bài tập tiểu luận Khử trùng nước thải

- Khử trùng nước thải là quá trình loại bỏ trong nước thải những vi sinh có khả năng gây bệnh, là hàng rào cần thiết và cuối cùng chống lại sự phơi nhiễm của người với những vi sinh gây

1

I VÌ SAO PHẢI KHỬ TRÙNG NƯỚC THẢI

1.1 Khái niệm khử trùng nước thải

- Nước thải là nước được thải ra sau khi được sử dụng (cho nhu cầu sinh hoạt của con người hoặc nhu cầu sản xuất công nghiệp)

- Khử trùng nước thải là quá trình loại bỏ trong nước thải những vi sinh có khả

năng gây bệnh, là hàng rào cần thiết và cuối cùng chống lại sự phơi nhiễm của người với những vi sinh gây bệnh, bao gồm virus, vi khuẩn và protozoa

1.2 Vì sao phải khử trùng nước thải

Dựa vào sự phân tích ta có thể đưa ra 2 nguyên nhân chính cần phải khử trùng nước thải và nước cấp sau đây:

 Theo yêu cầu của quy chuẩn Việt Nam về chất lượng nước sinh hoạt, nước thải phải kể đến chỉ tiêu vi sinh

Chất lượng nước sinh hoạt QCVN 02:2009 BYT

TT Tên chỉ tiêu Đơn vị tính Giới hạn tối đa cho phép

I II

1 Coliform tổng số Vi khuẩn/

100ml 50 150

2 E coli hoặc Coliform

chịu nhiệt

Vi khuẩn/

100ml 0 20

- Giới hạn tối đa cho phép I: Áp dụng đối với các cơ sở cung cấp nước

- Giới hạn tối đa cho phép II: Áp dụng đối với các hình thức khai thác nước của cá nhân, hộ gia đình (các hình thức cấp nước bằng đường ống chỉ qua

xử lý đơn giản như giếng khoan, giếng đào, bể mưa, máng lần, đường ống tự chảy)

Nước cấp cho sinh hoạt QCVN 01:2009 BYT

Tên chỉ tiêu Đơn vị Giới hạn tối đa cho

phép

Coliform tổng số khuẩn/100ml Vi 0

2

E.coli hoặc Coliform chịu nhiệt khuẩn/100ml Vi 0

Nước thải QCVN 24:2009 BTNMT

- Coliform : < 3000 MPN/100ml (loại A)

< 5000 MPN/100ml (loại B)

 Do trong quá trình xử lý chất lượng nước sinh hoạt và nước thải phải qua nhiều công đoạn khác nhau do đó khả năng gây nhiễm vi sinh là rất cao

Khử trùng là một khâu quan trọng cuối cùng trong hệ thống xử lý nước sinh hoạt Sau quá trình xử lý cơ học, nhất là nước sau khi qua bể lọc, phần lớn các

vi sinh vật đã bị giữ lại Song để tiêu diệt hoàn toàn các vi trùng gây bệnh, cần phải tiến hành khử trùng nước

Khử trùng nước thải là nhằm mục đích phá hủy, tiêu diệt các loại vi khuẩn gây bệnh nguy hiểm hoặc chưa được hoặc không thể khử bỏ trong quá trình xử lý nước thải

Nước thải sau khi xử lý bằng phương pháp sinh học còn chứa khoảng 105 – 106

vi khuẩn /ml Hầu hết các loại vi khuẩn có trong nước thải không phải là vi trùng gây bệnh nhưng không loại trừ khả năng có vi khuẩn gây bệnh Khi xả ra nguồn nước cấp, hồ bơi, thì sẽ lan truyền bệnh rất lớn Vì vậy cần phải tiệt trùng nước thải trước khi xả ra ngoài

Như đã biết, xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện tự nhiên cho hiệu xuất xử lý và khử trùng cao nhất, đạt tới 99%, còn các công trình

xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo chỉ đạt 91 – 98%

Biểu đồ sau đây biểu thị sự giảm số lượng vi khuẩn sau khi nước thải đã xử lý qua một số công đoạn:

% giảm VK:

I Nước thải trước khi xử lý

II Sau bể lắng 1 III Sau bể Aeroten

3

Với những phân tích như trên ta thấy rằng cần phải khử trùng truớc khi sử dụng (nước cấp) và trước khi thải ra nguồn tiếp nhận (nước thải)

Theo giới chuyên môn, ô nhiễm vi sinh trong nước sẽ làm gia tăng nguy cơ các bệnh liên quan đến đường ruột

Tất cả các hoạt động trong sinh hoạt và sản xuất của con người đều tạo ra chất thải Các chất thải tồn tại ở dạng chất rắn, chất lỏng và thể khí Ngoài các tạp chất vô cơ, hữu cơ…trong nước thải còn có nhiều loại vi sinh vật như vi khuẩn,

vi trùng, virut gây bệnh như tả, lỵ, thương hàn… Nếu xả thải vào nguồn nước cấp mà chưa qua khử trùng thì khả năng lan truyền bệnh là rất lớn Tiêu chuẩn của một nguồn nước tốt là phải loại trừ được các nguồn gây bệnh đó Do đó, khử trùng nước là một quá trình không thể thiếu được trong công nghệ xử lý nước Người ta nhận thấy rằng chỉ với các quá trình xử lý cơ học thì không thể loại trừ được các loài vi sinh vật và vi trùng có trong nước Do vậy, để có nguồn nước đảm bảo an toàn vệ sinh trước khi thải vào các nguồn, bắt buộc phải tiến hành các biện pháp khử trùng (khử trùng chỉ nhằm tiêu diệt những vi khuẩn, virut loại có hại, gây bệnh, không phải tiêu diệt tất cả vi khuẩn có trong nước)

II PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG NƯỚC

Cơ chế:

Cùng với các giai đoạn xử lý bậc một, bậc hai,… sẽ làm giảm nồng độ các chất

ô nhiễm (cặn lơ lửng, BOD,…) đáp ứng yêu cầu quy định thì số lượng vi khuẩn gây bệnh cũng giảm đặc trưng bằng chỉ tiêu coliform (đạt 90-95%) Tuy nhiên một số loại vi khuẩn gây bệnh vẫn còn, khi vào nguồn nước mặt gặp điều kiện thuận lợi sẽ phát triển nhanh chóng Sau khi xử lý cơ học, sinh học trong điều kiện nhân tạo, vi khuẩn gây bệnh không bị tiêu diệt hoàn toàn

Vì vậy để đảm bảo điều kiện vệ sinh, NT đô thị hoặc NT sinh hoạt sau xử lý cơ học hoặc xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo cần phải khử trùng tiếp tục

4

Để khử trùng nước thải, người ta sử dụng ba phương pháp là: phương pháp vật

lý, phương pháp hóa học, cơ học

2.1 Khử trùng bằng phương pháp vật lý

- Phương pháp nhiệt

Đây là phương pháp đơn giản và lâu đời nhất, giết được các vi thể gây bệnh như các vi khuẩn, vi trùng, nang, trứng Đó là biện pháp hiệu quả trong xử lý phạm

vi hộ gia đình, song không khả thi trong xử lý nước cấp cho cộng đồng, chỉ sử dụng trong trường hợp khẩn cấp Bằng cách đun sôi nước ở 1000C

- Khử trùng bằng tia cực tím

Tia cực tím UV là tia bức xạ điện từ có bước sóng khoảng 4 – 400nm Độ dài bước sóng của tia cực tím nằm ngoài vùng phát hiện, nhận biết của mắt thường Tia cực tím tác dụng làm thay đổi DNA của tế bào vi khuẩn, tia cực tím có độ dài bước sóng 254nm, khả năng diệt khuẩn cao nhất

Trong các nhà máy xử lý nước thải, dùng đèn thuỷ ngân áp lực thấp để phát tia cực tím, loại đèn này phát ra tia cực tím có bước sóng 253,7nm, bóng đèn đặt trong hộp thủy tinh không hấp phụ tia cực tím, ngăn cách đèn và nước Đèn được lắp thành bộ trong hộp đựng có vách ngăn phân phối để khi nước chảy qua hộp, được trộn đều để cho số lượng vi khuẩn đi qua đèn trong thời gian tiếp xúc

ở hộp là cao nhất Lớp nước đi qua đèn có độ dày khoảng 6mm, năng lượng tiêu thụ từ 6000 – 13000mocrowat/s, độ bền 3000 giờ đến 8000 giờ

Là phương pháp khử trùng đối với nước trong, hiệu quả giảm đáng kể khi nước đục hoặc chứa các phần tử như nitrat, sunfat và sắt

Nước làm sạch bằng phương pháp này không bị thay đổi tính chất và vị của nó Tuy nhiên, phương pháp này giá thành cao chỉ thấy ở các nước phát triển

 Tia cực tím có ưu điểm khử trùng cao hơn Chlorine:

o Không tạo thành các độc tố

o Thời gian tiếp xúc ngắn và nhanh chóng được loại bỏ khỏi dung dịch

o Thời gian khử trùng chỉ cần 6-10 giây trong khi Chor cần 15-30 phút

o UV khử trùng không ảnh hưởng đến quá trình xử lý hóa học

 Nhược điểm

- Chi phí cao

5

- Tuổi thọ đèn (3000- 8000 giờ)

- Độ xuyên sâu (khoảng 6mm)

- Khử trùng bằng siêu âm

Đây là phương pháp khử trùng triệt để nhưng tốn kém

Dưới tác dụng của sóng siêu âm giết chết các tế bào thực, động vật, các vi sinh

và cả những cơ thể lớn hơn rất độc có trong nước uống và nước kỹ thuật

2.2 Khử trùng bằng phương pháp hóa học:

Cơ sở của phương pháp này là sử dụng các chất oxy hóa mạnh để oxy hóa men của tế bào vi sinh vật và tiêu diệt chúng Các hóa chất thường dùng là các halogen như: clo, brom, iod, clodioxit và các hợp chất khác của clo, ozon, kali permanganat, hydro, peoxit,… Phương pháp khử trùng hóa học có hiệu suất cao nên được sử dụng rất rộng rãi và có mọi quy mô

- Sát trùng nước bằng clo và các hợp chất của clo

Bản chất tác dụng khử trùng của clo là quá trình oxy hóa khử diễn ra khi tương tác clo và các hợp chất của nó với các chất hữu cơ ở mạng vi sinh Axit tham gia vào phản ứng với men khuẩn và phá hủy trao đổi trong mạng khuẩn

Tẩy trùng bằng clo sẽ diễn ra quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ, thí dụ các chất mùn khoáng thành CO2, sắt (II) oxy hóa thành sắt (III); Mn(II) thành Mn (IV), các chất huyền phù bền vững chuyển thành không bền vững do sự phân hủy các chất keo bảo vệ

Clo hóa có vai trò lớn trong việc làm sạch các tạp chất lơ lửng phân tán mịn trong nước, khả năng làm mất màu nước và tạo điều kiện thuận lợi để làm trong nước, lọc nước

Clo hòa tan vào trong nước thành hai axit – clorua và clorat:

H2O + Cl2 HCl + HClO

Axit clorat rất yếu và sự phân ly của nó phụ thuộc vào pH của môi trường pH càng thấp nồng độ axit clorat càng cao và do có thể oxy hóa khử cao tạo điều kiện khử trùng nước Vì vậy, khử trùng nước bằng clo và các hợp chất chứa clo nên tiến hành trước khi cho chất kiềm vào nước Sử dụng phương pháp này diệt khuẩn cho nước rất phổ biến vì hiệu quả cao và kinh tế

Áp dụng: các trạm XLNT công suất < 1000 m3/ngày

6

Ưu và nhược điểm khử trùng chlorine

 Ưu điểm:

- Đáng tin cậy

- Rẻ tiền

- Đơn giản

- Ổn định và dễ dàng khống chế nồng độ dư lượng

 Nhược điểm:

- Độc hại và ăn mòn

- Có thể ảnh hưởng đến hương vị và mùi của nước

- Hình thành hợp chất có thể gây ung thư nếu nước thải có chứa các tiền chất (tạo thành CHCl3)

- Khử khuẩn bằng ozon

Ôzôn là một chất khí có màu tím ít hòa tan trong nước và rất độc hại đối với con người Ở trong nước, ôzôn phân hủy rất nhanh thành ôxi phân tử và nguyên tử Ôzôn có tính hoạt hóa mạnh hơn Clo, nên diệt trùng mạnh hơn

Ưu và nhược điểm khử trùng ozon

 Ưu điểm:

- Không tạo sản phẩm phụ độc hạiphản ứng với amonia

- Không tạo thành mùi và màu

- Không tồn dư trong nước

- Tăng vận tốc lắng của hạt lơ lửng

- Tăng DO, giảm nhu cầu oxi, giảm chất hữu cơ

 Nhược điểm:

- Phải đạt đến nồng độ ngưỡng để tạo điều kiện khử trùng (quá trình hòa tan khó)

- Không hiệu quả với lưu lượng lớn

7

- Các chất hữu cơ có thể ảnh hưởng đến quá trình

- Giá thành cao và tốn năng lượng

Khả năng tiệt trùng của Ozon

Độ hòa tan của Ozon gấp 13 lần của oxy Khi vừa cho vào trong nước khả năng tiệt trùng là rất ít, khi Ozon đã hòa tan đủ liều lượng, ứng với hàm lượng đủ oxy hoá hữu cơ và vi khuẩn trong nước, lúc đó tác dụng khử trùng mạnh nhanh gấp

3100 lần so với Clo, thời gian tiệt trùng xảy ra trong khoảng 3 – 8 giây

Liều lượng cần thiết cho nước ngầm là 0.75 – 1mg/l; 1.0 – 3.0 mg/l nước mặt; sau bể lắng 2 trong xử lý nước thải từ 5 – 15mg/l

Phương pháp ozon hóa được dùng ngày càng nhiều để xử lý nước thải và nước uống nhất là ở các nước phát triển, vì nó có hiệu quả trong việc khử các hợp chất gây mùi vị khó chịu hay màu cho nước

Tuy nhiên do thiết bị ozon hóa phức tạp, giá thành khử trùng cao nên việc sử dụng ozon ở các nước đang phát triển còn bị hạn chế

- Khử khuẩn bằng iod

Khử khuẩn bằng iod cần liều lượng cao, nhưng không hiệu quả khi nước khử trùng có màu hoặc đục Do dễ bay hơi trong các dịch thể nên phương pháp này chỉ sử dụng khi khẩn cấp và bị hạn chế nhiều

- Khử khuẩn bằng KMnO 4

Là chất oxy hóa mạnh, có hiệu quả chống lại vi khuẩn gây bệnh thổ tả nhưng không hiệu quả đối với các mầm bệnh khác Nó để lại các vệt màu trong thùng đựng nên phương pháp này cũng rất ít sử dụng

2.3 Tác nhân cơ học

- Lọc

- Siêu lọc

- Lọc nano

CLO

3.1 Bản chất của quá trình khử trùng bằng clo và hợp chất chứa clo

8

Các nguồn chlorine thương mại phổ biến là chlorine (Cl2), hypochlorite canxi [Ca(OCl)2] và hypochlorite natri (NaOCl) Chlorine có thể tan 7160mg/L trong nước 20oC và nó phản ứng để tạo ra HOCl và HCl, HOCl tiếp tục ion hóa tạo ra ion OCl:

Cl2 + H2O = HOCl + HCl HOCl = OCl- + H+

Hypochlorite canxi và hypochlorite natri

hòa tan trong nước cũng tạo ra OCl- Sự

hiện diện của các dạng chlorine phụ thuộc

vào pH của nước (xem hình trên), dạng

Cl2 không hiện diện khi pH lớn hơn 2,

HOCl là dạng phổ biến nhất khi pH nằm

trong khoảng 1-7,48, HOCl=OCl- khi pH = 7,48 và OCl- thì cao hơn HOCl khi

pH trên 7,48 Mức độ nhạy cảm của vi sinh vật đối với các dạng chlorine phụ thuộc rất lớn vào tốc độ khuếch tán vào trong tế bào, HOCl có hiệu quả khử trùng mạnh hơn OCl-khoảng 100 lần do HOCl có kích thước phân tử nhỏ và trung hòa điện tích nên dễ dàng khuếch tán vào tế bào hơn so với OCl- Do đó, chlorine chỉ có hiệu quả khử trùng cao khi pH nhỏ hơn 6 Không nên dùng

chlorine khi pH lớn hơn 7,48 và không được bón vôi trước khi khử trùng nước Các bào tử của vi sinh vật có khả năng chịu đựng chlorine ở nồng độ cao so với

tế bào sinh dưỡng bởi vì chlorine khó khuếch tán qua vỏ của bào tử

Cơ chế tác dụng của chlorine trong khử trùng là HOCl phản ứng với hệ enzyme oxy hóa glucose và các hoạt động trao đổi chất, kết quả gây chết tế bào Phản ứng này có liên quan đến sự oxy hóa của HOCl đối với enzyme có chứa gốc HS - Đa số virus đều không có enzyme chứa gốc HS- nên chlorine hầu như khôngcó tác dụng diệt hay bất hoạt virus (trừ một số trường hợp cụ thể được chỉ định)

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 chầt khử trùng, vì quá trình khuếch tán qua vỏ tế bào xảy ra nhanh hơn quá trình phân ly

Tốc độ quá trình khử trùng còn phụ thuộc vào cả hàm lượng các chất hữu

cơ, các cặn lơ lửng và các chất khử khác Khi trong nước có hàm lượng cao của các chất này thì tốc độ quá trình khử trùng sẽ giảm đi đáng kể

9

Khi cho clo tác dụng với nước, phản ứng đặc trưng xảy ra là quá trình thủy phân clo, tạo thành axit hypoclorit và axit clohydric :

Cl2 + H2O  HOCl + HCl

Ở dạng phân ly ta có :

Cl2 + H2O  2H+ + OCl- + Cl-

3.2 Các phản ứng hóa học xảy ra khi cho Clo vào nước(Clo hóa nước)

Khi cho clo tác dụng với nước, phản ứng đặc trưng xảy ra là quá trình thủy phân clo, tạo thành axit hypoclorit và axit clohydric :

Cl2 + H2O  HOCl + HCl

Ở dạng phân ly ta có :

Cl2 + H2O  2H+ + OCl- + Cl-

Cl2 hòa tan rất mạnh trong nước (7160 mg/L ở 20oC và 1 atm)

Khi clo kết hợp với nước nó tạo thành hypochlorous acide

Cl2 + H2O -> HOCl + H++ Cl -Với hàm lượng Cl2 thấp hơn 1000 mg/L và pH > 3 phản ứng thủy phân trên diễn

ra hoàn toàn

Hypochlorous acide sau đó bị ion hóa thành hypochlorite ion

HOCL • ->OCl- + H+ Tương tự khi dùng clorua vôi làm chất khử trùng ta có :

Ca(OCl)2 + H2O  CaO + 2HOCl

2HOCl  2H+ + 2OCl-

HOCl không phân ly là thành phần khử trùng chính trong nước, thành phần này chỉ có giá trị cao ở pH thấp, điều đó cũng nói lên rằng quá trình dùng clo để khử trùng trong nước chỉ có được hiệu quả cao khi tiến hành ở pH thấp

10

* Khi nước có mặt amoniac hoặc hợp chất có chứa nhóm amoni, chúng có thể tác dụng với clo axit hypoclorit hoặc ion hypoclorit để sinh thành các hợp chất cloramin theo các phản ứng sau :

NH3 + HOCl  NH2Cl + H2O

monocloramine

NH2Cl + HOCl  NHCl2 + H2O

dicloramine NHCl2 + HOCl  NCl3 + H2O

tricloramine Sản phẩm monocloramine và dicloramine sinh thành tùy thuộc vào trị số pH của môi trường Trị số pH càng cao, lượng clo kết hợp để tạo thành dicloramine càng thấp và nồng độ monocloramine càng cao Hơn nữa, nhiều nghiên cứu cho thấy rằng, năng lực diệt trùng của monocloramine thường thấp hơn so với năng lực diệt trùng của dicloramine khoảng từ 3 đến 5 lần, so với clo, năng lực diệt trùng của dicloramine lại thấp hơn từ 20 đến 25 lần Chính điều đó giải thích vì sao quá trình khử trùng lại xảy ra có hiệu quả hơn khi trị số pH của môi trường thấp

Để đảm bảo cho quá trình khử trùng đạt được hiệu quả hoàn toàn, người ta thường tính đến một lượng clo dư thích hợp trong nước sau quá trình khử trùng Trong hệ thống khử trùng có chứa amoniac hoặc các hợp chất có chứa nhóm amoni, lượng clo tham gia phản ứng để tạo thành cloramine được gọi là clo kết hợp, tổng hàm lượng của clo tự do dưới dạng Cl2, HOCl và ClO-, lượng Clo kết hợp được gọi là clo hoạt tính khử trùng, do khả năng diệt trùng của clo tự do và clo kết hợp khác nhau mà lượng clo dư cần thiết để đảm bảo khử trùng triệt để cũng được đánh giá ở mức khác nhau

Sơ đồ sau thể hiện lượng clo dư theo quá trình cho clo vào khử trùng :