Kiến thức cơ bản về nước và môi trường thủy quyển

Nội dung text: Kiến thức cơ bản về nước và môi trường thủy quyển

1. KIẾN THỨC CƠ BẢN VỀ NƯỚC VÀ MÔI TRƯỜNG THỦY QUYỂN 1
2. TÍNH CHẤT CỦA NƯỚC 1. Tài nguyên nước và vai trò của nước a. Tài nguyên nước Trái Đất có khoảng 361 triệu km2 diện tích các đại dương (chiếm 715 diện tích trái đất). Trữ lượng tài nguyên nước có khoảng 1,5 tỉ km3, trong đó nước nội địa chỉ chiếm 91 km3 (6,1%) , còn lại là nước biển và đại dương. Tài nguyên nước ngọt chiếm 28,25 triệu km3, nhưng phần lớn lại ở dạng đóng băng ở hai cực trái đất. Lượng nước thực tế con người có thể sử dụng được là 4,2 triệu km 3 (0,28% thủy quyển). Các dạng nước trong tự nhiên không ngừng vận động và chuyển trạng thái (lỏng, rắn, hơi), tạo nên vòng tuần hoàn nước trong sinh quyển: nước bốc hơi, ngưng tụ và mưa. Nước vận động trong các quyển (khí quyển, thủy quyển, thạch quyển và sinh quyển), hòa tan và mang theo nhiều chất dinh dưỡng, chất khoáng và một số chất cần thiết cho đời sống của động vật và thực vật. Nước ao, hồ, sông và đại dương nhờ năng lượng mặt trời bốc hơi vào khí quyển, hơi nước ngưng tụ lại rồi mưa xuống bề mặt trái đất. Nước chu chuyển trong phạm vi toàn cầu, tạo nên các cân bằng nước và tham gia vào quá trình điều hòa khí hậu trái đất. Hơi nước thoát từ các loài thực vật làm tăng độ ẩm của không khí. Một phần nước mưa thấm qua đất thành nước ngầm, nước ngầm và nước bề mặt đều hướng ra biển để tuần hoàn trở lại, đó là chu trình nước. Tuy nhiên lượng nước ngọt và nước mưa trên hành tinh phân bố không đều. Hiện nay hàng năm trên toàn thế giới mới sử dụng khoảng 4000 km3 nước ngọt, chiếm khoảng hơn 40% lượng nước ngọt có thể khai thác được. b. Vai trò của nước Nước ngọt là tài nguyên tái tại được, nhưng sử dụng cần phải cân bằng nguồn dự trữ và tái tạo, sử dụng cần phải hợp lý nếu muốn cho sự sống tiếp diễn lâu dài, vì hết nước thì sự sống cũng chấm dứt. Trong vũ trụ bao la chỉ có trái đất là có nước ở dạng lỏng, vì vậy giá trị của nước sau nhiều thập kỷ xem xét đã được đánh giá “Như dòng máu nuôi cơ thể con người dưới một danh từ là máu sinh học của trái đất, do vậy nước quý hơn vàng” (Pierre Fruhling). Điều kiện hình thành đời sống động thực vật phải có nước, nước chính là biểu hiện nơi muôn loài có thể sống được, đó là nguồn giá trị đích thực của nước. Môi trường nước không tồn tại cô lập với môi trường khác, nó luôn tiếp xúc trực tiếp với không khí, đất và sinh quyển. Phản ứng 2
3. hóa học trong môi trường nước có rất nhiều nét đặc thù khi so sánh với cùng phản ứng đó trong phòng thí nghiệm hay trong sản xuất công nghiệp. Nguyên nhân của sự khác biệt đó là tính không cân bằng nhiệt động của hệ do đó là một “hệ mở” tiếp xúc trực tiếp với khí quyển, thạch quyển, sinh quyển và số tạp chất trong nước cực kỳ đa dạng. Giữa chúng luôn có sự trao đổi chất, năng lượng (nhiệt, quang, cơ năng), xảy ra sôi động giữa bề mặt phân cách pha. Ngay trong lòng nước cũng xảy ra các quá trình xa lạ với quy luật cân bằng hóa học: quá trình giảm entropi, sự hình thành và phát triển của các vi sinh vật. Nước là một hợp chất liên quan trực tiếp và rộng rãi đến sự sống trên trái đất, là cơ sở của sự sống đối với mọi sinh vật. Đối với thế giới vô sinh, nước là thành phần tham gia rộng rãi vào các phản ứng hóa sinh, nước là dung môi và môi trường tàng trữ các điều kiện để thúc đẩy hay kìm hãm các quá trình hóa sinh. Đối với con người, nước là nguyên liệu chiếm tỷ trọng lớn nhất. Nước rất cần thiết cho hoạt động sống của con người cũng như các sinh vật. Con người có thể không ăn trong nhiều ngày mà vẫn sống, nhưng sẽ bị chết chỉ sau ít ngày (khoảng 3 ngày) nhịn khát, vì cơ thể người có khoảng từ 70 – 75 % là nước, nước mất 12% nước cơ thể sẽ bị hôn mê và có thể chết. Con người cần nước ngọt cho ăn uống, sinh hoạt hàng ngày và cho sản xuất. Mỗi người một ngày ăn uống chỉ cần 2,5 lít nước, nhưng tính chung cho cả nước sinh hoạt thì ở các nước phương Tây mỗi người cần khoảng 300 lít nước mỗi ngày. Với các nước đang phát triển, số lượng nước đó thường được dùng cho một gia đình 5 – 6 người. Nhu cầu nước cho sản xuất công nghiệp và nhất là nông nghiệp rất lớn. Để khai thác một tấn dầu mỏ cần có 10 m 3 nước , muốn chế tạo một tấn sợi tổng hợp cần có 5600 m 3 nước, một trung tâm nhiệt điện hiện đại với công suất 1 triệu kW cần đến 1,2 – 1,6 tỉ m 3 nước trong một năm. Tóm lại, nước có một vai trò quan trọng không thể thiếu được cho sự sống tồn tại trên trái đất, là máu sinh học của trái đất nhưng nước cũng là nguồn gây tử vong cho con người. Vì vậy nói đến nước là nói đến việc bảo vệ rừng, trồng rừng, phát triển để tái tạo nguồn nước, hạn chế cường độ dòng lũ lụt, để sử dụng nguồn nước làm thủy điện, để cung cấp nước sạch. Phải sử dụng hợp lý nước sinh hoạt và sản xuất đi đôi với việc chống ô nhiễm nguồn nước đã khai thác sử dụng, phải xử lý nước thải sản xuất và sinh hoạt. 2. Thành phần hóa sinh của nước 2.1 Thành phần hóa học của nước thiên nhiên 3
4. Nước tự nhiên chiếm 1% tổng lượng nước trên trái đất, gồm nước chứa ở sông, hồ, nước bề mặt, nước ngầm. Thành phần của nước tự nhiên có hòa tan các chất rắn, lỏng, khí phụ thuộc vào địa hình mà nó đi. Các nguồn nước tự nhiên không nối liền với nhau nên không có sự hòa trộn để có thành phần khá đồng đều như nước biển và thành phần của chúng lại có thể thay đổi ngay trên dòng. Nước biển trong các đại dương được nối với nhau nên thành phần của nước gần như nhau. Nước biển chứa hàm lượng muối tan lớn gấp khoảng 2000 lần so với các nguồn nước bề mặt. Nước biển có thể gọi là dung dịch chứa muối NaCl 0.5 M, MgSO4 0.05 M và vi lượng của tất cả các chất trong toàn cầu. Các chất rắn hòa tan trong nước chủ yếu là các muối hòa tan, hàm lượng NaCl trong nước quyết định độ mặn của nước. Các khí hòa tan trong nước: nói chung các chất khí có trong khí quyển đều có mặt trong nước do kết quả của hai quá trình cơ bản là khuếch tán và đối lưu. Trong đó khí CO2 và O2 trong nước có ý nghĩa quan trọng đối với quá trình quang hợp và hô hấp của các sinh vật sống dưới nước. - Oxi trong nước: oxi là loại khí ít tan trong nước và không tác dụng với nước về mặt hóa học, nhưng oxi có ý nghĩa lớn đối với quá trình tự làm sạch của nước. Độ hòa tan của oxi trong nước phụ thuộc nhiều vào nhiệt độ và áp suất môi trường. Mức độ bão hòa oxi hòa tan trong nước ngọt vào khoảng 14 – 15 ppm (0oC, 1 atm), 8 ppm (25oC, 1 atm), 7 ppm (35oC, 1 atm). Nồng độ oxi giảm dần theo chiều sâu của lớp nước. Nếu nước bị ô nhiễm bởi các chất hữu cơ có khả năng oxi hóa bằng phản ứng sinh học với oxi thì hàm lượng oxi trong nước còn giảm do bị tiêu hoa bởi hoạt động của các vi khuẩn. Khi lượng oxi trong nước quá ít = 8.3, CO2 trong nước chủ yếu tồn tại ở dạng CO3 ; khi - pH <= 5, trong nước tồn tại chủ yếu ở dạng CO 2 hay HCO3 . Với lớp trầm tích, CO2 trong nước tham gia phản ứng: Quá trình này dẫn tới sự thay đổi pH của môi trường. - Các chất hữu cơ trong nước: 4
5. Dựa vào khả năng phân hủy của vi sinh vật có thể chia làm hai nhóm: + Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học: các chất đường, protein, chất béo, dầu mỡ động thực vật, vi sinh vật phân hủy tạo ra khí cacbonic và nước. + Các chất hữu cơ khó bị phân hủy sinh học: hợp chất clo hữu cơ, andrin, policlor biphenyl (PCB), hợp chất đa vòng ngưng tụ (pyren, naphtalen, antraxen, đioxin ) là những hợp chất khá bền trong môi trường nước và có độc tính cao cho động thực vật và con người. 2.2 Thành phần sinh học của nước Trong môi trường nước, các sinh vật sống (vùng sinh vật – biota) có thể phân loại thành cả sinh vật đẳng tuyến (autotropic) và sinh vật dị tuyến (heterotropic). Vùng sinh vật đẳng tuyến sử dụng năng lượng mặt trời hoặc năng lượng hóa học để biến các vật chất đơn giản không có sự sống thành các phân tử sống có chứa các sinh vật sống. Các sinh vật sống đẳng tuyến dùng năng lượng mặt trời để tổng hợp các hợp chất hữu cơ từ các chất vô cơ được gọi là các sinh vật sản xuất (producer). Các sinh vật dị tuyến sử dụng các chất hữu cơ do các sinh vật đẳng tuyến tạo ra như nguồn năng lượng và nguyên liệu cho quá trình tổng hợp chất hữu cơ sinh học (biomass) của chúng. Các sinh vật phân hủy là một phân lớp của sinh vật dị tuyến và bao gồm chủ yếu các loại vi khuẩn, nấm; các sinh vật này phân hủy chất sinh học thành các hợp chất đơn giản mà các hợp chất này trước hết sẽ được các sinh vật đẳng tuyến xử lí. Các vi sinh vật trong nước là một nhóm rất đa dạng của sinh vật có khả năng tồn tại như các đơn bào vốn chỉ có thể quan sát thấy qua kính hiển vi. Các vi sinh vật, đơn bào nhỏ bé chỉ có thể nhìn thấy qua kính hiển vi bao gồm vi khuẩn, nấm và tảo đóng vai trò cực kỳ quan trọng trong môi trường nước với những lý do sau: + Thông qua khả năng xử lý cacbon vô cơ, tảo và các vi khuẩn quang hợp là các sinh vật sản xuất chủ yếu sinh khối, cung cấp phần còn lại của chuỗi thức ăn trong môi trường nước. + Là các tác nhân xúc tác cho các phản ứng hóa học dưới nước, vi khuẩn làm trung gian cho hầu hết các chu trình oxi hóa – khử trong nước. + Bằng việc phân hủy sinh khối và các chất khoáng hóa quan trọng, đặc biệt là nitơ và photpho, các vi sinh vật dưới nước đóng vai trò quan trọng trong chu trình dinh dưỡng. + Các vi sinh vật dưới nước cũng rất cần thiết cho các chu trình sinh hóa. 5
6. + Các vi khuẩn dưới nước đóng vai trò quan trọng trong việc phân hủy và giải độc rất nhiều chất ô nhiễm (xenobiotic) trong môi trường thủy quyển. Theo quan điểm của hóa học môi trường, kích thước nhỏ bé của các vi sinh vật đặc biệt quan trọng, bởi vì kích thước này cho phép các vi khuẩn trao đổi nhanh các chất dinh dưỡng và các sản phẩm metan với môi trường xung quanh, kết quả là tạo ra nhiều phản ứng metan. Việc tăng trưởng theo cấp số nhân của các đơn bào bằng quá trình sinh sản nhân đôi ở pha lỏng, cho phép các vi sinh vật nhân lên nhanh chóng trên các chất nền hóa học môi trường như là các hợp chất hữu cơ có thể phân hủy được. Các vi sinh vật đóng vai trò như các chất xúc tác sống cho phép hàng loạt các chu trình hóa học diễn ra trong môi trường nước và đất. Phần lớn các phản ứng hóa học diễn ra trong đất và nước đều là các phản ứng liên quan đến các chất hữu cơ và các quá trình oxi hóa – khử xuất hiện thông qua khâu trung gian có xúc tác vi khuẩn. Tảo là vi sinh vật sản xuất chủ yếu các chất hữu cơ sinh học trong nước. Tảo là vi sinh vật đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành các chất cặn và chất khoáng; chúng cũng có vai trò cực kỳ quan trọng trong hệ thống xử lý nước thải thứ cấp. Các vi sinh vật phải được loại bỏ khỏi nguồn nước dể tạo nguồn nước sạch cho con người. Tảo có thể được coi là các vi sinh vật siêu nhỏ tồn tại trên các vật chất dinh dưỡng vô cơ và sản sinh ra chất hữu cơ từ cacbondioxit thông qua quá trình quang hợp. Ở dạng rất đơn giản, quá trình sản xuất ra các chất hữu cơ thông qua quá trình quang hợp của tảo được mô tả bằng phản ứng sau: CO2 + H2O {CH 2O} + O2 Trong đó, nhóm {CH2O} là một đơn vị cacbohydrat. Nấm là các vi sinh vật không quang hợp. Cấu trúc của nấm có nhiều loại và thường được phân loại theo cấu trúc sợi. Nấm là các vi sinh vật ưa khí, thường chịu được môi trường nhiều axit và có nồng độ các ion kim loại nặng cao hơn vi khuẩn. Mặc dù nấm không phát triển mạnh trong môi trường nước nhưng chúng đóng vai trò quan trọng trong việc quyết định thành phần của nước tự nhiên và nước thải do một lượng lớn các chất do nấm phân hủy từ xenlulose trong gỗ và các loại thực vật khác thâm nhập vào nguồn nước. Để làm được điều này các tế bào nấm tiết ra enzim ngoại bào xenlulaza. Một tác dụng phụ quan trọng là đối với môi trường của việc phân hủy các chất từ thực vật của nấm là các chất mùn. 3. Những đặc điểm của nước Nước là một trong số các chất lỏng dị thường nhất. Khối lượng phân tử của nước ở 20 oC nhỏ hơn nhiều so với bất kỳ chất lỏng nào 6
7. khác ở cùng nhiệt dọ này (trừ HF). Đây là một tính chất dị thường vì ở điểm sôi xu hướng các phan tử chất lỏng muốn thoát ra để chuyển động tự do trong không gian, tức là dạng khí, nước lại bằng xu hướng của phân tử muốn tạo thành chất lỏng. Xu hướng chuyển thành dạng khí có liên quan chủ yếu đến khối lượng phân tử: nếu các phân tử chất lỏng đều nhẹ hơn thì chúng có thể chuyển động trong không gian dễ dàng hơn các phân tử nặng hơn ở một nhiệt độ nào đó. Xu hướng các phân tử ở dạng khí tạo thành pha lỏng có liên quan chủ yếu đến tương tác giữa các phân tử với nhau trong pha lỏng. Khối lượng của phân tử nước bằng 18 nên phân tử nước là một phân tử nhẹ, nhưng điểm sôi của nước là 100 oC. Nếu so sánh nước với metan trên quan điểm này thì khối lượng phân tử của metan bằng 16 nhưng điểm sôi chỉ có – 161,5 oC. Còn nếu so sánh với neon có khối lượng phân tử bằng 20 nhưng điểm sôi là – 245,9 oC. Những số liệu này cho thấy điểm sôi của nước cao hơn rất nhiều so với các chất có khối lượng phân tử tương đương. Khi nước đá nóng chảy thành nước thì thể tích giảm và tiếp tục giảm đến khi có nhiệt độ bằng 3,98oC. Ta biết rất rõ là nước đá nhẹ hơn nước. Hiện tượng này là rất khác với đa số các chất rắn khác vì thường các chất rắn đều nặng hơn dạng lỏng và bị chìm vào dạng lỏng trong quá trình nóng chảy. Nhiệt dung riêng của nước cũng lớn hơn rất nhiều so với nhiều chất lỏng khác. Nước có nhiệt nóng chảy và nhiệt hóa hơi cũng rất lớn. Ngoài ra nước có hằng số điện môi lớn, có khả năng hòa tan được nhiều chất điện li hơn so với nhiều dung môi khác. Nước có được những tính chất vật lý đặc biệt đó là do giữa các phân tử nước tồn tại một loại liên kết đặc biệt, được gọi là liên kết hydro. Phân tử nước H2O là phân tử phân cực cao. Các phân tử không tồn tại riêng rẽ mà tạo thành từng nhóm phân tử bởi liên kết hidro. Mỗi phân tử nước đá được bao quanh bởi 4 phân tử nước đá khác tạo thành cấu trúc hình tứ diện. 4. Sự tạo phức trong nước tự nhiên và nước thải Các ion kim loại trong nước thường liên kết với các phân tử nước dưới dạng các ion hydrat biểu thị bằng công thức chung là n+ M(H2O)x , để đơn giản H 2O thường được bỏ qua. Các phân tử khác nước có thể liên kết với các ion kim loại mạnh hơn phân tử nước. Đặc biệt, một ion kim loại trong nước có thể kết hợp với một ion hoặc một hợp chất có cung cấp các electron cho ion kim loại. Những hợp chất như trên được gọi là chất cho điện tử, hay base lewis. Là một phối tử, nó liên kết với một ion kim loại để tạo nên một phức hợp hay một hợp chất phối trí. 7
8. Các phức chất với kim loại đều ảnh hưởng tới tính chất của nước. Có thể ở nồng độ thấp (vi lượng) chúng có lợi cho dinh dưỡng, song ở nồng độ cao chúng lại gây đọc trong nước. Các phức với kim loại còn ảnh hưởng tới quá trình oxy hóa – khử, cân bằng hóa học và cân bằng sinh học trong nước. Ở đây người ta thường quan tâm đến các phức chất của axit humic và axit fulvic. Các phức này đã được các nhà hóa học phát hiện từ năm 1800, nhưng cấu trúc và đặc tính hóa học đến nay vẫn chưa được xác định chính xác. Chúng được tạo nên do quá trình phân hủy thực vật, xuất hiện như một chất lắng trong đầm lầy hoặc lớp trầm tích của nước. Sự tạo phức bởi các chất humic (mùn) Nhóm tạo các hợp chất quan trọng nhất có trong tự nhiên là các chất mùn. Các chất mùn là những hợp chất không bị thoái biến trong quá trình phân hủy các thực vật, là các chất lắng đọng trong đất, đáy các đầm lầy, than bùn, than non, hay ở bất cứ nơi nào có chứa lượng lớn thực vật bị thối rửa. Các chất này thường được phân loại theo độ hòa tan. Một hợp chất có chứa mùn được tách ra bằng base mạnh và dụng dịch còn lại được axit hóa, sẽ cho các sản phẩm sao: + Bã thực vật không thể tách rời được gọi là humin + Một chất kết tủa từ phần tách ra bị axit hóa, được gọi là axit humic. + Một hợp chất hữu cơ còn lại trong dung dịch bị axit hóa gọi là axit fulvic. Do tính chất phức hợp, hút ẩm, axit và base mà cả hợp chất tan lẫn không tan đều có ảnh hưởng lớn đến tính chất của nước. Thông thường axit fulvic tan trong nước và phát huy ảnh hưởng của mình như các chất tan. Axit humic và humin không và ảnh hưởng đến chất lượng của nước thông qua việc trao đổi, như trao đổi cation hay các chất hữu cơ với nước. Các hợp chất humic là hợp chất cao phân tử, có trọng lượng phân tử lớn. Trọng lượng phân tử dao động từ một vài trăm đối với axit fulvic đến hàng chục ngàn đối với axit humic và các hợp chất humin. Liên kết của các ion kim loại bằng các chất mùn là một trong những tính chất môi trường quan trọng nhất của chất mùn. Liên kết này có thể tồn tại như một chelat giữa một nhóm cacboxyl và một nhóm hydroxyl của phenol. Các chất phức của axit fulvic với kim loại cũng đóng vai trò quan trọng trong môi trường nước tự nhiên. Chúng có thể lưu giữ một số ion kim loại như sắt, các hợp chất màu vàng trong nước được gọi là Gelbstofe và thường gắn liền với sắt tan. Người ta đã đặt biệt chú ý đến các hợp chất mùn sau khi phát hiện ra trihalogenmetan (THM) như clorofom hay dibromclometan 8
9. trong các nguồn cung cấp nước. Ngày nay người ta thấy rằng, các chất gây ung thư còn nhiều nghi ngờ này có thể được hình thành với sự xuất hiện của các hợp chất mùn trong quá trình tẩy uế nguồn nước uống của các đô thị bằng clo. Các hợp chất mùn tạo ra THM qua phản ứng với clo. Có thể giảm bớt sự hình thành của THM bằng cách loại bỏ càng nhiều càng tốt chất mùn trước khi khử trùng nước bằng clo. Như vậy, dựa vào độ tan của axit humic và axit fulvic người ta phân loại: + Humin là những sản phẩm gốc thực vật không chiết được. + Axit humic là những sản phẩm kết tủa trong quá trình axit hóa. + Axit fulvic là những chất hữu cơ còn lại trong dung dịch axit. Các axit humic và axit fulvic có ảnh hưởng trực tiếp đến tính chất của nước như: tính tạo phức, tính hấp phụ, tính base. Axit humic và axit fulvic là các đại phân tử, có phân tử lượng từ vài ngàn tới 300 ngàn, có cấu trúc không ổn định, chứa đồng thời nhiều nhóm chứa axit yếu: cacbonyl, cacboxyl, hydroxyl, phenol. Một trong những tính chất khá đặc thù của axit humic và fulvic là khả năng tạo phức với kim loại tạo thành hợp chất có độ tan thấp. II. CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ MỨC ĐỘ Ô NHIỄM NƯỚC 1. Độ pH Độ pH là một trong những chỉ tiêu cần xác định đối với chất lượng nước. Giá trị đo pH cho phép chúng ta quyết định xử lý nước theo phương pháp thích hợp hoặc điều chỉnh lượng hóa chấ trong quá trình xử lý nước. Sự thay đổi pH trong nước có thể dẫn tới những thay đổi về thành phần các chất trong nước do quá trình hòa tan hoặc kết tủa, hoặc thúc đẩy hoặc ngăn chặn những phản ứng hóa học, sinh học xảy ra trong nước. Xác định pH bằng các máy đo pH. Các máy đo pH hiện nay đều là các máy hiện số. Độ chính xác của các máy này thường là 1% đơn vị pH. 2. Nhiệt độ Nhiệt độ của nước là một chỉ tiêu cần đo khi lấy mẫu nước. Nhiệt độ của nước ảnh hưởng đến độ pH, đến các quá trình sinh hóa xảy ra trong nước. Nhiệt độ của nước phụ thuộc vào điều kiện khí hậu, thời tiết hay môi trường khu vực. Riêng nhiệt độ của nước ngầm, các lớp nước tầng đáy sâu của hồ ít phụ thuộc vào môi trường hơn. Nhiệt độ nước thải công nghiệp đặc biệt là nước thải của nhà máy nhiệt điện, nhà máy điện hạt nhân thường cao hơn từ 10 – 25oC so với nước thường. 9
10. Nước nóng có thể gây ô nhiễm hoặc có lợi tùy theo mùa và vị trí địa lý. Vùng có khí hậu ôn đới nước nóng có tác dụng xúc tiến sự phát triển của vi sinh vật và các quá trình phân hủy. Nhưng ở những vùng nhiệt đới, nhiệt độ cao của nước ở sông hồ sẽ làm thay đổi quá trình sinh hóa và hóa lý bình thường của hệ sinh thái nước, giảm lượng oxi hòa tan vào nước và tăng nhu cầu oxi của cá lên 2 lần. Một số loài sinh vật không chịu được nhiệt độ cao sẽ chết hoặc phải di chuyển đi nơi khác, nhưng có một số loài khác lại phát triển mạnh ở nhiệt độ thích hợp. Chỉ tiêu nhiệt độ cần đo ngay tại nơi lấy mẫu bằng nhiệt kế hay bằng các máy đo nhiệt độ. 3. Màu sắc Nước sạch trong suốt và không màu. Nếu bề mặt đáy của nước rất lớn ta có cảm giác nước màu xanh nhẹ, đó là do sự hấp thụ chọn lọc các bước sóng nhất định của ánh sáng mặt trời. Nước bẩn của nước là do các chất bẩn trong nước gây nên. Màu sắc của nước ảnh hưởng đến thẩm mỹ khi sử dụng nước, ảnh hưởng đến chất lượng nước khi sử dụng trong sản xuất. Mùa của nước là do những nguyên nhân sau: + Màu của các chất hữu cơ: màu này rất khó xử lý bằng các phương pháp đơn giản. Nước có màu xanh đậm hoặc có váng trắng chứng tỏ trong nước có nhiều chất phú dưỡng hoặc các thực vật nổi phát triển quá mức và sản phẩm phân hủy thực vật đã chết. Sự phân hủy các chất hữu cơ làm xuất hiện axit humic và fulvic hòa tan làm nước có màu vàng. + Các chất vô cơ là những hạt rắn, gây ra màu sắc trong nước. Màu này xử lý đơn giản hơn. Các hợp chất của Fe 3+ không tan làm cho nước có màu nâu đỏ. Nước thải sinh hoạt hay nước thải công nghiệp có nhiều màu sắc khác nhau. Thường là màu xám hay màu tối. Khi nước bị ô nhiễm có màu sẽ cản trở sự truyền ánh sáng mặt trời vào nước, làm ảnh hưởng tới hệ sinh thái nước. Nếu là màu do hóa chất gây nên sẽ rất độc đối với sinh vật sống trong nước. 4. Mùi vị Nước sạch không có mùi, vị. Nước có mùi vị khó chịu là nước bị ô nhiễm. Nguyên nhân của sự ô nhiễm là do sản phẩm phân hủy các chất hữu cơ trong nước hoặc do nguồn nước thải có chứa những chất khác nhau, ví dụ: mùi phân C 8H5NHCH3, mùi trứng thối H 2S, mùi hôi của mercaptan (CH3SH, CH3(CH2)3SH, mùi cá ươn của amin (CH3NH2, (CH3)2NH, (CH3)3N), mùi thịt thối của diamin NH2 – (CH2)4 – NH2 5. Độ đục 10
11. Nước tự nhiên sạch thường không chứa các chất rắn lơ lửng nên trong suốt và không màu. Độ đục do các chất lơ lửng gây ra, chúng có kích thước rất khác nhau, từ dạng những hạt keo đến những thể phân tán thô. Những hạt vật chất gây đục thường hấp phụ những kim loại nặng, cùng các vi sinh vật gây bệnh. Nước đục còn ngăn cản quá trình chiếu sáng của mặt trời xuống đáy thủy vực làm giảm quá trình quang hợp và nồng độ oxi hòa tan trong nước. Đơn vị chuẩn của độ đục là sự cản quang bởi 1 mg SiO 2 hòa tan trong 1 lít nước cất gây ra được gọi là 1 đơn vị độ đục. Đo độ đục của nước bằng các máy đo độ đục. Độ đục càng lớn có nghĩa là độ nhiễm bẩn của nước càng cao và phải có biện pháp xử lý thích hợp. 6. Độ mặn Độ mặn của nước là tổng lượng các muối hòa tan trong nước. Mỗi quần thể sinh vật trong nước sẽ thích nghi với một khoảng độ mặn nhất định của nước. Độ mặn thường được ký hiệu là S‰. Độ mặn của nước có thể tính qua hàm lượng Cl- có trong nước biển theo công thức: S‰ = 0.030 + 1.805.[Cl-] Đo độ mặn của nước bằng các máy đo độ mặn. 7. Chất rắn trong nước Gồm hai loại là chất rắn lơ lửng và chất rắn hòa tan. Tổng hai loại chất rắn trên gọi là tổng chất rắn trong nước. Chất rắn lơ lửng: phần chất rắn không bị hòa tan có kích thước tử 0.01 – 0.1 μm như khoáng sét, bùn, than, mùn Các chất rắn lơ lửng làm cho nước đục, thay đổi màu sắc và các tính chất khác. Hàm lượng chất rắn lơ lửng được xác định bằng lượng khô của phần chất rắn còn lại trên giấy lọc sợi thủy tinh khi lọc 1 lít nước mẫu qua phễu lọc rồi sấy khô ở 103 – 105 oC tới khi khối lượng không đổi. Đơn vị tính là mg/l. Ngoài ra hàm lượng chất rắn lơ lửng có thể xác định bằng máy quang phổ hấp thụ. Chất rắn hòa tan: mắt thường không thể nhìn thấy được, làm cho nước có mùi, vị khó chịu, đôi khi cũng làm cho nước có màu. Đó là chất khoáng vô cơ, hữu cơ như các muối clorua, cacbonat, nitrat, photphat Nguồn nước có hàm lượng chất rắn cao không dùng được trong công nghiệp và trong sinh hoạt. 8. Chất rắn bay hơi Hàm lượng chất rắn bay hơi là lượng mất đi khi nung lượng chất rắn huyền phù ở 550 oC trong một khoảng thời gian nhất định. Thời gian này phụ thuộc vào loại nước cần xác định (nước thải, bùn, nước uống ). Đơn vị tính là mg/l. Hàm lượng chất rắn bay hơi trong nước thường biểu thị cho hàm lượng chất hữu cơ trong nước. 9. Chất rắn có thể lắng 11
12. Chất rắn có thể lắng là thể tích phần chất rắn của một lít nước mẫu đã lắng xuống đáy phễu sau một thời gian xác định (khoảng 1 giờ). Đơn vị đo là ml/l. 10. Độ kiềm toàn phần Được định nghĩa là hàm lượng các chất có trong nước có khả năng phản ứng với axit mạnh. Độ kiềm rất quan trọng trong việc xử lý nước và trong môi trường hóa sinh của các loại nước tự nhiên. Thông thường người ta cần phải xác định được nồng độ kiềm để tính toán khối lượng các hóa chất cần thêm vào khi xử lý nước. Nước có tính kiềm cao thường có độ pH cao và chứa lượng chất rắn hòa tan cao. Tính chất này của nước có thể có hại đối với các dụng cụ đun nước, việc sản xuất thức ăn và các hệ thống nước ở thành phố. Độ kiềm có tác dụng như một dung dịch đệm và là nguồn cung cacbon vô cơ, vì vậy góp phần quyết định khả năng của nước trong việc trợ giúp cho sự phát triển của tảo và các loài sinh vật sống dưới nước khác. Các nhà sinh học cũng sử dụng độ kiềm làm thước đo chất lượng của nước. Nhìn chung, các khoáng chất chính quyết định tính kiềm trong nước là ion bicacbonat, ion cacbonat và ion hidroxit. Ngoài ra còn có các hóa chất khác ảnh hưởng đến độ kiềm của nước là ammoniac và các base liên hợp của photphoric, silicic, boric và các axit vô cơ. Cũng cần phải phân biệt giữa độ base cao, được xác định bằng độ pH tăng, và độ kiềm cao xác định bằng khả năng nhận H+. Trong khi pH chỉ cường độ thì độ kiềm chỉ khả năng. Việc dùng phèn nhôm Al2(SO4)3.18H2O làm chất kết tụ là một ví dụ cho tầm quan trọng của tính kiềm trong việc xử lý nước. Ion nhôm hidrat là một axit khi có nước sẽ kết hợp với base tạo ra nhôm hidroxit kết tủa. Phản ứng này khử kiềm trong nước. Đôi khi cũng cần bổ sung thêm kiềm để ngăn chặn việc nước trở nên quá axit. Độ kiềm có đơn vị là CaCO 3 mg/l dựa theo phản ứng trung hòa axit. Trọng lượng tương đương của canxi cacbonat bằng ½ trọng lượng theo công thức của nó vì chỉ cần ½ phân tử CaCO 3 để trung + hòa một ion H . Tuy nhiên thể hiện độ kiềm bằng mg CaCO3/l có thể dẫn đến nhầm lẫn với m đương lượng/l là đơn vị thường dùng trong hóa học. Đối với nước tự nhiên, độ kiềm của nước phụ thuộc chủ yếu vào hàm lượng các muối cacbonat, hidrocacbonat của kim loại kiềm và kiềm thổ, trong trường hợp này pH của nước thường >= 8.3. 11. Độ axit Đối với các nguồn nước tự nhiên, độ axit được định nghĩa là hàm lượng của các chất có trong nước có khả năng tham gia phản ứng với kiềm mạnh. Nước axit thường rất ít gặp trừ trường hợp bị ô nhiễm nặng. Độ axit của nước thường do sự có mặt của các axit như: 12
13. - H2PO4 , CO2, H2S, các protein, các axit béo và các ion kim loại có tính axit, đặc biệt là ion Fe 3+. Độ axit khó xác định hơn độ kiềm, lý do là hai hợp chất chủ yếu tác động đến tính axit là CO 2 và H2S đều là chất tan dễ bay hơi và biến mất trong mẫu thử. Cất và lưu giữ các mẫu nước đại diện để phân tích của khí này thường rất khó. Thuật ngữ axit vô cơ tự do được dùng cho các axit mạnh trong nước như H2SO4 và HCl. Nước axit trong các hầm mỏ có chứa nhiều axit vô cơ. Trong khi nồng độ axit được xác định bằng việc chuẩn độ với base đến điểm cuối của phenolphthalein(pH = 8.3, khi cả axit mạnh và axit yếu đều được trung hòa), thì axit vô cơ tự do được xác định bằng việc chuẩn độ với base đến điểm cuối methyl da cam (pH = 4.3, khi chỉ có axit mạnh được trung hòa). Độ axit của một số ion hydrat kim loại cũng có thể làm tăng tính + axit của nước. Để ngắn gọn, ion H3O được viết tắt đơn giản hơn thành H+. Độ axit của nước có nguồn gốc khác nhau do quá trình thủy phân, oxi hóa khoáng vật và chất hữu cơ, hoạt động vi sinh, lắng đọng từ khí quyển, nước thải từ các hoạt động công nghiệp, sự hòa tan của khí CO2. Trong đó, khí CO2 hòa tan vào nước là nguồn chính đóng góp vào độ axit của nước. 12. Độ cứng của nước Trong các cation có trong hầu hết các hệ thống nước sạch, ion canxi thường có nồng độ cao nhất và có ảnh hưởng lớn nhất đối với hóa học môi trường nước, cũng như việc sử dụng và xử lý nước. Tính chất hóa học của canxi, mặc dù khá phức tạp, nhưng vẫn đơn giản hơn tính chất hóa học của các ion kim loại chuyển tiếp trong nước. Canxi là nguyên tố quan trong các quá trình địa hóa. Các khoáng chất tạo thành các nguồn ion canxi chủ yếu trong nước. Các khoáng chất chủ yếu góp phần tạo ra ion canxi là thạch cao CaSO4.2H2O, CaSO4, dolomite CaMg(CO3)2, aragonite, vốn là các dạng khác nhau của CaCO3. Canxi xuất hiện trong nước là do sự cân bằng giữa canxi và các hợp chất magie cacbonat cùng với CO 2 tan trong nước, khí này từ không khí hay các chất hữu cơ bị thối rữa trong các chất cặn. Nước chứa lượng lớn cacbon dioxit sẽ hòa tan nhanh chóng canxi từ các hợp chất cacbonat. Nồng độ CO2 trong nước quyết định độ hòa tan của canxi cacbonat. Lượng cacbon dioxit mà nước có được nhờ vào sự cân bằng với không khí không đủ để tạo ra canxi hòa tan trong nước tự nhiên, đặc biệt là nước ngầm. Thay vào đó, hoạt động hô hấp của các vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ có trong nước, trong các chất cặn và đất sẽ cung cấp lượng CO 2 cần thiết để hòa tan CaCO 3 13
14. trong nước. Đây là một yếu tố hết sức quan trọng trong các chu trình hóa học môi trường nước và các quá trình chuyển hóa địa hóa. Ion canxi, cùng với ion magie, đôi khi là ion sắt II, quyết định độ cứng của nước. Minh họa điển hình nhất về độ cứng của nước là kết tủa vón cục của phản ứng giữa xà phòng với ion canxi trong nước cứng. Nhiệt độ tăng có thể làm cho phản ứng này xảy ra bằng cách giải phóng khí CO2 và chất kết tủa trắng của canxi cacbonat có thể hình thành trong nước sôi có độ cứng tạm thời. Do có sự có mặt của các muối, chủ yếu là các muối canxi và muối magie, nước cứng không gọi là nước ô nhiễm vì không gây hại cho sức khỏe con người. Nhưng độ cứng của nước lại có ảnh hưởng lớn đến sản xuất công nghiệp như đóng cặn trong nồi hơi do tạo kết tủa với các ion Ca2+, Mg2+; pha chè không ngấm, làm giảm tác dụng của hợp chất tạo bọt của xà phòng. Độ cứng của nước được chia làm thành hai loại: + Độ cứng tạm thời: do các muối hydrocacbonat của canxi và magie tạo nên, khi đun nước sôi độ cứng tạm thời sẽ mất, do tạo kết tủa CaCO3 và MgCO3. + Độ cứng vĩnh cửu: do các muối sunfat, clorua của canxi và magie tạo nên. Ngoài ra một số các cation kim loại khác như: Al 3+, Fe3+, cũng làm tăng độ cứng của nước, độ cứng vĩnh cửu thường rất khó loại trừ. Độ cứng của nước được biểu thị bằng hàm lượng của CaCO3, đơn vị là mg/l. Có thể phân loại độ cứng của nước như sau: Độ cứng của nước Hàm lượng CaCO3 (mg/l) Nước mềm 300 13. Hàm lượng oxi hòa tan trong nước(DO: dissolved oxygen) Cùng với trị số pH, khí oxi hòa tan là yếu tố thủy hóa quan trọng xác định cường độ hàng loạt quá trình sinh hóa xảy ra trong môi trường nước. Với khả năng hoạt động hóa học mạnh, oxi hòa tan trong nước là một hợp phần rất linh động, sự phân bố theo không gian và biến đổi theo thời gian của nó chịu tác động của hàng loạt hiện tượng và quá trình, trong đó đáng kể nhất là quá trình tương tác của nước, khí quyển, hoạt động của thủy sinh vật, mức độ ô nhiễm của nước Chính vì vậy oxi hòa tan trong nước được xem là một trong những yếu tố chỉ thị cho khối nước, cho nhiều quá trình lý hóa xảy ra trong đó, đồng thời nó còn được sử dụng như một chỉ tiêu cơ 14
15. bản để đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường, nhất là ô nhiễm chất hữu cơ. Tất cả các sinh vật đều phụ thuộc vào oxi dưới dạng nào đó để duy trì quá trình trao đổi chất đáp ứng sinh sản và phát triển. Lượng oxi hòa tan trong nước rất ít, với nước sạch, độ hòa tan của oxi ở 0oC, 1atm là 14.6 ppm. Chỉ số DO thấp có nghĩa là nước có nhiều chất hữu cơ, nhu cầu oxi hóa tăng nên tiêu thụ nhiều oxi trong nước. Chỉ số DO cao chứng tỏ nước có nhiều rong tảo tham gia quá trình quang hợp giải phóng oxi, thậm chí đạt trên mức bão hòa (nếu đạt giá trị 200% được gọi là siêu bão hòa). Về mặt hóa học, oxi không tham gia phản ứng với nước, độ hòa tan oxi vào nước phụ thuộc vào nhiệt độ. Ngoài ra còn phụ thuộc vào tiêu hao oxi do quá trình phân hủy sinh học chất hữu cơ do vi khuẩn hiếu khí, sự bổ sung oxi do quá trình quang hợp, hao hụt oxi do quá trình hô hấp của động vật trong nước và chiều sâu của nước. Chỉ số DO trong nước ở áp suất 1atm Và các nhiệt độ khác nhau Nhiệt độ o C 0 5 10 15 20 25 30 Nước ngọt 14.6 12.8 11.3 10.2 9.2 8.4 7.6 (ppm) Nước biển 11.3 10.0 9.0 8.1 7.1 6.7 6.1 (ppm) 14. Nhu cầu oxi sinh hóa (BOD: biochemical oxygen demand) Nhu cầu sinh hóa là lượng oxy mà sinh vật đã sử dụng trong quá trình oxi hóa các chất hữu cơ trong nước. Đơn vị tính theo mg/l. vi khuẩn Chất hữu cơ + O2 CO2 + H2O + tế bào mới Oxi cần cho quá trình này là oxi hòa tan trong nước. Quá trình oxi hóa sinh học xảy ra rất chậm và kéo dài. Chỉ số BOD chỉ ra lượng oxi mà vi khuẩn tiêu thụ trong phản ứng oxi hóa các chất hữu cơ trong nước ô nhiễm, chỉ số BOD càng cao chứng tỏ lượng chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học trong nước ô nhiễm càng nhiều. Trong thực tế không thể xác định lượng oxi cần thiết để vi sinh vật oxi hóa hoàn toàn chất hữu cơ có trong nước, chỉ xác định được lượng oxi cần thiết để vi sinh vật oxi hóa các hợp chất hữu cơ trong 5 ngày ở nhiệt độ 20 oC trong buồng tối, kết quả được biểu thị bằng BOD5. 15
16. 15. Nhu cầu oxi hóa học (COD: chemical oxygen demand) Trong nước thường tồn tại những hợp chất vô sinh có khả năng tiêu thụ oxi hòa tan bằng các phản ứng hóa học. Nguồn gốc và hàm lượng các hợp chất này trong nước mặt và nước thải rất khác nhau, bản chất và tính chất hóa học của chúng cũng rất khác nhau. Theo quan hệ hóa học giữa chúng với oxi hoặc với một số chất khác thì đại đa số trong chúng có tính khử, một số lại có tính oxi hóa. Tuy nhiên, dù mang đực trưng nào thì những hợp chất này cũng vẫn có khả năng tiêu thụ một lượng oxi hòa tan trong nước. Tập hợp những chất và hợp chất có khả năng tiêu thụ oxi hòa tan trên tạo nên “nhu cầu oxi hóa hóa học” của nước (tức là khả năng tiêu thụ oxi trong các phản ứng oxi hóa – khử xảy ra trong nước). Những hợp phần có khả năng tiêu thụ oxi trong nước bằng con đường hóa học như đã nêu trên, thường có nguồn gốc là các hợp chất hữu cơ, chủ yếu là các hợp chất phức tạp và đa dạng của cacbon. Như vậy, nhu cầu oxi hóa học của nước được tạo nên chủ yếu do hợp phần hữu cơ có trong nước. Do đó có thể dùng COD để đặc trưng định lượng cho hàm lượng của hợp phần này. Nguồn cung cấp các chất hữu cơ cho nước tự nhiên còn chủ yếu do sự phân hủy tàn tích hữu cơ và các sản phẩm của quá trình hoạt động sống của động vật, các xác động thực vật Ngoài ra, chất hữu cơ còn được cung cấp từ các nguồn nước thải công nghiệp và sinh hoạt. Chính vì vậy COD của nước còn được coi là một chỉ tiêu của ô nhiễm môi trường. Tóm lại, COD là nhu cầu oxi cần thiết cho quá trình oxi hóa toàn bộ các chất hữu cơ trong mẫu nước thành CO 2 và H2O bằng các tác nhân oxi hóa mạnh. 16. Hàm lượng sắt và mangan trong nước Khi trong nước có chứa các ion sắt và mangan, chúng sẽ gây nên độ đục và màu trong nước: Fe2+ oxy hóa Fe3+ màu nâu đỏ Mn2+ oxy hóa Mn4+ màu đen Các ion này có tính chất duy trì sự phát triển của một số vi khuẩn gây thối rửa trong hệ thống phân phối nước. Nước có hàm lượng sắt > 0.3 mg/l và mangan > 0.05 mg/l sẽ gây mùi tanh, khó chịu, làm nước có màu. Khi bị oxi hóa chúng chuyển thành các hợp chất sắt và mangan hóa trị cao gây keo hoặc kết tủa làm tắc các đường ống dẫn nước. 17. Hàm lượng photpho - 2- Photpho có thể tồn tại trong nước dưới các dạng H 2PO4 , HPO4 3- ,PO4 , các poly photphat như Na3(PO3)6 và phopho hữu cơ. 16
17. Đây là nguồn dinh dưỡng cho các thực vật dưới nước, chúng gây ô nhiễm và góp phần thúc đẩy hiện tượng phì dinh dưỡng ở các ao, hồ. 18. Hàm lượng sunfat Hàm lượng sunfat trong nước cao sẽ ảnh hưởng tới việc hình thành H2S gây mùi khó chịu, nhiễm độc với cá, ngoài ra còn gây hiện tượng đóng cặn cứng trong nồi đun, gây hiện tượng xâm thực ăn mòn đường ống dẫn. 2- vi khuẩn 2- SO4 + hợp chất hữu cơ S + H2O + CO2 2- + yếm khí S + 2H H2S 19. Hàm lượng nitơ Hợp chất nitơ trong nước tự nhiên là nguồn dinh dưỡng cho thực - - vật. Trong nước nitơ tồn tại ở nhiều dạng khác nhau như: NO3 , NO2 , Hàm lượng các hợp chất chứa nitơ cũng là một chỉ tiêu đánh giá mức độ ô nhiễm nước. Hàm lượng NH 3 cao gây nhiễm độc cho các - - sinh vật sống trong nước; hàm lượng NO 2 , NO3 cao sẽ kết hợp với hồng cầu tạo thành chất không vận chuyển oxi gây bệnh xanh xao thiếu máu. 20. Hàm lượng kim loại nặng: Pb, Cu, Ni, Cd Các kim loại nặng thường có trong nước thải đô thị hoặc nước thải công nghiệp. Những kim loại này ở các pH khác nhau tồn tại ở các dạng khác nhau gây ô nhiễm nước, độc hại với sinh vật. 21. Hàm lượng chất dầu mỡ Chất dầu mỡ trong nước có thể là chất béo, axit hữu cơ, dầu, sáp Chúng có thể gây khó khăn cho quá trình vận chuyển nước, ngăn cản oxy hòa tan trong nước và tạo lớp phân cách bề mặt với khí quyển. 22. Các chỉ tiêu vi sinh Trong nước thiên nhiên có nhiều loại vi trùng, siêu vi trùng, rong, tảo và các đơn bào. Chúng xâm nhập vào nước từ các môi trường xung quanh hoặc sống trong nước. Có thể chia làm hai loại: + Loại vi sinh có hại là các vi khuẩn gây bệnh từ các nguồn rác thải, bệnh của người và các động vật như tả, thương hàn, bại liệt Vi khuẩn E – coli là vi khuẩn đặc trưng cho mức độ nhiễm trùng nước. + Các loại rong tảo làm nước có màu xanh, khi thối rửa làm tăng hàm lượng chất hữu cơ trong nước. Các chất hữu cơ này phân hủy sẽ tiêu thụ oxi, gây hiện tượng thiếu oxi và làm ô nhiễm nước. 17
18. 2. Ô NHIỄM NƯỚC VỚI TÁC NHÂN HÓA HỌC I. NGUYÊN NHÂN CỦA Ô NHIỄM NƯỚC 1. Ảnh hưởng của nước thải đối với nguồn nước tiếp nhận Nước đã tạo nên văn minh của nhân loại. Nhân loại ở thế kỷ 20 đã đứng trước nguy cơ căng thẳng về nguồn năng lượng và vấn đề ô nhiễm môi trường. Vậy thế kỷ 21 nhân loại có thể đứng trước nguy cơ gì lớn hơn nữa? Nguy cơ nước sạch. Đó là nhận thức chung của các chuyên gia trên toàn thế giới. Nguy cơ thiếu nước có tính chất toàn cầu là do nguồn nước thải ngày một tăng đã ảnh hưởng trực tiếp đến nguồn nước tiếp nhận. Dưới đây là một số ảnh hưởng chính do nước thải gây ra đối với nguồn nước tiếp nhận: 1.1 Xuất hiện các chất nổi trên mặt nước hoặc có cặn lắng: các hiện tượng nhiễm bẩn này thường do nước thải từ các xí nghiệp chế biến thực phẩm hoặc nước thải sản xuất của các xí nghiệp có chứa dầu mỡ và sản phẩm dầu mỡ. Chúng tạo nên lớp màng dầu, mỡ nỗi trên mặt nước và nếu cặn nặng thì lắng xuống đáy. Chúng làm cho nước có mùi vị đặc trưng và làm giảm lượng oxi trong nước nguồn. Với hàm lượng dầu 0.2 – 0.4 mg/l sẽ làm cho nước có mùi dầu. Khử mùi dầu là một việc làm khó khăn. Tôm cá trong nước bị nhiễm bẩn do các sản phẩm dầu mỡ có tốc độ sinh trưởng chậm, thậm chí không sinh trưởng được và thịt của chúng có mùi dầu. 1.2 Thay đổi tính chất lý học: nguồn nước tiếp nhận nước thải sẽ bị đục, có màu, có mùi do các chất thải đưa vào hoặc do sự phát triển của rong, rêu, tảo, sinh vật phù du tạo nên. 1.3 Thay đổi thành phần hóa học: tính chất hóa học của nguồn nước tiếp nhận sẽ bị thay đổi phụ thuộc vào loại nước thải đổ vào. Nguồn nước thải mang tính axit hoặc kiềm hoặc chứa nhiều loại hóa chất làm thay đổi thành phần và hàm lượng các chất có sẵn trong thủy vực. 1.4 Lượng oxy hòa tan trong nước giảm: hàm lượng oxy hòa tan trong nguồn nước tiếp nhận bị giảm là do tiêu hao oxy để oxy hóa các chất hữu cơ do nước thải đổ vào. 18
19. Hiện tượng giảm oxy hòa tan ( < 4 mg/l) trong nước sẽ gây ảnh hưởng xấu cho các loài thủy sinh vật. 1.5 Xuất hiện hoặc làm tăng các loại vi khuẩn gây bệnh: nước thải kéo theo các loài vi khuẩn gây bệnh vào nguồn nước tiếp nhận làm suy chất lượng nước cấp cho các mục đích sử dụng, trong đó đặc biệt là dùng trong sinh hoạt và sản xuất. Tóm lại, nước thải nếu bị lưu đọng xử lý chưa đạt yêu cầu sẽ gây ô nhiễm môi trường, đặc biệt đối với nguồn nước tiếp nhận, hậu quả kéo theo gây tác động xấu đến vệ sinh môi trường và sức khỏe con người. 2. Nguồn gốc và thành phần gây ô nhiễm nước Sự ô nhiễm môi trường nước là sự thay đổi thành phần và tính chất của nước gây ảnh hưởng tới hoạt động sống bình thường của con người, sinh vật, đến sản xuất công nghiệp, nông nghiệp và thủy sản. Nguồn gốc gây ô nhiễm nước có thể là do tự nhiên hay nhân tạo: + Sự ô nhiễm có nguồn gốc tự nhiên là do mưa, tuyết tan, lũ lụt, gió bão hoặc do các sản phẩm hoạt động sống của sinh vật, kể cả các xác chết của chúng. + Sự ô nhiễm nhân tạo chủ yếu do nguồn nước thải từ các vùng dân cư, khu công nghiệp, hoạt động giao thông vận tải, do sử dụng thuốc trừ sâu, diệt cỏ và phân bón trong nông nghiệp vào các nguồn nước sẵn có. Chất gây ô nhiễm nước bao gồm các chất vô cơ, chất hữu cơ, các hóa chất khác, ô nhiễm vi sinh vật, ô nhiễm nhiệt, ô nhiễm cơ học hay vật lí, ô nhiễm phóng xạ II. CÁC CHẤT GÂY Ô NHIỄM NƯỚC 1. Các chất hữu cơ tổng hợp a. Chất bảo vệ thực vật Chất bảo vệ thực vật được FAO định nghĩa là bất kỳ hợp chất nào hay hỗn hợp các chất nào được dùng để phòng ngừa, tiêu diệt hoặc khống chế bất kỳ vật nào, bao gồm cả các vectơ truyền bệnh cho người, súc vật, các loài cây cỏ và động vật vô ích gây hại hoặc cản trở trong quá trình sản xuất, lưu kho, vận chuyển hoặc mua bán lương thực, thực phẩm, gỗ và các sản phẩm gỗ, thức ăn gia súc chất đó có thể được dùng để khống chế các côn trùng hoặc các vật hại khác bên trong và bên trên cơ thể xúc vật. a.1 Các chất diệt côn trùng lân hữu cơ hay các hợp chất hữu cơ – photpho 19
20. Các chất diệt côn trùng lân hữu cơ (DCT LHC) là các ester lân hữu cơ, có thể xem là các dẫn xuất của axit photphoric. DCT LHC tương đối kém bền vững, dễ bị phân hủy bởi các tác nhân kiềm và axit, không tích lũy trong cơ thể nhưng chúng lại là những chất rất độc nên rất nguy hiểm. Tuy độc tính của từng chất có khác nhau nhưng cùng một cơ chế tác dụng là ức chế hoạt tính men cholinesteraza, nên cũng được gọi là các chất kháng men cholinesteraza. Theo tác dụng trên thực vật, người ta chia các chất diệt côn trùng lân hữu cơ làm 2 loại: loại tiếp xúc và loại nội hấp. + Loại tiếp xúc thường được sử dụng là parathion etyl, parathion mety, malathion, diazinon, gusathion, TEPP, HETP, DDVP, sumithion, triclorfon + Loại nội hấp thường được sử dụng là dimethoat demeton, demeton – O – metyl, OMPA, ekatin Độc tính của các hợp chất DCT LHC được phân thành: loại rất độc, loại độc vừa, loại ít độc. + Loại rất độc (DL50 từ 1 – 50 mg/kg): demeton, EPN, Guthion, parathion etyl, parathion metyl (wofatox), OMPA (schradan), phosdrin (mevinphos), TEPP, trithion, coral, dioxathion, di – syston, phorate (thimet), prothoate, chlorfenvinphos, phosphamidon + Loại độc vừa (DL 50 từ 50 – 500 mg/kg): diazinon, DDVP, ethion, fenthion, fenitrothion, dimethoat + Loại ít độc (DL50 trên 500 mg/kg): chlorthion, dipterex (trichlorphon), matlathion, bromofos, runnel Tiêu chuẩn của FAO đối với nước nôi trồng thủy sản cho phép nồng độ tổng các hợp chất cơ – photpho là 0,2 µg/l. Một vài chất DCT LHC + Pharathion – etyl (O,O – dietyl – O – 4 – nitrophenylphotphorothioat): là chất lỏng, sánh như dầu, màu nâu, mùi khó chịu. Parathion là một trong các hóa chất dùng trong nông nghiệp có độc tính cao nhất, đồng thời là chất độc đứng đầu các chất diệt côn trùng lân hữu cơ. Gây ức chế gián tiếp men ChE làm tổn thương hệ thần kinh trung ương, dẫn tới đau đầu, buồn nôn, nôn, chuột rút, suy nhược, nhìn mờ, co đồng tử, tức ngực, khó thở, bồn chồn, toát mồ hôi, chảy nước mắt – nước mũi – nước bọt, co cơ, hôn mê và tử vong. Ngoài ra parathion còn được xếp vào các chất có khả năng gây ung thư ở người, có hại cho khả năng sinh sản ở động vật thực nghiệm + Parathion – metyl (O, O – dimetyl – O – 4 – nitrophenyl thiophotphat): còn gọi là metaphos thể lỏng, màu nâu, tương đối bền trong môi trường axit, thủy phân nhanh trong môi trường 20
21. kiềm và trung tính, tan nhiều trong dung môi hữu cơ, ít tan trong nước. Dạng dung dịch dễ qua da. Metaphos thuộc các chất gây quái thai, nó cũng có hại cho sự sinh sản ở động vật thực nghiệm. + DDVP ( 2,2 – diclovinyl dimetyl photphat): được dùng trong nông nghiệp, y tế và đời sồng. Là dung dịch ít tan trong nước, tan nhiều trong dung môi hữu cơ. Là chất bền với nhiệt nhưng bị thủy phân nhanh trong môi trường. DDVP là một lân hữu cơ mạnh, dễ bay hơi nên độc tính của nó càng tăng, dễ dàng qua da, tác dụng tích lũy thấp. a.2 Các chất diệt côn trùng clo hữu cơ (DCT CHC) DCT CHC là những hợp chất hữu cơ trong phân tử có chứa nguyên tố Clo. Các hợp chất DCT CHC rất bền vững trong môi trường, chúng tồn tại dai dẳng trong đất, nước, đặc biệt trong lương thực, thực phẩm nhiều tháng, nhiều năm. Vì vậy ngày nay nhiều chất đã bị cấm sử dụng ở một số nước trên thế giới do độc tính và sự tồn lưu của chúng. Một vài chất DCT CHC + DDT (2,2 bis (p – clophenyl) – 1,1,1- tricloetan): là bột trắng, không mùi, không tan trong nước, tan nhiều trong các dung môi hữu cơ. Là một trong các chất có khả năng gây ung thư ở người, ảnh hưởng đến sinh sản cả ở nam và ở nữ. Các triệu chứng gặp phải khi bị ngộ độc DDT là nhức đầu, mất cân bằng, chóng mặt, nhầm lẫn, run và co giật. + HCH (hexacloxyclohexan hay 666): là một hỗn hợp chủ yếu của 5 loại đồng phân có hiệu quả với côn trùng, dưới dạng bột trắng, mùi khó chịu, không tan trong nước, tan trong các dung môi hữu cơ. Triệu chứng khi nhiễm độc là rối loạn tiêu hóa như nôn, tiêu chảy, rồi nhức đầu, chóng mặt, suy nhược, đau cơ và co giật. Nếu tiếp xúc lâu gây ra viêm da dị ứng, ban đỏ, nổi sần, mụn tấm, viêm da kích ứng Nồng độ cho phép của Việt nam là 0.0001 mg/l. + Dieldrin: là một đồng phân của endrin, dưới dạng kết tinh trắng, không tan trong nước, tan trong dung môi hữu cơ. Là hợp chất có thể gây ra động kinh, làm tổn thương não. a.3 Các chất diệt côn trùng cacbamat Nhóm cacbamat diệt côn trùng là ester của axit metyl và dimetylcacbamic có tính khác cholineesteraza, có độc tính tương tự như các chấ diệt côn trùng lân hữu cơ, gây ra hiện tượng cacbamyl hóa ức chế men AchE, gây ra sự ứ đọng axetylcholine, từ đó axetylcholin gây nhiễm độc cơ thể với các triệu chứng nhiễm độc nấm muscarin, nhiễm độc nicotin và tác động thần kinh trung ương. Một vài chất diệt côn trùng cacbamat 21
22. + Carbaryl (1 - Naphtyl – N – metylcacbamat hay sevin): carbary là bột tinh thể màu nhạt, không mùi, không tan trong nước, tan trong dung môi hữu cơ. Carbaryl có thể xâm nhập qua cơ thể qua đường hô hấp, đường da và đường tiêu hóa, gây kích ứng da cục bộ, có thể gây nhiễm độc cấp tính nặng và ức chế men ChE. Tiếp xúc với nồng độ carbaryl trong không khí từ 0.2 – 0.3 mg/m3 đã làm giảm hoạt tính men ChE. Nồng độ cho phép của Mĩ là 5 mg/m3. + Cartap (S,S – 2 – dimetylaminotrimetylen bis(thiocacbamat) hidroclorua hay padan): sản phẩm kĩ thuật ở dạng tinh thể, tan trong nước, cồn, bền vững trong mùi axit, thủy phân trong môi trường trung tính và kiềm. Độc tính loại II. Trừ được nhiều loại sâu. b. Chất tẩy rửa Các chất tẩy rửa là những chất có hoạt tính bề mặt cao, hòa tan tốt trong nước và làm giảm sức căng bề mặt của nước với chất bẩn. Chúng được sử dụng nhiều trong công nghiệp và trong sinh hoạt gia đình. Hàng năm trên thế giới sản xuất khoảng 25 triệu tấn các chất tẩy rửa. Chất hoạt động bề mặt là những chất làm giảm sức căng bề mặt chất lỏng, tạo nhũ tương và huyền phù bền với các tiểu phân chất bẩn cần phải loại tách. Một phân tử chất hoạt động bề mặt gồm hai phần: một phần kỵ nước và một phần ưa nước. Các phần tử này có tác động lớn đến bề mặt phân cách của không khí với nước và dầu với nước. Có bốn chất hoạt động bề mặt: các anionic, các nonionic, các cationic và các chất lưỡng tính. b.1 Các chất hoạt động bề mặt anionic Các chất hoạt động bề mặt anionic được sử dụng rộng rãi nhất. Nếu nhóm có cực được liên kết cộng hóa trị với phần kỵ nước của chất hoạt động bề mặt mang điện tích âm ( - COO -, - - - SO3 , - SO4 ), thì chất hoạt động bề mặt được coi là anionic. b.2 Các chất hoạt động bề mặt cationic Ngược lại, nếu nhóm có cực mang điện tích dương ( + NR1R2R3 ), sản phẩm được gọi là cationic. b.3 Các chất hoạt động bề mặt không có cấu tạo ion (nonionic) Các chất hoạt động bề mặt không có cấu tạo ion có những nhóm có cực không ion hóa trong dung dịch nước. Phần kỵ nước gồm mạch chất béo; phần ưa nước chứa những phân tử oxi, nitơ hoặc lưa huỳnh không ion hóa. Sự hòa tan là do cấu tạo các liên kết hidro giữa các phân tử nước và một số nhóm chức của phần 22
23. ưa nước. Chẳng hạn như chức năng ete của nhóm polioxit etilen hay polioxitpropylen. b.4 Các chất hoạt động bề mặt lưỡng tính Các chất lưỡng tính là những hợp chất có một phân tử tạo nên một ion lưỡng cực. Tùy theo chất liệu cần tẩy rửa mà người ta sử dụng các loại chất hoạt động bề mặt khác nhau. Ngoài ra người ta còn thêm các chất phụ gia bổ sung vào các chất tẩy rửa, chất phụ gia kết hợp với các cation Ca2+, Mg2+ và phản ứng với nước để tạo môi trường kiềm tối ưu cho chất hoạt động bề mặt. Các chất hoạt động bề mặt và các chất phụ gia thêm vào đều làm cho môi trường nước bị ô nhiễm. Nước thải bị ô nhiễm bởi chất tẩy rửa sẽ có một lớp bọt lớn trên mặt. Để giải quyết lớp bọt tạo thành trong nước cần thay đổi cấu trúc của chất hoạt động bề mặt làm cho chúng có khả năng dễ phân hủy sinh học. Hiện nay người ta thường dùng chất hoạt động bề mặt LAS thay thế cho ABS. 2- - Na5P3O10 bị phân hủy nhanh trong nước tạo HPO 4 , H2PO4 không gây độc cho người và động vật, là chất dinh dưỡng cho thực vật, nhưng ở nồng độ cao gây hiện tượng phú dưỡng làm nước bị ô nhiễm do tạo điều kiện phát triển nhanh các loại rong rêu trong nước. Để thay thế người ta dùng N(CH3COONa)3. Chất này có ưu thế phân hủy nhanh, giá thành rẻ, nhưng nghi là chất gây quái thai nên bị đình chỉ sử dụng. c. Các hợp chất phenol Các hợp chất phenol có nhiều trong nước thải công nghiệp sản xuất bột giấy, nhuộm, lọc dầu sự có mặt của chúng trong nước sẽ gây cho nước có màu, mùi, vị lạ, gây độc đối với các loài động vật, thực vật sống trong nước. Tiêu chuẩn của WHO quy định hàm lượng của 2,4,5 – triclo phenol và pentacle phenol trong nước uống không quá 10 µg/l. Xác định các hợp chất phenol bằng phương pháp chiết trắc quang và trắc quang. 2. Các chất ô nhiễm dạng vô cơ * Các kim loại nặng a.1 Asen (As) Asen là một kim loại có thể tồn tại ở nhiều dạng hợp chất vô cơ và hữu cơ. Trong tự nhiên asen có nhiều ở các loại khoáng chất. Với nồng độ thấp là nguyên tố kích thích sinh trưởng, nhưng ở nồng độ cao lại gây đọc cho đời sống động vật, thực vật. Asen đi vào nguồn nước bằng đường tự nhiên và nhân tạo. Nguồn tự nhiên gây ô nhiễm asen là núi lửa, bụi đại dương. Nguồn nhân tạo gây ô nhiễm asen là quá trình nấu chảy đồng, 23
24. chì, kẽm, luyện thép, đốt rừng, đốt các chất thải, sử dụng thuốc trừ sâu Về mặt sinh học, asen có thể gây 19 căn bệnh khác nhau. Các ảnh hưởng chính của asen tới sức khỏe con người là làm keo tụ protein, do tạo phức với asen (III) và phá hủy quá trình photpho hóa. Asen gây ung thư biều mô da, phổi, phế quản, xoang do asen và các hợp chất của asen có tác dụng lên nhóm sunfuahydro ( - SH) phá vỡ quá trình photphoryl hóa. Tiêu chuẩn cho phép của WHO nồng độ asen trong nước uống là 50 µ/l. Trong nước sạch hàm lượng As là 0.4 – 1.0 µg/l, nước biển 1.5 – 1.7 µg/l. Asen thường được xác định bằng phương pháp hấp thụ nguyên tử. a.2 Cadimi (Cd) Cadimi là kim loại được sử dụng nhiều trong công nghiệp luyện kim và chế tạo đồ nhựa. Hợp chất cadimi được sử dụng phổ biến trong sản xuất pin. Cadimi xâm nhập vào nước qua đường tự nhiên và nhân tạo. Nguồn tự nhiên do bụi núi lửa, bụi vũ trụ, cháy rừng gây ô nhiễm cadimi. Nguồn nhân tạo gây ô nhiễm cadimi là từ công nghiệp luyện kim, mạ, sơn, chất dẻo và lọc dầu. Cadimi xâm nhập vào cơ thể người chủ yếu qua con đường thực phẩm, hô hấp. Theo nhiều nghiên cứu của các chuyên gia thì người hút thuốc lá cũng có nguy cơ nhiễm cadimi. Cadimi sau khi xâm nhập vào cơ thể được tích tụ ở xương và gan. Cadimi là chất gây nhiễu hoạt động của một số enzim nhất định, gây nên hội chứng tăng huyết áp, gây ung thư phổi, thủng vách ngăn mũi, làm rối loạn chức năng thận, phá hủy tủy xương. Ngoài ra nhiễm độc cadimi còn gây ảnh hưởng đến nội tiết, máu, tim, mạch. Tiêu chuẩn WHO qui định nồng độ Cd cho nước uống ≤ 0.003mg/l, tiêu chuẩn Việt Nam cho phép đối với nước sinh hoạt và nước ngầm là ≤ 0.001 mg/l. Cadimi được xác định bằng phương pháp phổ hấp thụ nguyên tử. a.3 Crom (Cr) Crom là kim loại có màu trắng, trong nước thường tồn tại hai dạng ion Cr (III) và Cr (VI). Cr (III) không độc nhưng Cr (VI) độc đối với động, thực vật. Với người Cr (VI) dễ gây loét dạ dày, ruột non, xuất hiện mụn cơm, viêm gan, viêm thận, ung thư phổi. Crom xâm nhập vào nguồn nước từ các nguồn nước thải của các nhà máy mạ điện, nhuộm, thuộc da, chất nổ, đồ gốm, sản xuất mực viết, mực in, men sứ, in tráng ảnh 24
25. Tiêu chuẩn WHO quy định hàm lượng Cr trong nước uống là ≤ 0.05 mg/l. Crom được xác định bằng phương pháp quang phổ phát xạ, phương pháp kích hoạt notron hoặc khối phổ. a.4 Mangan (Mn) Xét về mặt dinh dưỡng mangan là nguyên tố vi lượng, nhu cầu dinh dưỡng mỗi ngày từ 30 – 50 µg/kg trọng lượng cơ thể. Nhưng nếu hàm lượng lớn lại gây độc cho cơ thể người. Mangan gây độc mạnh với nguyên sinh chất của tế bào, đặc biệt là tác động lên hệ thần kinh trung ương, gây tổn thương thận và bộ máy tuần hoàn, phổi, ngộ độc nặng gây tử vong. Mangan đi vào môi trường nước do quá trình rửa trôi, sói mòn và do các chất thải công nghiệp luyện kim, acquy, phân bón hóa học Tiêu chuẩn của WHO quy định hàm lượng Mn trong nước uống không quá 0.1 mg/l. Để xác định Mn có thể sử dụng các phương pháp phân tích hóa học. a.5 Chì (Pb) Trong sản xuất, chì được dùng dưới hai dạng là chì vô cơ và chì hữu cơ: + Chì và hợp chất vô cơ của chì, được sử dụng nhiều và phổ biến nhất. + Chì hữu cơ ít phổ biến hơn, chỉ được sử dụng ở một số nghành sản xuất: * Chì tetraetyl và chì tetrametyl: dùng làm chất chống kích nổ trong nhiên liệu động cơ nhưng hiện nay hầu như bị cấm sử dụng do làm ô nhiễm môi trường không khí. * Chì stearat: dùng trong công nghiệp chế biến chất dẻo Chì được sử dụng trong công nghệ sản xuất ắc quy chì, đúc chữ in, hàn các ống chì trong sản xuất axit sunfuric, sơn Nhiễm độc chì do: ô nhiễm môi trường, do nguồn nước, do đồ chơi trẻ em, do nuốt phải các dược phẩm sử dụng chì axetat. Tác hại của chì: gây rối loạn tổng hợp hồng cầu máu, gây các bệnh về não ( mất trí nhớ, hôn mê, ngu đần ), gây tổn thương ống thận, gây đau bụng do táo bón, tăng huyết áp Độc tính của chì đối với người lớn: 1000 mg hấp thụ vào cơ thể một lần sẽ gây tử vong; 10 mg một lần trong mỗi ngày sẽ gây nhiễm độc nặng sau vài tuần; 1 mg hàng ngày, sau nhiều ngày có thể gây nhiễm đọc mãn tính. Các muối chì có liều độc với người lớn: chì axetat là 1 g; chì cacbonat 2 – 4 g; chì tetraethyl nhỏ giọt 1/10ml trên da chuột cống sẽ gây chết trong vòng 18 – 24 giờ. 25
26. 3. MỘT SỐ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ VÀ HẠN CHẾ Ô NHIỄM NƯỚC I. Phương pháp sinh học hiếu khí của công ty TNHH Furukawa 1. Giới thiệu Nước thải sinh hoạt là nước thải phát sinh từ các hoạt động sinh hoạt của các cộng đồng dân cư như: khu vực đô thị, trung tâm thương mại, khu vực vui chơi giải trí, cơ quan công sở, Thông thường, nước thải sinh hoạt của hộ gia đình được chia làm hai loại chính: nước đen và nước xám. Nước đen là nước thải từ các nhà vệ sinh, chứa phần lớn các chất ô nhiễm, chủ yếu là: chất hữu cơ, các vi sinh vật gây bệnh và cặn lơ lửng. Nước xám là nước phát sinh từ các quá trình rửa, tắm, giặt với thành phần các chất ô nhiễm không đáng kể. Các thành phần ô nhiễm chính đặc trưng thường thấy ở nước thải sinh hoạt là BOD5, COD, nitơ và photpho. Trong nước thải sinh hoạt, hàm lượng N và P rất lớn, nếu không được loại bỏ thì sẽ làm cho nguồn tiếp nhận nước thải bị phú dưỡng – một hiện thường xảy ra ở nguồn nước có hàm lượng P và N cao, trong đó các loài sinh vật thủy sinh phát triển mạnh rồi chết đi, thối rửa, làm cho nguồn nước trở nên ô nhiễm. Một yếu tố gây ô nhiễm quan trọng trong nước thải sinh hoạt, đặc biệt là trong phân, đó là các loại mầm bệnh được lây truyền bởi các vi sinh vật có trong phân. Vi sinh vật gây bệnh từ nước thải có khả năng lây lan qua nhiều nguồn khác nhau, qua tiếp xúc trực tiếp, qua môi trường (đất, nước, không khí, cây trồng, vật nuôi, côn trùng ), thâm nhập vào cơ thể người qua đường thức ăn, nước uống, hô hấp , và sau đó có thể gây bệnh. Vi sinh vật gây bệnh cho người bao gồm các nhóm chính là virus, vi khuẩn, nguyên sinh bào và giun sán. Với thành phần ô nhiễm là các tạp chất nhiễm bẩn có tính chất khác nhau, từ các loại chất không tan đến các chất ít tan và cả những hợp chất tan trong nước, việc sử lý nước thải sinh hoạt là loại bỏ tạp chất đó, làm sạch nước và có thể đưa nước vào nguồn tiếp nhận hoặc đưa vào tái sử dụng. Việc lựa chọn phương pháp xử lý thích hợp thường được căn cứ trên đặc điểm của các loại tạp chất có trong nước thải. Các phương pháp chính thường được sử dụng trong các công trình xử lý nước thải sinh hoạt là: phương pháp hóa học, phương pháp hóa lý và phương pháp sinh học. 26
27. Các phương pháp hóa học dùng trong hệ thống xử lý nước thải (HTXLNT) sinh hoạt gồm có: trung hòa, oxi hóa – khử, kết tủa hoặc phản ứng phân hủy các hợp chất độc hại. Cơ sở của phương pháp này là các phản ứng hóa học diễn ra giữa các chất ô nhiễm và các hóa chất thêm vào, do đó, ưu điểm của phương pháp là có hiệu quả xử lý cao, thường được sử dụng trong các hệ thống xử lý nước khép kín. Tuy nhiên, phương pháp hóa học có nhược điểm là chi phí vận hành cao, không thích hợp cho HTXLNT sinh hoạt với quy mô lớn. Bản chất của phương pháp hóa lý trong quá trình xử lý nước thải sinh hoạt là áp dụng các quá trình vật lý và hóa học để đưa vào nước thải chất phản ứng nào đó để gây tác động với các tạp chất bẩn, biến đổi hóa học, tạo thành các chất khác dưới dạng cặn hoặc chất hòa tan nhưng không độc hại hoặc không gây ô nhiễm môi trường. Các phương pháp hóa lý thường được áp dụng để xử lý nước thải là: keo tụ, tuyển nổi, đông tụ, hấp thụ, trao đổi ion, thấm lọc ngược và siêu lọc Giai đoạn xử lý hóa lý có thể là giai đoạn xử lý độc lập hoặc xử lý cùng các phương pháp cơ học, hóa học, sinh học trong công nghệ xử lý nước thải hoàn chỉnh. Bản chất của phương pháp sinh học trong quá trình xử lý nước thải sinh hoạt là sử dụng khả năng sống và hoạt động của các vi sinh vật có ích để phân hủy các chất hữu cơ và các thành phần ô nhiễm trong nước thải. Các quá trình xử lý sinh học chủ yếu có năm nhóm chính: quá trình hiếu khí, quá trình trung gian anoxic, quá trình kỵ khí, quá trình kết hợp hiếu khí – trung gian anoxic – kỵ khí các quá trình hồ. Đối với việc xử lý nước thải sinh hoạt có yêu cầu đầu ra không quá khắt khe đối với chỉ tiêu N và P, quá trình xử lý hiếu khí bằng bùn hoạt tính là quá trình xử lý sinh học thường được ứng dụng nhất. Đối với HTXLNT sinh hoạt của công ty TNHH Furukawa công suất 600 m3/ngày, yêu cầu của nước thải đầu ra không quá khắt khe (loại C, TCVN 5945:2005) nên công nghệ được lựa chọn chủ yếu là phương pháp bùn sinh học hiếu khí. 2. Vật liệu và phương pháp 2.1 Vật liệu Bùn được sử dụng trong HTXLNT được lấy từ các bể sinh học hiếu khí đã vận hành ổn định ở HTXLNT có tính chất tương tự. Nước thải được đề cập trong phần này là nước thải sinh hoạt của Công ty TNHH Furukawa (khu chế xuất Tân thuận, Quận 7, Tp HCM, Việt nam). 2.2 Phương pháp 2.2.1 Công nghệ xử lý Nước thải sinh hoạt của 8000 công nhân thuộc công ty từ các hầm tự hoại được bơm vào bể điều hòa. Vì nước thải có thành phần 27
28. dầu mỡ tương đối cao nên ngăn tách dầu sẽ được lắp đặt tại bể điều hòa để tách dầu mỡ và các tạp chất nhẹ có trong nước thải. Từ bể điều hòa, nước thải được đưa vào bể sinh học hiếu khí để được hòa trộn với bùn vi sinh hoạt tính để tạo thành hỗn hợp vi sinh và nước thải. Vi sinh vật hiếu khí trong hỗn hợp bùn hoạt tính sẽ chuyển hóa các chất hữu cơ trong nước thải dưới dạng thức ăn thành các hợp chất đơn giản hơn và vô hại với môi trường. Hỗn hợp vi sinh và nước thải được chảy vào bể lắng, nơi bùn hoạt tính được lắng lại và được nén ở đáy bể. Bùn lắng được tuần hoàn (khoảng 25 – 80% tổng lưu lượng) vào bể sinh học hiếu khí để duy trì nồng độ vi sinh ổn định trong bể. Nước sau khi lắng đạt tiêu chuẩn môi trường loại C, TCVN 5945:2005 và được đưa vào nguồn tiếp nhận. 28
29. Công đoạn xử lý cuối cùng là xử lý và thải bỏ bùn từ bể lắng. Bùn từ bể lắng được bơm vào bể phân hủy bùn hiếu khí nơi phân hủy các hợp chất hữu cơ có trong môi trường hiếu khí. Sau khi xử lý, bùn chỉ còn chứa các chất vô cơ và các chất rắn vi sinh. Bùn tại đáy bể của bể phân hủy bùn được bơm đến nơi xử lý sau mỗi 6 (hay 12 tháng). 2.2.2 Các thông số khảo sát và phương pháp lấy mẫu Để tiến hành xác định hiệu quả xử lý của từng hệ thống, các thông số cần được khảo sát là: COD, BOD5, TSS, pH, N – NH3, nito tổng và photpho tổng. Việc lấy mẫu được tiến hành như sau: bình lấy mẫu 500ml được dùng để thu nước thải trước khi vào HTXLNT, và nước thải sau khi xử lý. Các mẫu được lấy 2 mẫu/lần và được trữ trong tủ trữ mẫu trước khi được đưa đi phân tích bởi phòng thí nghiệm trung tâm Công nghệ và Quản lý môi trường. 29 Sơ đồ công nghệ HTXLNT sinh hoạt
30. 3. Kết quả Kết quả phân tích chất lượng nước của các mẫu nước lấy tại HTXLNT dệt nhuộm Công ty TNHH Furukawa Tính chất nước thải đầu vào và đầu ra của HTXLNT tại công ty Furukawa. Nguồn: công ty công nghệ xanh,15/01/2008. pH COD, BOD5, TSS, N–NH3, Nitơ Photpho mg/l mg/l mg/l mg/l tổng, tổng, mg/l mg/l Đầu vào 6.8 595 432 266 25 33 4.7 Đầu ra 6.04 15 5 5 1 8 0.23 Tiêu 5 – 9 400 100 200 15 60 8 chuẩn loại C Tiêu 6 – 9 50 30 50 5 15 4 chuẩn loại A II. Công nghệ USBF (upflow sludge blanket filtration) Quy trình USBF được cải tiến từ quy trình bùn hoạt tính cổ điển kết hợp với quá trình anoxic và vùng lắng bùn lơ lửng trong một công trình xử lý sinh học. Là một hệ thống kết hợp với quá trình anoxic và vùng lắng bùn lơ lửng trong một công trình xử lý sinh học. Là một thiết bị kết hợp nên chiếm ít không gian và các thiết bị đi kèm. Quy trình USBF được thiết kế để khử BOD (khử cacbobate), khử nitrate, nitrate hóa và khử photpho. Để khử cacbonate, vùng anoxic được xem như vùng lựa chọn mà ở đó sự pha trộn dòng thải sẽ làm tăng khả năng lắng và khống chế quá trình tăng trưởng vi sinh vật. Để nitrate hóa, khử nitrate và khử photpho, vùng anoxic có thể đảm đương được vai trò này. Trong quá trình, N – NH 3 bị oxi hòa thành nitrite và sau đó thành nitrate bởi vi khuẩn nitrosomonas nitrobacter trong từng vùng sụt khí riêng biệt. Nitrate được tuần hoàn trở lại vùng anoxic và được khử liên tục tối đa. Trong phản ứng này BOD đầu vào được xem như nguồn carbon hay nguồn năng lượng để khử nitrate thành phân tử nitơ. Sự khử photpho cơ học trong quy trình này tương tự trong chu trình photpho và cải tiến từ quy trình Bardenpho. Trong quy trình USBF, sự lên men của BOD hòa tan xảy ra trong vùng kỵ khí hay vùng anoxic. Sản phẩm của quá trình lên men cấu thành thành phần 30
31. đặc biệt của vi sinh vật có khả năng lưu giữ photpho. Trong giai đoạn xử lý hiếu khí, photpho hòa tan được hấp thu bởi photpho lưu trữ trong vi sinh khuẩn (Acinetabacter) mà chúng đã sinh trưởng trong vùng anoxic. Photpho sau khi đồng hóa được loại bỏ khỏi hệ thống như xác vi sinh hay bùn dư. Khối lượng và hàm lượng photpho loại bỏ phụ thuộc chủ yếu vào tỉ lệ BOD/P trong nước thải đầu vào. Quy trình USBF được thiết lập trên nguyên lý bể lắng dòng chảy lên có lớp bùn lơ lửng. Ngăn này có hình dạng thang, nước thải sau khi được xáo trộn đi từ dưới đáy bể lắng qua hệ thống vách ngăn thiết kế đặc biệt, mà ở đó xảy ra quá trình tạo bông thủy lực. Bể lắng hình thang tạo ra tốc độ dâng dòng chảy ổn định trên toàn bề mặt từ đáy đến mặt trên bể lắng, điều này cho phép sự giảm gradient vận tốc dần dần trong suốt bể lắng. Một số công trình ứng dụng quy trình USBF: - Khách sạn Novotel Phan thiết – Bình thuận - Resort Aquaba Mũi né – Bình thuận - Khu du lịch sinh thái An viên – Nha trang - Tòa nhà Sapphire – Tp HCM - Cụm công nghiệp Kiến thành – Long an III.XỬ LÝ NƯỚC THẢI LÀNG NGHỀ CHẾ BIẾN LƯƠNG THỰC BẰNG PHƯƠNG PHÁP LỌC SINH HỌC NGẬP NƯỚC 1. Giới thiệu Các làng nghề thủ công truyền thống là nét đặt trưng của nhiều vùng nông thôn Việt Nam. Trong những năm qua, cùng với sự phát triển của kinh tế, xã hội, nhiều ngành nghề thủ công truyền thống đã được khôi phục và phát triển khá mạnh. Tuy nhiên sự phát triển của các làng nghề còn mang tính chất tự phát, tùy tiện, quy mô sản xuất nhỏ bé, trang thiết bị còn lạc hậu. Tất cả những mặt hạn chế trên không chỉ ảnh hưởng đến sự phát triển của các làng nghề mà còn ảnh hưởng nghiêm trọng đến chất lượng môi trường làng nghề và sức khỏe cộng đồng. Một trong các loại hình làng nghề phổ biến nhất ở nông thôn Việt Nam là làng nghề chế biến lương thực (làm bún, miến, bánh đa, chế biến tinh bột). Sự ô nhiễm môi trường nước tại các làng nghề này đang ở mức báo động, gây nhiều bức xúc cho xã hội. Các chỉ tiêu cơ bản của nước thải như COD. BOD, TSS đều vượt quá tiêu chuẩn cho phép nhiều lần. Nhằm góp phần vào việc giảm thiểu ô nhiễm môi trường nước tại các làng nghề chế biến lương thực, các nhà hóa học đã tập trung nghiên cứu đề xuất các biện pháp công nghệ xử lý nước thải làng 31
32. nghề chế biến lương thực. Trong công trình này các nhà hóa học đã tiến hành nghiên cứu xử lý nước thải làng nghề chế biến lương thực bằng phương pháp lọc sinh học ngập nước. 2. Thực nghiệm 2.1 Đối tượng nghiên cứu Nước thải được lấy để nghiên cứu là nước thải làng nghề chế biến lương thực của xã Minh Khai, huyện Hoài Đức, tỉnh Hà Tây (xã được công nhận là “Làng nghề chế biến nông sản” năm 2001, có 700 hộ trong tổng số 1.200 hộ dân tham gia sản xuất chế biến lương thực). Với các nghề chính là làm bún, phở khô, làm miến dong, sản xuất và tinh chế tinh bột sắn. Đặc điểm của nước thải làng nghề chế biến lương thực là thường chứa các tạp chất hữu cơ ở dạng hòa tan hoặc lơ lửng, trong đó chủ yếu là các hợp chất hydrat cácbon như tinh bột, đường, các loại axit hữu cơ (lactic) có khả năng phân hủy sinh học. Tỷ số BOD/COD trong khoảng từ 0,5 đến 0,7 nên chúng thích hợp với phương pháp xử lý sinh học. 2.2 Thiết kế thí nghiệm Hình 1: Sơ đồ hệ thống xử lý bằng phương pháp lọc sinh học ngập nước 32
33. Nước thải của quá trình sản xuất bún, miến hoặc tinh chế tinh bột sắn được lắng gạn sơ bộ ở bể lắng (1) trước khi đưa vào bể chứa (2) sau đó nước thải được bơm vào cột lọc kị khí (3) theo chiều từ dưới lên với lưu lượng dòng được khống chế nhờ máy bơm (9) và ống chia dòng (8). Ở đây nước thải sẽ từ từ dâng lên ngập lớp vật liệu lọc (5) và tiếp xúc với lớp vật liệu lọc mang vi sinh vật kị khí, các tạp chất hữu cơ có trong nước thải sẽ bị phân hủy, phần bùn cặn được lắng xuống đáy cột và có thể lấy ra qua van (10) khi cần thiết; phần nước thải trong tiếp tục chảy tự nhiên qua cột lọc hiếu khí (6) từ phía dưới lên theo nguyên tắc bình thông nhau. Ở đây nước thải được trộn với dòng không khí thổi cùng chiều từ dưới lên bởi máy thổi khí (11) qua dàn phân phối khí (7). Khi đó quá trình phân hủy sinh học hiếu khí các tạp chất hữu cơ xảy ra, phần bùn được lắng xuống đáy cột; phần nước thải lại được lắng cặn một lần nữa nhờ máng lắng cặn (4) trước khi chảy ra khỏi cột hiếu khí. Nước thải sau khi đi qua cả 2 cột lọc kị khí và hiếu khí sẽ được lấy ra nhờ van (13) để kiểm tra các chỉ tiêu cơ bản. Nếu chưa đạt các chỉ tiêu cho phép của nước thải công nghiệp theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN 5945 - 1995) thì lại cho chảy tuần hoàn trở lại qua 2 cột lọc kị khí và hiếu khí như trên cho đến khi đạt tiêu chuẩn cho phép về nước thải công nghiệp. 3. Kết quả Kết quả xử lý nước thải của sản xuất bún Nước thải của sản xuất bún ban đầu có các giá trị cơ bản như sau: COD = 3076,3 mg/l; BOD5 = 2154,2 mg/l (tỷ lệ BOD 5/COD 0,7) + - [NH4 ] = 29,89 mg/l; [NO2 ] = 0,56 mg/l, pH = 4,91; độ đục = 243 NTU. Sau khi trung hòa và pha loãng gấp đôi để có pH = 7.05 và thể tích là 58 lít; nước thải được xử lý qua hệ thống lọc sinh học kị khí và hiếu khí với tốc độ 12 lít/h. Kết quả thu được như sau: Bảng 1 - Kết quả xử lý nước thải sản xuất bún bằng phương pháp lọc sinh học Thời gian pH Độ đục (NTU) COD (mg/L) NH + (mg/L) NO - (mg/L) (giờ) 4 2 0 7.05 131 1357.5 15.42 0.36 4 7.84 40.2 795.4 9.36 0.57 33
34. 8 8.1 28.9 207.5 7.67 0.41 10 8.25 20.5 181.5 5.23 0.32 24 8.24 4.50 31.8 1.11 0.08 28 8.07 2.70 26.2 0.36 0.05 Kết quả xử lý nước thải sản xuất miến dong Nước thải sản xuất miến ban đầu có các giá trị cơ bản sau: COD = 840 mg/l; BOD5 = 580 mg/l (tỷ số BOD5/COD = 0,69); + - [NH4 ] = 13,51 mg/l; [NO2 ] = 0,35 mg/l; độ đục = 99,5 NTU; pH = 4,01. Sau khi trung hòa và pha loãng gấp đôi để có thể tích 58 lít và pH = 8,05; nước thải được xử lý qua hệ thống lọc sinh học kị khí và hiếu khí với tốc độ 12lít/h. Kết quả thu được như sau: Bảng 2 - Kết quả xử lý nước thải sản xuất miến bằng phương pháp lọc sinh học Độ đục COD NH + Thời gian (giờ) pH 4 NO - (mg/L) (NTU) (mg/L) (mg/L) 2 0 8.05 45.2 438.8 6.75 0.19 4 8.17 20.1 205.6 4.46 0.21 8 8.21 14.3 178.5 3.62 0.2 10 8.23 9.71 97,3 1.87 0.11 24 8.17 7.62 86.7 0.72 0.09 28 8.19 6.43 74.5 0.46 0.06 Kết quả xử lý nước thải tinh chế tinh bột sắn Nước thải tinh chế tinh bột ban đầu có các giá trị cơ bản sau: COD = 4768,5 mg/l; BOD5 = 3190 mg/l (tỷ số BOD5/COD = 0,76) + - [NH4 ] = 37,69 mg/l; [NO2 ] = 0,61 mg/l; độ đục = 480 NTU; pH = 3,54. Sau khi trung hòa và pha loãng gấp đôi để có thể tích 58 lít và pH = 7; nước thải được xử lý qua hệ thống lọc sinh học kị khí và hiếu khí với tốc độ chảy 12 lít/h. Kết quả thu được như sau: Bảng 3 - Kết quả xử lý nước thải tinh chế tinh bột sắn bằng phương pháp lọc sinh học + - Thời gian (giờ) pH Độ đục (NTU) COD (mg/L) NH4 (mg/L) NO2 (mg/L) 0 6.68 218 2309.2 20.72 0.45 34
35. 4 7.05 97.5 995.5 17.14 0.66 8 7.12 52.4 940.7 14.67 0.69 10 7.78 41.8 750.8 10.98 0.61 24 8.14 4.65 226.7 3.33 0.39 28 8.26 3.32 128.9 1.17 0.27 32 8.21 2.92 98.7 0.75 0.12 4. Kết luận Nước thải làng nghề chế biến lương thực (sản xuất bún, miến hoặc tinh chế tinh bột) thường chứa các tạp chất có khả năng bị phân hủy sinh học (tỷ lệ BOD5/COD từ 0,6 đến 0,7) nên có thể được xử lý tốt bằng các phương pháp xử lý sinh học. Bằng phương pháp lọc sinh học kị khí và hiếu khí có thể xử lý các loại nước thải của làng nghề chế biến lương thực đạt tiêu chuẩn Việt Nam về nước thải công nghiệp và được phép chảy vào dòng chảy chung (TCVN 5945 - 1995) trong khoảng thời gian tương đối ngắn: khoảng một ngày đêm (24h). Công trình này được thực hiện trên cơ sở đề tài nghiên cứu khoa học QMT06.03 của Đại học Quốc gia Hà Nội. IV. Phương pháp xử lý nước thải chứa dầu bằng công nghệ tuyển nổi Dầu trong nước thải luôn có một phần đáng kể (1 - 3g/lít) tồn tại ở trạng thái nhũ, phần còn lại là dưới dạng hạt lớn. Các nhũ này rất bền vững, vì vậy quá trình tách dầu ra khỏi nước thải gặp nhiều khó khăn. Công nghệ tuyển nổi đã loại bỏ được trở ngại đó. Do dầu tồn tại nhiều ở dạng nhũ, nên nếu chỉ dùng quá trình lắng tụ, thì ngay cả khi quá trình lắng kéo dài, việc xử lý nước thải chứa dầu cũng không đảm bảo. Vì thế, các nhà khoa học thuộc Viện Hóa học công nghiệp (Bộ Công nghiệp), đứng đầu là tiến sĩ Trần Quang Chước đã nghiên cứu và tìm ra công nghệ tuyển nổi để xử lý loại nước thải này. Quá trình tuyển nổi được xây dựng theo nguyên tắc: tạo ra bọt khí sao cho nó có thể “thu hút” được dầu và chất lơ lửng, sau đó gom bọt lại để lấy chất bẩn ra. Trên thực tế, công nghệ tuyển nổi đã được áp dụng từ lâu trong ngành công nghiệp khoáng sản, nhưng đây là lần đầu tiên áp dụng cho việc xử lý nguồn nước ô nhiễm dầu. Kết quả là đã làm giảm hàm lượng dầu mỡ, chất lơ lửng trong nước thải từ 120 - 150 mg/lít xuống còn 0,8 mg/lít, đáp ứng yêu cầu đề ra. Công nghệ này đã được áp dụng thành công tại Xí nghiệp Dầu máy Hà Lào, Yên Bái. 35
36. Môi trường của chúng ta đang bị suy thoái trầm trọng, đặc biệt là môi trường nước. Vì vậy việc tìm ra những phương pháp xử lý nước bị ô nhiễm là hết sức cần thiết. Tuy nhiên, vấn đề mà chúng ta cần quan tâm hơn là giảm mức độ ô nhiễm của nước hơn là xử lý nước đã bị ô nhiễm như câu “ phòng bệnh hơn chữa bệnh”. Để làm được điều ấy, không chỉ đòi hỏi một cá nhân, một tập thể hay một quốc gia cá biệt mà cả cộng động, cả thế giới cùng góp sức vào công cuộc xây dựng một môi trường sống trong lành và không bệnh tật. Riêng đối với nghành sư phạm của chúng ta, giáo viên nói chung và giáo viên dạy hóa nói riêng, cần phải lòng ghép việc giáo dục tư tưởng bảo vệ môi trường vào từng bài học với phương châm “tích tiểu thành đại”. 36