Chất lượng nước và sự ô nhiễm nguồn nước

Chất lượng nước ô nhiễm nguồn nước Chất lượng nước Chất l ợng n ớc đ ợc đánh giá thông qua nồng độ (hàm l ợng) tác nhân hóa – lý, sinh học có n ớc qua tiêu chuẩn quy định cho mục đích sử dụng N ớc công nghiệp: n ớc làm lạnh, n ớc l ợng, n ớc công nghệ,… N ớc cấp cho sinh hoạt: ăn uống, tắm giặt N ớc phục vụ nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản N ớc phục vụ du lịch, giao thông Sự nhiễm bẩn nguồn nước Contaminant Các chất hóa học có nồng độ cao nồng độ (background levels) mà ch a gây nên thiệt hại Pollutant Các chất hóa học có nồng độ cao nồng độ (background levels) mà có gây nên thiệt hại Dấu hiệu đặc tr ng nguồn n ớc bị ô nhiễm t/c lý học thay đổi: độ mặn, độ trong, xuất mùi, màu, chất nổi, cặn lắng,… Thay đổi thành phần hóa học: pH, hợp chất hữu cơ, vô cơ, giảm DO,… Phân loại nước thải Theo nguồn gốc phát sinh N ớc thải sinh hoạt Từ hộ gia đình, khách sạn, tr ờng học, … Hàm l ợng cao chất hữu không bền sinh học (proteins, mỡ); chất dinh d ỡng (N, P), vi trùng, chất rắn, mùi Chất độc hại: chất tẩy rửa, thuốc nhuộm,… N ớc thải sản xuất (công, nông nghiệp): phụ thuộc vào ngành SX, nguyên liệu, sản phẩm N ớc thải n ớc m a chảy tràn Theo tính chất nguồn thải Nguồn điểm Nguồn không điểm Nguồn gây ô nhiễm nước Nguồn tự nhiên N ớc m a, tuyết chứa số hạt khống từ khí N ớc mặt chảy qua đất mang theo chất chứa đất (hóa chất, chất rắn, vi sinh vật) Nguồn ng ời Xây dựng khai thác quặng N ớc thải cơng nghiệp Rị rỉ bể bồn chứa ống dẫn dầu N ớc m a chảy qua thị mang theo chất thải N ớc rị rỉ từ bãi xử chôn lấp rác thải (landfill), trạm xử lý n ớc Từ nhiễm khí Các tác nhân gây nhiễm nguồn nước Nhóm chất hữu Các chất hữu không bền sinh học: cacbonhydrat, proteins, chất béo,… (khu dân c , KCN chế biến thực phẩm) Các chất hữu bền sinh học: hydrocacbon thơm, h/c Clo hữu (PCP, PCB, DDT…); độc tính cao, thời gian tồn l u dài Hàm l ợng oxy hịa tan (DO) giảm Thơng số đánh giá chung chất hữu Tổng cacbon hữu (TOC): tỷ lệ khối l ợng cacbon so với khối l ợng h/c Nhu cầu oxy lý thuyết (ThOD): l ợng O2 cần để OXH chất (dựa vào ptp ) Nhu cầu oxy hóa học (COD) Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) Các tác nhân gây nhiễm nguồn nước (tt) Các chất vô Kim loại nặng: chì (Pb), thủy ngân (Hg), asen (As), crom (Cr), Niken (Ni),… Muối khí vơ hịa tan: NH4+, NO2-, NO3_, SO42Chất rắn khơng hịa tan (chất rắn lơ lửng) Các chất có mùi (vơ cơ, hữu cơ) Các chất hữu N ớc thải CN hóa chất, chế biến dầu mỡ Sản phẩm phân hủy Màu Chất hữu bị phân rã Sắt, mangan dạng keo/hòa tan N ớc thải công nghiệp (crom, tannin, lignin,…) Vi trùng Các chất phóng xạ Một số chất có mùi Chất có mùi Ammoni Phân Hydrosunfua Sunfua hữu Mercaptan Amin Diamin Clo Phenol Công thức Mùi NH3 Khai C8H5NHCH3 Phân H2S Trứng thối (CH3)2S, CH3SSCH3 Bắp cải rữa CH3SH, CH3(CN2)3SH CH3NH2, (CH3)3N NH2(CH2)4NH Cl2 C6H5OH Hôi Cá ơn Thịt thối Nồng Xốc đặc tr ng Sự biến đổi c a tác nhân gây ô nhiễm mt tự nhiên Phụ thuộc vào yếu tố Ph ơng thức đ a chất ô nhiễm vào mt: dạng nguồn, l u l ợng, thành phần chất nhiễm t/c vật lý, hóa học chất ô nhiễm: độ tan, dạng tồn tại, t/c dễ/khó phân hủy Điều kiện mơi tr ờng mà chất nhiễm đ ợc đ a vào: diện tích bề mặt, độ sâu, pH, dòng chảy, nồng độ chất khác,… Sự chuyển chất nhiễm lồi sinh vật qua dây truyền thực phẩm Khả tự làm c a nguồn nước Là khả khử đ ợc chất bẩn nguồn n ớc, thể qua trình Quá trình xáo trộn (pha loãng) n ớc thải với nguồn n ớc Quá trình khống hóa chất hữu nhiễm bẩn nồng độ chất nhiễm bẩn giảm C ờng độ trình tự làm phụ thuộc: Tốc độ dòng chảy Điều kiện làm thoáng, độ sâu nguồn n ớc Thành phần, t/c nguồn n ớc,… Các thông số đánh giá chất lượng nước Các thông số đánh giá m c độ ô nhiễm nước pH CO2, Bicarbonate Carbonate Độ acid Độ kiềm Sắt Độ cứng Các tiêu vi sinh Hàm l ợng Oxy hòa tan (DO) Hàm l ợng Oxy sinh hóa (BOD) Hàm l ợng Oxy hóa học (COD) Các h/c Nitơ: NH3, NO2-, NO3Sulfide Hydrogen Sulfide Chất rắn (tổng, lơ lửng hòa tan) Nhiệt độ pH pH: số biểu diễn nồng độ ion hydro Cấp n ớc: pH ảnh h ởng đến Qt keo tụ hóa học Qt khử trùng Làm mềm, kiểm sốt tính ăn mịn n ớc Xử lý n ớc thải pH tối u cho qt xử lý sinh học Qt keo tụ n ớc thải Làm khô bùn, qt OXH Đo hoạt độ ion hydro Thiết bị: điện cực hydro H2O H+ + OH- Hằng số phân ly K= [ H + ][OH − ] [ H 2O] Do [H2O] lớn giảm bị phân ly Kn = [H+][OH-] Đối với n ớc tinh khiết, 200C [H+][OH-] =10-14 pH pH thấp (acid) Kim loại có khuynh h ớng hịa tan Cyanide sulfide độc cho cá Ammonia độc cho cá pH cao (base) KL có khuynh h ớng kết tủa d ới dạng hydroxides oxides Tuy nhiên, pH trở nên cao, số kết tủa bắt đầu hòa tan trở lại hình thành hydroxyde complexes Cyanide sulfide độc cho cá Ammonia độc cho cá pH (tt) HCN (độc) H2S (độc) NH4+ H+ + CN(ít độc) 2H+ + S2(ít độc) NH3 + H+ (NH3 + H2O (ít độc) pH thấp (độc) pH cao NH4+ + OH-) Độ hòa tan số KL kết tủa dạng hydroxides theo pH pH (tt) N ớc sông tự nhiên không ô nhiễm: pH = 6.5 - 8.5 N ớc ngầm tự nhiên không ô nhiễm: pH = 6.0 - 8.5 N ớc m a sạch: pH ~ 5.7 CO2 hòa tan M a acid: pH ≤ N ớc cấp: pH = - Tầm quan trọng c a pH Q trình keo tụ hóa học: kết tủa Al(OH)3 Fe(OH)3 Kiểm soát ăn mịn Q trình kết tủa kim loại nặng: Zn2+, Pb2+,… Hoạt động sinh học: hầu hết VSV thích mt acid (pH = 6,5 – 8) Quá trình clo hóa khử trùng Cl2 + H2O H+OCl- + H+ + Cl- Cl2, HOCl OCl- có hoạt tính mạnh pH thấp Độ acid c a nước Độ acid: đo l ờng l ợng acid đ ợc dùng để trung hòa dung dịch N ớc tự nhiên: Do diện acid yếu: CO2, H2PO4-, H2S, proteins, acid béo,… N ớc ô nhiễm: HCl, H2SO4,… NH3/NH4+ - ví dụ Ammonia đ ợc loại bỏ khỏi dịng n ớc thải cơng nghiệp tháp sục khí Để đáp ứng tiêu chuẩn phát thải (giới hạn ammonia ppm), n ớc đầu vào tháp xử lý phải đ ợc điều chỉnh cho tổng ammonia dạng bay 60% Sử dụng sơ đồ để tính xem pH n ớc đầu vào phải đ ợc điều chỉnh đến giá trị n ớc thải tháp sục khí có nhiệt độ 10oC? NO2- NO3NO2- Các h/c chứa Nitơ NO3- (bởi VSV) Nitơ hữu xác ĐV, chất thải từ hoạt động ng ời,… Nitơ vô phân bón NO2- NO3-: cần thiết cho thực vật, nh ng độc ng ời cá (nồng độ cao) [NO2-], [NO3-] > - 2mg/L (n ớc mặt, n ớc ngầm) nhiễm từ phân bón nơng nghiệp [NO2-], [NO3-] > 10 mg/L (n ớc uống) đến sức khỏe a/h Nitrification - Denitrification B ớc Nitrification: OXH hoàn toàn h/c chứa Nitơ thành nitrate điều kiện hiếu khí (khuấy trộn, sục khí) Nitrosomonas 4H+ + 2NO2- + 2H2O 2NH4+ + 3O2 2NO2- + O2 Nitrobacter 2NO3- B ớc Denitrification: chuyển nitrate thành N2 điều kiện kỵ khí Điều kiện: có carbon hữu (nếu TOC thấp thêm methanol h/c khác) 4NO3- + 5CH2O + 4H+ Denitrifying bacteria 2N2 + 5CO2 + 7H2O Tầm quan trọng c a Nitơ môi trường Khói quang hóa Sự nóng lên tồn cầu Thủng tầng ozon Trong khơng khí Chỉ thị chất l ợng n ớc NO3- n ớc uống cao độc cho nguời, chuyển hóa thành NO2 kết hợp với hồng cầu tạo thành chất không v/c O2 N dinh d ỡng quan trọng Q trình chuyển hóa từ NH3 thành NO2- NO3- làm giảm oxy hòa tan n ớc N cần cho phát triển VSV xử lý sinh học N bùn qđ hiệu làm phân bón bùn Xử lý H/C ch a Nitơ Loại bỏ NH3 Tăng pH (≥ 10) (xem đồ thị) chuyển dạng NH3 bay Vôi (CaO) Rẻ Tạo thành CaCO3 (trong bùn) NaOH Ít rẻ CaO Khơng tạo bùn u điểm: làm kết tủa Ca2(PO4)3 (nếu dùng vơi) Nh ợc điểm: đóng cặn, nhiễm khí Khử trùng Cl2 Nguyên tắc: NH3 + Cl2 NH2Cl + Cl- + H+ NH4+ + Cl2 NH2Cl + Cl- + H+ Chloramine 2NH2Cl + Cl2 N2 + 4Cl- + 4H+ p/ tổng 2NH3 + 3Cl2 N2 + 6Cl- + 6H+ NH2Cl d : chất khử trùng yếu Có thể tạo thành NHCl2 (dichloramine) NCl3 (trichloramine) Tốc độ p/ nhanh Loại bỏ NH4+ NH3 Vùng B: A: chất dễClbị OXH Fe , H2S,và thành CHC tham gia Tại ; C: Thêm tiếp tục thêm Clnh d 2+HOCl OCl-N nN2p/ ớc OXH 2O chloramine NH breakpoint, p/ tạo gần Chloramine nh toàn bị OXH Cl Ví dụ Một nhà máy xử lý n ớc thải có l u l ợng 1.500.000 L/ngày, n ớc thải chứa trung bình 50mg/L NH3 - N Hãy tính khối l ợng Cl2 (gram) cần cung cấp ngày để xử lý toàn l ợng NH3 - N nói trên? Xử lý NH3 Lưu ý pH 8,3 tốc độ xử lý NH3 lớn Nếu [NH3]> 15mg/L Nhiệt độ giảm bổ sung vôi tốc độ giảm Khử trùng Cl2 Tỷ lệ khối l ợng Cl2 : NH3- N = 7,6 Chất rắn (Solid) Nguồn gốc chất rắn n ớc Các chất vơ hịa tan (muối) chất không tan Các chất hữu Hàm lượng chất rắn nước Mẫu TDS TSS VSS FSS VDS TFS TVS TS FDS Hàm lượng chất rắn nước (tt) TSS (Total Suspended Solid) : Tổng chất rắn lơ lửng VSS (Volatile Suspended Solid) : Chất rắn lơ lửng bay FSS (Fixed Suspended Solid) : Chất rắn lơ lửng không bay TDS (Total Dissolved Solid) : Tổng chất rắn hòa tan VDS (Volatile Dissolved Solid) : Chất rắn hòa tan bay FDS (Fixed Dissolved Solid) : Chất rắn hịa tan khơng bay TFS (Total Fixed Solid) : Tổng chất rắn không bay TVS (Total Volatile Solid) : Tổng chất rắn bay TS (Total Solid) : Tổng chất rắn Hàm lượng chất rắn nước (tt) Tổng l ợng chất rắn (TS) Là trọng l ợng khơ (mg) phần cịn lại sau cho bay mẫu, sấy khô 1030C đến khối l ợng không đổi Tổng chất rắn lơ lửng (TSS) Lọc mẫu, sấy khô phần giấy lọc đến khối l ợng khơng đổi 103 – 1050C Tổng chất rắn hịa tan (TDS) = TS – TSS Hàm l ợng chất rắn bay (VSS) Là trọng l ợng sau nung Chất rắn lơ lửng không bay (FSS) FSS = TSS - VSS TSS Gọi chất rắn lọc đ ợc Gồm: chất hữu cơ, khoáng chất, oxit kim loại, sulfides, tảo, vi khuẩn,… TSS góp phần vào độ đục n ớc, giảm l ợng ánh sáng truyền qua cần thiết cho quang hợp, giảm mỹ quan n ớc Có thể loại bỏ keo tụ tạo bông, lọc TDS Tổng chất rắn lơ lửng (TSS) & Tổng chất rắn hòa tan (TDS) Gọi chất rắn lọc Gồm: muốn carbonat, bicarbonat, chloride, sulfate, phosphate nitrate Có thể loại bỏ pp trao đổi ion, kết tủa, lọc ng ợc TDS độ mặn Đều thị muối hòa tan Bảng so sánh định l ợng đại l ợng TDS (mg/L) 1.000-3.000 3.000-10.000 10.000-35.000 >35.000 Độ mặn Ít mặn Mặn trung bình Rất mặn Nước biển TDS độ dẫn điện riêng (ĐDĐR) Đơn vị ĐDĐR: µSiemens/cm (µS/cm) TDS xác định từ ĐDĐR N c bin (NaCl) TDS(mg/L) 0.5 ì DR(àS/cm) N c ngm (Carbonate v sulfate) TDS (mg/L) (0.55 0.7)ì DR(àS/cm) Nếu tỷ lệ (TDS/ ĐDĐR) khơng đổi, phân tích TDS (phức tạp) đ ợc thay đo độ dẫn điện riêng (đơn giản) Sulfide (S2-) • giai đọan phân ly H2S d ới đk khử: H2S • 2H+ + S2- pH=5 99% sulfide hịa tan d ới dạng H2S pH=7 50% HS- 50% H2S pH=9 99% HS- pH≥12 • H+ + HS- S2- H2S: Độc dễ bay (H2S > 2.0 µg/L Gây độc lâu dài cho cá) HS- S2-: Không bay độc Sự phụ thuộc c a Sulfide vào pH H2S H+ + HS- 2H+ + S2- Sulfide (tt) Nguồn sulfides môi tr ờng: Phân hủy kỵ khí chất hữu chứa S P/ứ khử muối sulfate sulfite thành sulfide Mt khử tồn sulfide Dấu hiệu vùng bị ô nhiễm sulfide: Đất bùn lắng có màu đen (Do H2S phản ứng với Fe2+ ion KL khác tạo thành muối sulfide) Có mùi trứng thối Sulfate > 60mg/l (hoặc tồn CHC chứa sulfur nh proteins) Thế OXH – khử < 200mV pH < hình thành H2S Xử lý mùi gây nên H2S Điều chỉnh pH S2- + 2H2O OH- + HS- + H2O H2S + 2OH- Tăng pH (thêm NaOH vôi): cân chuyển sang phía trái pH > 9: xử lý mùi H2S hiệu pH thấp: tạo H2S Loại bỏ H2S sục khí sang mt khơng khí H2S chuyển từ mt n ớc Sục khí: hiệu pH thấp, nhiệt độ thấp (xem đồ thị) OXH Sử dụng chất OXH: Cl2, NaOCl, KMnO4, H2O2,… để chuyển H2S thành SO42- Phosphorus (P) Các hợp chất P tự nhiên có dạng: Orthophosphate (chứa PO43-) Trisodium phosphate — Na3PO4 Disodium phosphate — Na2HPO4 Monosodium phosphate — NaH2PO4 Diammonium phosphate — (NH4)2HPO4 Polyphosphote (dạng tách n ớc orthophosphate) thủy phân cho orthophosphate Sodium hexametaphosphate — Na3(PO4)6 Sodium tripolyphosphate — Na5P3O10 Tetrasodium pyrophosphate — Na4P2O7 P hữu phân hủy sinh học oxi hóa cho orthophosphate Orthophosphate hòa tan dạng sẵn sàng sinh học hợp chất P Cân c a orthophosphates hòa tan nước phụ thuộc vào pH Sự chuyển hóa c a P mt Nguồn P chủ yếu: SX nông nghiệp H/C P vơ cơ: tan, th ờng bị hấp phụ đất tồn chủ yếu trầm tích (bùn) P di chuyển n ớc đất P tuần hồn chủ yếu đất bị xói mịn hạn chế ô nhiễm P n ớc mặt cách chống xói mịn đất chuyển động trầm tích Sự chuyển hóa c a P mt (tt) Khả hòa tan P đất phụ thuộc: pH Kết cấu đất Khả trao đổi cation Hàm l ợng CaO, FeO, Fe2O3 Al2O3 đất Trong đk kị khí (mt khử): tính tan P tăng (do h/c Fe3+ , hấp phụ P chuyển thành Fe2+ hịa tan) Đất có tính acid: Al3(PO4)2 FePO4 Đất có tính bazơ: Ca3(PO4)2 • P dạng H2PO4bị giữ lại đất d ới dạng kết tủa sắt nhơm • P dạng HPO42kết tủa Ca • pH 6-7: P dạng dễ hấp thu đ/v thực vật Xử lý P hòa tan PP kết tủa P Sử dụng Alum Al2(SO4)3, Ca(OH)2, Fe2(SO4)3 FeCl3 Tùy thuộc vào Tiêu chuẩn thải pH n ớc thải Tính kinh tế Pt p/ Al2(SO4)3 + 2HPO42- 2AlPO4 + 3SO42- + 2H+ Fe2(SO4)3 + 2HPO42- 2FePO4 + 3SO42- + 2H+ FeCl3 + HPO42- FePO4 + 3Cl- + H+ 3Ca2+ + 2OH- + 2HPO42- Ca3(PO4)2 + 2H2O Một số lưu ý P&N dinh d ỡng cần thiết cho thực vật N: có tồn dạng khí P: khơng có dạng khí Muối NO3-: tan Phần lớn muối PO43- không tan phosphate bị hấp thụ đất (ngay lớp mặt) phosphate vào n ớc ngầm P th ờng chất dinh d ỡng bị hạn chế so với N ... TDS TSS VSS FSS VDS TFS TVS TS FDS Hàm lượng chất rắn nước (tt) TSS (Total Suspended Solid) : Tổng chất rắn lơ lửng VSS (Volatile Suspended Solid) : Chất rắn lơ lửng bay FSS (Fixed Suspended Solid)... phosphate — Na2HPO4 Monosodium phosphate — NaH2PO4 Diammonium phosphate — (NH4)2HPO4 Polyphosphote (dạng tách n ớc orthophosphate) thủy phân cho orthophosphate Sodium hexametaphosphate — Na3(PO4)6... Na3(PO4)6 Sodium tripolyphosphate — Na5P 3O1 0 Tetrasodium pyrophosphate — Na4P 2O7 P hữu phân hủy sinh học oxi hóa cho orthophosphate Orthophosphate hịa tan dạng s? ??n s? ?ng sinh học hợp chất P Cân c a orthophosphates