KHỬ TRÙNG NƯỚC THẢI BẰNG CLO, XẢ NƯỚC THẢI SAU XỬ LÝ VÀO NGUỒN TIẾP NHẬN Trần Thị Cúc Phương 1. Khái niệm và tầm quan trọng của 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 Tại sao phải khử trùng Theo Chi cục Bảo vệ môi trường TP. HCM, kết quả quan trắc chất lượng nguồn nước cấp phục vụ sinh hoạt hệ thống sông Sài Gòn - Đồng Nai năm 2009 đang bị suy giảm. + Hiện trên sông Sài Gòn, nồng độ vi sinh vượt tiêu chuẩn loại B từ hơn 1 lần đến 10 lần; nồng độ COD, BOD 5 không đạt tiêu chuẩn loại A. + Còn trên sông Đồng Nai, nồng độ DO, dầu mỡ chỉ đạt tiêu chuẩn loại B. Riêng nồng độ vi sinh vượt tiêu chuẩn loại B hơn 2 lần thay vì phải đạt loại A. Hệ thống sông Sài Gòn - Đồng Nai là nguồn cung cấp nước cho nhiều triệu người trong lưu vực này. Theo giới chuyên môn, ô nhiễm vi sinh trong nước sẽ làm gia tăng nguy cơ các bệnh liên quan đến đường ruột Hình 1: Tổ hợp công trình hệ thống xử lý 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). 2. Khử trùng bằng clo và các hợp chất của clo Cơ sở của phương pháp khử trùng bằng các chất hóa chất là sử dụng chất oxy hóa mạnh hơn để oxy hóa men của tế bào vi sinh vật và tiêu diệt chúng. Các hóa chất thường dùng là: các halogen clo, brom; clo dioxyt; các hypoclorit và các muối của nó; ozôn…. Phương pháp khử trùng hóa học có hiệu suất cao nên được sử dụng rộng rãi với nhiều quy mô. 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 hủy 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. 2 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, ngoài ra tốc độ khử trùng còn phụ thuộc vào dạng không phân ly của chất khử trùng, vì quá trình khuếch tán qua vỏ tế bào xảy ra nhanh hơn cả 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. 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 : Cl 2 + H 2 O → ¬  HOCl + HCl Ở dạng phân ly ta có : Cl 2 + H 2 O → ¬  2H + + OCl - + Cl - Tương tự khi dùng clorua vôi làm chất khử trùng ta có : Ca(OCl) 2 + H 2 O → ¬  CaO + 2HOCl 2HOCl → ¬  2H + + 2OCl - Khả năng diệt trùng của clo phụ thuộc vào hàm lượng HOCl có trong nước. Nồng độ HOCl phụ thuộc vào lượng ion H + trong nước hay phụ thuộc vào pH của nước. Khi : pH = 6 thì HOCl chiếm 99,5%, OCl- chiếm 0,5% pH = 7 thì HOCl chiếm 79%, OCl- chiếm 21% pH = 8 thì HOCl chiếm 25%, OCl- chiếm 75% 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. * 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 : NH 3 + HOCl  NH 2 Cl + H 2 O monocloramine NH 2 Cl + HOCl  NHCl 2 + H 2 O dicloramine NHCl 2 + HOCl  NCl 3 + H 2 O tricloramine 3 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 Cl 2 , 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 dược đánh giá ở mức khác nhau. Sơ đồ sau thể hiện lượng clo dư theo quá trình cho clo vào khử trùng : Hình 2: Đồ thị thể hiện lượng clo dư theo quá trình sử dụng clo khử trùng Điểm tới hạn (breakpoint) rất quan trọng trong tính toán hàm lượng clo cho vào. Điểm tới hạn là điểm bão hòa của các phản ứng khử trùng. Tại điểm tới hạn, clo thêm vào sẽ trở thành clo dư. Để đánh giá hiệu quả của quá trình khử trùng nước thải bằng clo, ta thường thực hiện bằng cách kiểm tra số dư lượng hóa chất đã sử dụng và bằng cách xác định hàm lượng clo dư trong nước thải sau khi tiếp xúc với clo. 4 Thơng thường để đảm bảo hiệu quả của q trình khử trùng, ta điều chỉnh lượng clo cho vào sao cho hàm lượng clo dư còn lại trong nước thải sau khi tiếp xúc khơng nhỏ hơn 1,5 mg/l. * Khử clo dư trong nước : Khử dư lượng clo trong nước khi clo hóa với liều lượng cao có thể dùng phương pháp hóa học. Khử clo bằng hóa chất như dùng SO 2 , Na 2 SO 3 , Na 2 S 2 O 3 theo các phản ứng sau : Cl 2 + SO 2 +2H 2 O→ 2HCl + H 2 SO 4 Cl 2 + Na 2 SO 3 + H 2 O → 2HCl + Na 2 SO 4 4Cl 2 + Na 2 S 2 O 3 + 5H 2 O → 2NaCl + 6HCl + 2H 2 SO 4 Axit clohydric và axit sunfuric hình thành được trung hòa bằng độ kiềm dư của nước. Để khử hết 1mg clo dư cần đến 0,9 mg SO 2 . Ngồi ra có thể dùng than hoạt tính để lọc clo dư. Lớp lọc hấp thụ qua than hoạt tính có chiều dày từ 2 đến 2,5m, kích thước hạt từ 1,5 đến 2,5mm, tốc độ lọc 20 - 30m/h. Tái sinh than hoạt tính khi nó hết khả năng hấp thụ clo được tiến hành bằng rửa qua dung dịch kiềm nóng hoặc canxi hypoclorit. Phương pháp làm thống bề mặt chỉ khử được một phần clo dư hòa tan, còn hypoclorit do khơng bay hơi nên phương pháp này kém hiệu quả hơn. Khử clo và cloramine bằng phương pháp làm thống chỉ đạt hiệu quả khi pH của mơi trường nhỏ hơn 5. Để khử trùng nước nhiễm bẩn nặng, đặc biệt khi trong nước có nhiều vi trùng có sức đề kháng cao với các chất oxy hóa và trong trường hợp cần khử màu, mùi, vị của nước, có thể sử dụng liều lượng clo đến 10mg/l hoặc hơn để đảm bảo cả hiệu quả khử trùng triệt để và cả việc oxy hóa các chất gây mùi vị. Tuy nhiên khi lượng clo dư sau khử trùng còn q lớn, nhất thiết phải tìm biện pháp khử bớt clo dư xuống đến tiêu chuẩn cho phép từ 0,3 đến 0,5mg/l. * Khi trong nước có chứa phenol, nếu cho clo vào sẽ tạo ra clophenol gây mùi vị khó chịu, trong trường hợp này nhất thiết phải tiến hành amoniac hóa trước khi khử trùng. Độc tính clo và những sản phẩm phụ khác: Nói chung, nguy cơ do hóa chất trong nước không được xác đònh rõ bằng những nguy cơ của vi sinh vật gây bệnh. Đó là do thiếu thông tin về sản phẩm phụ khử trùng. Độc tính của clo và sản phẩm phụ của nó rõ ràng là đáng quan tâm bởi vì người ta ước tính 79% dân số các nước phát triển tiếp xúc với clo. Người ta tìm thấy có mối quan hệ giữa clo hóa nước uống và gia tăng nguy cơ ung thư đại tràng và bàng quang. Các hợp chất của trihalomethanes (THM) như là: cloroform, diclomethane, 1,2-dicloethane và carbon tetraclorua là những hợp chất clo hóa được tạo thành do việc clo hóa nước và nước thải và bò nghi ngờ có khả năng sinh ung thư. 5 Cách chủ yếu để giảm hay kiểm soát THM trong nước uống như sau: - Loại bỏ những tiền chất của THM trước khi clo hóa-có sự liên hệ giữa tiềm năng tạo thành THM tổng số và tổng carbon hữu cơ( TOC) trong nước. - Loại bỏ THM; và - Sử dụng những chất khử trùng khác thông thường không tạo thành THM (thí dụ cloramine, ozone, hay tia cực tím). Canxi hipoclorit có cơng thức hóa học Ca(ClO) 2 , clorua vơi là sản phẩm của q trình phản ứng clo với vơi tơi, trong clorua vơi cũng có thể chứa đến 40 - 45% canxi hypoclorit với lượng clo hoạt tính từ 20 đến 25%. Clorua vơi dễ hút ẩm và phân hủy khí clo nên cần được bảo quản khơ ráo, cẩn thận. Ca(OCl) 2 + H 2 O → ¬  CaO + 2HOCl 2HOCl → ¬  2H + + 2OCl - Clo dioxit có cơng thức hóa học là ClO 2 , clo dioxit là chất khí màu xanh, có tính khử trùng rất mạnh vì nó có thể tiêu diệt vi khuẩn, các loại kí sinh trùng và virus mà những hệ thống sử dụng clo khác khơng diệt được, dễ hòa tan trong nước và kém bền dưới ánh sáng. Clo dioxit thường dùng để khử trùng nước có chứa phenol hoặc có hàm lượng chất hữu cơ cao do khơng phản ứng tạo ra clophenol. Clo dioxit được sản xuất trực tiếp tại chỗ bằng cách sục khí clo vào dung dịch natri clorit hay canxi clorit đã được axit hóa : 2NaClO 2 + Cl 2 → 2ClO 2 + 2NaCl Ca(ClO 2 ) 2 + Cl 2 → 2ClO 2 + CaCl 2 Hạn chế của clo dioxit là giá thành cao và đòi hỏi kỹ thuật phức tạp, gây nguy hại khi phản ứng với cacbon hoạt tính, tạo ra odor và gây ăn mòn thiết bị. Lượng clo sinh ra phải được quan trắc thường xun trong hệ thống vận hành. Natri hipoclorit có cơng thức hóa học là NaOCl, dung dịch NaOCl (chứa đến 12% lượng Clo) được chế bằng cách điện phân muối ăn hoặc phản ứng trực tiếp clo với dung dịch NaOH. Hàm lượng clo hoạt tính phụ thuộc vào điều kiện phản ứng và có thể có từ 6 đến 8g/l khí sử dụng q trình điện phân hoặc có thể cao hơn khi sử dụng phản ứng trực tiếp clo với dung dịch NaOH. Cũng giống như clo ở dạng khí, NaOCl hòa vào nước sẽ tạo ra NaOH và HOCl. NaOCl + H 2 O → NaOH + HOCl HOCl → ¬  H + + OCl - Ở điều kiện nhiệt độ cao và pH thấp, dung dịch NaOCl dễ phân hủy, tạo khí Cl 2 và gây ơ nhiễm mơi trường. 3. Các yếu tố ảnh hưởng đến q trình khử trùng nước bằng clo 3.1 Hàm lượng và thời gian tiếp xúc: 6 Công thức tính thời gian tiếp xúc: 3 )23.01( − ××+= tC N N t o t N t : Số Coliform ở thời gian t, MPN/100ml. N 0 : Số Coliform ở thời gian ban đầu t 0 , MPN/100ml. C t : Hàm lượng clo dư ở thời gian t. t : Thời gian lưu nước, phút 3.2 Ảnh hưởng của pH Bảng 1: pH Lượng clo dư tối thiểu mg/l Clo tự do sau 10 phút tiếp xúc Clo hoạt tính kết hợp dạng cloramin sau 60 phút tiếp xúc 6 – 7 0,2 1,0 7 – 8 0,2 1,50 8 – 9 0,4 1,80 9 – 10 0,8 - > 10 > 10 - Yếu tố pH là yếu tố quan trọng quyết định hiệu quả của quá trình khử trùng bằng clo. Khi pH tăng, hiệu quả khử trùng giảm. Lượng clo dư tối thiểu cần thiết ứng với các giá trị pH khác nhau để diệt trùng hoàn toàn được thể hiện ở bảng 1. Hiệu quả khử trùng của HOCl cao hơn so với OCl - . HOCl phân ly yếu ở pH thấp, do đó hiệu quả khử trùng cao hơn khi ở pH thấp. Hình 3: Biểu đồ so sánh nồng độ phân ly HOCl và OCl - theo pH 3.3 Ảnh hưởng của nhiệt độ Nhiệt độ tăng làm cho độ nhớt giảm, đồng thời chuyển động nhiệt tăng lên, quá trình khuếch tán chất khử trùng qua vỏ tế bào sinh vật tăng và quá trình khử trùng đạt hiệu quả cao. So với clo, cloramine chịu ảnh hưởng của nhiệt độ mạnh hơn. 3.4 Ảnh hưởng của nồng độ 7 Khi tăng nồng độ chất khử trùng, thời gian tiếp xúc cần thiết sẽ giảm xuống và mối quan hệ này được biểu thị qua quan hệ : C n .t = K C : Nồng độ chất khử trùng; t : Thời gian cần thiết để khử trùng đến một giới hạn nhất định; n : Số mũ; K : Hằng số quá trình. 4. Hệ thống khử trùng bằng cho và cấu tạo bể tiếp xúc Ở các trạm xử lý nước thải công suất lớn, giai đoạn khử trùng bằng clo được thực hiện ở các công trình sau đây: • Trạm cloator (khi sử dụng clo hơi), trạm cloua vôi hay trạm hypoclorit (khử trùng cloua vôi hay hypoclorit tương ứng) • Bể hay mương xáo trộn clo với nước thải • Bể tiếp xúc Hình 4: Sơ đồ hệ thống khử trùng bằng clo 8 . Hình 5: Hệ thống pha chế Clo – Cloator 4.1Trạm cloator Hệ thống châm khí clo bao gồm: cân, cloinator, ejector, cloinator, thiết bị khuếch tán ống trộn. Các thiết bị phụ trợ khác: bơm tăng áp, hệ thống tự động, thiết bị bay hơi, thiết bị an toàn. Nhiệm vụ của cloator là định lượng liều lượng clo, xáo trộn clo với nước công tác, điều chế nước clo và vận chuyển đến nơi sử dụng 4.2Bể xáo trộn Hiệu quả khử trùng của nước thải phụ thuộc vào khả năng xáo trộn đều dung dịch clo với nước thải, thời gian tiếp xúc giữa chúng và hàm lượng clo dư. Công đoạn xáo trộn được thực hiện tại bể xáo trộn hay thiết bị xáo trộn. Thiết bị xáo trộn có thể thiết kế là công trình độc lập hay kết hợp với bể tiếp xúc Thiết bị xáo trộn đơn giản và được sử dụng rộng rãi nhất là bể xáo trộn như hình dưới. Nước thải trước khi dẫn vào ngăn trộn sẽ được khuếch tán với dung dịch clo thông qua ống khuếch tán clo. Trong ngăn trộn, cánh khuấy trộn đều clo với nước thải sau đó được dẫn vào bể tiếp xúc. 9 Hình 6: Thiết bị khuấy trộn gắn với bể tiếp xúc 4.3Cấu tạo của bể tiếp xúc Hình 7: Cấu tạo bể tiếp xúc Bể tiếp xúc được thiết kế với dòng chảy ziczăc qua từng ngăn để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tiếp xúc giữa Clo và nước thải (theo hình 7). Nhiệm vụ của bể tiếp xúc là để cho nước thải sau xử lý và dung dịch clo tiếp xúc một khoảng thời gian, trung bình thời gian tiếp xúc là 30 phút là đủ để tiêu diệt vi trùng chứa trong nước thải. Thời gian này được tính kể cả thời gian nước thải theo mương dẫn từ bể tiếp xúc ra nguồn tiếp nhận. Thiết kế bể tiếp xúc giống như thiết kế bể lắng nhưng không cần có thanh gạt bùn. Điều quan trọng nhất cần quan tâm là thời gian tiếp xúc, sao cho ít nhất 80 – 90% nước thải được lưu lại trong bể để thực hiện trọn vẹn thời gian cần thiết tiếp xúc với clo. Số lượng bể tiếp xúc thiết kế không được nhỏ hơn 2 đơn nguyên, cho phép thực hiện làm sủi bọt nước trong bể tiếp xúc bằng khí nén với cường độ 0,5 m 3 /m 2 .h. Trong giai đoạn khử trùng bằng clo có xảy ra quá trình keo tụ các chất hữu cơ còn lại trong nước thải và lắng xuống đáy bể tiếp xúc. Do đó, tốc độ nước chảy trong bể phải đảm bảo sao cho cặn lơ lửng 10 [...]... W = a.Q/1000.b.n Trong đó Q- lưu lượng trung bình của nước cần khử trùng m3/ngày aliều lượng clo hoạt tính bnồng độ dung dịch clorua vôi, lấy không lớn hơn 25% n- số lần hòa trộn clorua vôi trong ngày, lấy trong khoảng 2-6 lần phụ thuộc vào công suất của trạm Dung tích thùng hòa trộn lấy không quá 50% dung tích thùng dung dịch Đối với các trạm xử lý công suất trung bình, thường dùng các thiết bị trộn... viện, nhà máy… Tạp chất nổi trên mặt nước nâng hàm lượng chất hữu cơ lên quá: 5 mg/l 7mg/l Nước thải sau khi hòa trộn với nước sông, hồ không làm giảm lượng oxy hòa tan dưới 4mg/l (tính theo lượng oxy trung bình trong ngày vào mùa hè) Nước thải sau khi hòa trộn với nước sông, hồ BOD5 trong nước sông hồ khộg được vượt quá: 4 mg/l 8-10 mg/l Cấm xả nước thải vào sông hồ nếu nước thải chưa qua xử lý và . trộn sẽ được khu ch tán với dung dịch clo thông qua ống khu ch tán clo. Trong ngăn trộn, cánh khu y trộn đều clo với nước thải sau đó được dẫn vào bể tiếp xúc. 9 Hình 6: Thiết bị khu y trộn gắn. các biện pháp khử trùng (khử trùng chỉ nhằm tiêu diệt những vi khu n, virut loại có hại, gây bệnh, không phải tiêu diệt tất cả vi khu n có trong nước). 2. Khử trùng bằng clo và các hợp chất của. thiết và cuối cùng chống lại sự phơi nhiễm của người với những vi sinh gây bệnh, bao gồm virus, vi khu n và protozoa. 1.2 Tại sao phải khử trùng Theo Chi cục Bảo vệ môi trường TP. HCM, kết quả quan