cảm ơn! Hà Nội, năm 20 Tham gia biên soạn 1. Chủ biên: Lê Thị Minh Nga 3
MỤC LỤC PHẦN 1: LÝ THUYẾT CHƯƠNG I : HÓA HỌC NƯỚC ..................................................................................... 1 1. Nguồn nước chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước, yêu cầu chất lượng nước cấp ......... 1 1.1. Nguồn nước : ....................................................................................................... 5 1.2. Chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước ...................................................................... 6 1.3. Yêu cầu chất lượng nước cấp ............................................................................ 12 II. Cơ sở hóa lý của các quá trình xử lý nước cấp : ..................................................... 12 1. Keo tụ cặn bẩn trong nước ................................................................................... 12 2. Khử sắt và mangan trong nước : .......................................................................... 17 3. Khử trùng nước .................................................................................................... 19 4. Làm mềm nước .................................................................................................... 21 5. Ổn định nước ........................................................................................................ 23 6. Khử muối trong nước : ......................................................................................... 25 III. Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa học : ........................................................ 26 1. Thành phần và tính chất của nước thải : .............................................................. 26 2. Các phương pháp trung hòa nước thải ................................................................. 27 Chương II: VI SINH VẬT TRONG NƯỚC .................................................................... 33 I. Cấu tạo, hình thái, thành phần hóa học của tế bào vi sinh vật. ................................ 33 1. Cấu tạo, hình thái của vi sinh vật ..................................................................... 3334 2. Thành phần hóa học của vi sinh vật ................. Error! Bookmark not defined.36 II. Sự sinh, trưởng và phát triển của vi sinh vật ........................................................... 43 1. Quá trình sinh trưởng của vi sinh vật ................................................................... 43 2. Quá trình phát triển của vi sinh vật .................................................................. 4348 3. Quá trình nuôi cấy vi sinh vật trong các môi trường ........................................... 44 4. Ảnh hưởng của các nhân tố môi trường đến sự sinh trưởng của vi sinh vật........ 45 III. Sự phân bố của vi sinh vật và vai trò của chúng trong việc chuyển hóa các chất trong tự nhiên, ảnh hưởng của các yếu tố ngoại cảnh đến vi sinh vật .................................... 46 1. Sự phân bố của vi sinh vật trong tự nhiên ............................................................ 46 2. Vai trò của vi sinh trong quá trình chuyển hóa các chất, phân giải chất hữu cơ không chứa đạm .................................................................................................................. 48 IV. Vi sinh vật gây bệnh – vai trò của vi sinh vật trong quá trình tự làm sạch nguồn nước ......................................................................................................................................... 55 1. Vi sinh vật gây bệnh trong nước .......................................................................... 55 2. Vai trò của vi sinh vật trong quá trình làm sạch nguồn nước .............................. 60 V. Quá trình vi sinh vật trong các công trình xử lý nước cấp, xử lý nước thải ........... 74 1. Quá trình vi sinh vật trong các công trinh xử lý nước cấp ................................... 75 2. Quá trình vi vật trong các công trình xử lý nước thải .......................................... 76 PHẦN 2: THÍ NGHIỆM………………………………………………………………..77 4
CHƯƠNG I : HÓA HỌC NƯỚC 1.1. Nguồn nước, chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước, yêu cầu chất lượng nước cấp 1.1.1. Nguồn nước : a. Chọn nguồn nước phải căn cứ theo tài liệu kiểm nghiệm dựa trên các chỉ tiêu lựa chọn nguồn nước mặt, nước ngầm phục vụ hệ thống cấp nước sinh hoạt TCXD2331999; Tài liệu khảo sát khí tượng thuỷ văn, địa chất thuỷ văn; Khả năng bảo vệ nguồn nước và các tài liệu khác. Khối lượng công tác thăm dò, điều tra cần xác định tuỳ theo đặc điểm, mức độ tài liệu hiện có của khu vực; Tuỳ theo lưu lượng và chấtlượng nước cần lấy; Loại hộ dùng nước và giai đoạn thiết kế. b. Trong một hệ thống cấp nước được phép sử dụng nhiều nguồn nước có đặc điểm thuỷ văn và địa chất thuỷ văn khác nhau. c. Độ đảm bảo lưu lượng trung bình tháng hoặc trung bình ngày của các nguồn nước mặt phải lấy theo bảng 1.1, tuỳ theo bậc tin cậy. Bảng 1.1. Bậc nước tin cậy Độ đảm bảo lưu lượng tháng hoặc ngày của các nguồn nước mặt (%) I 95 II 92 III 85 Trong đó bậc tin cậy của nước lấy theo bảng sau : Đặc điểm hộ dùng nước Bậc tin cậy của HTCN Hệ thống cấp nước sinh hoạt của điểm dân cư trên 50.000 người và của các I đối tượng dùng nước khác được phép giảm lưu lượng nước cấp không quá 30% lưu lượng nước tính toán trong 3 ngày và ngừng cấp nước không quá 10 phút. Hệ thống cấp nước sinh hoạt của điểm dân cư đến 50.000 người và của các II đối tượng dùng nước khác được phép giảm lưu lượng nước cấp không quá 30% lưu lượng trong 10 ngày và ngừng cấp nước trong 6 giờ. Hệ thống cấp nước sinh hoạt của điểm dân cư đến 5000 người và của các III đối tượng dùng nước khác được phép giảm lưu lượng cấp nước không quá 30% trong 15 ngày và ngừng cấp nước trong 1 ngày. d. Việc đánh giá khả năng sử dụng nguồn nước vào mục đích cấp nước và việc chọn khu vực để xây dựng hồ chứa cần thực hiện theo chỉ dẫn của Phụ lục 2. e. Chọn nguồn nước phải theo những quy định của cơ quan quy hoạch và quản lý nguồn nước. Chất lượng nguồn nước dùng cho ăn uống sinh hoạt phải đảm bảo Tiêu chuẩn TCXD2331999. Chất lượng nguồn nước dùng cho sản xuất phải căn cứ vào yêu cầu của từng đối tượng dùng nước để lựa chọn. f. Cần tiết kiệm trong việc sử dụng nguồn nước ngầm. Khi có nguồn nước mặt đảm bảo QCVN 08 : 2008/BTNMT NM thì ưu tiên sử dụng nguồn nước mặt. g. Không được phép dùng nguồn nước ngầm cấp cho các nhu cầu tiêu thụ nước khi chưa được phép của cơ quan quản lý nguồn nước. QCVN 09 : 2008/BTNMT NN. h. Cần nghiên cứu khả năng bổ sung trữ lượng nước ngầm bằng các công trình bổ cập nhân tạo khi có điều kiện trong trường hợp nguồn nước ngầm tự nhiên không đủ trữ lượng khai thác. 5
i. Được phép xử lý nước khoáng hoặc nước biển để cấp cho hệ thống cấp nước ăn uống, sinh hoạt, nhưng phải so sánh kinh tế kỹ thuật với các nguồn nước khác. k. Cho phép dùng nước địa nhiệt cấp cho ăn uống, sinh hoạt và sản xuất nếu đảm bảo những quy định ở điều 4.5 ( TC 332006). Nhiệt độ cao nhất của nước cấp cho ăn uống sinh hoạt không được quá 35°C. l. Các phương án chọn nguồn nước phải được đánh giá toàn diện về kinh tế bao gồm các chi phí xây lắp, quản lý, tiêu thụ điện năng,... Đồng thời phải xét đến ảnh hưởng của việc khai thác nguồn nước đối với nhu cầu sử dụng nước của các ngành kinh tế khác. m. Chọn biện pháp điều hoà dòng chảy và dung tích hồ chứa phải dựa vào những đặc trưng tính toán thuỷ văn và những quy định về sử dụng nguồn nước của cơ quan quy hoạch và quản lý nguồn nước. n. Hồ chứa để cấp nước ăn uống sinh hoạt nên xây dựng ngoài các khu dân cư, trong các lưu vực thưa dân, có nhiều rừng, không có bè gỗ và nước bẩn xả vào. 1.1.2. Chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước 1.1.2.1. Chỉ tiêu vật lý a. Nhiệt độ Nhiệt độ phụ thuộc và ảnh hưởng của môi trường khí hậu bên ngoài, nó ảnhhưởng tới quá trình phản ứng và quá trình xử lý nước. Trong nước ngầm ( to = 23 27oC), nước mặt (to = 13 33oC ). b. Độ màu Màu đặc trưng chất bản có trong nước chủ yếu tồn tại trong các hợp chất hữu cơ, humic, thủy sinh vật, vi sinh vật... ngoài ra còn phụ thuộc vào hàm lượng sắt và mangan nếu là nước ngầm. c. Độ đục Gây nên bởi các hạt rắn lơ lửng trong nước. Các chất lơ lửng trong nước có thể có nguồn gốc vô cơ, hữu cơ hoặc các vi sinh vật, thủy sinh vật có kích thước thông thường từ 0,1 – 10 m. Độ đục làm giảm khả năng truyền sáng của nước, ảnh hưởng tới quá trình quang hợp.1 đơn vị độ đục là sự cản quang gây ra bởi 1 mg SiO2 hòa trong 1 lít nước cất. Độ đục được đo bằng máy đo độ đục (đục kế – turbidimeter). Đơn vị đo độ đục theo các máy do Mỹ sản xuất là NTU (Nephelometric Turbidity Unit). Thang đo độ đục Thang đo theo Độ đục theo Ghi chú chiều sâu lớp nước. than đục Silic ( mg/l) 2 1000 Nhanh tắc bể lọc 4 360 Nhanh tắc bể lọc 6 190 Nhanh tắc bể lọc 8 130 Nhanh tắc bể lọc 10 100 Nhanh tắc bể lọc 15 65 Vận hành bể lọc khó khăn 30 30 Vận hành bể lọc có điều kiện 45 18 Vận hành riêng 80 10 Giới hạn trên của nước đưa vào bể 6
Theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), độ đục được xác định bằng chiều sâu lớp nước thấy được (gọi là độ trong) mà ở độ sâu đó người ta vẫn đọc được hàng chữ tiêu chuẩn. Độ đục càng thấp chiều sâu của lớp nước còn thấy được càng lớn. Nước được gọi là trong khi mức độ nhìn sâu lớn hơn 1 m (hay độ đục nhỏ hơn 10 NTU). Theo qui định của TCVN, độ đục của nước sinh hoạt phải lớn hơn 30cm. d. Tổng hàm lượng các chất rắn (TS) Các chất rắn trong nước có thể là những chất tan hoặc không tan. Các chất này bao gồm cả những chất vô cơ lẫn các chất hữu cơ. Tổng hàm lượng các chất rắn (TS : Total Solids) là lượng khô tính bằng mg của phần còn lại sau khi làm bay hơi 1 lít mẫu nước trên nồi cách thủy rồi sấy khô ở 105oC cho tới khi khối lượng không đổi (đơn vị tính bằng mg/L). e. Tổng hàm lượng các chất lơ lửng (SS) Các chất rắn lơ lửng (các chất huyền phù) là những chất rắn không tan trong nước. Hàm lượng các chất lơ lửng (SS : Suspended Solids) là lượng khô của phần chất rắn còn lại trên giấy lọc sợi thủy tinh khi lọc 1 lít nước mẫu qua phễu lọc rồi sấy khô ở 105oC cho tới khi khối lượng không đổi. Đơn vị tính là mg/L. f. Tổng hàm lượng các chất hòa tan (DS) Các chất rắn hòa tan là những chất tan được trong nước, bao gồm cả chất vô cơ lẫn chất hữu cơ. Hàm lượng các chất hòa tan DS (Dissolved Solids) là lượng khô của phần dung dịch qua lọc khi lọc 1 lít nước mẫu qua phễu lọc có giấy lọc sợi thủy tinh rồi sấy khô ở 105oC cho tới khi khối lượng không đổi. Đơn vị tính là mg/L.DS = TS – SS. g. Tổng hàm lượng các chất dễ bay hơi Để đánh giá hàm lượng các chất hữu cơ có trong mẫu nước, người ta còn sử dụng các khái niệm tổng hàm lượng các chất không tan dễ bay hơi (VSS : Volatile Suspended Solids), tổng hàm lượng các chất hòa tan dễ bay hơi (VDS : Volatile Dissolved Solids). Hàm lượng các chất rắn lơ lửng dễ bay hơi VSS là lượng mất đi khi nung lượng chất rắn huyền phù (SS) ở 550 0C cho đến khi khối lượng không đổi (thường được qui định trong một khoảng thời gian nhất định). Hàm lượng các chất rắn hòa tan dễ bay hơi VDS là lượng mất đi khi nung lượng chất rắn hòa tan (DS) ở...... h. Mùi, Vị Các chất khí tan trong nước sinh ra mùi, các chất tan tan trong nước sinh ra vị. i. Độ nhớt Đó là ma sát giữa chất lỏng với chất lỏng và ma sat với thành bình → gây ra tổn thất. Độ nhớt liên quan tới hàm lượng muối có trong nước, nếu nhiệt độ tăng thì ma sát muối khoáng tăng dẫn đến độ nhớt tăng. k. Độ dẫn điện Nước có tính dẫn điện, độ dẫn diện của nước phụ thuốc vào hàm lượng các chất tan trong nước và độ dao động theo nhiệt độ l. Tính phóng xạ Do sự phân hủy của các chất phóng xạ có trong nước tạo nên. 1.1.2.2. Chỉ tiêu hóa học a. Độ PH Là chỉ số đặc trưng cho nồng độ Ion H+ có trong dung dịch. Thường được biểu thị tính axit và tính kiềm của nước. Trong môi trường riêng của mình, một phần các phân tử nước phân ly theo phương trình: 7
H2O ↔ H+ + OH – Sự tương quan giữa nồng độ ion H+ và OH được biểu thị bằng biểu thức : KN = [H+] . [OH] Trong đó : KN – tích số ion của nước, có giá trị phụ thuộc vào nhiệt độ của nước. Nước tinh khiết ơ nhiệt độ 250C có [H+] = [OH] = 107 iongam/lit. Trong thực tế tính axit cũng như tính kiềm của nước ít khi biểu diễn bằng nồng độ ion [H ] và [OH] mà biểu thị bằng PH : + PH = lg[ H+] = Nếu PH = 7 thì nước trung tính, nếu PH > 7 nước có tính bazơ, nếu PH < 7 nước có tính axit. Độ PH ảnh hưởng trực tiếp tới vi sinh vật thủy sinh vật có trong nước. Ngoài ra khi tăng PH và có thêm tác nhân oxy hóa, các kim loại hòa tan trong nước chuyển thành dạng kết tủa dễ dàng tách ra khỏi nước bằng công trình lắng và lọc : 4Fe(HCO3)2 + O2 +2 H2O = 4Fe(OH)3↓ + H2O + 8CO2 Fe2+ + 2HCO3 + O2 + H2 → Fe(OH)3↓ + H+ + HCO3 b. Độ kiềm toàn phần Độ kiềm toàn phần (Alkalinity) là tổng hàm lượng các ion HCO3, CO32, OH có trong nước. Độ kiềm trong nước tự nhiên thường gây nên bởi các muối của acid yếu, đặc biệt là các muối carbonat và bicarbonat. Độ kiềm cũng có thể gây nên bởi sự hiện diện của các ion silicat, borat, phosphat… và một số acid hoặc baz hữu cơ trong nước, nhưng hàm lượng của những ion này thường rất ít so với các ion HCO3, CO32, OH nên thường được bỏ qua. Khái niệm về độ kiềm (alkalinity – khả năng trung hòa acid) và độ acid (acidity – khả năng trung hòa baz) là những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá động thái hóa học của một nguồn nước vốn luôn luôn chứa carbon dioxid và các muối carbonat. Xét một dung dịch chỉ chứa các ion carbonat HCO3 và CO32. Ở các giá trị pH khác nhau, hàm lượng carbonat sẽ nằm cân bằng với hàm lượng CO2 (cân bằng carbonat) vì trong nước luôn diễn ra quá trình : 2HCO3 ↔ CO32 + H2O + CO2 CO32 + H2O ↔ 2OH + CO2 Giả sử ngoài H+ ion dương có hàm lượng nhiều nhất là Na+ thì ta luôn luôn có cân bằng sau : [H+] + [Na+] = [HCO3 ] + 2[CO32] + [OH ] Độ kiềm được định nghĩa là lượng acid mạnh cần để trung hòa để đưa tất cả các dạng carbonat trong mẫu nước về dạng H2CO3.Như vậy ta có các biểu thức : [Alk]=[Na+] Hoặc [Alk] = [HCO3 ] + 2[CO32 ] + [OH ] + [H+ ] Sự phân bố các dạng tồn tại của cacbonat theo pH Tùy từng nước qui định, độ kiềm có những đơn vị khác nhau, có thể là mg/L, đlg/L (Eq/L) hoặc mol/L. Trị số độ kiềm cũng có thể qui đổi về một hợp chất nào đó, ví dụ Đức 8
thường qui về CaO, Mỹ thường qui về CaCO3. Khi tính theo CaCO3, cách tính được thực hiện như sau : mg CaCO3/L = đương lượng gam CaCO3/đương lượng gam ion (mg ion/L). Ví dụ, nếu hàm lượng các ion CO32 và HCO3 lần lượt là 80 và 90 mg/L thì khi qui đổi về CaCO3 chúng lần lượt có giá trị là : mg CO32 theo CaCO3/L = 80 mg/L*50/30 = 133,3 mg/L mg HCO3 theo CaCO3/L = 90mg/L*50/61 = 73,7 mg/L c. Độ cứng Là đại lượng biểu thị hàm lượng Ca2+, Mg2+ có trong nước. Trong kỹ thuật xử lý nước sử dụng 3 loại độ cứng : Độ cứng tạm thời(C0) biểu thị hàm lượng các muối cacbonat và hydrocacbonat của canxi còn lại của canxi và magie có trong nước. Độ cứng vĩnh cửu (CK) biểu thị hàm lượng các muối không cacbonat và không hydrocacbonat. Độ cứng toàn phần dược xác định theo công thức : Độ cứng vĩnh cửu được xác định theo công thức : CP = Co+ CK Tác hại của nước cứng gây tác hại cụ thể như : Trong sinh hoạt gây lãng phí xà phòng do canxi và magie phản ứng với các axit béo tạo thành các hợp chất khó tan. Trong sản xuất canxi và magie trong nước cứng có thể tham gia phản ứng kết tủa khác nhau gây cản trở quá trình sản xuất. Đơn vị đo độ cứng : odH (1odH biểu thị bằng 10mg CaO có trong 1 lít nước) o f (1of biểu thị bằng 10mg CaCO2 có trong 1 lít nước ) o e ( 1 oe biểu thị bằng 10mg CaCO3 có trong 0,7 lít nước Sự tương quan : 1mđlg/l = 2,8 odH. 1 odH = 1,79 of = 1,25 oe. Giá trị độ cứng được phân biệt thành nhóm : Phân loại nước theo độ cứng Các ion Ca2+ và Mg2+ có thể tạo kết tủa với một số chất khoáng có trong nước, tạo lắng cặn trong nồi hơi, bình đun nước hoặc hệ thống dẫn nước. Người ta còn phân biệt các loại độ cứng khác nhau : Độ cứng carbonat (thường được ký hiệu CH : Carbonate Hardness): là độ cứng gây ra bởi hàm lượng Ca2+ và Mg2+ tồn tại dưới dạng HCO32+. Độ cứng carbonat còn được gọi là độ cứng tạm thời vì sẽ mất đi khi bị đun sôi. Độ cứng phi carbonat (thường được ký hiệu là NCH : NonCarbonate Hardness) là độ cứng gây ra bởi hàm lượng Ca2+ và Mg2+ liên kết với các anion khác HCO3 như SO42, Cl …Độ cứng phi carbonat còn được gọi là độ cứng thường trực hay độ cứng vĩnh cữu. d. Hàm lượng oxy hòa tan Oxigen hòa tan trong nước (DO : Dissolved Oxygen) không tác dụng với nước về mặt hóa học. Hàm lượng DO trong nước phụ thuộc nhiều yếu tố như áp suất, nhiệt độ, thành phần hóa học của nguồn nước, số lượng vi sinh, thủy sinh vật… 9
Hàm lượng oxigen hòa tan là một chỉ số đánh giá “tình trạng sức khỏe” của nguồn nước. Mọi nguồn nước đều có khả năng tự làm sạch nếu như nguồn nước đó còn đủ một lượng DO nhất định. Khi DO xuống đến khoảng 4 – 5 mg/L, số sinh vật có thể sống được trong nước giảm mạnh. Nếu hàm lượng DO quá thấp, thậm chí không còn, nước sẽ có mùi và trở nên đen do trong nước lúc này diễn ra chủ yếu là các quá trình phân hủy yếm khí, các sinh vật không thể sống được trong nước này nữa. Hàm lượng DO trong nước tuân theo định luật Henry, có nghĩa là nói chung độ tan giảm theo nhiệt độ. Ở nhiệt độ bình thường, độ hòa tan tới hạn của oxigen trong nước vào khoảng 8 mg O2/L. Khi một chất khí hòa tan trong nước đạt đến trạng thái cân bằng, ta có : X(g) = X(aq) Như vậy, hằng số cân bằng của sự hòa tan này là : KH = [X,aq] Mỗi chất khí sẽ có một hằng số cân bằng KH khác nhau nên mỗi chất khí sẽ có một độ tan khác nhau ở cùng một nhiệt độ. Khí KH/mol L1 atm1 O2 1,28 x 103CO2 3,38 x 102 ;H2 7,90 x 104 ;CH2 1,34 x 103 ;N2 6,48 x 104;NO 2,0 4 x 10 . Hàm lượng DO có quan hệ mật thiết đến các thông số COD và BOD của nguồn nước. Nếu trong nước hàm lượng DO cao, các quá trình phân hủy các chất hữu cơ sẽ xảy ra theo hướng háo khí (aerobic), còn nếu hàm lượng DO thấp, thậm chí không còn thì quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong nước sẽ xảy ra theo hướng yếm khí (anaerobic). Nhu cầu oxigen hóa học Nhu cầu oxigen hóa học (COD : Chemical Oxygen Demand) là lượng oxigen cần thiết (cung cấp bởi các chất hóa học) để oxid hóa các chất hữu cơ trong nước. Chất oxid hóa thường dùng là KMnO4 hoặc K2Cr2O7 và khi tính toán được qui đổi về lượng oxigen tương ứng ( 1 mg KMnO4 ứng với 0,253 mgO2). Các chất hữu cơ trong nước có hoạt tính hóa học khác nhau. Khi bị oxid hóa không phải tất cả các chất hữu cơ đều chuyển hóa thành nước và CO2 nên giá trị COD thu được khi xác định bằng phương pháp KMnO4 hoặc K2Cr2O7 thường nhỏ hơn giá trị COD lý thuyết nếu tính toán từ các phản ứng hóa học đầy đủ. Mặt khác, trong nước cũng có thể tồn tại một số chất vô cơ có tính khử (như S2, NO2, Fe2+ …) cũng có thể phản ứng được với KMnO4 hoặc K2Cr2O7 làm sai lạc kết quả xác định COD. Như vậy, COD giúp phần nào đánh giá được lượng chất hữu cơ trong nước có thể bị oxid hóa bằng các chất hóa học (tức là đánh giá mức độ ô nhiễm của nước). Việc xác định COD có ưu điểm là cho kết quả nhanh (chỉ sau khoảng 2 giờ nếu dùng phương pháp bicromat hoặc 10 phút nếu dùng phương pháp permanganat). Nhu cầu oxigen sinh hóa Nhu cầu oxigen sinh hóa (BOD : Biochemical Oxygen Demand) là lượng oxigen cần thiết để vi khuẩn có trong nước phân hủy các chất hữu cơ. Tương tự như COD, BOD cũng là 10
một chỉ tiêu dùng để xác định mức độ nhiễm bẩn của nước (đơn vị tính cũng là mgO2/L). Trong môi trường nước, khi quá trình oxid hóa sinh học xảy ra thì các vi khuẩn sử dụng oxigen hòa tan để oxid hóa các chất hữu cơ và chuyển hóa chúng thành các sản phẩm vô cơ bền như CO2, CO32 , SO42 PO43 và cả NO3. e. Sắt, mangan Sắt chỉ tồn tại dạng hòa tan trong nước ngầm dưới dạng muối Fe2+ của HCO3, SO42, Cl…, còn trong nước bề mặt, Fe2+ nhanh chóng bị oxid hóa thành Fe3+ và bị kết tủa dưới dạng Fe(OH)3 ↓. 2Fe(HCO3)2 + 0,5 O2 + H2O –> 2Fe(OH)3↓ + 4CO2 Nước thiên nhiên thường hcứa hàm lượng sắt lên đến 30 mg/L. Với hàm lượng sắt lớn hơn 0,5 mg/L nước có mùi tanh khó chịu, làm vàng quần áo khi giặt… Các cặn kết tủa của sắt có thể gây tắc nghẽn đường ống dẫn nước. Trong quá trình xử lý nước, sắt được loại bằng phương pháp thông khí và keo tụ. f. Các hợp chất clo Clo tồn tại trong nước dưới dạng Cl. Nói chung ở mức nồng độ cho phép thì các hợp chất clor không gây độc hại, nhưng với hàm lượng lớn hơn 250 mg/L làm cho nước có vị mặn. Nước có nhiều Cl có tính xâm thực xi măng. g. Các hợp chất sulfat Ion SO42 có trong nước do khoáng chất hoặc có nguồn gốc hữu cơ. Với hàm lượng lớn hơn 250 mg/L gây tổn hại cho sức khỏa con người. Ở điều kiện yếm khí, SO42 phản ứng với chất hữu cơ tạo thành khí H2S có độc tính cao. h. Hợp chất Nito, Photpho Chủ yếu tồn tại trong hợp chất hữu cơ (trong nước N, P là nguyên nhân gây ô nhiễm nước) . Các hợp chất hữu cơ là thức ăn cho vi sinh vật, nếu phát triển mạnh gây ra hiện tượng nở hoa (phì dưỡng). i. Hợp chất Clorua ( Cl , I , F ) Hợp chất chưa flo rất độc thưởng có nhiều ở miền núi gần các mỏ khai thác quặng... còn Iot chưa hầu hết trong nước thiên nhiên với hàm lượng nhỏ. k. Silic Tương tự như nước cứng, xử lý chúng rất khó khăn, Phải khửa các cặn thông thường sau đó mới xử lý SiO2. l. Khí hòa tan Như O2, CO2, SOx, NxOy, H2S... Gây ăn mòn bê tông và kim loại. m. Kim loại có tính độc cao Như Pb, As, ... ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người, việc xử lý chúng rất khó khăn. n. Các hóa chất bảo vệ thức vật, chất hoạt động bề mặt Rất khó xử lý và phải cấm xả thải ra môi trường. 1.1.2.3. Chỉ tiêu vi sinh Trong nước thiên nhiên có nhiều loại vi trùng, siêu vi trùng, rong tảo và các loài thủy vi sinh khác. Tùy theo tính chất, các loại vi sinh trong nước có thể vô hại hoặc có hại. Nhóm có hại bao gồm các loại vi trùng gây bệnh, các loài rong rêu, tảo…Nhóm này cần phải loại bỏ khỏi nước trước khi sử dụng. Các vi trùng gây bệnh như lỵ, thương hàn, dịch tả…thường khó xác định chủng loại. Trong thực tế hóa nước thường xác định chỉ số vi trùng đặc trưng. Trong chất thải của người và động vật luôn có loại vi khuẩn E.Coli sinh sống và phát triển. Sự có mặt của E.Coli trong nước 11
chứng tỏ chứng tỏ nguồn nước đã bị ô nhiễm bởi phân rác, chất thải của người và động vật và như vậy cũng có khả năng tồn tại các loại vi trùng gây bệnh khác. Số lượng E.Coli nhiều hay ít tùy thuộc mức độ nhiễm bẩn của nguồn nước. Đặc tính của khuẩn E.Coli là khả năng tồn tại cao hơn các loại vi khuẩn, vi trùng gây bệnh khác nên nếu sau khi xử lý nước, nếu trong nước không còn phát hiện thấy E.Coli thì điều đó chứng tỏ các loại vi trùng gây bệnh khác đã bị tiêu diệt hết. Mặt khác, việc xác định số lượng E.Coli thường đơn giản và nhanh chóng nên loại vi khuẩn này thường được chọn làm vi khuẩn đặc trưng trong việc xác định mức độ nhiễm bẩn do vi trùng gây bệnh trong nước. Người ta phân biệt trị số E.Coli và chỉ số E.Coli. Trị số E.Coli là đơn vị thể tích nước có chứa 1 vi khuẩn E.Coli. Chỉ số E.Coli là số lượng vi khuẩn E.Coli có trong 1 lít nước. Tiêu chuẩn nước cấp cho sinh hoạt ở các nước tiên tiến qui định trị số E.Coli không nhỏ hơn 100 mL, nghĩa là cho phép chỉ có 1 vi khuẩn E.Coli trong 100 mL nước (chỉ số E.Coli tương ứng là 10). TCVN qui định chỉ số E.Coli của nước sinh hoạt phải nhỏ hơn 20. 1.1.3. Yêu cầu chất lượng nước cấp 1.1.3.1. Yêu cầu đối với lượng nước sinh hoạt ( Lấy theo tiêu chuẩn Việt nam 332006) Tiêu chuẩn này áp dụng để thiết kế các công trình xử lý nước cấp cho ăn uống và sinh hoạt. 1.1.3. 2. Yêu cầu chất lượng nước cấp cho ngành khác ( Lấy theo tiêu chuẩn Việt nam 33 2006) 1.2. Cơ sở hóa lý của các quá trình xử lý nước cấp : 1.2.1. Keo tụ cặn bẩn trong nước 1.2.1.1. Mục đích của quá trình keo tụ Cặn bẩn trong nước thiên nhiên thường là các hạt cát, sét bùn vật phù du, sản phẩm phân hủy của hợp chất hữu cơ…Ngoài các hạt có khả năng lắng được trong nước thì còn một số hạt có kích thước nhỏ tồn tại ở trạng thái lơ lửng, keo và hòa tan. Kích thước của các hạt cặn lơ lửng thường dạo động từ vài phần triệu milimet đến vài milimet. Trong kỹ thuật xử lý nước 12
người ta thường sử dụng các biện pháp cơ học như lắng tĩnh, lọc chỉ loại bỏ được hạt có kích thước lớn hơn 10 4 mm. Để loại bỏ các hạt cặn này đều mang điện tích và chúng có khả năng liên kết với nhau hoặc đẩy nhau bằng lực điện từ. * Cấu tạo của hạt keo Hạt keo có cấu tạo rất phức tạp, ở giữa có nhân keo, bao gồm tập hợp hàng trăm hàng nghìn phân tử. Bề mặt riêng của nhân keo rất lớn nên nhân keo có khả năng hấp phụ mạnh và hấp phụ chọn lọc những ion có trong thành phần của nhân keo... Tùy theo loại ion hấp phụ ta sẽ thu đượ ion âm hoặc dương. Lúc đó nhân keo và lớp ion kề sát mang điện và hút các ion ngược dấu bao quanh ( sinh ra lớp đối ion) tạo thành hạt keo. Ngoài ra hật keo còn hút những ion ngược dấu ở xa hơn ( sinh ra lớp khuếch tán) tạo ra misen keo – misen keo trung hòa điện. VD : Phản ứng trao đổi giữa 2 dung dịch : AgNO3 + NaCl → AgCl↓ + NaNO3 Tập hợp các phân tử AgCl tạo thành nhân keo. Giả sử trong dung dịch ion Ag+ ( do nồng độ AgNO3 lớn hơn nồng độ của NaCl ) Chúng tạo thành hạt keo dương. {m[AgCl] nAg+ + (nx)NO3}+x xNO3 Nhân keo Lớp hấp thụ Lớp khuếch tán Hạt keo Misen keo Cấu tạo của hạt keo 1.2.1.2. Quá trình keo tụ a. Keo tụ bằng các chất điện ly Bản chất của phương pháp này là cho vào nước các chất điện ly ở dạng ion ngược dấu. Khi nồng độ của các ion ngước dấu tăng lên thì càng nhiều ion được dịch chuyển từ lớp khuếch tán vào lớp điện tích kép dẫn đến được giảm độ lớn của ξ đồng thời lực đẩy tĩnh điện giảm đi. 13
Nhờ chuyển động Brown các hạt keo với điện tích bé khi va chạm dễ dính kết bằng lực hút phân tử tạo nên các bông cặn ngày càng lớn. khi kích thước bông cặn ngày càng lớn thì chuyển động Brown hết tác dụng và các bông cặn này có thể lắng được. Phương pháp này đòi hỏi liều lượng chất điện ly cho vào phải rất chính xác. Nếu nồng độ các chất điện ly tăng lên quá mức gây ra quá trình tích điện trở lại với hạt keo làm ξ tăng lên hiệu quả keo tụ giảm đi. b. Keo tụ bằng hệ keo ngược dấu Là tạo ra trong nước một hệ keo mới tích điện ngược dấu với keo cặn bẩn trong nước thiên nhiên và các hạt keo tích điện trái dấu sẽ trung hòa lẫn nhau. Chất thường sử dụng để keo tụ là phèn nhôm và phèn sắt được đưa vào nước dưới dạng hòa tan. Sau phản ứng thủy phân tạo ra hệ keo mới mang điện tích dương có khả năng trung hòa các điện tích âm của hạt keo. Keo tụ bằng phèn nhôm : Al2(SO4)3 → 2Al3+ + 3SO42. Các ion kim loại mang điện tích dương một mặt tham gia vào quá trình trao đổi với các cation nằm trong điện tích kép của hạt keo tư nhiên mang điện tích âm, làm giảm thế điện động ξ , giúp cho các hạt keo dễ dàng lien kết với nhau bằng liên kết phân tử tạo ra các bông cặn lắng. Mặt khác các ion kim loại tự do kết hợp với phân tử nước bằng phản ứng thủy phân. Al3+ + 3H2O ↔ Al(OH)3 + 3H+ Các phân tử nhôm hidroxit hay sắt hdroxit là các hạt keo mang điện tích dương. Có khả năng kết hợp với các hạt keo tự nhiên mang điện tích âm tạo ra thành các bông cặn. Đồng thời các phân tử Fe(OH)3, Al(OH)3 kết hợp với anion có trong nước kết hợp với nhau tạo ra các bông cặn có hoạt tính bề mặt cao. Các bông cặn này lắng sẽ hấp thụ , cuốn theo các hạt keo, cặn bẩn, các hợp chất hữu cơ, mùi vị... Liều lượng phèn nhôm để xử lý nước đục lấy theo TCXD – 33 :2006 như sau: Hàm lượng cặn của nước Liều lượng phèn nhôm Al2(SO4)3 nguồn ( mg/l) không chứa nước (mg/l) đến 100 25 35 101 200 30 – 45 201 400 40 – 60 401 600 45 – 70 601 800 55 80 801 1000 60 – 90 1401 1800 75 115 1801 2200 80 – 125 2201 2500 90 130 Khi sử dụng phèn nhôm cần lưu ý : pH hiệu quả tốt nhất với phèn nhôm là khoảng 5,5 – 7,5. Nhiệt độ của nước thích hợp khoảng 20 – 40oC. Ngoài ra, cần chú ý đến : các thành phần ion có trong nước, các hợp chất hữu cơ, liều lượng phèn, điều kiện khuấy trộn, môi trường phản ứng… Ưu điểm của phèn nhôm : • Về mặt năng lực keo tụ ion nhôm (và cả sắt(III)), nhờ điện tích 3+, có nănglực keo tụ thuộc loại cao nhất (quy tắc ShulzHardy) trong số các loại muối ít độc hại mà loài người biết. • Muối nhôm ít độc, sẵn có trên thị trường và khá rẻ. 14
• Công nghệ keo tụ bằng phèn nhôm là công nghệ tương đối đơn giản, dễ kiểmsoát, phổ biến rộng rãi. Nhược điểm của phèn nhôm: + Làm giảm đáng kể độ pH, phải dùng NaOH để hiệu chỉnh lại độ pH dẫn đến chi phí sản xuất tăng. + Khi quá liều lượng cần thiết thì hiện tượng keo tụ bị phá huỷ làm nước đục trở lại. + Phải dùng thêm một số phụ gia trợ keo tụ và trợ lắng. + Hàm lượng Al dư trong nước > so với khi dùng chất keo tụ khác và có thể lớn hơn tiêu chuẩn với (0,2mg/lit). + Khả năng loại bỏ các chất hữu cơ tan và ko tan cùng các kim loại nặng thường hạn chế. + Ngoài ra, có thể làm tăng lượng SO42 trong nước thải sau xử lí là loại có độc tính đối với vi sinh vật.  Phèn sắt [Fe2(SO4)3.nH2O hoặc FeCl3.nH2O (n = 1 – 6)] Muối sắt chưa phổ biến ở Việt Nam nhưng rất phổ biến ở các nước công nghiệp. Hoá học của muối sắt tương tự như muối nhôm nghĩa là khi thuỷ phân sẽ tạo axit, vì vậy cần đủ độ kiềm để giữ pH không đổi. Fe3+ + 3H2O = Fe(OH)3 + 3H+ Phèn sắt (III) khi thuỷ phân ít bị ảnh hưởng của nhiệt độ. Vùng pH tối ưu: 5 – 9. So sánh keo của phèn nhôm và phèn sắt được tạo thành cho thấy: Độ hoà tan của keo Fe(OH)3 trong nước nhỏ hơn Al(OH)3. Tỉ trọng của Fe(OH)3 = 1,5 Al(OH)3 ( trọng lượng đơn vị của Al(OH)3 = 2,4 còn của Fe(OH)3 = 3,6 ) do vậy keo sắt tạo thành vẫn lắng được khi trong nước có ít chất huyền phù. Ưu điểm của phèn sắt so với phèn nhôm: Liều lượng phèn sắt(III) dùng để kết tủa chỉ bằng 1/3 – 1/2 liều lượng phèn nhôm. Phèn sắt ít bị ảnh hưởng của nhiệt độ và giới hạn pH rộng. Nhược điểm của phèn sắt(III) là ăn mòn đường ống mạnh hơn phèn nhôm ( vì trong quá trình phản ứng tạo ra axit). Ở nước ta, người ta vẫn quen dùng phèn nhôm. Để khắc phục nhược điểm của mỗi loại có thể dùng kết hợp cả phèn sắt và phèn nhôm tương ứng là 1: 1 hoặc 2 : 1. Kết tủa hỗn hợp thích hợp nhất vào mùa lạnh. Lưu ý: Trên thực tế, việc lựa chọn loại phèn, tính toán liều lượng phèn và liều lượng chất kiềm hoá cần phải được xác định bằng thực nghiệm. Các muối phèn đưa vào xử lý nước là dạng dung dịch.  Poly Aluminium Chloride: ( PAC) Một trong những chất keo tụ thế hệ mới, tồn tại dưới dạng polime vô cơ là poli nhôm clorua (polime aluminium chloride), thường viết tắt là PAC (hoặc PACl). Hiện nay, ở các nước tiên tiến, người ta đã sản xuất PAC với lượng lớn và sử dụng rộng rãi để thay thế phèn nhôm sunfat trong xử lý nước sinh hoạt và đặc biệt là xử lí nước thải. Tính chất: PAC có công thức tổng quát là [Al2(OH)nCl6.nxH2O]m (trong đó m
Không làm đục nước khi dùng thừa hoặc thiếu. Không cần (hoặc dùng rất ít) phụ gia trợ keo tụ và trợ lắng. [Al] dư trong nước < so với khi dùng phèn nhôm sunfat. Khả năng loại bỏ các chất hữu cơ tan và không tan cùng các kim loại nặng tốt hơn. Không làm phát sinh hàm lượng SO42 trong nước thải sau xử lí là loại có độc tính đối với vi sinh vật. Cơ chế tác dụng của PAC: Thông thường khi keo tụ chúng ta hay dùng muối clorua hoặc sunfat của Al(III) hoặc Fe(III). Khi đó, do phân li và thuỷ phân ta có các hạt trong nước: Al3+, Al(OH)2+, Al(OH) phân tử và Al(OH)4, ba hạt polime: Al2(OH)24+, Al3(OH)45+, Al13O4(OH)247+ và Al(OH)3rắn. Trong đó Al13O4(OH)247+ gọi tắt là Al13 là tác nhân gây keo tụ chính và tốt nhất. Với Fe(III) ta có các hạt: Fe3+, Fe(OH)2+, Fe(OH) phân tử và Fe(OH)4, ba hạt polime: Fe2(OH)24+, Fe3(OH)45+ và Fe(OH)3 rắn. Trong công nghệ xử lí nước thông thường, nhất là nước tự nhiên với pH xung quanh 7 quá trình thuỷ phân xảy ra rất nhanh, tính bằng micro giây, khi đó hạt Al3+ nhanh chóng chuyển thành các hạt polime rồi hydroxit nhôm trong thời gian nhỏ hơn giây mà không kịp thực hiện chức năng của chất keo tụ là trung hoà điện tích trái dấu của các hạt cặn lơ lửng cần xử lý để làm chúng keo tụ. Khi sử dụng PAC quá trình hoà tan sẽ tạo các hạt polime Al13, với điện tích vượt trội (7+), các hạt polime này trung hoà điện tích hạt keo và gây keo tụ rất mạnh, ngoài ra tốc độ thuỷ phân của chúng cũng chậm hơn Al3+ rất nhiều, điều này tăng thời gian tồn tại của chúng trong nước nghĩa là tăng khả năng tácdụng của chúng lên các hạt keo cần xử lí, giảm thiểu chi phí hoá chất. Ngoài ra, vùng pH hoạt động của PAC cũng lớn gấp hơn 2 lần so với phèn, điều này làm cho việc keo tụ bằng PAC dễ áp dụng hơn. Hơn nữa, do kích thước hạt polime lớn hơn nhiều so với Al3+ (cỡ 2 nm so với nhỏ hơn 0,1 nm) nên bông cặn hình thành cũng to và chắc hơn, thuận lợi cho quá trình lắng tiếp theo. Phương pháp sử dụng: + Sản phẩm dạng lỏng có thể sử dụng trực tiếp hoặc loãng đi 10 lần rồi mới sử dụng, dạng đặc phải loãng đi thành ra dung dịch 5 – 10% mới sử dụng, như thế mới dung hòa đều, hiệu quả mới tốt. + Dung dịch đã làm loãng tốt nhất phải sử dụng hết trong 4 – 8 giờ. + Số lượng sử dụng phải căn cứ theo chất lượng và độ trong suốt của nước và thiết bị. Làm sạch nước bình thường sử dụng dạng đặc là khoảng một phần mười ngàn ( 1kg nước sử dụng 0,01g). Độ đục nước 30100 100250 250400 4001000 1000 5000 > 5000 Số lượng 2.5 ppm 3.44 4.5 6.2 12.5 20 Trên thực tế, việc lựa chọn các loại phèn, các hóa chất keo tụ, việc tính toán lượng đưa vào xử lý cần được xác định bằng thực nghiệm. Như vậy bản chất có 3 loại bông cặn sinh ra trong quá trình keo tụ : Thứ nhất : là tổ hợp các hạt keo tự nhiên bị phá vỡ thế điện động ξ, vì điều kiện keo tụ các hạt keo tự nhiên khác nhau nên loại bông cặn này chiếm số ít. Thứ 2 : gồm các hạt keo mang điện tích trái dấu nên trung hòa về điện tích không có khả năng kết dính và hấp thụ trong quá trình lắng vì vậy số lượng cũng không đáng kể. 16
Thứ 3 : được hình thành các hạt keo do thủy phân các chất keo tụ với các anion có trong nước nên bông cặn có hoạt tính bề mặt cao, có khả năng hấp thụ các chất bẩn có trong nước kho lắng tạo thành các bông cặn ngày càng lớn. 1.2.1.3. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình keo tụ : +/ PH : Nhìn vào phương trình keo tụ ta thấy sau khi keo tụ bằng phèn nhôm hay phèn sắt đều sinh ra ion H+ làm cho nồng độ ion H+ tăng lên, đồng thời làm cho PH của nước giảm, đẩy hê keo mới hình thành lệch khỏi điểm đẳng điện và làm giảm tốc độ phản ứng thủy phân. Vì vậy cần phải khử H+ để nâng PH lên. Thông thường ta dùng vôi và sô đa. +/ Nhiệt độ : Khi nhiệt độ của nước tăng, sự chuyển động nhiệt của các hạt keo tăng lên làm tăng tần số va chạm và hiệu quả kết dính tăng lên ( Thực tế cho thấy khi nhiệt độ tăng lên thì lượng phèn, thời gian và cường độ khuấy trộn giảm xuống theo ) +/ Hàm lượng và tính chất của cặn cũng ảnh hưởng tới quá trình keo tụ : Khi hàm lượng cặn trong nước tăng lên, lượng phèn cần thiết trong nước cũng tăng lên nhưng hiệu quả lại phụ thuộc vào tính chất của cặn tự nhiên cũng như kích thước, diện tích và mức độ phân tán... Quá trình keo tụ của phèn nhôm và phèn sắt có thể biểu diễn bằng các phương trình : Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 → 2Al(OH)3 + 3CaSO4 + 6CO2 Al2(SO4)3 + 3Ca(OH)2 → 2Al(OH)3 + 3CaSO4 2FeCl3 + 3Ca(HCO3)2 → 2Fe(OH)3 + 3CaCl2 + 6CO2 2FeCl3 + 3Ca(OH)2 → 2Fe(OH)3 + 3CaCl2 Nếu trong nước có độ màu cao : thì lượng phèn Al2(SO4)3 được tính theo công thức : a = 4. . M : độ màu tính theo thang màu platin coban. 1.2.2. Khử sắt và mangan trong nước : 1.2.2.1. Khử sắt trong nước : a. Mục đích Trong nước thiên nhiên, kể cả nước mặt và nước ngầm đều có chứa sắt. Hàm lượng sắt và dạng tồn tại của chúng tùy thuộc vào từng loại nguồn nước, điều kiện môi trường. Trong nước mặt, sắt tồn tại ở dạng hợp chất Fe3+, dạng keo hay huyền phù. Hàm lượng này thường không lớn và sẽ được khử trong quá trình làm trong nước. Trong nước ngầm, sắt thường tồn tại ở dạng ion sắt hóa trị 2 trong thành phần của các muối hòa tan như bicacbonat, sunfat, clorua..Hàm lượng sắt này thường cao và phân bố không đồng đều trong các lớp trầm tích dưới sâu. Khi trong nước có hàm lượng sắt cao, nước có mùi tanh và có nhiều cặn bẩn màu vàng, làm giảm chất lượng nước ăn uống sinh hoạt và sản xuất. Vì vậy, khi trong nước có hàm lượng sắt lớn hơn giới hạn cho phép thì phải tiến hành khử sắt. b. Quá trình khử sắt Nguyên lý của phương pháp này là oxy hoá sắt (II) thành sắt (III) và tách chúng ra khỏi nước dưới dạng hyđroxyt sắt (III). Trong nước ngầm, sắt (II) bicacbonat là một muối không bền, nó dễ dàng thuỷ phân thành sắt (II) hyđroxyt theo phản ứng: Fe(HCO3)2 + 2H2O → Fe(OH)2 + 2H2CO3 Nếu trong nước có ôxy hoà tan, sắt (II) hyđrôxyt sẽ bị ôxy hoá thành sắt (III) hyđrôxyt theo phản ứng: 4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 → 4Fe(OH)3↓ Sắt (III) hyđrôxyt trong nước kết tủa thành bông cặn màu vàng và có thể tách ra khỏinước một cách dễ dàng nhờ quá trình lắng lọc. Kết hợp các phản ứng tr ên ta có phản ứng chung của quá trình oxy hoá sắt như sau: 17
4Fe2+ + 8HCO3 + O2 + H2O → 4Fe(OH)3↓ + 8H+ + 8HCO3 Nước ngầm thường không chứa ôxy ho à tan hoặc có hàm lượng ôxy hoà tan rất thấp. Để tăng nồng độ ôxy hoà tan trong nước ngầm, biện pháp đ ơn giản nhất là làm thoáng. Hiệu quả của bước làm thoáng được xác định theo nhu cầu ôxy cho quá trình khử sắt. *. Khử sắt bằng phương pháp làm thoáng Thực chất của phương pháp khử sắt bằng làm thoáng là làm giàu oxy cho nước, tạo điều kiện để Fe2+ oxy hóa thành Fe3+ thực hiện quá trình thủy phân để tạo thành hợp chất ít tan Fe(OH)3 rồi dùng bể lọc để giữ lại. *. Khử sắt bằng phương pháp hóa chất  Khử sắt bằng các chất oxy hóa mạnh: Các chất oxy hóa mạnh thường sử dụng để khử sắt là: Cl2, KMnO4, O3…Phản ứng diễn ra như sau 2Fe2+ + Cl2 + 6H2O → 2Fe(OH)3 ↓ + 2Cl + 6H+ 3Fe2+ + KMnO4 + 7H2O → 3Fe(OH)3 ↓ + MnO2 + K+ + 5H+ Trong phản ứng, để oxy hóa 1 mg Fe2+ cần 0.64mg Cl2 hoặc 0.94mg KMnO4 và đồng thời độ kiềm của nước giảm đi 0.018meq/l  Khử sắt bằng vôi: Phương pháp khử sắt bằng vôi thường không đứng đôc lập, mà kết hợp với các quá trình làm ổn định nước hoặc làm mềm nước. Phản ứng xảy ra theo 2 trường hợp ♦ Có oxy hòa tan 4Fe(HCO3)2 + O2 + 2H2O + 4Ca(OH)2 → 4Fe(OH)3 ↓ + 4Ca(HCO3)2 Sắt (III)hydroxyt được tạo thành, dễ dàng lắng lại trong bể lắng và giữ lại trong bể lọc. ♦ Không có oxy hòa tan Fe(HCO3)2 + Ca(OH)2 → Fe CO3 + CaCO3 + 2H2O Sắt được khử đi dưới dạng FeCO3 chứ không phải hydroxyt sắt *. Các phương pháp khử sắt khác Khử sắt bằng trao đổi Cation Cho nước đi qua lớp vật liệu lọc có khả năng trao đổi ion. Các ion H+ và Na+ có trong thành phần của lớp vật liệu lọc, sẽ trao đổi với các ion Fe2+ có trong nước. Kết quả Fe2+ được giữ lại trong lớp vật liệu lọc. Lớp vật liệu lọc có khả năng trao đổi ion là Cation thường được sử dụng cho nguồn nước có chứa Fe2+ ở dạng hòa tan Khử sắt bằng điện phân Khử sắt bằng phương pháp vi sinh vật Một số loại vi sinh vật có khả năng oxi hóa sắt trong điều kiện mà quá trình oxy hóa học xảy ra rất khó khăn. Người ta cấy các khuẩn sắt trong lớp cát lọc của bể lọc, thông qua các hoạt động của vi khuẩn, sắt được loại ra khỏi nước. thường sử dụng thiết bị lọc chậm để khử sắt. c. Các yếu tố ảnh hưởng Tốc độ phản ứng của quá trình ôxy hoá và thuỷ phân Fe2+ thành Fe3+ tuỳ thuộc vào lượng oxy hoà tan trong nước tăng lên. Để oxy hoá 1mg sắt (II) tiêu tốn 0,143mg oxy. Thời gian oxy hoá và thuỷ phân sắt trên công trình phụ thuộc vào trị số pH của nước có thể lấy như sau: Thời gian tối ưu của quá trình keo tụ pH 6,0; 6,5; 6,6 ;6,7 ;6,8; 6,9; 7 ≥7,5 18
Thời gian tiếp xúc cần thiết trong bể lắng và bể lọc (thời gian lưu nước) (phút) 90 60 45 30 25 20 15 10. Thời gian tiếp xúc cần thiết (thời gian lưu nước) trong bể lọc tiếp xúc (bể lọc I) và bể lọc trong (bể lọc đợt II) (phút) 60 45 35 25 20 15 12 5. Tốc độ lọc qua bể tiếp xúc có thể lấy 5 20 m/h tuỳ thuộc vào thời gian lưu nước cần thiết và lượng cặn cần giữ lại sao cho qua bể lọc đợt I hàm lượng cặn còn lại đi qua bể lọc trong (lọc đợt II) ≤ 15mg/l. Tốc độ lọc qua bể lọc trong l ấy 39 m/h tuỳ thuộc vào chiều dày và cỡ hạt của lớp vật liệu lọc và thời gian lưu nước cần thiết. 1.2.2.2. Phương pháp khử Mangan a. Cơ chế. – Mangan: tương tự như khử sắt nhưng khác ở phương trình: 2Mn(HCO3)2 + O2 + 2H2O → 2Mn(OH)4 + 4H+ + 4HCO3 pH =8.59.5 b. Các yếu tố ảnh hương tới quá trình khử mangan. Tương tự như khử sắt, tuy nhiên khử Mn khó hơn, cần sử dụng các chất xúc tác, thời gian khử Mn diễn ra chậm hơn. 1.2.3. Khử trùng nước 1.2.3.1. Mục đích và các phương pháp Tiêu diệt vi sinh vật có trong nước đảm bảo yêu cầu chất lượng nước cấp cho ăn uống và sinh hoạt theo TCVN 33 2006. Các phương pháp khử trùng nước: Phương pháp nhiệt, Phương pháp hóa học, Phương pháp sử dụng tia vật lý 1.2.3.2. Quá trình khử trùng nước a1.Phương pháp nhiệt Khi đun sôi nước ở 1000C đa số các vi sinh vật bị tiêu diệt. Còn một số ít khi nhiệt độ tăng lên cao liền chuyển sang dạng bào tử với lớp bảo vệ vững chắc. Chúng không bị tiêu diệt dù có đun sôi liên tục trong vòng 15 đến 20 phút. Để tiêu diệt được nhóm vi khuẩn bào tử này, cần đun sôi nước đến 1200C hoặc đun theo trình tự sau: đun sôi ở điều kiện bình thường 15 đến 20 phút, để cho nước nguội đi đến dưới 350C và giữ trong vòng hai giờ cho các bào tử phát triển trở lại, sau đó lại đun sôi nước một lần nữa. Phương pháp nhiệt tuy đơn giản nhưng tốn năng lượng nên thường chỉ được áp dụng ở quy mô nhỏ. a2. Khử trùng bằng tia cực tím Tia cực tím (UV) là tia bức xạ điện từ có bước sóng khoảng 4 – 400nm (nanometer). Độ dài sóng của tia cực tím nằm ngoài vùng phát hiện, nhận biết của mắt thường. Dùng tia cực tím để khử trùng không làm thay đổi tính chất hóa học và lý học của nước. Tia cực tim tác dụng làm thay đổi DNA của tế bào vi khuẩn, tia cực tím có độ dài bước sóng 254nm có khả năng diệt khuẩn cao nhất. a3. Phương pháp siêu âm Dòng siêu âm với cường độ tác dụng không nhỏ hơn 2W/cm2 trong khoảng thời gian trên 5 phút có khả năng tiêu diệt toàn bộ vi sinh vật trong nước. a4. Phương pháp lọc Đại bộ phận vi sinh vật có trong nước (trừ siêu vi trùng) có kích thước 1 – 2 µm. Nếu đem lọc nước qua lớp lọc có kích thước khe rỗng nhỏ hơn 1 µm có thể loại trừ được đa số vi khuẩn. Lớp lọc thường dùng là các tấm sành, tấm sứ có khe rỗng cực nhỏ. Với phương pháp này, nước đem lọc phải có hàm lượng cặn nhỏ hơn 2mg/l. 19
Khử trùng bằng các phương pháp vật lý, có ưu điểm cơ bản là không làm thay đổi tính chất lý hóa của nước, không gây nên tác dụng phụ. Tuy nhiên do hiệu suất thấp nên thường chỉ áp dụng ở quy mô nhỏ với các điều kiện kinh tế kỹ thuật cho phép. b. Các phương pháp hóa học Cơ sở của phương pháp hóa học là sử dụng các chất oxy hóa mạnh để oxy hóa men của tế bào vi sinh và tiêu diệt chúng. Các hóa chất thường dùng là: Clo, brom, iod, clo dioxit, axit hypoclorit và muối của nó, ozone, kali permanganate, hydro peroxit. Do hiệu suất cao nên ngày nay khử trùng bằng hóa chất đang được áp dụng rộng rãi ở mọi qui mô. b1. Khử trùng nước bằng Clo và các hợp chất của nó Clo là một chất oxy hóa mạnh, ở bất cứ dạng nào, nguyên chất hay hợp chất khi tác dụng với nước đều tạo ra phân tử axit hypoclorit HOCl có tác dụng khử trùng rất mạnh. Quá trình diệt vi sinh vật xảy ra qua 2 giai đoạn. Đầu tiên chất khử trùng khuếch tán xuyên qua vỏ tế bào vi sinh, sau đó phản ứng với men bên trong tế bào và phá hoại quá trình trao đổi chất dẫn đến sự diệt vong của tế bào. Tốc độ của quá trình khử trùng được xác định bằng động học của quá trình khuếch tán chất diệt trùng qua vỏ tế bào và động học của quá trình phân hủy men tế bào. Tốc độ của quá trình khử trùng tăng khi nồng độ của chất khử trùng và nhiệt độ nước tăng, đồng thời phụ thuộc vào dạng không phân ly của chất khử trùng, vì quá trình khuếch tán qua vỏ tế bào xảy ra nhanh hơn quá trình phân ly. Tốc độ khử trùng bị châm đi rất nhiều khi trong nước có các chất hữu cơ, cặn lơ lững và các chất khử khác. Phản ứng đặc trưng là sự thủy phân của clo tạo ra axit hypoclorit và axit clohydric Cl2 + H2O ↔ HOCl + HCl Hoặc ở dạng phương trình phân ly: Cl2 + H2O ↔ 2H+ + OCl + Cl Khi sử dụng clorua vôi làm chất khử trùng, phản ứng sẽ là: Ca(OCl)2 + H2O ↔ CaO + 2HOCl 2HOCl ↔ 2H+ + 2OCl b2. Khử trùng nước bằng iod Iod là chất oxy hóa mạnh và thường được dùng để khử trùng nước ở các bể bơi. Là chất khó hào tan nên iod được dùng ở dạng dung dịch bảo hòa. Độ hòa tan của iod phụ thuộc vào nhiệt độ nước. Ở 00C độ hòa tan là 100mg/l. Ở 200C độ hòa tan là 300mg/l. Khi độ pH của nước nhỏ hơn 7, liều lượng iod sử dụng lấy từ 0.3 đến 1 mg/l. Nếu sử dụng cao hơn 1.2mg/l sẽ làm cho nước có mùi vị iod. b3. Khử trùng bằng ozone Ozone có công thức hóa học là O3. Ozone được sản xuất bằng cách cho oxy hoặc không khí đi qua thiết bị phóng tia lửa điện. Để cấp đủ lượng ozone khử trùng cho nhà máy xử lý nước, dùng máy phát tia lửa điện gồm hai điện cục kim loại đặt cách nhau một khoảng cho không khí chạy qua. Cấp dòng điện xoay chiều vào các điện cực để tạo ra tia hồ quang, đồng thời với việc thổi luồng không khí sạch đi qua khe hở giữa các điện cực để chuyển một phần oxy thành ozone. 20