Giáo trình hóa và vi sinh vật nước - Chương 3

Chia sẻ: Nguyễn Nhi | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:13

Thêm vào BST

Báo xấu

269
lượt xem 101
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MỘT SỐ CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG NƯỚC 3.1. Các chỉ tiêu vật lý 3.1.1. Chỉ số pH Độ pH là chỉ số đặc trưng cho nồng độ ion H+ có trong dung dịch, thường được dùng để biểu thị tính axit và tính kiềm của nước. Trong nước, độ pH được tính theo công thức: pH = - lg[H+] và có thang đơn vị từ 0 - 14. Khi pH = 7 nước có tính trung tính. pH 7 nước có tính kiềm. pH là một trong những thông số quan trọng và được sử dụng thường...

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình hóa và vi sinh vật nước - Chương 3

Chương 3: PHƯƠNG PHÁP PHÂN TÍCH MỘT SỐ CHỈ TIÊU CHẤT LƯỢNG NƯỚC 3.1. Các chỉ tiêu vật lý 3.1.1. Chỉ số pH Độ pH là chỉ số đặc trưng cho nồng độ ion H+ có trong dung dịch, thường được dùng để biểu thị tính axit và tính kiềm của nước. Trong nước, độ pH được tính theo công thức: pH = - lg[H+] và có thang đơn vị từ 0 - 14. pH = 7 nước có tính trung tính. Khi pH < 7 nước có tính axit. pH > 7 nước có tính kiềm. pH là một trong những thông số quan trọng và được sử dụng thường xuyên nhất trong hóa nước, dùng để đánh giá mức độ ô nhiễm nguồn nước, chất lượng của nước thải, đánh giá độ cứng của nước, sự keo tụ, khả năng ăn mòn,... và trong nhiều tính toán trong cân bằng axít - bazơ. Với quá trình tạo men trong tế bào và quá trình hấp thụ các chất dinh dưỡng vào tế bào của đa số vi sinh vật, khoảng giá trị pH tối ưu là 6,5 - 8,5. pH có thể được xác định bằng giấy chỉ thị màu hoặc bằng pH cực hydro hoặc cực thủy tinh. * Phương pháp xác định pH: - Đọc hướng dẫn của nhà sản xuất trước khi sử dụng máy đo pH. - Hiệu chuẩn thiết bị: Khi phân tích pH, cần phải thực hiện chuẩn máy đo theo khoảng giá trị pH của mẫu nước. Tuỳ thuộc vào tính chất của mẫu nước mà sử dụng dung dịch chuẩn pH thích hợp. + Nếu các mẫu cần đo có tính trung tính, hiệu chỉnh máy với dung dịch pH chuẩn = 7. + Nếu các mẫu cần đo có tính axít, hiệu chỉnh máy với dung dịch pH chuẩn = 5. + Nếu các mẫu cần đo có tính kiềm, hiệu chỉnh máy với dung dịch pH chuẩn = 9. - Đo mẫu nước, đọc kết quả trên máy. - Sau khi đo pH của nước thải chứa dầu mỡ và các hợp chất hóa học, cần phải ngâm điện cực của máy đo trong dung dịch HCl 12% trong khoảng thời gian 2 giờ và sau đó rửa lại điện cực bằng nước cất hai lần để phục hồi độ nhạy của điện cực. 3.1.2. Nhiệt độ Nhiệt độ của nước là đại lượng phụ thuộc vào điều kiện môi trường và khí hậu. http://www.ebook.edu.vn 62
Nhiệt độ là điều kiện xác định đặc điểm các quá trình sinh, hóa học, v.v.. diễn ra trong môi trường nước. Nhiệt độ có ảnh hưởng đến sự hòa tan oxy và quá trình tự làm sạch nguồn nước. Do đó, nhiệt độ của nước và nhiệt độ môi trường xung quanh là những tác động trực tiếp ảnh hưởng tới thành phần và chất lượng, ảnh hưởng tới các quá trình xử lý bằng phương pháp hóa học. Đo nhiệt độ của nguồn nước ở nơi lấy mẫu và nhiệt độ không khí xung quanh là yếu tố cần thiết trong quá trình xét nghiệm mẫu nước nói chung. Nhiệt độ có ảnh hưởng không nhỏ đến các quá trình xử lý nước và nhu cầu tiêu thụ. Nước mặt thường có nhiệt độ thay đổi theo nhiệt độ môi trường. Ví dụ: ở miền Bắc Việt Nam, nhiệt độ nước thường dao động từ 13 - 340C, trong khi đó nhiệt độ trong các nguồn nước mặt ở miền Nam tương đối ổn định hơn 26 - 290C. Nhiệt độ của nước thông thường được xác định cùng với pH hay DO bằng máy đo. 3.1.3. Độ màu Nước mặt thường có độ màu cao, là một phần do các chất lơ lửng trong nước mang màu. Nước sông, suối chảy qua những vùng đất đất đỏ làm cho nước có màu trong suốt thời kỳ lũ. Độ màu thường do các chất bẩn trong nước tạo nên. Các hợp chất sắt, mangan không hoà tan làm nước có màu nâu đỏ, các chất mùn humic gây ra màu vàng, còn các loại thủy sinh tạo cho nước màu xanh lá cây. Nước bị nhiễm bẩn bởi nước thải sinh hoạt hay công nghiệp thường có màu xanh hoặc đen. Nước thải thường có màu nâu đen hoặc đỏ nâu. Màu của nước được phân thành 2 dạng: Màu thực do các chất hòa tan hoặc dạng hạt keo lơ lửng, các chất hữu cơ,… Màu biểu kiến là màu của các chất lơ lửng trong nước tạo nên. Trong phân tích nước, người ta xác định màu thực của nước, nghĩa là sau khi lọc bỏ các chất không tan. Khi phân biệt giữa độ màu biểu kiến với độ màu thực là rất quan trọng. Nhìn chung cường độ màu thường tăng khi pH tăng, vì vậy cần kiểm tra pH khi xác định độ màu. Để xác định độ màu người ta sử dụng các hóa chất chuẩn là K2PtCl6 và CoCl2, có thể dùng kỹ thuật trắc quang hoặc ống so màu (thường được gọi là ống Nessler). Đơn vị độ màu chuẩn hiện nay là Pt-Co (PCU, Platinum-Cobalt Color Units), một số trường hợp sử dụng đơn vị TCU (True Color Units). Nước thiên nhiên thường có độ màu thấp hơn 200Pt-Co. Độ màu biểu kiến trong nước thường do các chất lơ lửng trong nước tạo ra và dễ dàng loại bỏ bằng phương pháp lọc. Trong khi đó, để loại bỏ màu thực của nước (do các chất hoà tan tạo nên) phải dùng các biện pháp hoá lý kết hợp. Theo tiêu chuẩn của WHO (World Health Organization) và US (United States), EPA (Environmental Protection Agency) thì độ màu trong nước uống ≤ 15 TCU. 3.1.4. Độ đục Nước là một môi trường truyền ánh sáng tốt. Khi trong nước có các vật lạ như các chất huyền phù, các hạt cặn đất cát, các vi sinh vật,… khả năng truyền ánh sáng bị giảm đi. Nước có độ đục lớn chứng tỏ có chứa nhiều cặn bẩn. Độ đục trong nước là do các hạt rắn lơ lửng, các chất hữu cơ phân rã hoặc do các động thực vật thủy sinh gây nên. Độ đục làm giảm khả năng truyền ánh sáng trong dung dịch nước, gây mất mỹ quan khi sử dụng nước, ảnh hưởng đến chất lượng sản http://www.ebook.edu.vn 63
phẩm. Các vi khuẩn có thể xâm nhập vào các hạt rắn lơ lửng nên gây trở ngại cho giai đoạn khử trùng nước và có thể trở thành nguyên nhân gây bệnh từ nguồn nước. Độ đục là một vấn đề quan trọng trong hệ thống cấp nước công cộng bởi vì 3 lý do chính: mỹ quan, khả năng lọc và khử trùng nước. Đơn vị chuẩn đo độ đục là sự cản trở quang học do 1mg SiO2 hòa tan trong 1 lit nước cất gây ra. Đơn vị đo độ đục: 1 đơn vị độ đục = 1mg SiO2/1lít nước. Độ đục càng cao: nước nhiễm bẩn càng lớn. Độ đục cũng có thể được đo bằng máy so màu quang điện với kính lọc mầu đỏ có bước sóng 580 - 620 nm. Cách tiến hành như sau: lấy nước trong quay li tâm 3000 vòng/phút, trong vòng 10 - 15 phút, lấy dịch trong của nước đưa lên máy so mẫu, chỉnh máy về số không. Sau đó lấy các mẫu thử cho vào cuvet và đo trên máy so mầu. Số đo được biểu thị độ đục của mẫu thử. Lưu ý: số đo được trên máy so mầu với bước sóng 600 - 620 nm càng lớn thì độ đục càng lớn. Đo độ đục của nước bằng máy đo độ đục. Đơn vị đo độ đục thường được ký hiệu là NTU (Nephelometric Turbidity Units), FNU (Formazin Nephelometric Unit), JTU (jackson turbidity unit), FTU (Formazin Turbidity Unit);1 NTU tương ứng với 0,58mg formalin trong 1 lít nước. Nếu phải pha loãng mẫu nước cần xác định độ đục, độ đục của mẫu sẽ bằng độ đục đo được sau pha loãng nhân với hệ số pha loãng. Ngoài việc dùng SiO2 làm huyền phù chuẩn, người ta còn dùng các huyền phù chuẩn khác như formazin hoặc styren đivinylbenzen. Đơn vị đo đục thường là mg SiO2/l, NTU, FTU; trong đó đơn vị NTU và FTU là tương đương nhau. Nước mặt thường có độ đục 20 - 100 NTU, mùa lũ có khi cao đến 500 - 600 NTU. Nước cấp cho ăn uống thường có độ đục không vượt quá 5 NTU. Nước uống thông thường thường có độ đục nằm trong khoảng từ 0 - 1 NTU. Hàm lượng chất rắn lơ lửng cũng là một đại lượng tương quan đến độ đục của nước 3.2. Các chỉ tiêu hóa học 3.2.1. Ôxy hoà tan (Dissolved Oxygen - DO). a. Khái niệm chung Tất cả các sinh vật sống bị phụ thuộc vào oxy ở dạng này hay dạng khác để duy trì quá trình trao đổi chất nhằm sản sinh ra năng lượng cho sự sinh trưởng hoặc sinh sản. Quá trình hiếu khí là vấn đề được quan tâm nhất khi chúng cần oxy tự do. Oxy hoà tan trong nước cần thiết cho những sinh vật hiếu khí. Bình thường oxy tự do trong nước nằm trong khoảng 8 - 10 mg/l. Các chất gây ô nhiễm có trong nước thường làm giảm khả năng hòa tan của oxy trong nước. Oxy trong nước thường được tạo ra do sự hoà tan từ khí quyển hoặc do quang hợp của tảo. Khi nồng độ DO thấp, các loài sinh vật nước giảm hoạt động hoặc bị chết. Do vậy, DO là một chỉ số quan trọng để đánh giá sự ô nhiễm nước của các thuỷ vực. b. Phương pháp Winkler xác định hàm lượng oxy hòa tan * Nguyên tắc Phương pháp Winkler và những cải tiến của chúng là những kỹ thuật tiêu chuẩn để xác định oxy hòa tan hiện nay. http://www.ebook.edu.vn 64
Phương pháp này khá đơn giản, dễ thực hiện và cho phép đạt độ chính xác cao khi hoàn thành cẩn thận tất cả khâu khi tiến hành định lượng. Phương pháp dựa trên cơ sở phản ứng mà ở đó Mn+2 trong môi trường kiềm (dung dịch được cho vào trong mẫu nước trong cùng hỗn hợp với dung dịch KI) bị O2 trong mẫu nước ôxy hoá đến hợp chất Mn+4, số đương lượng của hợp chất Mn hoá trị 2 lúc đó được kết hợp với tất cả O2 hoà tan. MnCl2 + 2NaCl = 2NaCl + Mn(OH)2 Traéng Mn(OH)2 + O2 = 2MnO(OH)2 Vaøng naâu Số đương lượng của Mn(IV) được tạo thành ở dạng kết tủa màu vàng nâu bằng số đương lượng ôxy hoà tan trong nước. Khi thêm axit H2SO4 vào trong mẫu, hợp chất Mn(IV) hay nói khác đi là số đương lượng của O2 hoà tan, chính bằng số đương lượng I2 có trong mẫu nước. MnO(OH)2 + 2H2SO4 + KI = MnSO4 + K2SO4 + 3H2O + I2 I2 tự do được tách ra, dễ dàng định lượng dung dịch chuẩn Na2S2O3. I2 + 2 Na2S2O3 = 2NaI + Na2S4O6 Biết thể tích và nồng độ Na2S2O3 khi chuẩn độ ta dễ dàng tính được hàm lượng ôxy hòa tan trong mẫu nước. Vì thế khi xác định O2 hoà tan trong nước được thực hiện trong 3 giai đoạn: Giai đoạn I: Cố định O2 hòa tan trong mẫu (cố định mẫu) Giai đoạn II: Tách I2 bằng môi trường axít (axít hóa, xử lý mẫu) Giai đoạn III: Chuẩn độ I2 bằng Na2S2O3 (phân tích mẫu) Hạn chế của phương pháp: phương pháp Winkler xác định O2 hòa tan trong nước không áp dụng với những mẫu nước có chất ôxy hoá (vùng nước bị nhiễm bẩn nước thải công nghiệp) có khả năng ôxy hoá anion I-, hoặc các chất khử (đihydrosunfua H2S) khử I2 tự do. * Hóa chất cần thiết. - Dung dịch MnCl2: Hòa tan 250g MnCl2.4H2O trong 620ml nước cất đựng vào lọ trắng. - Dung dịch KI/NaOH: Hoà tan 150g KI trong 200ml nước cất, hoà tan 500g NaOH trong 500ml nước cất (khi hoà tan vừa khuấy vừa làm lạnh). Trộn 2 dung dịch này với nhau và thêm nước cất đến đủ 1l. Đựng vào lọ nâu, nút cao su. - Dung dịch tinh bột Cách pha thứ 1: Hòa tan 0,5g tinh bột dễ tan với 1lít nước cất, rồi thêm 100ml nước cất và khuấy, đun đến sôi. Có thể thêm 3giọt CCl4 hoặc CHCl3 để diệt vi khuẩn. Cách pha thứ 2: Cho 2g tinh bột dễ tan vào trong 1lít nước cất. Dùng NaOH 20% vừa cho vừa khuấy vào dung dịch tinh bột (hết khoảng 30ml dung dịch kiềm) cho tới khi được một dung dịch trong suốt, hơi sánh. Để yên trong 1 giờ, dùng dung dịch HCl 20% vừa cho vừa khuấy để trung hòa kiềm, cho đến khi phản ứng axít yếu (thử đo http://www.ebook.edu.vn 65
giấy đo pH = 6 là được). Thêm hỗn hợp đó 1ml axít axetic 99% để bảo quản. Dung dịch để một năm mới hỏng. - Dung dịch nguyên chuẩn K2Cr2O7 0,1 N: Cần 4,903g tinh thể hòa tan và định mức đến 1 lít bằng nước cất hoặc là dùng K2Cr2O7 N/10. H2SO4 đặc; Dung dịch H2SO4 25%. Chú ý: Khi pha phải đổ axít vào nước, không làm ngược lại. Đong lượng axít trong ống đong mà không dùng pipet. - Dung dịch KI 1M: Hòa tan 8,3g KI vào trong 500ml nước cất. Trộn đều rồi cho vào lọ nâu. - Dung dịch Na2S2O3 0,1 N: Hòa tan 25g tinh thể Na2S2O3 . 5H2O trong 1lít nước cất, đun sôi để nguội (để đuổi hết CO2). Thêm 6 hạt NaOH rắn rồi cho vào lọ hoặc dùng Na2S2O3 N/10. Dung dịch vừa pha không có nồng độ chính xác vì vậy cần phải xác định lại nồng độ. Lý do là trong tinh thể Na2S2O3 thường lẫn Na2S, Na2CO3, Na2SO3 ... và Na2S2O3 dễ bị vi khuẩn phân giải, bị ôxy trong không khí ôxy hóa. * Cách tiến hành Nạp dung dịch mới pha lên buret. Cho vào bình nón 10ml dung dịch H2SO4 25%, 10ml KI 1M, 10ml K2Cr2O7. Lắc đều để yên 5 phút, chuẩn độ bằng Na2S2O3 0,1 N cho đến màu vàng nhạt, rồi cho 3 giọt hồ tinh bột. Tiếp tục nhỏ từng giọt Na2S2O3 cho đến hết màu xanh tím (chỉ đến mất màu xanh tím của dung dịch tinh bột chứ không thể mất màu của Cr3+ được). Ghi thể tích Na2S2O3, tiêu tốn V(ml). Nồng độ dung dịch Na2S2O3 được tính theo công thức: 10. 0,1 N= V Tổng quát: VK 2Cr2O7 . N K 2Cr2O7 Ν= V Từ dung dịch Na2S2O3 đã biết chính xác nồng độ, ta pha dung dịch Na2S2O3 0,01 N là dung dịch chuẩn để xác định O2 hòa tan. * Tính toán Hàm lượng O2 hoà tan trong nước được tính theo công thức: V . N . 8 . 1000 mg O2/L = V0 Trong đó: Số ml dung dịch Na2S2O3 0,01N đã dùng hết V: Nồng độ dung dịch chuẩn Na2S2O3 N: Thể tích mẫu nước đã xử lý để phân tích V0: Đương lượng của O2 8: Hệ số đổi thành lít 1000: http://www.ebook.edu.vn 66
Chú ý: Trong giai đoạn cố định, chúng ta đã thêm 2ml hoá chất (1ml MnCl2 + 1ml KI/NaOH) vào trong chai mẫu 125ml, nên lượng nước thực tế được định lượng (trừ phần hoá chất đã cho vào) là: 125 − 2 25 x = 24,6 (mL) 125 Và như vậy hàm lượng O2 hòa tan trong nước chính xác là: V . N . 8 . 1000 mg O2/L = 24,6 3.2.2. Nhu cầu oxy sinh hóa (Biochemical oxygen Demand - BOD) a. Khái niệm chung BOD là lượng oxy cần thiết để vi sinh vật oxy hóa các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học trong điều kiện hiếu khí. Đơn vị tính là (mg/l). Khái niệm “có khả năng phân hủy” nghĩa là chất hữu cơ có khả năng dùng làm thức ăn cho vi sinh vật. C haá t höõ u cô O2 CO2 H 2O + + Vi sinh vaä t Teá baø o m ôù i (taê n g sinh khoá i ) Lượng oxy sử dụng trong quá trình này là oxy hòa tan trong nước, oxy do quá trình quang hợp. Chỉ tiêu BOD được xác định bằng cách đo đạc lượng oxy mà vi sinh vật tiêu thụ trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ. Chỉ tiêu BOD càng cao chứng tỏ lượng chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học ô nhiễm càng lớn. Nước thải sinh hoạt có BOD ≈ 80 - 240 mg/l Nước thải công nghiệp có BOD ≈ 200 - 30000 mg/l BOD5 là thông số được sử dụng phổ biến nhất đó chính là oxy cần thiết để oxy hóa sinh học trong 5 ngày ở nhiệt độ 20oC trong bóng tối (để tránh hiện tượng quang hợp ở trong nước). Bình thường 70 - 80% oxy được sử dụng trong 5 ngày đầu. Theo lý thuyết, phản ứng có thể xem là hoàn toàn trong 20 ngày, đây là khoảng thời gian khá dài. Kinh nghiệm cho thấy tỷ lệ BOD5/BODtổng cộng tương đối cao nên thời gian ủ 5 ngày là hợp lý. Tỷ lệ này cao hay thấp tùy thuộc vào vi sinh vật được bổ sung trong phân tích BOD và bản chất của chất hữu cơ. Quá trình oxy hóa các chất hữu cơ trong nước có thể xảy ra theo hai giai đoạn: - Giai đoạn 1: Chủ yếu oxy hóa các hợp chất cacbua hydro, quá trình này xảy ra ở o 20 C. Vi khuaån CnHm (n + m) O2 n CO2 m/2 H2O + + - Giai đoạn 2: Oxy hóa các hợp chất nitơ. 3 O2 Vi khuaån 2 nNO2- + + 2NH3 2H 2 H2O + + 2NO2- 2 NO3- Vi khuaån O2 + b. Phương pháp xác định BOD5 Nước pha loãng cần phải cấy thêm vi sinh vật và nguồn vi sinh vật đối với nước như sau: http://www.ebook.edu.vn 67
A. Nước mặt (sông, suối, ao, hồ): để pha loãng nước thải sinh hoạt. B. Nước thải: là nước lấy từ cuối của dòng thải. DO của nước pha loãng đã cấy vi sinh vật sau 5 ngày ủ ở nhiệt độ 20oC không được giảm quá 1 mg/l so với DO ban đầu. Trung bình mẫu nước có pH nằm trong khoảng 6,5 – 7,5. Nếu mẫu nước chứa lượng lớn tảo và các phù du thực vật, thì chúng cần được lọc qua lưới lọc phù du trước khi xác định BOD5. Với mẫu nước chứa các chất độc hại đối với vi sinh vật như kim loại nặng, chất diệt khuẩn,… cần phải nghiên cứu cách loại trừ các ảnh hưởng riêng của chúng. Clo tự do và clo liên kết có thể loại trừ bằng dung dịch natrisunfít 0,5 mg/l. Trong nước thải thường có hàm lượng chất hữu cơ khá lớn và lượng oxy hòa tan không đủ đáp ứng cho 5 ngày ở 200C. Để xác định BOD5 thường dùng phương pháp pha loãng mẫu nước bằng cách bổ sung vào nước một số chất khoáng làm bão hòa oxy hòa tan (vì độ tan oxy giới hạn trong khoảng 9 mg/l ở 200C). Dịch pha loãng được chuẩn bị ở chai miệng to. Bão hòa oxy bằng cách thổi khí vào 1 lít nước cất, lắc đều nhiều lần đến khi bão hòa oxy hòa tan sau đó thêm các dung dịch như sau: - 1ml dung dịch đệm photphat pH = 7,2 (hòa tan 8,5 gam KH2PO4, 21,75 gam K2HPO4, 33,4 gam Na2HPO4.7H2O, 1,7 gam NH4Cl trong nước cất, định mức tới 1lít). - 1 ml magiesunfat (hòa tan 2,25 g MgSO4.7H2O trong 100 ml nước cất). - 1ml canxiclorua (hoà tan 2,75 g CaCl2 trong 100 ml nước cất). - 1ml FeCl3 (hòa tan 0,25 gam FeCl3.6H2O trong nước cất định mức tới 1 lít). * Xác định BOD5: Mẫu nước trong lọ đầy, nút kín. Trước khi phân tích cần trung hòa về pH = 7 bằng axít sunfuric 1N hoặc natri hiđroxít 1N. Nếu cần thì tiến hành pha loãng dựa vào chỉ số BOD: Nếu BOD5 không vượt quá 7mg/l thì không pha loãng, thực hiện đo giá trị BOD trực tiếp: Mẫu được lấy vào ít nhất 2 bình BOD 200 - 300 ml. Đo giá trị DO ngay đối với bình thứ nhất và các bình còn lại để ủ sau 5 ngày ở 200C: BOD5 = DOo - DO5 Nếu ước lượng mẫu nước có giá trị BOD>7 mg/l thì mẫu nước phải pha loãng. 12 mg O2/l pha loãng theo tỷ lệ 1:1 (1 phần nước + 1 phần dung dịch pha loãng). 30 mg O2/l pha loãng theo tỷ lệ 1:4 (1 phần nước + 4 phần dung dịch pha loãng). 60 mg O2/l pha loãng theo tỷ lệ 1:9 (1 phần nước + 9 phần dung dịch pha loãng). 300 mg O2/l pha loãng theo tỷ lệ: 2 phần nước + 98 phần dung dịch pha loãng. 600 mg O2/l pha loãng theo tỷ lệ: 1 phần nước + 99 phần dung dịch pha loãng. http://www.ebook.edu.vn 68
1200 mg O2/l pha loãng theo tỷ lệ: 0,5 phần nước + 999,5 phần dung dịch pha loãng. Khi pha loãng cần chú ý không để oxy cuốn theo. Mẫu nước (sau khi pha loãng) được cho vào chai phân tích BOD có dung tích 300ml, cho đầy, đậy nút kín. Một chai để ủ 5 ngày trong bóng tối ở 200C. Một chai đem xác định DO ở thời điểm ban đầu. Chai ủ sau 5 ngày đem phân tích. * Kết quả được tính như sau: BOD5 = (C1 – C2)/P C1: Nồng độ oxy hòa tan (DO) sau khi pha loãng ở thời điểm ban đầu phân tích, mgO2/l C2: Nồng độ oxy hòa tan sau 5 ngày, ủ ở 200C, mgO2/l P: Hệ số pha loãng. Theå tích maãu nöôùc ñem phaân tích Heä soá pha loaõng P = Theå tích maãu nöôùc ñem phaân tích + theå tích dung dòch pha loaõng Hệ số pha loãng: dựa vào độ pha loãng được khuyến nghị trong TCVN 6001- 1995 và dựa vào giá trị COD, lựa chọn hệ số pha loãng thích hợp. - Đối với mẫu có nồng độ COD< 0 mg/l thì hệ số pha loãng tương ứng là 5. - Đối với mẫu có nồng độ 50
Do đó để đánh giá một cách đầy đủ lượng oxy cần thiết để oxy hóa tất cả các chất hữu cơ trong nước thải người ta sử dụng chỉ tiêu nhu cầu oxy hóa học. 3.2.3. Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand - COD) a. Khái niệm chung COD là lượng oxy cần thiết để oxy hóa các chất hữu cơ thành CO2 và H2O dưới tác dụng của các chất oxy hóa mạnh. Lượng oxy này tương đương với hàm lượng chất hữu cơ có thể bị oxy hóa được xác định khi sử dụng một tác nhân oxy hóa học mạnh trong môi trường axít. COD là chỉ tiêu đánh giá mức độ ô nhiễm của nước (nước thải, nước mặt, nước sinh hoạt) kể cả chất hữu cơ dễ phân hủy và khó phân hủy sinh học. Khi phân tích COD, các chất hữu cơ sẽ chuyển thành CO2 và H2O, ví dụ cả glucozơ và lignin đều bị oxy hóa hoàn toàn. Do đó giá trị COD lớn hơn BOD và có thể COD lớn rất nhiều lần so với BOD khi mẫu nước đa phần những chất khó phân hủy sinh học, ví dụ nước thải giấy có COD >>BOD do hàm lượng lignin cao. Một trong những hạn chế chủ yếu của phân tích COD là không thể xác định phần chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học và không có khả năng phân hủy sinh học. Thêm vào đó phân tích COD không cho biết tốc độ phân hủy sinh học của các chất hữu cơ trong nước thải ở điều kiện tự nhiên. Ưu điểm chính của phân tích COD là cho kết quả trong khoảng thời gian ngắn hơn so với BOD. Phương pháp phổ biến nhất để xác định COD là phương pháp bicromat. b. Phương pháp xác định Nguyên tắc: H+ H2O + 2 Cr3+ + 2K+ Chaát höõu cô K2Cr2O7 CO2 Ag2SO4 + + + t0 Bạc sunfat để là xúc tác cho phản ứng oxy hoá các hợp chất mạch thẳng, hiđrocacbon thơm và pyridin. Trong khi đó clo gây cản trở do quá trình phản ứng với bicromat gây sai số dư: Cr2O72- - + 3+ + 6 Cl + 14 H Cl2 + 2H2O + 2 Cr 3 Hàm lượng Cl- trong mẫu phải nhỏ hơn 1000mg/l. Có thể che Cl- bằng thủy ngân sunfat: 2Cl- + Hg2+ → HgCl2. Hằng số bền β = 1,7.1013 Lượng biromat dư được chuẩn độ bằng dung dịch Mohr Fe(NH4)2(SO)4 và sử dụng dung dịch ferroin làm chất chỉ thị. Phương trình phản ứng được biểu diễn như sau: Cr2O72- Fe2+ H+ Fe3+ Cr 3+ H 2O + + + + Chỉ thị sẽ chuyển từ màu xanh lam sang màu đỏ nhạt. Fe(C12H8N2)32+ + Cr2O72- ⇔ Fe(C12H8N2)33+ http://www.ebook.edu.vn 70
- Phương pháp xác định. Phần lớn các chất hữu cơ đều bị oxy hóa bởi K2Cr2O7 trong môi trường axit, ở nhiệt độ 1500C. Dựa vào hàm lượng chất hữu cơ trong mẫu, chọn hàm lượng chất oxy hóa đặc hay loãng (0,1N hay 0,025N) cho thích hợp. Sau khi phản ứng oxy hóa xảy ra hoàn toàn, ta định phân lượng dicromatkali dư bằng Fe(NH4)2SO4 theo phương trình: 6Fe2+ + Cr2O72- + 14H+ 6Fe3+ + 3Cr3+ + 7 H2O Trị số COD chính là lượng oxy tính từ hàm lượng K2Cr2O7 tham gia phản ứng oxy hóa. Tiến hành. Lấy 20 ml mẫu nước cho vào bình có sinh hàn hồi lưu, thêm HgSO4 (nếu trong mẫu có hàm lượng 10 mg Cl-/l thì thêm 0,1 gam HgSO4) và 10 ml dung dịch K2Cr2O7 0,25N và vài hạt thuỷ tinh. Lắp ống sinh hàn với nút thủy tinh nhám. Thêm vào từ từ 30 ml H2SO4 đặc có chứa Ag2SO4 qua phần cuối ống sinh hàn và lắc đề dung dịch hỗn hợp trong khi thêm axít. Đun hồi lưu trong 2 giờ. Để nguội và tráng sinh hàn hồi lưu bằng nước cất. Pha loãng dịch hỗn hợp bằng nước cất tới 150 ml. Để nguội, chuẩn dicromat dư bằng dung dịch muối Mohr Fe(NH4)2(SO)4 và chỉ thị ferroin. Tiến hành song song với mẫu trắng 20 ml nước cất. Tính kết quả (a b) N 8000 COD (mg/L) = Soá ml maãu thöû a : Thể tích dung dịch muối Mohr dùng để chuẩn độ mẫu trắng; ml b : Thể tích dung dịch muối Mohr dùng để chuẩn độ mẫu thử; ml N : Nồng độ đương lượng của dung dịch muối Mohr 3.2.4. Chỉ số chất rắn lơ lửng a. Khái niệm chung Chất rắn lơ lửng nói riêng và tổng chất rắn nói chung có ảnh hưởng đến chất lượng nước trên nhiều phương diện. Hàm lượng chất rắn trong nước thấp làm hạn chế sinh trưởng hoặc ngăn cản sự sinh sống của thủy sinh. Các chất rắn có trong nước là: - Các chất vô cơ là dạng muối hòa tan hoặc không tan. http://www.ebook.edu.vn 71
- Các chất hữu cơ như xác các vi sinh vật, tảo, động vật nguyên sinh, động thực vật phù du,..., các chất hữu cơ tổng hợp như phân bón, các chất thải công nghiệp. Chất rắn trong nước phân thành 2 loại theo kích thước hạt: - Chất rắn qua lọc có đường kính hạt nhỏ hơn 1μm (10-6m), bao gồm dạng keo và dạng hòa tan. - Chất rắn không qua lọc có đường kính lớn hơn 1μm, bao gồm các hạt là xác rong tảo có kích thước hạt 10-5 - 10-6m ở dạng lơ lửng; cát sạn, cát có kích thước trên 10-5m có thể lắng cặn. Một số chỉ tiêu biểu thị hàm lượng chất rắn như sau: - Tổng chất rắn TS (Total Solid): là trọng lượng khô còn lại sau khi cho bay hơi 1 lit mẫu nước (phù sa, mùn bã hữu cơ, tảo) trên nồi cách thủy rồi sấy khô ở 1030C tới khi trọng lượng không đổi. Đơn vị tính mg/l hoặc g/l. - Chất rắn lơ lửng dạng huyền phù SS (Suspended Solid): là phần trọng lượng khô của chất rắn còn lại trên giấy lọc sợi thủy tinh, khi lọc 1 lít mẫu nước qua phễu lọc Gooch rồi sấy khô ở 103 - 1050C tới khi trọng lượng không đổi. Đơn vị tính mg/L hoặc g/L. - Chất rắn hòa tan DS (Dissolved Solid): Hàm lượng chất rắn hòa tan bằng hiệu giữa tổng số chất rắn với huyền phù. Đơn vị tính mg/l hoặc g/l. DS = TS - SS - Chất rắn bay hơi VS (Volatile Solid): Hàm lượng chất rắn bay hơi là phần mất đi khi nung lượng chất rắn huyền phù SS ở 5500C trong khoảng thời gian nhất định. Thời gian này phụ thuộc vào loại mẫu nước (nước cống, nước thải hoặc bùn). Đơn vị tính mg/l hoặc phần trăm (%) của SS hay TS. Hàm lượng chất rắn bay hơi trong nước biểu thị cho chất hữu cơ có trong nước. - Chất rắn có thể lắng: Là số ml phần chất rắn của 1 lít mẫu nước đã lắng xuống đáy phễu sau một khoảng thời gian (thường là 1 giờ). b. Phương pháp xác định - Cần phải loại bỏ vật thể nổi lớn cũng như tập hợp các vật thể không đồng nhất chìm trong mẫu nước. - Nếu mẫu nước có độ khoáng cao, cần thiết phải rửa giấy lọc bằng nước cất nhiều lần trước khi sấy giấy lọc. - Không kéo dài thời gian lọc mẫu nước vì các hạt keo có trong nước sẽ bị giữ lại trên giấy lọc. - Hàm lượng cặn tối đa trong phần mẫu phân tích không vượt quá 200mg để chúng không cản trở quá trình bay hơi của nước. - Tiến hành phân tích mẫu trắng (nước cất 2 lần) để hiệu chỉnh kết quả phân tích như sau: (m1 m2) (m2t m1t) 1000 SS (mg/L) = V Trong đó: m1, m2: khối lượng giấy lọc trước và sau khi lọc mẫu tương ứng (mg). m1t, m2t: khối lượng giấy lọc trước và sau khi lọc mẫu trắng tương ứng (mg). V: thể tích mẫu nước phân tích (ml). Cũng có thể xác định lượng SS bằng máy quang phổ hấp thụ nguyên tử. http://www.ebook.edu.vn 72
3.2.5. Chỉ số Fe Sắt là nguyên tố phân bố rộng trong đất, đá thường ở trạng thái có độ tan thấp. Do các phản ứng hóa học, sinh học, chúng chuyển hóa thành dạng hòa tan, chủ yếu là Fe(II) thấm vào nước ngầm. Trong nước ngầm, sắt thường tồn tại dưới dạng ion Fe2+, kết hợp với các gốc bicacbonat, sunfat, clorua; đôi khi tồn tại dưới keo của axit humic hoặc keo silic. Khi tiếp xúc với oxy hoặc các tác nhân oxy hoá, ion Fe2+ bị oxy hóa thành ion Fe3+ và kết hợp tủa thành các bông cặn Fe(OH)3 có màu nâu đỏ. Tuy nhiên trong điều kiện yếm khí Fe3+ bị khử thành Fe2+. Trong nước thiên nhiên, chủ yếu là nước ngầm, có thể chứa sắt với hàm lượng đến 40 mg/l hoặc cao hơn. Với hàm lượng sắt cao hơn 0,5mg/l, nước có mùi tanh khó chịu, làm vàng quần áo khi giặt, làm hỏng sản phẩm của các ngành dệt, giấy, phim ảnh, đồ hộp. Các cặn sắt kết tủa có thể làm tắc hoặc giảm khả năng vận chuyển của các ống dẫn nước. Hàm lượng sắt trong nước ngầm dao động trong khoảng: 0,5 – 50 mg/l. Trong nước thiên nhiên sắt có thể tồn tại dưới dạng Fe2+, Fe3+ và các hợp chất hữu cơ hòa tan hay không hòa tan. Khi pH và nồng độ oxy hòa tan rất thấp trong nước chỉ có ion Fe2+. Độ hòa tan của muối Fe2+ thường thương đối lớn, độ thủy phân tương đối nhỏ, cho nên Fe2+ khó tạo thành kết tủa tách ra. Đặc biệt trong nước ao hồ có chứa axít humic, pH của nước này thường gần bằng 4, Fe2+ kết hợp với axít humic tạo thành phức chất rất khó bị oxy hóa bởi oxy hòa tan. Khi nồng độ hòa tan tương đối lớn, trị số pH cao Fe2+ sẽ bị oxy hóa thành Fe3+. Fe2+ - e → Fe3+ + 11.5kcal Fe3+ sẽ thủy phân thành Fe(OH)3 khó hòa tan Fe3+ + 3H2O → Fe(OH)3 + 3H+ Khi pH của nước lớn hơn hay bằng 8, thì Fe2+ trong nước bị oxy hóa với tốc độ rất nhanh. Trong nước bề mặt và hàm lượng oxy hòa tan tương đối nhiều pH của nước này thường trung tính hay kiềm yếu, hầu như chỉ có Fe(OH)3 ở trạng thái keo không hòa tan và nồng độ Fe2+ ở trạng thái dung dịch thật rất nhỏ. Có nhiều loài tham gia vào việc oxy hóa Fe2+ → Fe3+ như Leptothrix ochracea và Crenothrix polyspora đáng chú ý nhất là loài Thiobacillus (Thiobacillus ferrooxydanns) là loài vi khuẩn có khả năng oxy hóa Fe2+ → Fe3+ trong môi trường axít, ở đây sự oxy hóa vô cơ Fe2+ → Fe3+ khó có thể xảy ra. Sắt tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau, tùy theo nước bề mặt hay nước ngầm mà sắt sẽ tồn tại dưới dạng Ion hóa trị 2 hoặc hóa trị 3 và ở dạng hydroxyt kết tủa. Hàm lượng sắt trong nước phải đảm bảo < 0,3 mg/l. Khi trong nước có Fe, chúng gây đục màu: Fe oxi hoùa 2 3 Fe : maøu naâu ñoû Việc xử lý nước bị nhiễm Fe (Dân gian gọi là nhiễm phèn) rất khó, đa số các hộ dân sử dụng nước ngầm đều dùng cột lọc hoặc lọc sơ bộ thấy nước trong cứ nghĩ rằng đã sạch. Tuy nhiên nếu qua máy nước nóng, hoặc chứa trong bể sẽ thấy lắng cặn màu đỏ. Có thể dùng phương pháp oxy hóa sắt bằng oxy không khí để xử lý sắt: Bản chất của phương pháp là sự oxy hóa sắt (II) và tách chúng ra khỏi nước dưới dạng sắt (III) hiđroxít. Trong nước ngầm thường tồn tại Fe(HCO3)2. http://www.ebook.edu.vn 73
Fe(HCO3)2 + 2H2O ⇔ Fe(OH)2 + 2H2CO3 H2O + CO2 ⇔ H2CO3 ⇔ H+ + HCO3- Nếu trong nước có oxy hòa tan sắt (II) hiđroxyt thành sắt (III) hiđroxyt. 4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 → 4Fe(OH)3↓ Fe(OH)3 kết tủa thành các bông cặn màu vàng dễ tách ra khỏi nước. Tổ hợp 3 phương trình trên ta có: 4Fe2+ + 8HCO3- + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3↓ + 8H+ + 8HCO3- Tiêu chuẩn giới hạn cho phép của các nước EU là 0,2 mg/l, của WHO là 0,3 mg/l. Có thể xác định hàm lượng Fe bằng phương pháp hấp phụ quang phổ nguyên tử. 3.2.6. Clorua (Cl -) Clo (Cl-) có mặt trong nước là do các chất thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp mà chủ yếu là công nghiệp chế biến thực phẩm, ngoài ra do sự xâm nhập của nước biển vào các cửa sông, vào mạch nước ngầm. Là một trong số các Ion quan trọng trong nước cấp, vị mặn của nước là do ion Cl tạo nên. Nước có Cl- với lượng 300mg/l có thể gây cảm giác mặn, nước mặn với nồng độ Na+, Cl- trong nước cao sẽ gây rối loạn điện giải đối với cơ thể con người và tác hại đến cây trồng. Clorua làm cho nước có vị mặn. Ion này thâm nhập vào nước qua sự hoà tan các muối khoáng hoặc bị ảnh hưởng từ quá trình nhiễm mặn các tầng chứa nước ngầm hay ở đoạn sông gần biển. Việc dùng nước có hàm lượng clorua cao có thể gây ra bệnh về thận. Ngoài ra, nước chứa nhiều clorua có tính xâm thực đối với bê tông Clorua là một trong những ion rất quan trọng trong chế độ dinh dưỡng của con người, là một bộ phận chính. Nó có mặt trong hầu hết các đường ống cung cấp nước, nếu giả sử trong nước cũng có mặt của Na+ thì nước sẽ có vị mặn của muối nếu nồng độ của Clo ≥ 250 ppm. Hiện nay người ta vẫn chưa có những kết luận chính thức về sự gây hại đối với con người khi hàm lượng clo trong nước là cao. Ion Cl- là rất quan trọng đối với sức khỏe con người. Nó không những có vai trò quan trọng trong cân bằng các chất điện ly trong máu mà còn sản xuất ra axít trong dạ dày, HCl. Một lượng lớn ion clo có thể có những ảnh hưởng ăn mòn đường ống bằng kim loại và gây hại đến sự phát triển của động- thực vật. Do vậy kiểm tra hàm lượng clo trong nước là rất quan trọng. Cho đến nay có nhiều phương pháp để xác định lượng clo còn lại trong nước tự nhiên cũng như nước sinh hoạt. Điển hình là các phương pháp trọng lượng, phương pháp chuẩn độ dựa vào phản ứng kết tủa với bạc nitrat (chỉ khác nhau ở việc sử dụng các chỉ thị khác nhau để nhận ra điểm cuối của quá trình chuẩn độ) và phương pháp đo điện thế sử dụng điện cực chọn lọc ion clorua. Trong các phương pháp cổ điển thì phương pháp trọng lượng được xem là có độ chính xác tương đối cao, nhưng thời gian tiến hành kéo dài và không phù hợp khi xác định clo ở những nồng độ thấp đặc biệt là các lượng vết clo. Ngày nay, phương pháp dùng điện cực chọn lọc ion là rất tiện lợi, nhanh và chính xác ngay cả khi ion định phân có trong dung dịch ở những nồng độ rất nhỏ. Chúng ta có thể tiến hành xác định clo trong nước bằng các phương pháp: phép đo iod (chuẩn độ oxy hóa - khử), phương pháp Mohr, phương pháp Fajans (chuẩn độ kết tủa). http://www.ebook.edu.vn 74