CHƯƠNG 2: CHẤT LƯỢNG NGUỒN NƯỚC CẤP CHO VÙNG DÂN CƯ
2.3. TÍNH CHẤT NƯỚC THIÊN NHIÊN
2.3.2. Các chỉ tiêu hóa học
2.3.2.1. Hàm lượng hòa tan oxy hòa tan DO (dissolved oxygen)
Oxy hòa tan trong nước phụ thuộc vào các yếu tố như áp suất, nhiệt độ, đặc tính của nguồn nước bao gồm các thành phần hóa học, vi sinh, thủy sinh. Các nguồn nước mặt có bề mặt thoáng tiếp xúc trực tiếp với không khí nên thường có hàm lượng oxy hòa tan cao. Ngoài ra quá trình quang hợp và hô hấp của sinh vật trong nước cũng làm thay đổi lượng oxy hòa tan trong nước. Nước ngầm có hàm lượng oxy hòa tan thấp do các phản ứng oxy hóa khử xảy ra trong lòng đất đã tiêu tốn một phần oxy.
Oxy hòa tan trong nước không tác dụng với bề mặt hóa học, khi nhiệt độ tăng khả năng hòa tan oxy trong nước giảm, khi áp suất tăng khả năng hòa tan oxy trong nước cũng tăng. Hàm lượng hòa tan oxy trong nước tuân theo định luật Henry, trong nước ngọt ở điều kiện 1at 00C lượng oxy hòa trong nước ở điều kiện tới hạn là 8mg/l. Khi nhiệt độ tăng lượng oxy hòa tan trong nước giảm đi, đồng thời lượng oxy tiêu tốn trong các qúa trình oxy hóa sinh học lại tăng lên, do đó trong các nguồn nước thường giảm đi đáng kể vào mùa hè.
2.3.2.2. Nhu cầu oxy hóa học COD (Chemical oxygen demand)
COD là lượng oxy cần thiết để oxy hóa kết hợp các chất hữu cơ trong nước tạo thành CO2 và H2O. COD là một đại lượng dùng để đánh giá sơ bộ mức độ
nhiễm bẩn của nguồn nước. COD biểu thị cả lượng chất hữu cơ không thể bị oxy hóa bằng vi khuẩn, chất oxy hóa ở đây thường dùng là kali permanganate hoặc kali bicromat.
2.3.2.3. Nhu cầu oxy sinh học BOD (Biological oxygen demand)
COD là lượng oxy cần thiết để vi khuẩn phân hủy các chất hữu cơ ở điều kiện hiếm khí. Trong môi trường nước, khi quá trình oxy hóa sinh học xảy ra thì các vi khuẩn sử dụng oxy hòa tan. Phản ứng xảy ra như sau:
Chất hữu cơ + O2 CO2 + H2O
Vận tốc của quá trình oxy hóa nói trên phụ thuộc vào số vi khuẩn có trong nước và nhiệt độ của nước.
BOD cũng là một chỉ tiêu dùng để xác định mức độ nhiễm của nước. BOD có thể xác định bằng phương pháp hóa học khi sử dụng kali permanganate, xanh metylen, xác định từ COD. Hoặc cũng có thể dùng phương pháp sinh học dùng chai BOD hay phương pháp hô hấp. Nhược điểm của phương pháp xác định này là tốn nhiều thời gian. Sau 5 ngày khoảng 70 đến 80% các chất hữu cơ bị oxy hóa do đó BOD5 biểu thị 1 phần tổng BOD. Theo lý thuyết để oxy hóa gần hết hoàn toàn các chất hữu cơ (98 – 99) đòi hỏi 20 ngày, thông thường BOD5/COD = 0,5/0,7 2.3.2.4. Khí hydrosunfua H2S
Khí H2S là sản phẩm của quá trình pân hủy các hợp chất hữu cơ, phân rác có trong rác thải. Khí hydrosunfua làm cho nước có mùi trứng thôí khó chịu với nồng độ cao, nó còn có tính ăn mòn cao.
2.3.2.5. Các hợp chất của nitơ.
Các hợp chất của nito có trong nước là kết quả của quá trình phân hủy chất hữu cơ trong tự nhiên, trong chất thải và các nguồn phân bón mà con người trực tiếp hay gián tiếp đi vào nguồn nước, các hợp chất này thường tồn tại dưới dạng amoniac, nitrit, nitrat, và cả dưới dạng Nito.
Có thể mô tả quá trình hình thành các hợp chất nitơ trong sinh quyển theo sơ đồ sau:
Hình 2.1: Sơ đồ chuyển hóa Nitơ
Dựa vào sơ đồ trên ta có thể nói rằng tùy theo mức độ có mặt của nitơ mà ta có thể biết được mức độ ô nhiễm của nước. Khi nước mới bị nhiễm bẩn bởi phân bón hoặc nước thải trong nguồn nước có chứa NH3-, NO2-, và NO3.. Sau một thời gian NH3- và NO3. bị oxy hóa thành NO3., như vậy:
Nếu nước chứa NH3- và nitơ thì coi như nước mới nhiễm bẩn và nguy hiểm Nếu nước chủ yếu có NO2- thì nước đã bị ô nhiễm thời gian dài, ít nguy hiểm hơn
Nếu nước chủ yếu là NO3. thì quá trình đã kết thúcở điều kiện hiếm khí NO3.
sẽ bị khử thành N2 bay lên. Amoniac là chất gây ô nhiễm trầm trọng trong nước, gây độc cho cá.
Việc sử dụng rộng rãi các nguồng phân bón hóa học cũng làm cho hàm lượng amoniac trong nước tự nhiên tăng lên. Trong nước ngầm và nước đầm lầy hay gặp nitrat và amoniac với hàm lượng cao người ta đã phát hiện nếu trong nước uống nitrat có hàm lượng cao thường gây bệnh xanh xao ở trẻ nhỏ và có thể dẫn đến tử vong.
2.3.2.6. Các hợp chất của axit cacbonnic
Độ ổn định của nước phụ thuộc vào trạng thái cân bằng giữa các dạng của hợp chất axit cacbonic. Axit cacbonic là một axit yếu trong nước các hợp chất này phân ly như sau:
H2CO3 ( H+ + HNO3- ) 2HCO3- CO3- + CO2 + H2O
Tương quan hàm lượng giữa CO2, CO3-, CO32- ở một nhiệt nhất định phụ thuộc vào nồng độ của ion H+, nghĩa là phụ thuộc vào nồng độ pH của nước, tương quan này được biểu hiện trên hình 2.1.
Protein NH3 NO2 NO3 N2
Qúa trình ôxy hóa
Qúa trình khử nitơ
Biểu đồ trên hình 2.1 cho ta thấy, khi pH < 4 trong nước chỉ tồn tại CO2, khi pH <8,4 lượng CO2 bị triệt tiêu và trong nước còn tồn tại cả HCO3- và CO32-, khi pH trong nước > 12 trong nước chỉ còn tồn tại CO3-. Xét quá trình phân ly nói trên ta thấy khi trong nước có một lượng HCO3 nào đó thì lập tức trong nước có một lượng CO2 tương ứng tồn tại. Lượng CO2 cần có gọi là lượng CO2 cân bằng, nếu nước có lượng CO2 hòa tan vượt quá lượng CO2 cân bằng thì khi tiếp xúc với các vật liệu có chứa CaCO3 như bê tông CaCO3 sẽ được hòa tan do phản ứng với CO2
như sau:
CaCO3 + CO2 = Ca(HCO3)2
Lượng CO2 tham ra phản ứng này gọi là CO2 xâm thực, ngược lạ nếu có lượng CO2 hòa tan thấp hơn lượng CO2 cân bằng thì một phần HCO3- sẽ bị phân hủy tạo thành CO2 và CO32-. Khi lượng CO32- trong nước vượt quá mức cân bằng nó sẽ kết hợp Ca2+ và Mg2+ hòa tan theo phản ứng:
Ca2+ + CO22- CaCO3
Muối CO3 có kết tủa khó hòa tan, dễ bám kết lắng đọng trong ống dẫn, thiết bị gây cản trở quá trình vận dụng và quá trình truyền nhiệt.
Nước có hàm lượng CO2 hòa tan bằng lượng CO2 cân bằng gọi là nước ổn định. Trong kỹ thuật xử lý nước cấp, việc xử lý ổn định nước đóng vai trò quan trọng có nghĩa là phải xác định hàm lượng CO2 cân bằng và CO2 tự do sao cho nước có được tính ổn định.
2.3.2.7. Độ PH của nước
Trong môi trường riêng của các phân tử nước phân ly theo phản ứng sau:
H2O H+ + OH-
Nồng độ các ion H+, OH- là các đại lượng biểu thị tính axit và tính kiềm của nước, sự tương quan giữa nồng độ các ion H+, OH- được biểu thị bằng biểu thức sau:
Kw = [ H+ ] . [ OH- ]
Trong đó Kw gọi là tích số ion của nước, Kw có giá trị phụ thuộc vào nhiệt độ của nước. Nước tinh khiết ở 250C có nồng độ ion H+ bằng nồng độ ion OH-
[ H+ ] = [ OH- ] = 10-7 mol/l
Trong thực tế tính axit cũng như tính kiềm của nước ít khi biểu thị bằng đại lượng pH. Đại lượng pH có giá trị được tính theo phương pháp sau:
PH = lg [ H+ ]
Tính chất của nước được xác định theo giá trị khác nhau của pH, khi pH =7 nước có tính trung tính, khi pH > 7 nước có tính kiềm, khi pH < 7 nước có tính axit. pH có thể xác định bằng giấy chỉ thị màu hoặc bằng dụng cụ đo pH cực hydro hoặc cực thủy tinh.
Vai trò của pH trong nước có ý nghĩa quan trọng trong các quá trình hóa lý, thí dụ khi xử lý nước bằng hóa học, quá trình chỉ có hiệu quả tối ưu ở một giá trị pH nhất định trong những điều kiện nhất định.
2.3.2.8. Sắt và mangan
Trong nước ngầm sắt thường tồn tại dạng hóa trị hai của các muối bicacbonat, sunfat. Clorua hòa tan đôi khi sắt tồn tại trong keo của axit humic hoặc keo silic. Khi tiếp xúc với oxy hoặc các chất oxy hóa, sắt (II) bị oxy hóa thành sắt ( III ) và kết tủa thành bông cặn Fe(OH)3 có màu nâu đỏ. Nước bề mặt thường chứa Sắt (III) tồn tại ở dạng keo hữu cơ, cặn hoặc huyền phù. Nước thiên nhiên có sắt với hàm lượng 30 mg/l, nước có mùi tanh làm vàng quần áo khi giặt… Các cặn sắt làm tắc hoặc làm giảm khả năng vận chuyển của hệ thống dẫn nước.
Cũng như sắt, mangan thường có trong nước ngầm với hàm lượng nhỏ hơn ít khi vượt quá 2mg/l. Với hàm lượng trong nước lớn hơn 0.005 mg/l sẽ gây trở ngại trong việc sử dụng.
Sắt và mangan trong nước có thể bị oxy hóa theo phản ứng sau:
Fe2+ Fe3+ (màu nâu đỏ)
Mn2+ Mn4+ (màu đen)
Sắt (II) và mangan (II) có thể được khử khỏi nước bằng oxy hóa qua quá trình làm trao đổi thoáng trao đổi khí sau đó tách Fe3+, Mg4+ không hòa tân bằng quá trình lắng lọc.
2Fe(HCO3)2 + 0.5O2 + H2 2Fe(OH)3 +H2O
Cũng có thể dùng chất oxy hóa hóa học như KMnO4 để oxy hóa, sau đó tách quá trình lắng lọc.