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

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VÀ NGUYÊN NHÂN PHẢI KHỬ TRÙNG NƯỚC

THẢI 1

1.1 KHÁI NIỆM KHỬ TRÙNG NƯỚC THẢI 1

1.2 VÌ SAO PHẢI KHỬ TRÙNG NƯỚC THẢI 2

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG NƯỚC THẢI 3

2.1 CÁC PHƯƠNG PHÁP VẬT LÝ 3

2.1.1 Phương pháp nhiệt 3

2.1.2 Khử trùng bằng tia cực tím (Ultraviolet Light) 4

2.1.3 Phương pháp siêu âm Ultrasonic Vibbration (U.V) 6

2.1.4 Phương pháp lọc 6

2.2 PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC 6

2.2.1 Khử trùng nước bằng clo và các hợp chất của nó 7

2.2.2 Khử trùng nước bằng iod 7

2.2.3 Khử trùng nước bằng ion của các kim loại nặng 7

2.2.4 Khử trùng bằng ozon 8

CHƯƠNG 3: BẢN CHẤT KHỬ TRÙNG BẰNG CLO VÀ 10

CÁC HỢP CHẤT CHỨA CLO 10

3.1 BẢN CHẤT CỦA QUÁ TRÌNH KHỬ TRÙNG BẰNG CLO VÀ HỢP CHẤT CHỨA CLO 10

3.2 CÁC PHẢN ỨNG HÓA HỌC XẢY RA KHI CHO CLO VÀO NƯỚC (CLO HÓA NƯỚC) 12

3.2.1 Khử clo dư trong nước: 14

3.2.2 Nồng độ chlorine cần thiết: 14

3.2.3 Những chất khử trùng thông thường: 17

KẾT LUẬN 18

TÀI LIỆU THAM KHẢO 20

CHƯƠNG 1: KHÁI NIỆM VÀ NGUYÊN NHÂN 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

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)

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

- Theo yêu cầu của quy chuẩn Việt Nam về chỉ tiêu an toàn nước cấp và nước thải phải

kể đến chỉ tiêu vi sinh

• Nước cấp:

Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt QCVN 02:2009/BYT quy định : đối với các cơ sở cung cấp nước: Ecoli không được tồn tại; 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): Ecoli < 20MPN/100ml

• Nước thải:

Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt QCVN 14:2008/BTNMT và Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp QCVN 40:2011/BTNMT quy định Tổng Coliforms < 3000 MPN/100ml (loại A) và Tổng Coliforms < 5000 MPN/100ml (loại B)

- Trong quá trình xử lý nước cấp 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 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 khử 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%

I Nước thải trước khi xử lý

II Sau bể lắng 1 III Sau bể Aeroten

Hình 1.1 Biểu đồ biểu thị sự giảm số lượng vi khuẩn sau khi nước thải đã xử lý qua

một số công đoạn

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG NƯỚC THẢI

2.1 Các phương pháp vật lý

2.1.1 Phương pháp nhiệt

Khi đun sôi nước ở 100OC đa số các vi sinh vật bị tiêu diệt Còn một số ít vi sinh vật khi nhiệt độ tăng lên cao liền chuyển sang dạng bào tử với lớp bảo vệ vững

chắc Chúng không hề 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 120OC hoặc đun theo trình tự sau: đun sôi ở điều kiện bình thường 15 đến 20 phút, để cho nước nguội đi đến dưới 35OC 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

Ví dụ như trồng cây trong giá thể gây lãng phí về nước và phân bón vì cần lượng nước nhiều hơn độ bốc thoát hơi 30 – 50% (theo yêu cầu của cây trồng), do đó phương pháp nhiệt có thể dùng để khử trùng trong hệ thống tái chế nước tưới cây trồng: nước thải có thể được đun nóng với nhiệt độ cao thông qua một bộ trao đổi nhiệt và nóng đến 90OC trong 30 giây hoặc 85OC trong 3 phút để tiêu diệt các mầm bệnh Nhiệt độ 60OC trong thời gian 2 phút là chỉ có hiệu lực chống lại vi khuẩn, nấm

và tuyến trùng Trước khi sử dụng nước khử trùng bằng nhiệt để tưới, nó phải được làm mát lại thông qua bộ trao đổi nhiệt Phương pháp này mang lại hiệu quả cao và không gây nguy hiểm cho cây trồng, tuy nhiên nó đòi hỏi một sự đầu tư đáng kể về năng lượng

2.1.2 Khử trùng bằng tia cực tím (Ultraviolet Light)

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

Nguyên lý diệt khuẩn của tia cực tím: tia cực tím tác dụng làm thay đổi ADN của tế bào vi khuẩn, tia cực tím có độ dài bước sóng 254 nm có khả năng diệt khuẩn cao nhất

Hình 2.1 Đoạn ADN của vi khuẩn trước và sau khi bị chiếu tia cực tím

Tia cực tím ở một tần số nhất định có thể diệt 99,99% vi khuẩn nhưng không loại bỏ bất kỳ tạp chất gì có trong nước Phương pháp này sử dụng điện và thường được ứng dụng ở công đoạn cuối cùng của hệ thống lọc nước Khác với đun sôi, phương pháp này tiết kiệm điện và nhanh hơn nhiều Đây là phương pháp xử lý an toàn nếu kết hợp thêm với loại lọc than hoạt tính

Trong các nhà máy xử lý nước, dùng đèn thủy ngân áp lực thấp để phát tia cực tím, loại đèn này phát ra tia cực tím có bước sóng 253,7 nm, bóng đèn đặt trong hộp thủy tinh không hấp thụ 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 6 nm, năng lượng tiêu thụ từ 6000 đến 13000 microwatt/s Các loại đèn thủy ngân áp lực thấp sản xuất tia cực tím hiện nay có thể phát ra công suất 30000 microwatt/s, độ bền 3000 giờ đến 8000 giờ

Hình 2.2 Hệ thống đèn cực tím

Hình 2.3 Đèn phát tia cực tím

Nhược điểm của thiết bị tia cực tím:

- Chi phí vận hành cao

- Độ vẩn đục của nước và chất nhờn bám vào đèn có thể ngăn cản tia cực tím tác dụng vào vi khuẩn, do đó hiệu quả khử trùng thấp

- Không tiêu diệt được bào tử vi sinh vật

- Các chất hữu cơ có trong nước thải có khả năng hấp thụ tia cực tím, làm giảm tác dụng hữu hiệu của tia cực tím

2.1.3 Phương pháp siêu âm Ultrasonic Vibbration (U.V)

Ultrasonic Vibbration là một dạng sóng siêu âm có tần số cao hơn giới hạn nghe được của con người Khi chúng truyền trong chất lỏng, tia sóng là các nguyên nhân tạo nên các bong bóng cực nhỏ làm cho nước có trạng thái sôi Một số nhà quan sát gọi hiện tượng này là “sôi lạnh” Các bong bóng này nhanh chóng bị vỡ và tạo nên dạng sóng va chạm mạnh Vi sinh vật tồn tại trong dung dịch bị ảnh hưởng bởi áp suất bên ngoài từ sự va chạm này

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

2.1.4 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, sứ xốp có khe rỗng cực nhỏ Với phương pháp này, nước đem lọc phải có hàm lượng cặn nhỏ hơn 2 mg/l

Hình 2.4 Bộ lọc nước RO, công suất 12 lít/giờ

Kết luận: 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

2.2 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, ozon, kali permanganat, hydro peroxit Do

hiệu suất cao nên ngày nay khử trùng bằng hóa chất đang được áp dụng rộng rãi ở mọi quy mô

2.2.1 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 clo tác dụng với nước đều cho các phân tử axit hypocloro (HOCl), một hợp chất

có năng lực khử trùng rất mạnh

Cơ chế tác động của clo: Quá trình tiêu diệt vi sinh vật xảy ra qua hai giai

đoạn: đầu tiên chất khử trùng khuếch tán xuyên qua vỏ tế bào của vi sinh vật, sau đó phản ứng với men bên trong tế bào và phá hoại quá trình trao đổi chất dẫn đến diệt vong tế bào

Tốc độ phản ứng 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 quá trình khử trùng tăng khi nồng độ của chất khử trùng và nhiệt độ của nước tăng

Khử trùng bằng Clorua vôi thường dùng cho các trạm xử lý nước thải công suất dưới 1000 m3/ngày

Đây là phương pháp đơn giản, rẻ tiền và hiệu quả cao Tuy nhiên, việc khử trùng bằng clo sẽ khó khăn nếu trong nước thải công nghiệp có chứa nhiều hợp chất hữu cơ bền vững Khi đó clo sẽ kết hợp với các chất này để tạo thành các hợp chất hữu

cơ clo, ví dụ như: trihalomethane,… dễ gây nguy hại cho nguồn nước, đặc biệt là nguồn phục vụ cho mục đích cấp nước sinh hoạt

2.2.2 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 hòa tan nên iod được dùng ở dạng dung dịch bão hòa Độ hòa tan của iod phụ thuộc nhiệt độ nước Ở 0OC độ hòa tan là 100 mg/l Ở 20OC là 300 mg/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 liều lượng cao hơn 1,2 mg/l sẽ làm cho nước có mùi vị iod

2.2.3 Khử trùng nước bằng ion của các kim loại nặng

Với nồng độ rất nhỏ của ion kim loại nặng có thể tiêu diệt được các vi sinh vật và rêu tảo sống trong nước

Khử trùng bằng ion kim loại nặng đòi hỏi thời gian tiếp xúc lớn Ví dụ với bạc khi sử dụng 0,03 mg/l khử trùng nước có pH = 7,5 ở 15OC, thời gian cần để khử 99%

vi trùng là 177 phút Tuy nhiên không thể nâng cao nồng độ ion kim loại nặng để giảm thời gian diệt trùng vì ảnh hưởng đến sức khỏe của con người

Bảng 2.1 Nồng độ diệt trùng của ion kim loại nặng

Kim loại Nồng độ cần (mg/l) để tiêu diệt

Vi trùng Ecoli Rêu tảo

2.2.4 Khử trùng bằng ozon

Ozon có công thức hóa học là O3, ở điều kiện bình thường, ozon là chất không bền vững và bị phân hủy rất nhanh thành khí oxy dạng bền vững O2 Bởi vì ozon là chất không bền vững và không thể lưu giữ lâu trong bình chứa nên phải dùng máy sản xuất ozon ngay tại nơi sử dụng

Ozon được sản xuất bằng cách cho oxy hoặc không khí đi qua thiết bị phóng tia lửa điện, như hiện tượng ta vẫn thấy trong thiên nhiên sau tia chớp của dông bão, không khí trở nên sạch và mát hơn là do tác dụng làm sạch không khí của ozon Để cấp đủ lượng ozon khử trùng cho nhà máy xử lý nước, dùng máy phát tia lửa điện gồm hai điện cực kim loại đặt cách nhau một khoảng cho không khí chạy qua Cấp dòng điện xoay chiều vào các điện cực dể 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 ozon Nguồn không khí vừa là nguồn cấp oxy vừa là chất điện môi để san đều điện tích phóng ra trên toàn bề mặt điện cực, ngăn cản hiện tượng phóng điện quá tải cục bộ Sản phẩm phụ của quá trình sản xuất ozon là nhiệt lượng Luồng không khí đi qua khe hở giữa các điện cực không đủ để làm lạnh (hạ nhiệt) các điện cực, do ở nhiệt độ cao, ozon được sản xuất ra rất dễ bị phân hủy thành oxy, do đó cần phải lắp thiết bị làm lạnh điện cực ở máy sản xuất ozon Có hai loại thiết bị làm lạnh điện cực:

- Làm lạnh bằng không khí

- Làm lạnh bằng nước

Dưới tác dụng của tia lửa điện, một phần ni tơ phản ứng với nước thành axit thì có tác dụng ăn mòn kim loại của máy phát, do đó để loại trừ hiện tượng này, không khí trước khi cho vào máy tạo ozon phải được làm sạch để khử hoàn toàn độ ẩm

Nồng độ ozon trong hỗn hợp khí đi ra khỏi máy phát từ 1 – 2% tính theo trọng lượng được đưa thẳng vào bể hòa tan và tiếp xúc với nước để khử trùng Hiệu quả khử trùng phụ thuộc vào chất lượng nước, cường độ khuấy trộn và thời gian tiếp xúc Dựa

vào thời gian tiếp xúc cần thiết từ 4 – 8 phút, thường thiết kế ba loại bể hòa tan và khuấy trộn ozon vào nước:

- Đi qua lớp lọc nổi

- Dùng ejector

- Dùng cánh khuấy để hòa tan khí

Ưu nhược điểm của phương pháp khử trùng bằng ozon:

- Ưu điểm:

• Không có mùi

• Làm giảm nhu cầu oxy của nước, giảm nồng độ chất hữu cơ, giảm nồng độ các chất hoạt tính bề mặt

• Khử màu, phenol, xianua

• Tăng nồng độ oxy hòa tan

• Không có sản phẩm phụ gây độc hại

• Tăng vận tốc lắng của các hạt lơ lửng

- Nhược điểm:

• Vốn đầu tư ban đầu cao

• Tiêu tốn năng lượng điện

Khả năng khử trùng của ozon:

Độ hòa tan vào nước của ozon gấp 3 lần độ hòa tan của oxy Khi vừa mới cho ozon vào nước, tác dụng tiệt trùng xảy ra rất ít, khi ozon đã hòa tan đủ liều lượng, ứng với hàm lượng đủ để oxy hóa chất hữu cơ và vi khuẩn có trong nước, lúc đó tác dụng khử trùng của ozon mạnh và nhanh gấp 3100 lần so với clo và thời gian khử trùng xảy

ra trong khoảng từ 3 đến 8 giây

Liều lượng ozon cần để khử trùng nước từ 0,2 – 0,5 mg/l, tùy thuộc vào chất lượng nước đã xử lý Ozon có tác dụng tiêu diệt vi rút rất mạnh khi thời gian tiếp xúc đủ dài, khoảng 5 phút

Khả năng sử dụng ozon trong quy trình xử lý nước:

- Ozon có khả năng khử chất rắn trong nước thô bằng tác dụng oxy hóa và tuyển nổi, bọt cặn nổi lên khi ozon hòa tan vào nước thô, các bọt này trong quá trình nổi lên hấp thụ số lớn cặn cứng, hợp chất ni tơ và photpho

- pH của nước thô tăng lên chút ít do CO2 được thoát ra

- Khử màu và độ đục do tác dụng oxy hóa của ozon với các hợp chất tạo màu

- Chuyển hóa NH4 thành NO3-.

Nồng độ ozon trong không khí cao hơn 1 mg/l gây độc hại cho người quản lý vận hành, do đó cần phải có biện pháp phát hiện và phòng ngừa tại nơi đặt máy

Hình 2.5 Máy trộn ozon vào nước thải

CHƯƠNG 3: BẢN CHẤT KHỬ TRÙNG BẰNG CLO VÀ

CÁC HỢP CHẤT CHỨA CLO

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