Giáo trình Thực tập xử lý nước cấp: Phần 2 - TS. Vũ Văn Biên

Chia sẻ: _ _ | Ngày: | Loại File: PDF | Số trang:38

Thêm vào BST

Báo xấu

23
lượt xem 12
download

Download Vui lòng tải xuống để xem tài liệu đầy đủ

Từ các đánh giá hiệu quả xử lý nước cấp thông qua nhiều phương pháp khác nhau, sinh viên môi trường có cái nhìn tổng quan, thực tế về các phương pháp xử lý nước cấp cũng như hiệu quả của các phương pháp. Giáo trình "Thực tập xử lý nước cấp" cũng tranh bị cho sinh viên những kỹ năng thực hành phân tích đánh giá các chỉ tiêu phân tích đối với xử lý nước, phân tích đánh giá số liệu và xây dựng các phương trình động học cho quá trình xử lý. Từ đó, nắm được quy luật cho từng phương pháp xử lý. Sách được chia thành 2 phần, mời các bạn cùng tham khảo phần 2 cuốn sách.

Chủ đề:

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

Lưu

Nội dung Text: Giáo trình Thực tập xử lý nước cấp: Phần 2 - TS. Vũ Văn Biên

BÀI THỰC HÀNH SỐ 5 KHỬ CỨNG BẰNG HÓA CHẤT Mục tiêu bài thực hành số 5: Sau khi học xong bài này, sinh viên có khả năng:  Trình bày được các loại độ cứng.  Giải thích được cơ chế khử cứng carbonate bằng vôi, khử cứng non-carbonate bằng vôi và soda, khử cứng bằng Pellet Reactor.  Đánh giá được khả năng khử cứng bằng hóa chất cần thiết.  So sánh được hiệu quả xử lý canxi của dạng mẻ và liên tục. 5.1. TỔNG QUAN Nước cứng được định nghĩa là nước có nồng độ ion hóa trị 2 cao, đặc trưng là 2 loại ion: Canxi và Magie. Nước được coi là cứng khi có độ cứng trên 120 mg/L CaCO3. Độ cứng được chia làm hai loại: độ cứng tạm thời (độ cứng carbonate) và độ cứng vĩnh cửu: + Độ cứng tạm thời: tổng hàm lượng muối canxi và magie ở dạng bicarbonate. + Độ cứng vĩnh cửu: tổng hàm lượng muối canxi, magie dưới dạng sulfate, chloride, nitrate. Nước cứng tuy không ảnh hưởng đến sức khỏe, tuy nhiên lại làm giảm hiệu quả của xà phòng; tạo cặn kết bám vững chắc bên trong đường ống, thiết bị công nghiệp, gây giảm khả năng hoạt động và tuổi thọ; làm mất thẩm mỹ đối với nguồn nước và làm tốn nhiệt đun nước. Quá trình làm mềm nước là quá trình loại bỏ độ cứng ra khỏi nước. Có nhiều phương pháp xử lý độ cứng (hóa chất, nhựa trao đổi ion, màng lọc nanofiltration,…). Tuy nhiên, phương pháp hóa học và trao đổi ion là hai quá trình được ứng dụng phổ biến nhất. 47
5.1.1. Khử cứng carbonate bằng vôi Khi cho vôi vào nước, các phản ứng xảy ra như sau: CO2 + Ca(OH)2  CaCO3 + H2O (kết tủa khi pH = 8,3) Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2  2CaCO3 + 2H2O (kết tủa khi pH = 9,4) Mg(HCO3)2 + Ca(OH)2  MgCO3 (soluble) + CaCO3 + 2H2O Thêm vôi vào để loại bỏ MgCO3 MgCO3 + Ca(OH)2  CaCO3 + Mg(OH)2 (kết tủa khi pH = 10,6) 5.1.2. Khử cứng non-carbonate bằng vôi và sođa CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3  + Na2SO4 CaCl2 + Na2CO3 → CaCO3  + NaCl MgSO4 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2  + CaSO4 MgCl2 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2  + CaCl2 CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3  + Na2SO4 CaCl2 + Na2CO3 → CaCO3  + NaCl Do nước sau khi làm mềm có pH cao (10,6) và có hàm lượng CaCO3 cao → phải ổn định để CaCO3 không kết tủa trong bể lọc hoặc mạng lưới ống dẫn. 5.1.3. Phương pháp khuấy trộn Phương pháp khuấy trộn thường sử dụng với qui trình xử lý như sau: Nước cứng được hòa trộn nhanh với hóa chất (tùy thuộc vào loại độ cứng có trong nước mà hóa chất vôi, soda hay kết hợp vôi – soda được sử dụng), sau đó nước sau khi hòa trộn sẽ được đưa qua bể phản ứng để tạo kết tủa. Kết tủa sau phản ứng sẽ được loại bỏ trong bể lắng rồi tới bể lọc. Trước khi qua bể lọc, nước sẽ được tái carbonic nhằm hạ pH để đảm bảo bể lọc hoạt động hiệu quả, tránh quá trình bám dính của kết tủa trên bề mặt bể lọc và giảm độ nhớt của nước khi pH cao. Có thể thay cụm bể gồm bể trộn – bể phản ứng – bể lắng thành bể lắng tiếp xúc. 48
Hình 5.1: Mô hình khuấy trộn loại bỏ độ cứng 5.1.4. Phương pháp bể phản ứng tầng sôi (Pellet Reactor) Pellet Reactor (PR) là bể phản ứng tầng sôi hoặc bể phản ứng dòng trên. Cấu tạo chính của PR bao gồm một cột phản ứng tầng sôi, nơi mà nước được bơm vào cùng với hóa chất và cát để xử lý. Các hóa chất thường được thêm vào để khử cứng là vôi, soda. PR tận dụng các ưu điểm của phương pháp dùng hóa chất vôi/soda (đơn giản, hiệu suất cao, hóa chất rẻ) và khắc phục được nhược điểm của phương pháp dùng khuấy trộn và bể lắng (tốn diện tích xây bể lắng và sinh ra bùn thải). Dung dịch được đưa vào PR từ dưới lên trên, ngay tại vùng trộn lẫn của “cát-Ca2+-CO32-” và dòng chảy đẩy nước lên phía trên, đi qua khỏi tầng sôi của cát. Sự hình thành tinh thể CaCO3 xảy ra ngay trên bề mặt hạt cát. Các hạt CaCO3 kết tinh trên cát ngày càng dày, có thể đạt kích thước gấp 5 lần kích thước của hạt cát ban đầu. Nước sau phản ứng được lấy ra từ ống trên của PR. Khi cát và CaCO3 đạt kích thước và khối lượng nhất định, chúng lắng xuống đáy của PR. Lúc này, để giữ cho tầng sôi hoạt động ổn định, cần phải thay cát mới. Khác với bùn thải, cát sau xử lý là một sản phẩm có thể tái sử dụng. Các phản ứng xảy ra trong PR như sau: Na2CO3 → 2Na+ + CO32− NaOH → Na+ + OH- 49
HCO3- + OH- → CO32− + H2O Ca2+ + CO32- → CaCO3 ↓ CaCO3 + cát → Cát sau xử lý Hình 5.2: Mô hình Pellet Reactor Bể phản ứng tầng sôi có những ưu điểm nổi trội so với quá trình khuấy trộn. - Loại bỏ canxi với hiệu quả cao. - Kích thước hệ thống bể phản ứng tầng sôi nhỏ gọn, dễ lắp đặt, có thể xử lý liên tục trong nhiều ngày. - Không tốn nhiều chi phí đầu tư hệ thống, cát dễ tìm, giá thành rẻ, dễ xử lý. - Hạt cát sau xử lý dễ dàng tách ra khỏi PR sau khi đã đạt kích thước nhất định. Hạt cát sau xử lý có thể tái sử dụng như vôi trong nông nghiệp, trung hòa nước thải có tính acid; làm nguyên liệu trong công nghiệp chế biến xi măng, công nghiệp xây dựng, lấp đầy rãnh đường. 50
- Sử dụng bể phản ứng tầng sôi trước hệ thống trao đổi ion có thể giảm chi phí để độ cứng cao, đồng thời tăng tuổi thọ cho nhựa. Tuy nhiên, nếu dùng cho mục đích loại bỏ độ cứng Magie, bể phản ứng tầng sôi hoạt động không hiệu quả. 5.2. DỤNG CỤ - THIẾT BỊ Bảng 5.1: Danh sách dụng cụ và thiết bị cần dùng STT Dụng cụ Số lượng 1 Erlen 125mL 10 2 Pipet: 2 mL, 5 mL, 10 mL 03 3 Bóp cao su 02 4 Buret 02 5 Cốc 500 mL 03 6 Giấy lọc 7 Cột Pellet Reactor 01 5.3. HÓA CHẤT - Ca(OH)2 khan; NaCO3 khan, CaCl2.2H2O - Dung dịch NaOH 1N - Chỉ thị màu Murexide: Cân 200 mg murexide +100 g NaCl nghiền nhỏ, trộn đều - Dung dịch chuẩn EDTA 0,01M: Cân 3,723 g EDTA. Hòa tan trong nước cất và pha thành 1000 mL, chuẩn độ lại bằng dung dịch canxi. - Dung dịch sulfuric acid (H2SO4) 0,02N: pha dung dịch H2SO4 1N (hòa tan 28 mL H2SO4 đậm đặc trong nước cất thành 1 lít), lấy 20 mL dung dịch H2SO4 1N thêm nước cất cho đủ 1 lít. Định phân lại acid này bằng Na2CO3 0,02N (hòa tan 1,06 g Na2CO3 đã sấy ở 1050C, thêm nước cất thành 1 lít). - Chỉ thị màu phenolphthalein 0,5%. 51
- Chỉ thị màu methyl cam 0,5%. - Chỉ thị màu hỗn hợp bronocresol lục và methyl đỏ: cân 20 mg methyl đỏ và 200 mg bromocresol lục pha loãng thành 100 mL với ethanol 95%. Xác định độ cứng Calci - Lấy 50 mL hay một thể tích mẫu pha loãng đến 50 mL cho thể tích EDTA dùng định phân không vượt quá 15 mL. Nếu mẫu nước có hàm lượng canxi vượt quá 300 mg/L nên pha loãng hoặc trung hòa với acid rồi đun sôi một phút, làm nguội trước khi định phân. - Thêm 2 mL dung dịch NaOH 1N hoặc một thể tích lớn hơn để nâng pH lên 12-13, lắc đều. - Thêm 0,1 ± 0,02 mg chỉ thị màu murexide, dung dịch có màu hồng nhạt. - Định phân bằng dung dịch EDTA 0,01M điểm kết thúc dung dịch có màu đỏ tía. Để kiểm soát điểm kết thúc chuẩn độ, cần ghi nhận thể tích EDTA đã dùng, sau đó thêm một hoặc hai giọt EDTA để đảm bảo màu của dung dịch không đổi. V x 400,8 Canxi(mg/L) = mL mẫu V x 1000 Độ cứng Canxi(mgCaCO /L) = mL mẫu Xác định độ kiềm - Nếu mẫu có pH< 8,3: lấy 100 mL mẫu vào bình tam giác, thêm 3 giọt chỉ thị màu metyl cam (hay 3 giọt chỉ thị màu hỗn hợp). Làm hai ống đối chứng, cho vào hai ống nghiệm mỗi ống 25 mL mẫu, ống thứ nhất thêm 1 mL H2SO4 1N + 1 giọt methyl cam, ống thứ hai thêm 1 mL NaOH 1N + 1 giọt methyl cam. Định phân mẫu bằng dung dịch H2SO4 cho đến khi dung dịch có màu da cam (màu giữa hai ống đối chứng). Nếu dùng chỉ thị hỗn hợp, tại điểm kết thúc dung dịch có màu đỏ xám. Ghi thể tích V1 mL H2SO4 0,02N đã dùng để tính ĐỘ KIỀM METHYL CAM hay ĐỘ KIỀM TỔNG CỘNG. 52
- Nếu mẫu có pH> 8,3: lấy 100 mL mẫu vào erlen, thêm 3 giọt chỉ thị màu phenolphthalein. Định phân bằng dung dịch H2SO4 cho đến khi dung dịch vừa mất màu. Ghi thể tích V1 mL H2SO4 0,02N đã dùng để tính ĐỘ KIỀM PHENOL (P). - Tiếp tục cho 3 giọt chỉ thị methyl da cam, định phân bằng dung dịch chuyển từ da cam sang đỏ cam. Ghi thể tích V2 mL H2SO4 0,02N đã dùng để tính ĐỘ KIỀM TỔNG CỘNG. V × 1000 Độ kiềm (mgCaCO /L) = mL mẫu (V + V ) × 1000 Độ kiềm tổng cộng (mgCaCO /L) = mL mẫu 5.4. THỰC NGHIỆM 5.4.1. TN 1: Loại bỏ độ cứng bằng hóa chất theo mẻ 5.4.1.1. Xác định giá trị hóa chất để loại bỏ độ cứng tạm thời - Tính lượng hóa chất Ca(OH)2 1M cần cho vào 400 mL mẫu có ở 2+ Ca dạng Ca(HCO3)2 với nồng độ 300 mg CaCO3/L. - Cho lượng hóa chất bằng 1; 1,2 và 1,5 lần lượng tính được vào 400 mL mẫu. - Khuấy mạnh 1 phút, sau đó khuấy nhẹ trong vòng 20 phút. - Lọc mẫu qua giấy lọc. - Lấy mẫu phân tích nồng độ canxi, pH và độ kiềm trước và sau phản ứng. 5.4.1.2. Xác định giá trị hóa chất để làm loại bỏ độ cứng vĩnh cửu - Tính lượng hóa chất Na2CO3 (mg) cần cho vào 400 mL mẫu có 2+ Ca ở dạng CaCl2 với nồng độ 300 mg CaCO3/L. - Cho lượng hóa chất bằng 1; 1,2 và 1,5 lần lượng tính được vào 400 mL mẫu. - Khuấy mạnh 1 phút, sau đó khuấy nhẹ trong vòng 20 phút. - Lọc mẫu qua giấy lọc. - Lấy mẫu phân tích nồng độ canxi, pH và độ kiềm còn lại. 53
5.4.2. TN 2: Loại bỏ độ cứng bằng Pellet Reactor Hình 5.3: Mô hình Pellet Reactor Chuẩn bị mẫu nước có độ cứng CaCO3 = 300 mg/L CaCO3. Đầu tiên, bật bơm nước số 1, chỉnh lưu lượng Q = 8 L/h để đạt vận tốc trong PR đủ để làm cát nổi lên, cho 50 g cát vào PR từ cửa trên. Sau đó, khi tầng sôi của cát đã đạt trạng thái ổn định, mở bơm số 2 để bơm dung dịch Na2CO3 0,02M với lưu lượng 1 L/h (lượng hóa chất được tính toán từ thí nghiệm 1). Lấy mẫu nước sau mỗi 30 phút (lấy cho đến 6 tiếng) và đo pH, độ đục, nồng độ Ca2+. Tương tự làm thí nghiệm với lưu lượng Q = 16 L/h 5.5. XỬ LÝ SỐ LIỆU - Vẽ đồ thị và nhận xét tương quan giữa lượng hóa chất và hiệu quả loại bỏ canxi. - So sánh hiệu quả loại bỏ độ cứng của dạng mẻ (khuấy trộn) và liên tục (bể phản ứng tầng sôi). 5.6. CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 1: Nêu các loại độ cứng. Câu 2: Độ cứng ảnh hưởng đến con người như thế nào? Câu 3: Nêu các phương pháp xử lý độ cứng. 54
5.7. BÁO CÁO KẾT QUẢ PHÂN TÍCH Sinh viên báo cáo kết quả sau buổi thí nghiệm theo mẫu BÁO CÁO 5 (phần phụ lục). Sinh viên báo cáo tổng kết theo mẫu BÁO CÁO TỔNG KẾT (phần phụ lục) sau khi kết thúc môn học. 55
BÀI THỰC HÀNH SỐ 6 KHỬ CỨNG BẰNG TRAO ĐỔI ION Mục tiêu bài thực hành số 6: Sau khi học xong bài này, sinh viên có khả năng:  Trình bày được cơ chế của quá trình trao đổi cation và anion.  Trình bày được quy trình vận hành quá trình trao đổi ion.  Đánh giá được khả năng khử cứng bằng trao đổi ion.  Xác định được thời gian tiếp xúc của cột trao đổi ion. 6.1. TỔNG QUAN Phương pháp trao đổi ion được sử dụng rộng rãi trong các quá trình xử lý nước thải cũng như nước cấp. Trong xử lý nước cấp, phương pháp trao đổi ion thường được sử dụng để khử các muối, khử cứng, khử khoáng, khử nitrat, khử màu, khử kim loại và các ion kim loại nặng và các ion kim loại khác có trong nước. Trao đổi ion là một quá trình gồm các phản ứng hóa học đổi chỗ (phản ứng thế) thuận nghịch giữa các ion trong pha lỏng và các ion trong pha rắn (nhựa trao đổi). Nhựa trao đổi ion còn gọi là ionit, các ionit có khả năng hấp thu các ion dương gọi là cationit, ion âm gọi là anionit. Quá trình trao đổi với cationit: 2 R-H + Ca2+ + 2 Cl- ⇔ (R)2Ca + 2 H+ + 2 Cl- 2 R-Na + Mg2+ + 2 Cl- ⇔ (R)2Mg + 2 Na+ + 2 Cl- Quá trình hoàn nguyên: (R)2Ca + 2 H+ + 2 Cl- ⇔ 2 R-H + Ca2+ + 2 Cl- (R)2Mg + 2 Na++ 2 Cl- ⇔ 2 R-Na + Mg2+ + 2 Cl- Quá trình trao đổi với anionit: R-OH + Na + Cl- ⇔ R-Cl + Na+ + OH- 2 R-Cl + 2 Na + SO42- ⇔ (R)2SO4 + Na+ + 2 Cl- 56
Quá trình hoàn nguyên: R-Cl + Na+ + OH- ⇔ R-OH + Na+ + Cl- (R)2SO4 + 2 Na+ + 2 Cl- ⇔ 2 R-Cl + Na+ + SO42- Phân loại: có 4 loại nhựa trao đổi ion: - Nhựa trao đổi cation acid mạnh: + Là nhựa có khả năng trao đổi muối trung tính thành acid tương ứng (nếu hoạt động theo chu trình H+) hoặc muối tương ứng (nếu hoạt động theo chu trình Na+). + Nhóm chức trên nhựa là HSO3-, H2PO3- + Dung dịch hoàn nguyên: HCl, H2SO4 nếu hoạt động theo chu trình H+, NaCl nếu hoạt động theo chu trình Na+ - Nhựa trao đổi cation acid yếu: + Là nhựa có khả năng trao đổi muối kiềm thành acid yếu tương ứng nhưng không thể trao đổi với muối trung tính. + Nhóm chức trên nhựa là COO- + Dung dịch hoàn nguyên: HCl, H2SO4 - Nhựa trao đổi anion bazo mạnh: + Là nhựa có khả năng trao đổi muối trung tính thành bazo tương ứng (nếu hoạt động theo chu trình OH-) hoặc muối tương ứng nếu theo chu trình Cl-). + Nhóm chức trên nhựa là NH3+ + Dung dịch hoàn nguyên: NaOH nếu hoạt động theo chu trình OH , NaCl nếu hoạt động theo chu trình Cl- - - Nhựa trao đổi anion bazo yếu: có khả năng trao đổi acid tự do (HCl, H2SO4) mà không trao đổi với acid yếu (H2CO3, H2SiO3). Nhóm chức trên nhựa là NH- (Secondary amine); N- (Tertiary amine) + Dung dịch hoàn nguyên: NaOH 57
Ứng dụng trong xử lý làm mềm nước Khi sử dụng nhựa trao đổi cation axit mạnh hoạt động theo chu trình natri để khử cứng, nhóm chức sulfonic axit trong nhựa sẽ liên kết với ion Ca2+ và Mg2+ có trong nước và giữ chúng lại trong nhựa, đồng thời giải phóng ion Na+ vào nước. Cách này giúp loại bỏ độ cứng và nước đầu ra sẽ mềm hơn. Quá trình vận hành: - Trao đổi - Rửa ngược - Hoàn nguyên - Rửa chậm và nhanh 6.2. DỤNG CỤ - THIẾT BỊ Bảng 6.1: Danh sách dụng cụ và thiết bị cần dùng STT Dụng cụ Số lượng 1 Erlen 125 mL 08 2 Pipet: 2 mL, 5 mL, 10 mL 03 3 Bóp cao su 02 4 Buret 02 5 Cốc 1000 mL 01 6 Giấy lọc 7 Cột trao đổi ion 01 6.3. HÓA CHẤT - Dung dịch NaOH 1N - Chỉ thị màu Murexide: Cân 200 mg murexide + 100 g NaCl nghiền nhỏ, trộn đều - Dung dịch chuẩn EDTA 0,01M: Cân 3,723 g EDTA. Hòa tan trong nước cất và pha thành 1000 mL, chuẩn độ lại bằng dung dịch canxi. 58
- Dung dịch sulfuric acid (H2SO4) 0,02N: pha dung dịch H2SO4 1N (hòa tan 28 mL H2SO4 đậm đặc trong nước cất thành 1 lít), lấy 20 mL dung dịch H2SO4 1N thêm nước cất cho đủ 1 lít. Định phân lại acid này bằng Na2CO3 0,02N (hòa tan 1,06 g Na2CO3 đã sấy ở 105oC, thêm nước cất thành 1 L). - Chỉ thị màu phenolphthalein 0,5%. 6.4. THỰC NGHIỆM 6.4.1. TN 1: Nhựa cationit để làm mềm nước theo mẻ - Pha 200 mL mẫu với nồng độ Ca2+ là 0, 20, 40, 60, 80, 100 mg Ca2+/L - Phân tích chính xác nồng độ Ca2+ đầu vào của các mẫu đã pha. - Cho 100 mL mẫu với nồng độ Ca2+ là 0, 20, 40, 60, 80, 100 mg Ca2+/L vào 6 erlen. - Cho 5 g nhựa vào mỗi mẫu và để trên máy lắc, tốc độ 150 vòng/phút trong vòng 15, 30, 60 phút để đạt cân bằng. - Đo lượng Ca2+ còn lại trong mẫu sau khi cân bằng, đo pH. 6.4.2. TN 2: Nhựa cationit để làm mềm nước theo thời gian - Lấy 500 mL mẫu có nồng độ Ca2+ 40 mg Ca2+/L. - Cân 15 g nhựa cho vào cốc, để trên máy lắc và lấy mẫu theo thời gian: 0, 5, 10, 20, 30, 45, 60 phút. - Đo nồng độ canxi theo thời gian, pH và vẽ đồ thị quan hệ của nồng độ canxi (mg Ca2+/L) theo thời gian. 6.4.3. TN 3: Nhựa cationit để làm mềm nước liên tục - Chuẩn bị 5 L mẫu có nồng độ canxi 40 mg Ca2+/L. - Cột được làm đầy ionit với độ cao H= 15 cm. Cho nhựa vào cùng với nước cất để tránh bọt khí. - Cho nước chảy với lưu lượng 1 L/h. - Xác định pH và lượng canxi còn lại của mẫu sau 1; 1,5; 2; 2,5; 3; 3,5; 4 giờ hay đến khi nhựa bão hòa. 59
- Vẽ đồ thị thay đổi nồng độ canxi và pH theo thời gian. Hình 6.1: Mô hình làm mềm nước theo cột 6.5. XỬ LÝ SỐ LIỆU - Vẽ đồ thị của lượng canxi trong nhựa trao đổi (g canxi bị hấp phụ /g nhựa trao đổi) và nồng độ canxi trong dung dịch. - Vẽ đồ thị quan hệ của hiệu suất xử lý canxi theo thời gian. - Tính toán khả năng trao đổi của nhựa trong quá trình vận hành. 6.6. CÂU HỎI ÔN TẬP Câu 1: Trình bày định nghĩa và nguyên tắc trao đổi ion. Câu 2: Trình bày một số loại nhựa đang được sử dụng trên thị trường hiện nay. Ưu nhược điểm của từng loại. Câu 3: Khả năng trao đổi của nhựa là gì? Trình bày đơn vị tính? Câu 4: Hóa chất hoàn nguyên của nhựa trao đổi. 60
6.7. BÁO CÁO KẾT QUẢ PHÂN TÍCH Sinh viên báo cáo kết quả sau buổi thí nghiệm theo mẫu BÁO CÁO 6 (phần phụ lục). Sinh viên báo cáo tổng kết theo mẫu BÁO CÁO TỔNG KẾT (phần phụ lục) sau khi kết thúc môn học. 61
BÀI THỰC HÀNH SỐ 7 KHỬ TRÙNG Mục tiêu bài thực hành số 7: Sau khi học xong bài này, sinh viên có khả năng:  Trình bày được các phương pháp khử trùng trong xử lý nước cấp  Đánh giá được khả năng khử trùng bằng hóa chất so và UV  Xác định được lượng hóa chất cần thiết để khử trùng nước  Xác định được thời gian tiếp xúc của UV để đạt được mục đích khử trùng 7.1. TỔNG QUAN 7.1.1. Khử trùng là gì? Khử trùng nước có nghĩa là loại bỏ, vô hiệu hóa hoặc tiêu diệt các vi sinh vật gây bệnh. Các vi sinh vật bị phá hủy, dẫn đến không thể tăng trưởng và sinh sản. Khi vi sinh vật không được loại bỏ khỏi nước uống, việc sử dụng nước uống sẽ khiến con người bị bệnh. Quá trình diệt vi sinh vật xảy ra qua 2 giai đoạn: chất khử trùng khuếch tán qua thành 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. Định luật Chick: r = - kc. N r : tốc độ phản ứng, lượng vi sinh vật giảm theo thời gian, MPN/L.phút, kc: hằng số tốc độ phản ứng Chick, 1/phút N: nồng độ vi sinh vật ban đầu, MPN/L 62
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. 7.1.2. Khử trùng nước bằng Clo và các hợp chất của nó Clo là một chất oxy hóa mạnh, khi tác dụng với nước đều tạo ra phân tử axit hypoclorit HOCl có tác dụng khử trùng rất mạnh. Tốc độ khử trùng bị chậm đi rất nhiều khi trong nước có các chất hữu cơ, cặn lơ lửng và các chất khử khác. Khử trùng bằng khí Clo (Free Chlorine) 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 ⇔ 2 H+ + OCl- + Cl- HOCl ⇔ H+ + OCl- [ ][ ] = [ ] Đối với HOCl, pKa = 7,6 ở 20oC. Với pH < pKa: HOCl sẽ chiếm ưu thế, ngược lại, OCl- chiếm ưu thế hơn khi pH > PKa. Do HOCl có động học khử trùng nhanh hơn OCl- nên khi khử trùng nước nên chỉnh ≤ 7. Khử trùng bằng hợp chất Clo NaOCl + H2O ⇔ NaOH + HOCl Ca(OCl)2 + 2 H2O ⇔ Ca(OH)2 + 2 HOCl HOCl ⇔ H+ + OCl- Ưu điểm: - Cl2 và hợp chất clo diệt hiệu quả vi khuẩn 63
- Hiệu quả khử trùng lâu dài - Chi phí vận hành thấp Nhược điểm: - Không hiệu quả trong việc loại bỏ protozoa - Có khả năng tạo sản phẩm trung gian của quá trình khử trùng - Phụ thuộc vào chất lượng nước - Dễ cháy nổ Khử trùng bằng Chlorine dioxide ClO2 là một chất khử trùng mạnh để diệt vi khuẩn và virus. Sản phẩm phụ, chlorite (ClO2-), là một chất diệt khuẩn yếu. Trong nước, ClO2 hoạt động như một chất diệt khuẩn trong ít nhất 48 giờ, hoạt động của nó vượt trội so với clo. ClO2 có thể ngăn chặn sự phát triển của vi khuẩn và sự hình thành của màng vi sinh trong mạng lưới phân phối nước. Ưu điểm: - ClO2 diệt hiệu quả Protozoa, Cryptosporidium, Giardia, và virus - ClO2 oxi hóa tất cả các kim loại và chất hữu cơ chuyển chất hữu cơ thành CO2 và nước - ClO2 có thể loại bỏ hợp chất sulfide, mùi - Sử dụng ClO2 không tạo thành trihalomethanes và quá trình chlorine không chịu ảnh hưởng bởi ammonia. Nhược điểm: - Giá thành cao. - Đòi hỏi vận hành thành thạo. - ClO2 dễ cháy hơn so với khí Chlo. Khử trùng bằng Chloramine (1) Ammonia + Hypochlorous Acid → Monochloramine + nước NH3 + HOCl → NH2Cl + H2O 64
(2) Monochloramine+ Hypochlorous → Acid Dichloramine + nước NH2Cl + HOCl → NHCl2 + H2O (3) Dichloramine + Hypochlorous → Acid Trichloramine + nước NHCl2 + HOCl → NCl3 + H2O Chloramines yếu hơn chlorine, nhưng bền hơn nên thường dùng trong hệ thống đường ống. Chloramines có thể bị phân hủy bởi vi khuẩn, nhiệt, và ánh sáng. Chloramines hiệu quả đối với những vi khuẩn và một vài loài protozoans, nhưng nó không diệt được những loài virus nguy hiểm. Ưu điểm: - Hiệu quả khử trùng lâu - Không hình thành quá trình khử trùng trung gian - Ngăn chặn sự hình thành màng vi sinh trong đường ống - Chi phí vận hành thấp Nhược điểm: - Không hiệu quả loại bỏ vi khuẩn, Protozoa - Phụ thuộc vào chất lượng nước 7.1.3. Khử trùng nước bằng tia UV Tia cực tím (UV) là tia bức xạ điện từ có bước sóng khoảng 4 – 400 nm (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 tím tác dụng làm thay đổi DNA của tế bào vi khuẩn, tia cực tím có độ dài bước sóng 254 nm có khả năng diệt khuẩn cao nhất. Ưu điểm: - Không hình thành quá trình khử trùng trung gian - Hiệu quả loại bỏ vi khuẩn, vi rút, Protozoa cao - Chi phí vận hành trung bình - Thân thiện môi trường 65
Nhược điểm: - Không hiệu quả khử trùng lâu 7.2. DỤNG CỤ - THIẾT BỊ Bảng 7.1: Danh sách dụng cụ và thiết bị cần dùng STT Dụng cụ Số lượng 1 Erlen 125 mL 08 2 Pipet: 2 mL, 5 mL, 10 mL 03 3 Bóp cao su 02 4 Buret 02 5 Cốc 1000 mL 01 6 Giấy lọc 7 Beaker 06 8 Thùng chứa 20 L 01 9 Mô hình khử trùng 01 7.3. HÓA CHẤT - Dung dịch NaOCl - Đất sét - Môi trường Lactose Broth hoặc Lauryl tryptose - Môi trường Brillian Green Bile Lactose Broth - Dụng cụ thủy tinh khử trùng Xác định E.coli và Coliforms bằng phương pháp màng lọc _ theo TCVN 8775:2011 VÀ TCVN 6187 - 1:2009 - ISO 9308 - 1:2000 * Thiết bị và dụng cụ thủy tinh - Thiết bị tiệt trùng bằng hơi nước - Tủ ủ có điều chỉnh nhiệt độ ở (36 ± 2)C - Thiết bị lọc màng, phù hợp với ISO 8199 66