Giáo trình hóa học nước vi sinh vật nước thí nghiệm (ngành công nghệ kỹ thuật tài nguyên nước cao Đẳng)

LỜI GIỚI THIỆU Giáo trình “Xử lý nước thải” bao gồm những kiến thức về cở sở lý, hoá, vi sinh của một số quá trình xử lý nước thiên nhiên và nước thải, quá trình chuyển hoá các thành phầ

BỘ XÂY DỰNG

TRƯỜNG CAO ĐẲNG XÂY DỰNG SỐ 1

Giáo trình HÓA HỌC NƯỚC – VI SINH VẬT NƯỚC + THÍ NGHIỆM

NGÀNH: Công nghệ Kỹ thuật tài nguyên nước

TRÌNH ĐỘ: Cao đẳng

Ban hành kèm theo Quyết định số 368ĐT/QĐ- CĐXD1 ngày 10 tháng 08

năm 2021 của Hiệu trưởng trường CĐXD số 1

Hà Nội –

LỜI GIỚI THIỆU

Giáo trình “Xử lý nước thải” bao gồm những kiến thức về cở sở lý, hoá, vi sinh của một

số quá trình xử lý nước thiên nhiên và nước thải, quá trình chuyển hoá các thành phần của nước sau khi sử dụng các biện pháp xử lý nước và quá trình chuyển hoá chất bẩn trong nước bởi vi sinh vật và quá trình vi sinh vật trong công trình Cấp thoát nước

Giáo trình do các giảng viên trong Bộ môn Cấp nước và Thoát nước, thuộc khoa Quản

lý Xây dựng và đô thị, trường Cao đẳng Xây dựng số 1 biên soạn Chúng tôi rất mong được

sự góp ý của các đồng nghiệp và bạn đọc để giáo trình được hoàn thiện hơn

Trân trọng cảm ơn!

Hà Nội, năm 20 Tham gia biên soạn

1 Chủ biên: Lê Thị Minh Nga

MỤC LỤC PHẦN 1: LÝ THUYẾT CHƯƠNG I : HÓA HỌC NƯỚC 1

1 Nguồn nước chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước, yêu cầu chất lượng nước cấp 1

1.1 Nguồn nước : 5

1.2 Chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước 6

1.3 Yêu cầu chất lượng nước cấp 12

II Cơ sở hóa lý của các quá trình xử lý nước cấp : 12

1 Keo tụ cặn bẩn trong nước 12

2 Khử sắt và mangan trong nước : 17

3 Khử trùng nước 19

4 Làm mềm nước 21

5 Ổn định nước 23

6 Khử muối trong nước : 25

III Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa học : 26

1 Thành phần và tính chất của nước thải : 26

2 Các phương pháp trung hòa nước thải 27

Chương II: VI SINH VẬT TRONG NƯỚC 33

I Cấu tạo, hình thái, thành phần hóa học của tế bào vi sinh vật 33

1 Cấu tạo, hình thái của vi sinh vật 3334

2 Thành phần hóa học của vi sinh vật Error! Bookmark not defined.36 II Sự sinh, trưởng và phát triển của vi sinh vật 43

1 Quá trình sinh trưởng của vi sinh vật 43

2 Quá trình phát triển của vi sinh vật 4348

3 Quá trình nuôi cấy vi sinh vật trong các môi trường 44

4 Ảnh hưởng của các nhân tố môi trường đến sự sinh trưởng của vi sinh vật 45

III Sự phân bố của vi sinh vật và vai trò của chúng trong việc chuyển hóa các chất trong tự nhiên, ảnh hưởng của các yếu tố ngoại cảnh đến vi sinh vật 46

1 Sự phân bố của vi sinh vật trong tự nhiên 46

2 Vai trò của vi sinh trong quá trình chuyển hóa các chất, phân giải chất hữu cơ không chứa đạm 48

IV Vi sinh vật gây bệnh – vai trò của vi sinh vật trong quá trình tự làm sạch nguồn nước 55

1 Vi sinh vật gây bệnh trong nước 55

2 Vai trò của vi sinh vật trong quá trình làm sạch nguồn nước 60

V Quá trình vi sinh vật trong các công trình xử lý nước cấp, xử lý nước thải 74

1 Quá trình vi sinh vật trong các công trinh xử lý nước cấp 75

2 Quá trình vi vật trong các công trình xử lý nước thải 76

PHẦN 2: THÍ NGHIỆM……… 77

CHƯƠNG I : HÓA HỌC NƯỚC 1.1 Nguồn nước, chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước, yêu cầu chất lượng nước cấp

1.1.1 Nguồn nước :

a Chọn nguồn nước phải căn cứ theo tài liệu kiểm nghiệm dựa trên các chỉ tiêu lựa chọn nguồn nước mặt, nước ngầm phục vụ hệ thống cấp nước sinh hoạt TCXD-233-1999; Tài liệu khảo sát khí tượng thuỷ văn, địa chất thuỷ văn; Khả năng bảo vệ nguồn nước và các tài liệu khác Khối lượng công tác thăm dò, điều tra cần xác định tuỳ theo đặc điểm, mức độ tài liệu hiện có của khu vực; Tuỳ theo lưu lượng và chấtlượng nước cần lấy; Loại hộ dùng nước và giai đoạn thiết kế

b Trong một hệ thống cấp nước được phép sử dụng nhiều nguồn nước có đặc điểm thuỷ văn và địa chất thuỷ văn khác nhau

c Độ đảm bảo lưu lượng trung bình tháng hoặc trung bình ngày của các nguồn nước mặt phải lấy theo bảng 1.1, tuỳ theo bậc tin cậy

Trong đó bậc tin cậy của nước lấy theo bảng sau :

HTCN

Hệ thống cấp nước sinh hoạt của điểm dân cư trên 50.000 người và của các

đối tượng dùng nước khác được phép giảm lưu lượng nước cấp không quá

30% lưu lượng nước tính toán trong 3 ngày và ngừng cấp nước không quá

10 phút

I

Hệ thống cấp nước sinh hoạt của điểm dân cư đến 50.000 người và của các

đối tượng dùng nước khác được phép giảm lưu lượng nước cấp không quá

30% lưu lượng trong 10 ngày và ngừng cấp nước trong 6 giờ

II

Hệ thống cấp nước sinh hoạt của điểm dân cư đến 5000 người và của các

đối tượng dùng nước khác được phép giảm lưu lượng cấp nước không quá

30% trong 15 ngày và ngừng cấp nước trong 1 ngày

III

d Việc đánh giá khả năng sử dụng nguồn nước vào mục đích cấp nước và việc chọn khu vực để xây dựng hồ chứa cần thực hiện theo chỉ dẫn của Phụ lục 2

e Chọn nguồn nước phải theo những quy định của cơ quan quy hoạch và quản lý

nguồn nước Chất lượng nguồn nước dùng cho ăn uống sinh hoạt phải đảm bảo Tiêu chuẩn TCXD-233-1999 Chất lượng nguồn nước dùng cho sản xuất phải căn cứ vào yêu cầu của từng đối tượng dùng nước để lựa chọn

f Cần tiết kiệm trong việc sử dụng nguồn nước ngầm Khi có nguồn nước mặt đảm bảo

QCVN 08 : 2008/BTNMT NM thì ưu tiên sử dụng nguồn nước mặt

g Không được phép dùng nguồn nước ngầm cấp cho các nhu cầu tiêu thụ nước khi chưa được phép của cơ quan quản lý nguồn nước. QCVN 09 : 2008/BTNMT NN

h Cần nghiên cứu khả năng bổ sung trữ lượng nước ngầm bằng các công trình bổ cập nhân tạo khi có điều kiện trong trường hợp nguồn nước ngầm tự nhiên không đủ trữ lượng khai thác

i Được phép xử lý nước khoáng hoặc nước biển để cấp cho hệ thống cấp nước ăn

uống, sinh hoạt, nhưng phải so sánh kinh tế - kỹ thuật với các nguồn nước khác

k Cho phép dùng nước địa nhiệt cấp cho ăn uống, sinh hoạt và sản xuất nếu đảm bảo những quy định ở điều 4.5 ( TC 33-2006)

Nhiệt độ cao nhất của nước cấp cho ăn uống sinh hoạt không được quá 35°C

l Các phương án chọn nguồn nước phải được đánh giá toàn diện về kinh tế bao gồm các chi phí xây lắp, quản lý, tiêu thụ điện năng, Đồng thời phải xét đến ảnh hưởng

của việc khai thác nguồn nước đối với nhu cầu sử dụng nước của các ngành kinh tế khác

m Chọn biện pháp điều hoà dòng chảy và dung tích hồ chứa phải dựa vào những đặc trưng tính toán thuỷ văn và những quy định về sử dụng nguồn nước của cơ quan quy

hoạch và quản lý nguồn nước

n Hồ chứa để cấp nước ăn uống sinh hoạt nên xây dựng ngoài các khu dân cư, trong các lưu vực thưa dân, có nhiều rừng, không có bè gỗ và nước bẩn xả vào

1.1.2 Chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước

1.1.2.1 Chỉ tiêu vật lý

a Nhiệt độ

Nhiệt độ phụ thuộc và ảnh hưởng của môi trường khí hậu bên ngoài, nó ảnhhưởng tới quá trình phản ứng và quá trình xử lý nước Trong nước ngầm ( to = 23- 27oC), nước mặt (to = 13- 33oC )

b Độ màu

Màu đặc trưng chất bản có trong nước chủ yếu tồn tại trong các hợp chất hữu cơ, humic, thủy sinh vật, vi sinh vật ngoài ra còn phụ thuộc vào hàm lượng sắt và mangan nếu là nước ngầm

c Độ đục

Gây nên bởi các hạt rắn lơ lửng trong nước Các chất lơ lửng trong nước có thể có nguồn gốc vô cơ, hữu cơ hoặc các vi sinh vật, thủy sinh vật có kích thước thông thường từ 0,1 – 10 m

Độ đục làm giảm khả năng truyền sáng của nước, ảnh hưởng tới quá trình quang hợp.1 đơn vị

độ đục là sự cản quang gây ra bởi 1 mg SiO2 hòa trong 1 lít nước cất Độ đục được đo bằng máy đo độ đục (đục kế – turbidimeter) Đơn vị đo độ đục theo các máy do Mỹ sản xuất là NTU (Nephelometric Turbidity Unit)

Thang đo độ đục

Thang đo theo

chiều sâu lớp nước than đục Silic ( mg/l) Độ đục theo Ghi chú

Theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), độ đục được xác định bằng chiều sâu lớp nước thấy được (gọi là độ trong) mà ở độ sâu đó người ta vẫn đọc được hàng chữ tiêu chuẩn Độ đục càng thấp chiều sâu của lớp nước còn thấy được càng lớn Nước được gọi là trong khi mức độ nhìn sâu lớn hơn 1 m (hay độ đục nhỏ hơn 10 NTU) Theo qui định của TCVN, độ đục của nước sinh hoạt phải lớn hơn 30cm

d Tổng hàm lượng các chất rắn (TS)

Các chất rắn trong nước có thể là những chất tan hoặc không tan Các chất này bao gồm

cả những chất vô cơ lẫn các chất hữu cơ Tổng hàm lượng các chất rắn (TS : Total Solids) là lượng khô tính bằng mg của phần còn lại sau khi làm bay hơi 1 lít mẫu nước trên nồi cách thủy rồi sấy khô ở 105oC cho tới khi khối lượng không đổi (đơn vị tính bằng mg/L)

e Tổng hàm lượng các chất lơ lửng (SS)

Các chất rắn lơ lửng (các chất huyền phù) là những chất rắn không tan trong nước Hàm lượng các chất lơ lửng (SS : Suspended Solids) là 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 105oC cho tới khi khối lượng không đổi Đơn vị tính là mg/L

f Tổng hàm lượng các chất hòa tan (DS)

Các chất rắn hòa tan là những chất tan được trong nước, bao gồm cả chất vô cơ lẫn chất hữu cơ Hàm lượng các chất hòa tan DS (Dissolved Solids) là lượng khô của phần dung dịch qua lọc khi lọc 1 lít nước mẫu qua phễu lọc có giấy lọc sợi thủy tinh rồi sấy khô ở 105oC cho tới khi khối lượng không đổi Đơn vị tính là mg/L.DS = TS – SS

g Tổng hàm lượng các chất dễ bay hơi

Để đánh giá hàm lượng các chất hữu cơ có trong mẫu nước, người ta còn sử dụng các khái niệm tổng hàm lượng các chất không tan dễ bay hơi (VSS : Volatile Suspended Solids), tổng hàm lượng các chất hòa tan dễ bay hơi (VDS : Volatile Dissolved Solids) Hàm lượng các chất rắn lơ lửng dễ bay hơi VSS là lượng mất đi khi nung lượng chất rắn huyền phù (SS) ở 550 0C cho đến khi khối lượng không đổi (thường được qui định trong một khoảng thời gian nhất định) Hàm lượng các chất rắn hòa tan dễ bay hơi VDS là lượng mất đi khi nung lượng chất rắn hòa tan (DS) ở

h Mùi, Vị

Các chất khí tan trong nước sinh ra mùi, các chất tan tan trong nước sinh ra vị

i Độ nhớt

Đó là ma sát giữa chất lỏng với chất lỏng và ma sat với thành bình → gây ra tổn thất

Độ nhớt liên quan tới hàm lượng muối có trong nước, nếu nhiệt độ tăng thì ma sát muối khoáng tăng dẫn đến độ nhớt tăng

H2O ↔ H+ + OH –

Sự tương quan giữa nồng độ ion H+ và OH- được biểu thị bằng biểu thức :

KN = [H+] [OH-]

Trong đó : KN – tích số ion của nước, có giá trị phụ thuộc vào nhiệt độ của nước

Nước tinh khiết ơ nhiệt độ 250C có [H+] = [OH-] = 10-7 iongam/lit

Trong thực tế tính axit cũng như tính kiềm của nước ít khi biểu diễn bằng nồng độ ion [H+] và [OH-] mà biểu thị bằng PH :

4Fe(HCO3)2 + O2 +2 H2O = 4Fe(OH)3↓ + H2O + 8CO2

Fe2+ + 2HCO3- + O2 + H2 → Fe(OH)3↓ + H+ + HCO

b Độ kiềm toàn phần

Độ kiềm toàn phần (Alkalinity) là tổng hàm lượng các ion HCO3-, CO32-, OH- có trong nước Độ kiềm trong nước tự nhiên thường gây nên bởi các muối của acid yếu, đặc biệt là các muối carbonat và bicarbonat Độ kiềm cũng có thể gây nên bởi sự hiện diện của các ion silicat, borat, phosphat… và một số acid hoặc baz hữu cơ trong nước, nhưng hàm lượng của những ion này thường rất ít so với các ion HCO3-, CO32-, OH- nên thường được bỏ qua

Khái niệm về độ kiềm (alkalinity – khả năng trung hòa acid) và độ acid (acidity – khả năng trung hòa baz) là những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá động thái hóa học của một nguồn nước vốn luôn luôn chứa carbon dioxid và các muối carbonat

Xét một dung dịch chỉ chứa các ion carbonat HCO3- và CO32- Ở các giá trị pH khác nhau, hàm lượng carbonat sẽ nằm cân bằng với hàm lượng CO2 (cân bằng carbonat) vì trong nước luôn diễn ra quá trình :

2HCO3- ↔ CO32- + H2O + CO2

CO32- + H2O ↔ 2OH- + CO2

Giả sử ngoài H+ ion dương có hàm lượng nhiều nhất là Na+ thì ta luôn luôn có cân bằng sau :

[H+] + [Na+] = [HCO3- ] + 2[CO32-] + [OH- ]

Độ kiềm được định nghĩa là lượng acid mạnh cần để trung hòa để đưa tất cả các dạng carbonat trong mẫu nước về dạng H2CO3.Như vậy ta có các biểu thức :

[Alk]=[Na+] Hoặc [Alk] = [HCO3- ] + 2[CO32- ] + [OH- ] + [H+ ]

Sự phân bố các dạng tồn tại của cacbonat theo pH

Tùy từng nước qui định, độ kiềm có những đơn vị khác nhau, có thể là mg/L, đlg/L (Eq/L) hoặc mol/L Trị số độ kiềm cũng có thể qui đổi về một hợp chất nào đó, ví dụ Đức

thường qui về CaO, Mỹ thường qui về CaCO3 Khi tính theo CaCO3, cách tính được thực hiện như sau : mg CaCO3/L = đương lượng gam CaCO3/đương lượng gam ion (mg ion/L)

Ví dụ, nếu hàm lượng các ion CO32- và HCO3- lần lượt là 80 và 90 mg/L thì khi qui đổi

về CaCO3 chúng lần lượt có giá trị là :

mg CO32- theo CaCO3/L = 80 mg/L*50/30 = 133,3 mg/L

mg HCO3- theo CaCO3/L = 90mg/L*50/61 = 73,7 mg/L

c Độ cứng

Là đại lượng biểu thị hàm lượng Ca2+, Mg2+ có trong nước Trong kỹ thuật xử lý nước

sử dụng 3 loại độ cứng : Độ cứng tạm thời(C0) biểu thị hàm lượng các muối cacbonat và hydrocacbonat của canxi còn lại của canxi và magie có trong nước Độ cứng vĩnh cửu (CK) biểu thị hàm lượng các muối không cacbonat và không hydrocacbonat Độ cứng toàn phần dược xác định theo công thức :

Độ cứng vĩnh cửu được xác định theo công thức :

CP = Co+ CK Tác hại của nước cứng gây tác hại cụ thể như : Trong sinh hoạt gây lãng phí xà phòng do canxi và magie phản ứng với các axit béo tạo thành các hợp chất khó tan Trong sản xuất canxi và magie trong nước cứng có thể tham gia phản ứng kết tủa khác nhau gây cản trở quá trình sản xuất

Đơn vị đo độ cứng : odH (1odH biểu thị bằng 10mg CaO có trong 1 lít nước)

of (1of biểu thị bằng 10mg CaCO2 có trong 1 lít nước )

oe ( 1 oe biểu thị bằng 10mg CaCO3 có trong 0,7 lít nước

Sự tương quan : 1mđlg/l = 2,8 odH

1 odH = 1,79 of = 1,25 oe

Giá trị độ cứng được phân biệt thành nhóm :

Phân loại nước theo độ cứng

Các ion Ca2+ và Mg2+ có thể tạo kết tủa với một số chất khoáng có trong nước, tạo lắng cặn trong nồi hơi, bình đun nước hoặc hệ thống dẫn nước

Người ta còn phân biệt các loại độ cứng khác nhau :

- Độ cứng carbonat (thường được ký hiệu CH : Carbonate Hardness): là độ cứng gây ra bởi hàm lượng Ca2+ và Mg2+ tồn tại dưới dạng HCO32+ Độ cứng carbonat còn được gọi là độ cứng tạm thời vì sẽ mất đi khi bị đun sôi

- Độ cứng phi carbonat (thường được ký hiệu là NCH : Non-Carbonate Hardness) là độ cứng gây ra bởi hàm lượng Ca2+ và Mg2+ liên kết với các anion khác HCO3- như SO42-, Cl-

…Độ cứng phi carbonat còn được gọi là độ cứng thường trực hay độ cứng vĩnh cữu

d Hàm lượng oxy hòa tan

Oxigen hòa tan trong nước (DO : Dissolved Oxygen) không tác dụng với nước về mặt hóa học Hàm lượng DO trong nước phụ thuộc nhiều yếu tố như áp suất, nhiệt độ, thành phần hóa học của nguồn nước, số lượng vi sinh, thủy sinh vật…

Hàm lượng oxigen hòa tan là một chỉ số đánh giá “tình trạng sức khỏe” của nguồn nước Mọi nguồn nước đều có khả năng tự làm sạch nếu như nguồn nước đó còn đủ một lượng DO nhất định Khi DO xuống đến khoảng 4 – 5 mg/L, số sinh vật có thể sống được trong nước giảm mạnh Nếu hàm lượng DO quá thấp, thậm chí không còn, nước sẽ có mùi và trở nên đen

do trong nước lúc này diễn ra chủ yếu là các quá trình phân hủy yếm khí, các sinh vật không thể sống được trong nước này nữa

Hàm lượng DO trong nước tuân theo định luật Henry, có nghĩa là nói chung độ tan giảm theo nhiệt độ Ở nhiệt độ bình thường, độ hòa tan tới hạn của oxigen trong nước vào khoảng 8

mg O2/L Khi một chất khí hòa tan trong nước đạt đến trạng thái cân bằng, ta có : X(g) = X(aq)

Như vậy, hằng số cân bằng của sự hòa tan này là : KH = [X,aq]

Mỗi chất khí sẽ có một hằng số cân bằng KH khác nhau nên mỗi chất khí sẽ có một độ tan khác nhau ở cùng một nhiệt độ

Nhu cầu oxigen hóa học

Nhu cầu oxigen hóa học (COD : Chemical Oxygen Demand) là lượng oxigen cần thiết (cung cấp bởi các chất hóa học) để oxid hóa các chất hữu cơ trong nước Chất oxid hóa thường dùng là KMnO4 hoặc K2Cr2O7 và khi tính toán được qui đổi về lượng oxigen tương ứng ( 1

mg KMnO4 ứng với 0,253 mgO2)

Các chất hữu cơ trong nước có hoạt tính hóa học khác nhau Khi bị oxid hóa không phải tất cả các chất hữu cơ đều chuyển hóa thành nước và CO2 nên giá trị COD thu được khi xác định bằng phương pháp KMnO4 hoặc K2Cr2O7 thường nhỏ hơn giá trị COD lý thuyết nếu tính toán từ các phản ứng hóa học đầy đủ Mặt khác, trong nước cũng có thể tồn tại một số chất vô

cơ có tính khử (như S2-, NO2-, Fe2+ …) cũng có thể phản ứng được với KMnO4 hoặc K2Cr2O7 làm sai lạc kết quả xác định COD

Như vậy, COD giúp phần nào đánh giá được lượng chất hữu cơ trong nước có thể bị oxid hóa bằng các chất hóa học (tức là đánh giá mức độ ô nhiễm của nước) Việc xác định COD có ưu điểm là cho kết quả nhanh (chỉ sau khoảng 2 giờ nếu dùng phương pháp bicromat hoặc 10 phút nếu dùng phương pháp permanganat)

Nhu cầu oxigen sinh hóa

Nhu cầu oxigen sinh hóa (BOD : Biochemical Oxygen Demand) là lượng oxigen cần thiết để vi khuẩn có trong nước phân hủy các chất hữu cơ Tương tự như COD, BOD cũng là

một chỉ tiêu dùng để xác định mức độ nhiễm bẩn của nước (đơn vị tính cũng là mgO2/L) Trong môi trường nước, khi quá trình oxid hóa sinh học xảy ra thì các vi khuẩn sử dụng oxigen hòa tan để oxid hóa các chất hữu cơ và chuyển hóa chúng thành các sản phẩm vô cơ bền như

CO2, CO32- , SO42- PO43- và cả NO3-

e Sắt, mangan

Sắt chỉ tồn tại dạng hòa tan trong nước ngầm dưới dạng muối Fe2+ của HCO3-, SO42-, Cl-…, còn trong nước bề mặt, Fe2+ nhanh chóng bị oxid hóa thành Fe3+ và bị kết tủa dưới dạng Fe(OH)3 ↓ 2Fe(HCO3)2 + 0,5 O2 + H2O –> 2Fe(OH)3↓ + 4CO2 Nước thiên nhiên thường hcứa hàm lượng sắt lên đến 30 mg/L Với hàm lượng sắt lớn hơn 0,5 mg/L nước có mùi tanh khó chịu, làm vàng quần áo khi giặt… Các cặn kết tủa của sắt có thể gây tắc nghẽn đường ống dẫn nước Trong quá trình xử lý nước, sắt được loại bằng phương pháp thông khí và keo tụ

f Các hợp chất clo

Clo tồn tại trong nước dưới dạng Cl- Nói chung ở mức nồng độ cho phép thì các hợp chất clor không gây độc hại, nhưng với hàm lượng lớn hơn 250 mg/L làm cho nước có vị mặn Nước có nhiều Cl- có tính xâm thực xi măng

g Các hợp chất sulfat

Ion SO42- có trong nước do khoáng chất hoặc có nguồn gốc hữu cơ Với hàm lượng lớn hơn 250 mg/L gây tổn hại cho sức khỏa con người Ở điều kiện yếm khí, SO42- phản ứng với chất hữu cơ tạo thành khí H2S có độc tính cao

Như O2, CO2, SOx, NxOy, H2S Gây ăn mòn bê tông và kim loại

m Kim loại có tính độc cao

Như Pb, As, ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe con người, việc xử lý chúng rất khó khăn

n Các hóa chất bảo vệ thức vật, chất hoạt động bề mặt

Rất khó xử lý và phải cấm xả thải ra môi trường

1.1.2.3 Chỉ tiêu vi sinh

Trong nước thiên nhiên có nhiều loại vi trùng, siêu vi trùng, rong tảo và các loài thủy vi sinh khác Tùy theo tính chất, các loại vi sinh trong nước có thể vô hại hoặc có hại Nhóm có hại bao gồm các loại vi trùng gây bệnh, các loài rong rêu, tảo…Nhóm này cần phải loại bỏ khỏi nước trước khi sử dụng

Các vi trùng gây bệnh như lỵ, thương hàn, dịch tả…thường khó xác định chủng loại Trong thực tế hóa nước thường xác định chỉ số vi trùng đặc trưng Trong chất thải của người và động vật luôn có loại vi khuẩn E.Coli sinh sống và phát triển Sự có mặt của E.Coli trong nước

chứng tỏ chứng tỏ nguồn nước đã bị ô nhiễm bởi phân rác, chất thải của người và động vật và như vậy cũng có khả năng tồn tại các loại vi trùng gây bệnh khác Số lượng E.Coli nhiều hay ít tùy thuộc mức độ nhiễm bẩn của nguồn nước Đặc tính của khuẩn E.Coli là khả năng tồn tại cao hơn các loại vi khuẩn, vi trùng gây bệnh khác nên nếu sau khi xử lý nước, nếu trong nước không còn phát hiện thấy E.Coli thì điều đó chứng tỏ các loại vi trùng gây bệnh khác đã bị tiêu diệt hết Mặt khác, việc xác định số lượng E.Coli thường đơn giản và nhanh chóng nên loại vi khuẩn này thường được chọn làm vi khuẩn đặc trưng trong việc xác định mức độ nhiễm bẩn do

vi trùng gây bệnh trong nước

Người ta phân biệt trị số E.Coli và chỉ số E.Coli Trị số E.Coli là đơn vị thể tích nước có chứa 1 vi khuẩn E.Coli Chỉ số E.Coli là số lượng vi khuẩn E.Coli có trong 1 lít nước Tiêu chuẩn nước cấp cho sinh hoạt ở các nước tiên tiến qui định trị số E.Coli không nhỏ hơn 100

mL, nghĩa là cho phép chỉ có 1 vi khuẩn E.Coli trong 100 mL nước (chỉ số E.Coli tương ứng là 10) TCVN qui định chỉ số E.Coli của nước sinh hoạt phải nhỏ hơn 20

1.1.3 Yêu cầu chất lượng nước cấp

1.1.3.1 Yêu cầu đối với lượng nước sinh hoạt

( Lấy theo tiêu chuẩn Việt nam 33-2006)

Tiêu chuẩn này áp dụng để thiết kế các công trình xử lý nước cấp cho ăn uống và sinh hoạt

1.1.3 2 Yêu cầu chất lượng nước cấp cho ngành khác ( Lấy theo tiêu chuẩn Việt nam 2006)

33-1.2 Cơ sở hóa lý của các quá trình xử lý nước cấp :

1.2.1 Keo tụ cặn bẩn trong nước

1.2.1.1 Mục đích của quá trình keo tụ

Cặn bẩn trong nước thiên nhiên thường là các hạt cát, sét bùn vật phù du, sản phẩm phân hủy của hợp chất hữu cơ…Ngoài các hạt có khả năng lắng được trong nước thì còn một số hạt

có kích thước nhỏ tồn tại ở trạng thái lơ lửng, keo và hòa tan Kích thước của các hạt cặn lơ lửng thường dạo động từ vài phần triệu milimet đến vài milimet Trong kỹ thuật xử lý nước

người ta thường sử dụng các biện pháp cơ học như lắng tĩnh, lọc chỉ loại bỏ được hạt có kích thước lớn hơn 10- 4 mm Để loại bỏ các hạt cặn này đều mang điện tích và chúng có khả năng liên kết với nhau hoặc đẩy nhau bằng lực điện từ

* Cấu tạo của hạt keo

Hạt keo có cấu tạo rất phức tạp, ở giữa có nhân keo, bao gồm tập hợp hàng trăm hàng nghìn phân tử Bề mặt riêng của nhân keo rất lớn nên nhân keo có khả năng hấp phụ mạnh và hấp phụ chọn lọc những ion có trong thành phần của nhân keo Tùy theo loại ion hấp phụ ta sẽ thu đượ ion âm hoặc dương Lúc đó nhân keo và lớp ion kề sát mang điện và hút các ion ngược dấu bao quanh ( sinh ra lớp đối ion) tạo thành hạt keo Ngoài ra hật keo còn hút những ion ngược dấu ở xa hơn ( sinh ra lớp khuếch tán) tạo ra misen keo – misen keo trung hòa điện

VD : Phản ứng trao đổi giữa 2 dung dịch :

AgNO3 + NaCl → AgCl↓ + NaNO3

Tập hợp các phân tử AgCl tạo thành nhân keo Giả sử trong dung dịch ion Ag+ ( do nồng độ AgNO3 lớn hơn nồng độ của NaCl ) Chúng tạo thành hạt keo dương

{m[AgCl] nAg+ + (n-x)NO3-}+x xNO3-

Cấu tạo của hạt keo

Nhân keo Lớp hấp thụ

Hạt keo Misen keo

Lớp khuếch tán

Nhờ chuyển động Brown các hạt keo với điện tích bé khi va chạm dễ dính kết bằng lực hút phân tử tạo nên các bông cặn ngày càng lớn khi kích thước bông cặn ngày càng lớn thì chuyển động Brown hết tác dụng và các bông cặn này có thể lắng được

Phương pháp này đòi hỏi liều lượng chất điện ly cho vào phải rất chính xác Nếu nồng

độ các chất điện ly tăng lên quá mức gây ra quá trình tích điện trở lại với hạt keo làm ξ tăng lên hiệu quả keo tụ giảm đi

b Keo tụ bằng hệ keo ngược dấu

Là tạo ra trong nước một hệ keo mới tích điện ngược dấu với keo cặn bẩn trong nước thiên nhiên và các hạt keo tích điện trái dấu sẽ trung hòa lẫn nhau Chất thường sử dụng để keo

tụ là phèn nhôm và phèn sắt được đưa vào nước dưới dạng hòa tan Sau phản ứng thủy phân tạo

ra hệ keo mới mang điện tích dương có khả năng trung hòa các điện tích âm của hạt keo

Keo tụ bằng phèn nhôm :

Al2(SO4)3 → 2Al3+ + 3SO42-

Các ion kim loại mang điện tích dương một mặt tham gia vào quá trình trao đổi với các cation nằm trong điện tích kép của hạt keo tư nhiên mang điện tích âm, làm giảm thế điện động ξ , giúp cho các hạt keo dễ dàng lien kết với nhau bằng liên kết phân tử tạo ra các bông cặn lắng Mặt khác các ion kim loại tự do kết hợp với phân tử nước bằng phản ứng thủy phân

Al3+ + 3H2O ↔ Al(OH)3 + 3H+ Các phân tử nhôm hidroxit hay sắt hdroxit là các hạt keo mang điện tích dương Có khả năng kết hợp với các hạt keo tự nhiên mang điện tích âm tạo ra thành các bông cặn Đồng thời các phân tử Fe(OH)3, Al(OH)3 kết hợp với anion có trong nước kết hợp với nhau tạo ra các bông cặn có hoạt tính bề mặt cao Các bông cặn này lắng sẽ hấp thụ , cuốn theo các hạt keo, cặn bẩn, các hợp chất hữu cơ, mùi vị

Liều lượng phèn nhôm để xử lý nước đục lấy theo TCXD – 33 :2006 như sau: Hàm lượng cặn của nước

nguồn ( mg/l) Liều lượng phèn nhôm Alkhông chứa nước (mg/l) 2(SO4)3

Khi sử dụng phèn nhôm cần lưu ý :

- pH hiệu quả tốt nhất với phèn nhôm là khoảng 5,5 – 7,5

- Nhiệt độ của nước thích hợp khoảng 20 – 40oC

- Ngoài ra, cần chú ý đến : các thành phần ion có trong nước, các hợp chất hữu cơ, liều lượng phèn, điều kiện khuấy trộn, môi trường phản ứng…

Ưu điểm của phèn nhôm :

• Về mặt năng lực keo tụ ion nhôm (và cả sắt(III)), nhờ điện tích 3+, có nănglực keo tụ thuộc loại cao nhất (quy tắc Shulz-Hardy) trong số các loại muối ít độc hại mà loài người biết

• Muối nhôm ít độc, sẵn có trên thị trường và khá rẻ

• Công nghệ keo tụ bằng phèn nhôm là công nghệ tương đối đơn giản, dễ kiểmsoát, phổ biến rộng rãi

Nhược điểm của phèn nhôm:

+ Làm giảm đáng kể độ pH, phải dùng NaOH để hiệu chỉnh lại độ pH dẫn đến chi phí sản xuất tăng

+ Khi quá liều lượng cần thiết thì hiện tượng keo tụ bị phá huỷ làm nước đục trở lại + Phải dùng thêm một số phụ gia trợ keo tụ và trợ lắng

+ Hàm lượng Al dư trong nước > so với khi dùng chất keo tụ khác và có thể lớn hơn tiêu chuẩn với (0,2mg/lit)

+ Khả năng loại bỏ các chất hữu cơ tan và ko tan cùng các kim loại nặng thường hạn chế

+ Ngoài ra, có thể làm tăng lượng SO42- trong nước thải sau xử lí là loại có độc tính đối với vi sinh vật

 Phèn sắt [Fe 2 (SO 4 ) 3 nH 2 O hoặc FeCl 3 nH 2 O (n = 1 – 6)]

Muối sắt chưa phổ biến ở Việt Nam nhưng rất phổ biến ở các nước công nghiệp Hoá học của muối sắt tương tự như muối nhôm nghĩa là khi thuỷ phân sẽ tạo axit, vì vậy cần đủ độ kiềm để giữ pH không đổi

Fe3+ + 3H2O = Fe(OH)3 + 3H+Phèn sắt (III) khi thuỷ phân ít bị ảnh hưởng của nhiệt độ Vùng pH tối ưu: 5 – 9 So sánh keo của phèn nhôm và phèn sắt được tạo thành cho thấy:

- Độ hoà tan của keo Fe(OH)3 trong nước nhỏ hơn Al(OH)3

- Tỉ trọng của Fe(OH)3 = 1,5 Al(OH)3 ( trọng lượng đơn vị của Al(OH)3 = 2,4 còn của Fe(OH)3 = 3,6 ) do vậy keo sắt tạo thành vẫn lắng được khi trong nước có ít chất huyền phù

Ưu điểm của phèn sắt so với phèn nhôm:

- Liều lượng phèn sắt(III) dùng để kết tủa chỉ bằng 1/3 – 1/2 liều lượng phèn nhôm

- Phèn sắt ít bị ảnh hưởng của nhiệt độ và giới hạn pH rộng

Nhược điểm của phèn sắt(III) là ăn mòn đường ống mạnh hơn phèn nhôm ( vì trong quá trình phản ứng tạo ra axit)

Ở nước ta, người ta vẫn quen dùng phèn nhôm Để khắc phục nhược điểm của mỗi loại

có thể dùng kết hợp cả phèn sắt và phèn nhôm tương ứng là 1: 1 hoặc 2 : 1 Kết tủa hỗn hợp thích hợp nhất vào mùa lạnh

Lưu ý: Trên thực tế, việc lựa chọn loại phèn, tính toán liều lượng phèn và liều lượng

chất kiềm hoá cần phải được xác định bằng thực nghiệm Các muối phèn đưa vào xử lý nước là dạng dung dịch

 Poly Aluminium Chloride: ( PAC)

Một trong những chất keo tụ thế hệ mới, tồn tại dưới dạng polime vô cơ là poli nhôm

clorua (polime aluminium chloride), thường viết tắt là PAC (hoặc PACl) Hiện nay, ở các nước tiên tiến, người ta đã sản xuất PAC với lượng lớn và sử dụng rộng rãi để thay thế phèn nhôm sunfat trong xử lý nước sinh hoạt và đặc biệt là xử lí nước thải

Tính chất: PAC có công thức tổng quát là [Al2(OH)nCl6.nxH2O]m (trong đó m <=10, n<= 5) PAC thương mại ở dạng bột thô màu vàng nhạt hoặc vàng đậm, dễ tan trong nước và kèm tỏa nhiệt, dung dịch trong suốt, có tác dụng khá mạnh về tính hút thấm

- PAC có nhiều ưu điểm so với phèn nhôm sunfat và các loại phèn vô cơ khác

- Hiệu quả keo tụ và lắng trong > 4-5 lần Tan trong nước tốt, nhanh hơn nhiều, ít làm biến động độ pH của nước nên ko phải dùng NaOH để xử lí và do đó ít ăn mòn thiết bị hơn

- Không làm đục nước khi dùng thừa hoặc thiếu

- Không cần (hoặc dùng rất ít) phụ gia trợ keo tụ và trợ lắng

- [Al] dư trong nước < so với khi dùng phèn nhôm sunfat

- Khả năng loại bỏ các chất hữu cơ tan và không tan cùng các kim loại nặng tốt hơn

- Không làm phát sinh hàm lượng SO42- trong nước thải sau xử lí là loại có độc tính đối với vi sinh vật

Cơ chế tác dụng của PAC:

Thông thường khi keo tụ chúng ta hay dùng muối clorua hoặc sunfat của Al(III) hoặc Fe(III) Khi đó, do phân li và thuỷ phân ta có các hạt trong nước: Al3+, Al(OH)2+, Al(OH) phân

tử và Al(OH)4-, ba hạt polime: Al2(OH)24+, Al3(OH)45+, Al13O4(OH)247+ và Al(OH)3rắn Trong

đó Al13O4(OH)247+ gọi tắt là Al13 là tác nhân gây keo tụ chính và tốt nhất

Với Fe(III) ta có các hạt: Fe3+, Fe(OH)2+, Fe(OH) phân tử và Fe(OH)4-, ba hạt polime:

Fe2(OH)24+, Fe3(OH)45+ và Fe(OH)3 rắn

Trong công nghệ xử lí nước thông thường, nhất là nước tự nhiên với pH xung quanh 7 quá trình thuỷ phân xảy ra rất nhanh, tính bằng micro giây, khi đó hạt Al3+ nhanh chóng chuyển thành các hạt polime rồi hydroxit nhôm trong thời gian nhỏ hơn giây mà không kịp thực hiện chức năng của chất keo tụ là trung hoà điện tích trái dấu của các hạt cặn lơ lửng cần xử lý để làm chúng keo tụ

Khi sử dụng PAC quá trình hoà tan sẽ tạo các hạt polime Al13, với điện tích vượt trội (7+), các hạt polime này trung hoà điện tích hạt keo và gây keo tụ rất mạnh, ngoài ra tốc độ thuỷ phân của chúng cũng chậm hơn Al3+ rất nhiều, điều này tăng thời gian tồn tại của chúng trong nước nghĩa là tăng khả năng tácdụng của chúng lên các hạt keo cần xử lí, giảm thiểu chi phí hoá chất Ngoài ra, vùng pH hoạt động của PAC cũng lớn gấp hơn 2 lần so với phèn, điều này làm cho việc keo tụ bằng PAC dễ áp dụng hơn Hơn nữa, do kích thước hạt polime lớn hơn nhiều so với Al3+ (cỡ 2 nm so với nhỏ hơn 0,1 nm) nên bông cặn hình thành cũng to và chắc

hơn, thuận lợi cho quá trình lắng tiếp theo

Phương pháp sử dụng:

+ Sản phẩm dạng lỏng có thể sử dụng trực tiếp hoặc loãng đi 10 lần rồi mới sử dụng, dạng đặc phải loãng đi thành ra dung dịch 5 – 10% mới sử dụng, như thế mới dung hòa đều, hiệu quả mới tốt

+ Dung dịch đã làm loãng tốt nhất phải sử dụng hết trong 4 – 8 giờ

+ Số lượng sử dụng phải căn cứ theo chất lượng và độ trong suốt của nước và thiết bị Làm sạch nước bình thường sử dụng dạng đặc là khoảng một phần mười ngàn ( 1kg nước sử dụng 0,01g)

Độ đục nước 30-100 100-250 250-400 400-1000 1000 - 5000 > 5000

Trên thực tế, việc lựa chọn các loại phèn, các hóa chất keo tụ, việc tính toán lượng đưa vào xử lý cần được xác định bằng thực nghiệm

Như vậy bản chất có 3 loại bông cặn sinh ra trong quá trình keo tụ :

Thứ nhất : là tổ hợp các hạt keo tự nhiên bị phá vỡ thế điện động ξ, vì điều kiện keo tụ các hạt keo tự nhiên khác nhau nên loại bông cặn này chiếm số ít

Thứ 2 : gồm các hạt keo mang điện tích trái dấu nên trung hòa về điện tích không có khả năng kết dính và hấp thụ trong quá trình lắng vì vậy số lượng cũng không đáng kể

Thứ 3 : được hình thành các hạt keo do thủy phân các chất keo tụ với các anion có trong nước nên bông cặn có hoạt tính bề mặt cao, có khả năng hấp thụ các chất bẩn có trong nước kho lắng tạo thành các bông cặn ngày càng lớn

1.2.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình keo tụ :

+/ PH : Nhìn vào phương trình keo tụ ta thấy sau khi keo tụ bằng phèn nhôm hay phèn sắt đều sinh ra ion H+ làm cho nồng độ ion H+ tăng lên, đồng thời làm cho PH của nước giảm, đẩy hê keo mới hình thành lệch khỏi điểm đẳng điện và làm giảm tốc độ phản ứng thủy phân

Vì vậy cần phải khử H+ để nâng PH lên Thông thường ta dùng vôi và sô đa

+/ Nhiệt độ : Khi nhiệt độ của nước tăng, sự chuyển động nhiệt của các hạt keo tăng lên làm tăng tần số va chạm và hiệu quả kết dính tăng lên ( Thực tế cho thấy khi nhiệt độ tăng lên thì lượng phèn, thời gian và cường độ khuấy trộn giảm xuống theo )

+/ Hàm lượng và tính chất của cặn cũng ảnh hưởng tới quá trình keo tụ : Khi hàm lượng cặn trong nước tăng lên, lượng phèn cần thiết trong nước cũng tăng lên nhưng hiệu quả lại phụ thuộc vào tính chất của cặn tự nhiên cũng như kích thước, diện tích và mức độ phân tán

Quá trình keo tụ của phèn nhôm và phèn sắt có thể biểu diễn bằng các phương trình :

Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 → 2Al(OH)3 + 3CaSO4 + 6CO2

Al2(SO4)3 + 3Ca(OH)2 → 2Al(OH)3 + 3CaSO4

2FeCl3 + 3Ca(HCO3)2 → 2Fe(OH)3 + 3CaCl2 + 6CO2

2FeCl3 + 3Ca(OH)2 → 2Fe(OH)3 + 3CaCl2

Nếu trong nước có độ màu cao : thì lượng phèn Al2(SO4)3 được tính theo công thức :

a = 4 M : độ màu tính theo thang màu platin coban

1.2.2 Khử sắt và mangan trong nước :

1.2.2.1 Khử sắt trong nước :

a Mục đích

Trong nước thiên nhiên, kể cả nước mặt và nước ngầm đều có chứa sắt Hàm lượng sắt

và dạng tồn tại của chúng tùy thuộc vào từng loại nguồn nước, điều kiện môi trường

Trong nước mặt, sắt tồn tại ở dạng hợp chất Fe3+, dạng keo hay huyền phù Hàm lượng này thường không lớn và sẽ được khử trong quá trình làm trong nước

Trong nước ngầm, sắt thường tồn tại ở dạng ion sắt hóa trị 2 trong thành phần của các muối hòa tan như bicacbonat, sunfat, clorua Hàm lượng sắt này thường cao và phân bố không đồng đều trong các lớp trầm tích dưới sâu

Khi trong nước có hàm lượng sắt cao, nước có mùi tanh và có nhiều cặn bẩn màu vàng, làm giảm chất lượng nước ăn uống sinh hoạt và sản xuất Vì vậy, khi trong nước có hàm lượng sắt lớn hơn giới hạn cho phép thì phải tiến hành khử sắt

b Quá trình khử sắt

Nguyên lý của phương pháp này là oxy hoá sắt (II) thành sắt (III) và tách chúng ra khỏi nước dưới dạng hyđroxyt sắt (III) Trong nước ngầm, sắt (II) bicacbonat là một muối không bền, nó dễ dàng thuỷ phân thành sắt (II) hyđroxyt theo phản ứng:

Fe(HCO3)2 + 2H2O → Fe(OH)2 + 2H2CO3Nếu trong nước có ôxy hoà tan, sắt (II) hyđrôxyt sẽ bị ôxy hoá thành sắt (III) hyđrôxyt theo phản ứng:

4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 → 4Fe(OH)3↓ Sắt (III) hyđrôxyt trong nước kết tủa thành bông cặn màu vàng và có thể tách ra khỏinước một cách dễ dàng nhờ quá trình lắng lọc Kết hợp các phản ứng tr ên ta có phản ứng chung của quá trình oxy hoá sắt như sau:

4Fe2+ + 8HCO3- + O2 + H2O → 4Fe(OH)3↓ + 8H+ + 8HCO

- Nước ngầm thường không chứa ôxy ho à tan hoặc có hàm lượng ôxy hoà tan rất thấp

Để tăng nồng độ ôxy hoà tan trong nước ngầm, biện pháp đ ơn giản nhất là làm thoáng Hiệu quả của bước làm thoáng được xác định theo nhu cầu ôxy cho quá trình khử sắt

* Khử sắt bằng phương pháp làm thoáng

Thực chất của phương pháp khử sắt bằng làm thoáng là làm giàu oxy cho nước, tạo điều kiện để Fe2+ oxy hóa thành Fe3+ thực hiện quá trình thủy phân để tạo thành hợp chất ít tan Fe(OH)3 rồi dùng bể lọc để giữ lại

3Fe2+ + KMnO4 + 7H2O → 3Fe(OH)3 ↓ + MnO2 + K+ + 5H+

Trong phản ứng, để oxy hóa 1 mg Fe2+ cần 0.64mg Cl2 hoặc 0.94mg KMnO4 và đồng thời độ kiềm của nước giảm đi 0.018meq/l

 Khử sắt bằng vôi:

Phương pháp khử sắt bằng vôi thường không đứng đôc lập, mà kết hợp với các quá trình làm ổn định nước hoặc làm mềm nước Phản ứng xảy ra theo 2 trường hợp

♦ Có oxy hòa tan

4Fe(HCO3)2 + O2 + 2H2O + 4Ca(OH)2 → 4Fe(OH)3 ↓ + 4Ca(HCO3)2

Sắt (III)hydroxyt được tạo thành, dễ dàng lắng lại trong bể lắng và giữ lại trong bể lọc

♦ Không có oxy hòa tan

Fe(HCO3)2 + Ca(OH)2 → Fe CO3 + CaCO3 + 2H2O

Sắt được khử đi dưới dạng FeCO3 chứ không phải hydroxyt sắt

* Các phương pháp khử sắt khác

- Khử sắt bằng trao đổi Cation

Cho nước đi qua lớp vật liệu lọc có khả năng trao đổi ion Các ion H+ và Na+ có trong thành phần của lớp vật liệu lọc, sẽ trao đổi với các ion Fe2+ có trong nước Kết quả Fe2+ được giữ lại trong lớp vật liệu lọc Lớp vật liệu lọc có khả năng trao đổi ion là Cation thường được

sử dụng cho nguồn nước có chứa Fe2+ ở dạng hòa tan

- Khử sắt bằng điện phân

- Khử sắt bằng phương pháp vi sinh vật

Một số loại vi sinh vật có khả năng oxi hóa sắt trong điều kiện mà quá trình oxy hóa học xảy ra rất khó khăn Người ta cấy các khuẩn sắt trong lớp cát lọc của bể lọc, thông qua các hoạt động của vi khuẩn, sắt được loại ra khỏi nước thường sử dụng thiết bị lọc chậm để khử sắt

c Các yếu tố ảnh hưởng

Tốc độ phản ứng của quá trình ôxy hoá và thuỷ phân Fe2+ thành Fe3+ tuỳ thuộc vào lượng oxy hoà tan trong nước tăng lên Để oxy hoá 1mg sắt (II) tiêu tốn 0,143mg oxy Thời gian oxy hoá và thuỷ phân sắt trên công trình phụ thuộc vào trị số pH của nước có thể lấy như sau:

Thời gian tối ưu của quá trình keo tụ

pH 6,0; 6,5; 6,6 ;6,7 ;6,8; 6,9; 7 ≥7,5

Thời gian tiếp xúc cần thiết trong bể lắng và bể lọc (thời gian lưu nước) (phút) 90 60 45

30 25 20 15 10 Thời gian tiếp xúc cần thiết (thời gian lưu nước) trong bể lọc tiếp xúc (bể lọc I)

và bể lọc trong (bể lọc đợt II) (phút) 60 45 35 25 20 15 12 5 Tốc độ lọc qua bể tiếp xúc có thể lấy 5 -20 m/h tuỳ thuộc vào thời gian lưu nước cần thiết và lượng cặn cần giữ lại sao cho qua

bể lọc đợt I hàm lượng cặn còn lại đi qua bể lọc trong (lọc đợt II) ≤ 15mg/l Tốc độ lọc qua bể lọc trong l ấy 3-9 m/h tuỳ thuộc vào chiều dày và cỡ hạt của lớp vật liệu lọc và thời gian lưu nước cần thiết

1.2.2.2 Phương pháp khử Mangan

a Cơ chế

– Mangan: tương tự như khử sắt nhưng khác ở phương trình:

2Mn(HCO3)2 + O2 + 2H2O → 2Mn(OH)4 + 4H+ + 4HCO3-

pH =8.5-9.5

b Các yếu tố ảnh hương tới quá trình khử mangan

Tương tự như khử sắt, tuy nhiên khử Mn khó hơn, cần sử dụng các chất xúc tác, thời gian khử Mn diễn ra chậm hơn

để khử trùng không làm thay đổi tính chất hóa học và lý học của nước

Tia cực tim tác dụng làm thay đổi DNA của tế bào vi khuẩn, tia cực tím có độ dài bước sóng 254nm có khả năng diệt khuẩn cao nhất

a3 Phương pháp siêu âm

Dòng siêu âm với cường độ tác dụng không nhỏ hơn 2W/cm2 trong khoảng thời gian trên 5 phút có khả năng tiêu diệt toàn bộ vi sinh vật trong nước

a 4 Phương pháp lọc

Đại bộ phận vi sinh vật có trong nước (trừ siêu vi trùng) có kích thước 1 – 2 µm Nếu đem lọc nước qua lớp lọc có kích thước khe rỗng nhỏ hơn 1 µm có thể loại trừ được đa số vi khuẩn Lớp lọc thường dùng là các tấm sành, tấm sứ có khe rỗng cực nhỏ Với phương pháp này, nước đem lọc phải có hàm lượng cặn nhỏ hơn 2mg/l

Khử trùng bằng các phương pháp vật lý, có ưu điểm cơ bản là không làm thay đổi tính chất lý hóa của nước, không gây nên tác dụng phụ Tuy nhiên do hiệu suất thấp nên thường chỉ

áp dụng ở quy mô nhỏ với các điều kiện kinh tế kỹ thuật cho phép

b Các phương pháp hóa học

Cơ sở của phương pháp hóa học là sử dụng các chất oxy hóa mạnh để oxy hóa men của

tế bào vi sinh và tiêu diệt chúng Các hóa chất thường dùng là: Clo, brom, iod, clo dioxit, axit hypoclorit và muối của nó, ozone, kali permanganate, hydro peroxit Do hiệu suất cao nên ngày nay khử trùng bằng hóa chất đang được áp dụng rộng rãi ở mọi qui mô

b1 Khử trùng nước bằng Clo và các hợp chất của nó

Clo là một chất oxy hóa mạnh, ở bất cứ dạng nào, nguyên chất hay hợp chất khi tác dụng với nước đều tạo ra phân tử axit hypoclorit HOCl có tác dụng khử trùng rất mạnh

Quá trình diệt vi sinh vật xảy ra qua 2 giai đoạn Đầu tiên chất khử trùng khuếch tán xuyên qua vỏ tế bào vi sinh, sau đó phản ứng với men bên trong tế bào và phá hoại quá trình trao đổi chất dẫn đến sự diệt vong của tế bào

Tốc độ của 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 của quá trình khử trùng tăng khi nồng độ của chất khử trùng và nhiệt độ nước tăng, đồng thời phụ thuộc vào dạng không phân ly của chất khử trùng, vì quá trình khuếch tán qua vỏ

tế bào xảy ra nhanh hơn quá trình phân ly

Tốc độ khử trùng bị châm đi rất nhiều khi trong nước có các chất hữu cơ, cặn lơ lững và các chất khử khác

Phản ứng đặc trưng là sự thủy phân của clo tạo ra axit hypoclorit và axit clohydric

Cl2 + H2O ↔ HOCl + HCl Hoặc ở dạng phương trình phân ly:

Cl2 + H2O ↔ 2H+ + OCl- + ClKhi sử dụng clorua vôi làm chất khử trùng, phản ứng sẽ là:

-Ca(OCl)2 + H2O ↔ CaO + 2HOCl 2HOCl ↔ 2H+ + 2OCl-

c Khử Amoni - Clo dư, Nitrat

Sau khi khử trùng nước, lượng clo có thể dư, mà clo là chất khí có tính độc tố cao, nên cần khử clo dư trong nước Tuy nhiên trong nước có amoni va không có amoni nên có thể xảy

ra các khả năng:

c1 Phương pháp khử ion Amoni

 Phương pháp Clo hóa nước đến điểm đột biến

Khi cho CLo vào nước, trong nước tạo ra axit hypoclorit

♦ Khử Clo dư trong nước sau khi lọc bằng Natrisunfit (Na2SO3)

Trong nước tồn tại ion Ca2+ và Mg2+ là nguyên nhân gây nước cứng Nước cứng có gây

ra một số tác hại cho hoạt động sống của con người nên cần phải làm mềm nước

Các phương pháp làm mềm nước :

Có nhiều phương pháp làm mềm nước, vì thế phải căn cứ vào mức độ làm mềm cần thiết (độ cứng cho phép còn lại của nước), chất lượng nước nguồn và các chỉ tiêu kinh tế khác

để chọn ra phương pháp làm mềm thích hợp nhất

b Để làm mềm nước, người ta dùng các phương pháp sau:

- Làm mềm nước bằng hóa chất: pha các hóa chất khác nhau vào nước để kết hợp với

ion Ca2+ và Mg2+ tạo thành các hợp chất không tan trong nước

- Phương pháp nhiệt: đun nóng hoặc chưng cất nước

- Phương pháp trao đổi ion: lọc nước cần làm mềm qua lớp lọc cationit có khả năng

trao đổi Na+ hoặc H+ có trong thành phần của hạt cationit với ion Ca2+ và Mg2+ hòa tan trong nước và giữ chúng lại trên bề mặt của các hạt lớp vật liệu lọc

- Phương pháp tổng hợp: là phương pháp phối hợp 2 trong 3 phương pháp trên

- Lọc qua màng bán thấm, thẩm thấu ngược (RO)

1.2.4.2 Quá trình làm mềm nước

a Phương pháp nhiệt

Cơ sở lý thuyết của phương pháp này là dùng nhiệt để bốc hơi khí cacbonic hòa tan trong nước Trạng thái cân bằng của các hợp chất cacbonic sẽ chuyển dịch theo phương trình phản ứng sau:

2HCO3- → CO32- + H2O + CO2

Ca2+ + CO32- → CaCO3 ↓

Nên Ca(HCO3)2 → CaCO3 ↓ + CO2 + H2O

Tuy nhiên, khi đun nóng nước chỉ khử được hết khí CO2 và giảm độ cứng cacbonat của nước, còn lượng CaCO3hòa tan vẫn còn tồn tại trong nước

Riêng đối với Mg, quá trình khử xảy ra qua hai bước Ở nhiệt độ thấp (đến 180C) ta có phản ứng:

Chọn phương án làm mềm nước bằng hóa chất cần phải dựa vào chất lượng nước nguồn

và mức độ làm mềm cần thiết Trong một vài trường hợp có thể kết hợp làm mềm nước với khử sắt, khử silic, khử photphat…

Ngoài ra trong mỗi trường hợp cụ thể phải dựa trên cơ sở so sánh kinh tế kỹ thuật giữa các phương pháp, đặc biệt là với phương pháp làm mềm bằng cationit

b1 Khử độ cứng cacbonat của nước bằng vôi

Khử độ cứng cacbonat của nước bằng vôi có thể áp dụng trong trường hợp ngoài yêu cầu giảm độ cứng cần phải giảm cả độ kiềm của nước

b2 Làm mềm nước bằng vôi và sođa (Na2CO3)

Làm mềm nước bằng vôi và sođa là phương pháp có hiệu quả đối với thành phần ion bất

kỳ của nước Khi cho vôi vào nước khử được độ cứng canxi và magiê ở mức tương đương với hàm lượng của ion hyđrôcacbonat trong nước

c Phương pháp trao đổi ion

Làm mềm nước bằng cationit dựa trên tính chất của một số chất không tan hoặc hầu như không tan trong nước – cationit, nhưng có khả năng trao đổi, khi ngâm trong nước, các chất này hấp thụ cation của muối hòa tan lên bề mặt hạt và nhả vào nước một số lượng tương đương cation đã được cấy lên bề mặt hạt từ trước

Khi nguồn nước thô ban đầu (nước cứng) đi qua vật liệu trao đổi ion, các ion Ca2+ sẽ

thay thế với ion Na+ trong vật liệu trao đổi Nước được làm mềm sẽ chứa ion Na+ thay cho ion

Ca2+ và có thể sử dụng được

Cơ chế :

Phương pháp này dựa trên nguyên tắc trao đổi ion giữa các ion có trong nước cứng với

ion Na+ hoặc H+ và Cl- của nhựa trao đổi ion Khi các nhựa trao đổi ion đã hết khả năng trao đổi, người ta phải "hoàn nguyên" tức là phục hồi lại các ion dương cho nó Đối với nhựa Na+ người ta dùng muối ăn NaCl, đối với nhựa H+ người ta dùng axit

Phương pháp được cho là hiện đại hiện nay được sử dụng không chỉ để loại bỏ các khoáng chất (gây ra và không gây ra độ cứng), các ion kim loại mà còn loại bỏ được 90% vi khuẩn có trong nước, đó là công nghệ dùng màng thẩm thấu RO Bằng cấu trúc màng hiện đại, màng RO sẽ cho ra nước thành phẩm đạt độ tinh khiết cao Tuy nhiên đây là một công nghệ khá tốn kém và phải đảm bảo yêu cầu nguồn nước được xử lý sơ bộ đạt tiêu chuẩn trước khi vào RO

1.2.4.3.Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình làm mềm nước

Để ổn định nước người ta sử dụng 2 phương pháp:

Làm mất tính hòa tan của nước

Làm mất tính lắng cặn của nước

1.2.5.2 Quá trình ổn định nước

Các hợp chất cacbonic có vai trò quyết định trong sự ổn định của nước thiên nhiên Chúng có thể tồn tại dưới dạng phân tử không phân ly của axit cacbonic, phân tử khí hòa tan,

dạng phân ly thành các ion hydrocacbonat và ion cacbonat Trong tổng thành phần ở dạng phân

tử không phân ly axit cacbonic hòa tan chỉ chiếm 0,2 %, còn lại 99,8% tồn tại dưới dạng khí

CO2 hòa tan Vì vậy nồng đô CO2 hòa tan trong nước là đặc trưng cho nồng độ của cả CO2 và

Trong đó : K1 và K2 Hệ số hoạt động của các ion H+ , HCO2, CO32- trong nước từ các

pt trên ta thấy tương quan hàm lượng giữa các hợp chất CO2, HCO3- và CO32- tại một nhiệt độ nhất định phụ thuộc vào nồng độ ion H+ nghĩa là phụ thuộc vào độ PH cuả nước tương quan này được biểu thì trên biểu đồ

Biểu đồ này cho thấy khi PH< 4 thì trong nước chỉ tồn tại CO2. Khi PH < 8,4 trong nước

có CO2 và HCO3- Khi PH ≥ 8,4 thì lương CO2 bị triệt tiêu Và trong nước song song tồn tại HCO3- và CO32- Khi PH > 12 thì trong nước chỉ còn ion CO32-

Sự ổn định của nước phụ thuộc vào trạng thái cân bằng giữa các hợp chất axit cacbonic theo phương trình :

Lượng CO2 tham gia phản ứng trên là lượng CO2 xâm thực Ngược lại nếu trong nước

có lượng CO2 hòa tan thấp hơn lương cân bằng thì một phần HCO3- sẽ bị phân hủy thành CO2

và CO22- Tương tự như vậy khi lương CO2 trong nước vượt quá lượng cân bằng, nó sẽ kết hợp với ion Ca2+ theo pư

Ca2+ + CO32- → CaCO3 ↓

Muối CaCO3 khó tan dễ bám cặn, lắng đọng trong các ống dẫn, làm giảm khả năng vận chuyển của đường ống

Nước có hàm lượng CO2 hòa tan đúng bằng lượng CO2 cân bằng thì nước có tính ổn định

TÍnh ổn định của nước được biểu thị bằng chỉ số bão hòa I

I = PH0 – PHs

Nếu PH0 < PHs thì nước có hàm lượng CO2 lớn hơn giá trị cân bằng ngược lại nếu

PH0> PHs thì hàm lượng CO2 có trong nước nhỏ hơn lượng CO2 cân bằng các giá trị khác nhau của I biểu thị các tính đặc trưng khác nhau của nước

Nếu I > 0 nước có tính lắng đọng CaCO3 I<0 nước có tính xâm thực CaCO3 Nếu I = 0 thì nước ổn định không xâm thực hay lắng đọng

1.2.5.3 Các yếu tố ảnh hưởng :

pH

Nhiệt độ

Điều kiện về thủy lực và các yếu tố khí hậu

1.2.6 Khử muối trong nước :

1.2.6.2 Quá trình khử muối trong nước

a Phương pháp trao đổi ion

Khử muối của nước bằng phương pháp trao đổi ion tức là lọc nước qua bể lọc H-cationit

và OH-anionit Khi lọc nước qua bể lọc H-Cationit, do kết quả trao đổi các cation của muối hòa tan trong nước với các ion H+ của hạt cationit, các muối hòa tan trong nước biến thành các axit tương ứng:

[An]OH + HCl → [An]Cl + 2H2O

2[An]OH + H2SO4 → [An] 2SO4 + 2H2O

b Phương pháp thẩm thấu ngược

Thực chất của phương pháp này là: lọc nước qua màng bán thấm đặc biệt bằng axetyl xenlulo Màng chỉ cho nước đi qua còn các ion của muối hòa tan trong nước được giữ lại Để lọc được nước qua màng này phải tạo ra một áp lực dư ngược với hướng di chuyển nước bằng

thẩm thấu, nghĩa là tạo ra áp lực dư trong nước nguồn cao hơn áp lực thẩm thấu của nước qua màng, để nước đã được lọc qua màng không trở lại dung dịch muối do quá trình thẩm thấu 1.2.6.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình khử muối :

pH

Nhiệt độ

Nồng độ của các loại Cation, Anion trong nước

1.3 Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa học :

1.3.1 Thành phần và tính chất của nước thải :

a Tổng hàm lượng cặn (TS)

- Tổng các loại cặn Hữu Cơ và Vô Cơ ở dạng lơ lửng và hòa tan (mg/l)

- Để xác định: Lấy một thể tích (V) nước thải đem sấy khô ở 1030C, sau đó đem cân và chia cho thể tích (V) ta được TS

+ Dạng tồn tại chủ yếu: Protein, Carbonhydrate, chất béo, …

Để xác định: Cân và đem sấy ở 550-6000C: VS (cặn bay hơi)

- Lấy 1 lít nước thải cho vào ống lắng có khắc độ, để lắng tĩnh 30’ Đo thể tích cặn lắng

ở phía đáy ống nghiệm, kết quả ml cặn lắng / lít nước thải (ml/l) hay ml cặn lắng / gam SS: Gọi

- Có kích thước rất nhỏ và lọt qua giấy lọc (40% HCơ + 60% VCơ)

- Vì vậy, khi thiết kế công trình xử lý nước thải là phải làm sao phát triển được các VSV hấp thụ cặn Hữu Cơ ở dạng hòa tan, keo, lơ lửng thành cặn ở dạng ổn định dễ lắng

• Ta có thể hình dung mô hình cặn như sau:

1.3.2 Phương pháp hoá học xử lý nước thải công nghiệp

1.3.2.1 Phương pháp trung hòa nước thải

Nước thải sản xuất của nhiều ngành công nghiệp có thể chứa axit hoặc kiềm Để ngăn ngừa hiện tượng xâm thực và để tránh cho quá trình sinh hóa ở các công trình làm sạch và nguồn nước không bị phá hoại, ta cần phải trung hòa nước thải Trung hòa còn nhằm mục

đích tách loại một số ion kim loại nặng ra khỏi nước thải Mặt khác muốn nước thải được xử lý tốt bằng phương pháp sinh học phải tiến hành trung hòa và điều chỉnh pH về 6.6 -7.6

Trung hòa bằng cách dùng các dung dịch axit hoặc muối axit, các dung dịch kiềm hoặc oxit kiềm để trung hòa dịch nước thải

Một số hóa chất dùng để trung hòa: CaCO3, CaO, Ca(OH)2, MgO, Mg(OH)2,

CaO0,6, MgO0,4 ,(Ca(OH)2)0,6 (Mg(OH)2)0,6,NaOH, Na2CO3 , H2SO4, HCl, HNO3,… Ngoài ra, có thể tận dụng nước thải có tính acid trung hòa nước thải có tính kiềm hoặc ngược lại Ví dụ như trong dây chuyền công nghệ sản xuất xi mạ, do có 2 công đoạn: làm sạch

bề mặt nguyên liệu cần mạ (đây là công đoạn tạo ra nước thải có tính kiềm mạnh) và công đọan tẩy rỉ kim loại (công đoạn này lại tạo ra nước thải có tính acid mạnh) Ta có thể tận dụng 2 loại nước thải này để trung hòa lẫn nhau

a Trung hoà bằng trộn nước thải chứa axit và nước thải chứa kiềm

Phương pháp này cho xử lý nước thải chứa axit hoặc chứa kiềm trong khu công nghiệp được tập trung lai để xử lý vì chế độ thải của các nhà máy không giống nhau Nước thải chứa axit thường được thải một cách điều hoà ngày đêm và có nồng độ nhất định Nước thải chứa kiềm lại thải theo chu kỳ, một hoặc hai lần trong một ca tuỳ thuộc vào chế độ công nghệ

b Trung hoà bằng cách cho thêm hoá chất vào nứơc thải

Phương pháp này dùng để trung hoà nước thải có chứa axit Người ta phân biệt ba loại nước thải có chứa axit như sau :

+ Nước thải chứa axit yếu (H2CO3, CH3COOH)

+ Nước thải chứa axit mạnh (HCl, HNO3), các muối canxi của chúng dễ tan trong nước

+ Nước thải chứa axit mạnh (H2SO4, H2CO3) các muối canxi của chúng khó tan trong nước

c Trung hoà nước thải chứa axit bằng cách lọc qua lớp vật liệu lọc trung hoà

Đối với nước thải chứa HCl, HNO3 và cả nước thải H2SO4 với hàm lượng dưới 5 mg/l

và không chứa muối kim loại nặng có thể dùng phương pháp lọc qua lớp vật liệu lọc là đá vôi magiezit, đá hoa cươn, đôlômit

1.3.2.2 Phương pháp oxi hóa khử

Quá trình oxy hóa khử cũng được sử dụng để xử lý các chất thải độc hại Hai bảng sau liệt kê các chất oxy hóa khử và các loại chất thải thường được áp dụng phương pháp

Xử lý chất thải bằng chất oxy hóa

Hypochlorite canxi Cyanide Permanganate kali Cyanide, chì, phenol, Diquat, Paraquat, hợp chất hữu

cơ có lưu huỳnh, Rotenone, formaldehyde

Hydrogen peroxide Phenol, cyanide, hợp chất lưu huỳnh, chì

Xử lý chất thải bằng chất khử

Chất thải Chất khử

Cr (6) SO 2 , muối sulfite (sodium bisulfite, sodium metabisulfite, sodium

hydrosulfite), sulfate sắt, bột sắt, bột nhôm, bột kẽm

Chất thải có chứa thủy ngân NaBH 4

1 Thẩm thấu ngược

Khái niệm

Thẩm thấu là sự di chuyển tự phát của dung môi từ một dung dịch loãng vào một dung dịch đậm đặc qua màng bán thấm ở tại một áp suất nhất định, sự cân bằng được thiết lập thì áp suất đó được gọi là áp suất thẩm thấu

Cơ chế

Người ta cho rằng nếu như chiều dày của lớp phân tử nước bị hấp phụ bằng hay lớn hơn nửa đường kính mao quản của màng thì dưới tác dụng của áp suất thì chỉ có nước sạch đi qua ; mặt dầu kích thứơt của nhiều ion nhỏ hơn kích thướt của phân tử nứơc Các màng hydrat cùa các ion này đã cản trở không cho chúng đi qua mao quản của màng Kích thướt lớp màng hydrat của các ion khác nhau sẽ khác nhau

Thiết bị

Để có thể thiết kế một thiết bị thẩm thấu ngược ta cần biết thành phần và số lượng nước thải, nhiệt độ và áp suất thẩm thấu

để khử các chất có khối lượng phân tử thấp và áp suất thẩm thấu cao

Khi sử dụng kết hợp thẩm thấu ngược và siêu lọc có thể làm đậm đặc và phân tách các chất hoà tan hữu cơ và vô cơ trong nước thải Sau quá trình siêu lọc nhận được phần đậm đặc chứa các chất hữu cơ, còn trong quá trình thẩm thấu ngược sẽ nhận được phần đậm đặc của chất vô cơ

1.3.2.4 Phương pháp khác

a Phương pháp xử lý nước thải bằng phương pháp tuyển nổi :

a 1 Giới thiệu chung

Phương pháp tuyển nổi thường được sử dụng để tách các tạp chất rắn không tan hoặc tan hoặc lỏng có tỉ trọng nhỏ hơn tỉ trọng của chất lỏng làm nền Nếu sự khác nhau về tỉ trọng đủ

để tách, gọi là tuyển nổi tự nhiên

Trong xử lý chất thải tuyển nổi thường được sử dụng đẻ khử các chất lơ lửng và nén bùn cặn

Ưu điểm của phương pháp này so với phương pháp lắng là có thể khử hoàn toàn các hạt nhỏ nhẹ, lắng chậm trongthời gian ngắn Khi các hạt đã nổi lên bề mặt, chúng có thể được thu gom bằng bộ phận vớt bọt

a2 Phân loại

 Tuyển nổi phân tán không khí bằng thiết bị cơ học

Các trạm tuyển nổi vói phân tán không khí bằng thiết bị cơ học (tuabin hướng trục) được

sử dụng rộng rãi trong lĩnh vực khai khoáng cũng như trong lĩnh vực xử lý nước thải

Các thiết bị kiểu này cho phép tạo bọt khí khá nhỏ

 Tuyển nổi phân tán không khí bằng máy bơm khí nén (qua các vòi phun, qua các tấm xốp)

Tuyển nổi phân tán không khí qua các vòi phun : Thường được sử dụng để xử lý nước thải chứa các tạp chất tan dễ ăn mòn vật liệu chế tạo các thiết bị cơ giới (bơm, tuabin) với các chi tiết chuyển động

Tuyển nổi phân tán không khí qua tấm xốp, chụp xốp

Tuyển nổi không khí qua tấm xốp, chụp hút có ưu điểm so với các biện pháp tuyển nổi khác , cấu tạo các ngăn tuyển nổi giống như cấu tạo của aeroten, ít tốn điện năng, không cần thiết bị cơ giới phức tạp, rất có lợi khi xử lý nước thải có tính xâm thực cao

Khuyết điểm của biện pháp tuyển nổi này là : các lỗ của các tấm xốp, chụp xốp chống bị tắt làm tăng tổn thất áp lực, khó chọn vật liệu xốp đáp ứng yêu cầu về kích thước các bọt khí

 Tuyển nổi với tách không khí từ nước (tuyển nổi chân không ; tuyển nổi không áp; tuyển nổi có áp hoặc bơm hỗn hợp khí nước)

Biện pháp này được sử dụng rộng rãi với nước thải chứa chất bẩn kích thướt nhỏ vì nó cho phép tạo bọt khí rất nhỏ Thực chất của biện pháp này là tạo ra một dung dịch (nước thải) bão hoà không khí Sau đó không khí tự tách ra khỏi dung dịch ở dạng các bọt khí cực nhỏ

Khí các bọt khí này nổi lên bề mặt sẽ kéo theo các chất bẩn

Tuyển nổi với tách không khí từ nước phân biệt thành : tuyển nổi chân không, tuyển nổi không áp, tuyển nồi có áp hoặc bơm hỗn hợp khí - nước

 Tuyển nổi điện, tuyển nổi sinh học và hoá học

Tuyển nổi điện

Khi dòng điện một chiều đi qua nước thải, ở một trong các điện cực (catot)sẽ tạo ra khí hydro Kết quả nước thải được bão hoà bởi các bọt khí và khi nổi lên kéo theo các chất bẩn không tan tạo thành váng bọt bề mặt Ngoài ra nếu trong nước thải chứa các chất bẩn khác là các chất điện phân thì khi dòng điện đi qua sẽ làm thay đổi thành phần hoá học và tính chất của nước, trạng thái các chất không tan do có các quá trình điện ly, phân cực, điện chuyển và oxy hoá khử xãy ra

Cường độ của các quá trình này phụ thuộc vào các yếu tố :

+ Thành phần hoá học nước thải

+ Vật liệu các điện cực (tan hoặc không tan)

+ Các thông số của dòng điện : điện thế, cường độ, điện trở suất

+ Tuyển nổi sinh học và hoá học

Dùng để cô đặc từ bể lắng dợt 1 Cặn từ bể lắng đợt 1 được tập trung vào một bể đặc biệt vào được đun nóng tới nhiệt độ 35 – 55oC trong vài ngày Do sinh vật phát triển làm lên

men chất bẩn tạo bọt khí nổi lên, kéo theo cặn cùng nổi lên bề mặt, sau đó gạt vớt lớp bọt

Kết quả cặn giảm được độ ẩm tới 80 %

b Phương pháp hấp thụ

Phương pháp này được dùng để loại bỏ hết các chất bẩn hoà tan vào nước mà phương pháp xử lý sinh học và các phương pháp khác không loại bỏ được với hàm lượng rất nhỏ Thông thường đây là các hợp chất hoà tan có độc tính cao hoặc có mùi vị và màu khó chịu

Hiện tượng tăng nồng độ chất tan trên bề mặt phân chia giữa hai pha gọi là hiện tượng hấp phụ Hấp phụ có thể diễn ra ở bề mặt biên giới giữa hai pha lỏng và khí, giữa pha lỏng và pha rắn

 Cơ sở quá trình hấp phụ

Hấp phụ chất bẩn hoà tan là kết quả của sự di chuyển phân tử của những chất đó từ nước vào bề mặt chất hấp phụ dưới tác dụng của trường lực bề mặt Trường lực bề mặt gồm có hai dạng :

- Hyđrat hoá các phân tử chất ta, tức kà tác dụng tương hỗ giữa các phân tử chất rắn hoà tan với những phân tử nước

- Tác dụng tương hỗ giữa các phân tử chất bẩn bị hấp phụ với các phân tử trên bề mặtchất rắn

Khi xử lý nước thải bằng phương pháp hấp phụ thì đầu tiên sẽ loại được các phân tử của các chất không phân ly thành ion rồi sau đó mới loại được các chất phân ly

Khả năng hấp phụ chất bẩn trong nước thải phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ Nhiệt độ thấp quá trình hấp phụ xãy ra mạnh nhưng nếu quá cao thì có thể diễn ra quá trình khứ hấp phụ

Chính vì vậy người ta dùng nhiệt độ để phụ hồi khả năng hấp phụ của các hạt rắn khi cần thiết

 Chất hấp phụ

Những chất hấp phụ có thể là : than hoạt tính, silicagel, nhựa tổng hợp có khả năng trao đổi ion, cacbon sunfua, than nâu, than bùn, than cốc, đôlômit, cao lanh, tro và các dung dịch hấp phụ lỏng Bông cặn của những chất keo tụ (hydroxit của kim loại) và bùn hoạt tính từ bể aeroten cũng có khả năng hấp phụ

 Phân loại hấp phụ

Người ta phân biệt hai kiểu hấp phụ : hấp phụ trong điều kiện tĩnh và hấp phụ trong điều kiện động

- Hấp phụ trong điều kiện tĩnh: Là không cho sự chuyển dịch tương đối của phân tử

nước so với phân tử chất hấp phụ mà chúng cùng chuyển động với nhau

- Hấp phụ trong điều kiện động: Là sự chuyển động tương đối của phân tử nước so với

phân tử chất hấp phụ Hấp phụ trong điều kiện động là một quá trình diễn ra khi cho nước thải lọc qua lớp vật liệu lọc hấp phụ.Thiết bị để thực hiện quá trình đó gọi là thùng lọc hấp phụ hay

Hiệu suất xử lý nước thải tuỳ thuộc vào khả năng phân bố của chất bẩn trong dung môi, giá trị của hệ số phân bố hay khả năng trích ly của dung môi

c 2 Kỹ thuật trích ly

Kỹ thuật trích ly có thể tiến hành như sau : cho dung môi vào trong nước thải và trộn đều cho tới khi đạt trạng thái cân bằng Tiếp đó cho qua bể lắng Do sự chênh lệch về trọng lượng riêng nên hỗn hợp sẽ phân ra hai lớp và dễ tách biệt chúng ra bằng phương pháp cơ học

Nếu trích ly một lần mà không đạt yêu cầu tách chất bẩn ra khỏi nước thải thì phải trích

ly nhiều lần Nếu dung môi có tỉ trọng bé hơn tỉ trọng nước thải thì dẫn nước thải từ trên xuống

và dung môi từ dưới lên Ngược lại nếu dung môi có tỉ trọng lớn hơn tỉ trọng nước thải thì cho nước chuyển động từ dưới lên, dung môi từ trên xuống

c3 Phân loại

+ Tháp trích ly với vòng tiếp xúc (vòng đệm)

Tháp trích ly với vòng đệm được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và cho hiệu suất cao Biện pháp này dùng để khử phenol bằng benzen hoặc dầu than đá hay bằng butylaxetat hoặc bằng ete đisopropyl

Dung môi dẫn vào tháp qua các vòi phun Chiều cao tháp thương lấy bằng 6m

+ Tháp trích ly kiểu vòi phun tia.

Đối với vòi phun, mức độ phân tán dung môi nhờ các vòi phun là yếu tố quyết định.Nếu chọn đúng loại vòi phun, kích thướt và điều kiện công tác của nó có thể đạt được mức độ phân tán cao

+ Tháp trích ly với đĩa roto quay

Tháp trích ly với đĩa rôto là một tháp trụ, theo chiều cao chia thành nhiều ngăn bằng các vách có thể trích ly được các chất bẩn dạng nhũ tương trong nước thải Hiệu suất và khả năng vận chuyển cũa thiết bị trích ly này tuỳ thuộc vào kích thước bên trong : đường kính tháp, đường kính đĩa, đường kính các vòng stato và chiều cao mỗi ngăn

+ Tháp trích ly kiểu rung

Tháp trích ly kiểu rung tạo ra trong tháp các pha nước – dung môi được phân tán và khuấy trộn nhờ chuyển động thẳng, vòng dọc theo trục tháp

+ Tháp trích ly kiều lắng – trộn

Tháp trích ly kiểu lắng trộn được dùng với lưu lượng lớn và số bậc khá cao Theo cấu tạo, có thể là loại đứnghoặc loại ngang

d Xử lý nước thải bằng phương pháp trao đổi

Phương pháp trao đổi ion được ứng dụng để xử lý nứơc thải khỏi các kim loại như Zn,

Cu, Ni, Pb, Hg, Cd, Mn,… cũng như các hợp chất của Asen, Photpho, Xyanua và chất phóng

xạ

Phương pháp này cho phép thu hồi các kim loại có giá trị và đạt được mức độ xử lý cao

Vì vậy nó là phương pháp để ứng dụng rộng rãi để tách muối trong xử lý nước cấp và nứơc thải

d1 Một số khái niệm về quá trình trao đổi ion

Trao đổi ion là một quá trình trong đó các ion trên bề mặt của chất rắn trao đồi ion với ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau Các chất này gọi là các ionit (chất trao đổi ion), chúng hoàn toàn không tan trong nước

Các chất có khả năng hút các ion dương từ dung dịch điện ly gọi là các cationit Những chất này mang tính axit Những chất có khả năng hút các ion âm gọi là anionit và chúng mang tính kiềm Nếu như các ion nào đó trao đổi cả cation và anion thì người ta gọi chúng là các ionit lưỡng tính

b2 Các chất trao đổi ion

Các chất trao đổi tion có thể là các chất vô vơ hay hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên hay tổng hợp nhan tạo Nhóm các chất trao đổi ion vô cơ tự nhiên gồm có các zeolit, kim loại khoáng chất, đất sét, fenspat, chất mica khác nhau,…

+ Các chất chứa nhôm silicat loại : Na20.Al2O3.nSiO2.mH2O

+ Các chất florua apatit [Ca5(PO4)3]F và hydroxyt apatit [Ca5(PO4)3]OH

+ Các chất có nguồn gốc từ các chất vô cơ tổng hợp gồm silicagel, permutit (chất làm mềm nước) ,

+ Các chất trao đổi ion hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên gồm axut humic của đất (chất mùn) và than đá, chúng mang tính axit yếu

+ Các chất trao đổi ion hữu cơ tổng hợp là các nhựa có bề mặt riêng lớn, chúng là

những hợp chất cao phân tử Ví dụ, các chất trao đổi cation sunfua RSO3H, trong đó

H – ion trái dấu và SO3 – ion nhận điện tử ; hoặc cation cacboxylic : R-COOH ;

cation phenolic : R-OH ; cation photpho : R – PO3 - H

d3 Cơ sở quá trình trao đổi ion

Cơ chế trao đổi ion có thể gồm những giai đoạn sau :

+ Di chuyển ion A từ nhân của dòng chất thải lỏng tới bề mặt của lớp biên giới màng chất lỏng bao quanh hạt trao đổi ion

+ Khuếch tán lớp ion qua lớp biên giới

+ Chuyển ion đã qua biên giới phân pha và hạt nhựa trao đổi

+ Khuếch tán ion A bên trong hạt nhựa trao đổi tới các nhóm chức năng trao đổi ion + Phản ứng hoá học trao đổi ion A và B

+ Khuếch tán ion B bên trong hạt trao đổi ion tới biên giới phân pha

+ Chuyển các ion B qua biên giới phân pha ở bề mặt trong của màng chất lỏng

+ Khuếch tán các ion B qua màng

+ Khuếch tán các ion B vào nhân dòng chất lỏng

Chương 2: VI SINH VẬT TRONG NƯỚC 2.1 Cấu tạo, hình thái, thành phần hóa học của tế bào vi sinh vật

2.1.1 Cấu tạo, hình thái của vi sinh vật

2.1.1.1 Cấu tạo vi sinh vật

Vi sinh vật học là môn khoa học nghiên cứu về các vi sinh vật vô cùng nhỏ bé đến mức chỉ có thể thấy được chúng dưới kính hiển vi quang học hay kính hiển vi điện tử, không thể trông thấy bằng mắt thường Vi sinh vật là sinh vật vô cùng nhỏ bé mà mắt thường không thể nhìn thấy được

Vi sinh vật bao gồm nhiều nhóm khác nhau: Các virus (nhóm chưa có cấu tạo tế bào), các vi khuẩn và vi khuẩn lam (nhóm sinh vật nhân sơ), các vi nấm (nhóm sinh vật nhân chuẩn)

và cả một số động vật nguyên sinh cũng như tảo đơn bào cũng thuộc nhóm này

Vi khuẩn là những vi sinh vật (VSV) đơn bào, không có màng nhân, gồm 3 phần chính sau:

- Màng tế bào (thành tế bào)

- Nguyên sinh chất tế bào (bào tương)

- Nhân tế bào (hạch vi khuẩn)

Chúng có cấu trúc hoạt động đơn giản hơn nhiều so với tế bào màng nhân Kích thước của vi khuẩn được tính theo đơn vị μ m

a Màng tế bào

Màng tế bào vi khuẩn rất mỏng (≈ 100 - 200 A0), trong suốt, không màu, có tính chất đàn hồi và có độ bền rất lớn, nó có thể chịu được áp suất cao Đối với các vi khuẩn chuyển động được, màng tế bào sẽ uốn theo cơ thể một cách nhịp nhàng Màng tế bào chất gồm có hai hoặc nhiều lớp với cấu trúc sợi 2 - 5 lớp rất mỏng 10 - 20 nm, chiếm 15 - 30% trọng lượng khô của tế bào

Thành phần hóa học của màng tế bào của vi khuẩn cũng tương tự như ở các sinh vật khác Chúng cấu tạo bởi 2 lớp phospholipit (PL), chiếm 30 - 40% khối lượng của màng, và các protein (nằm trong, ngoài hay xen giữa màng), chiếm 60 - 70% khối lượng của màng Đầu phosphas của PL tích điện, phân cực, ưa nước; đuôi hydrocarbon không tích điện, không phân cực, kỵ nước

Màng tế bào chất có các chức năng chủ yếu sau đây:

- Bảo vệ tế bào, do có tính đàn hồi và độ bền lớn

- Thực hiện việc tích điện ở bề mặt tế bào

- Khống chế sự qua lại của một số chất có phân tử lớn, các sản phẩm trao đổi chất

- Duy trì hình thái tế bào và áp suất thẩm thấu bên trong tế bào

- Là nơi hỗ trợ quá trình sinh tổng hợp các thành phần của tế bào và các polyme của bao nhầy

- Là nơi tiến hành quá trình phosphoryl oxy hoá và quá trình phosphoryl quang hợp (ở vi khuẩn quang tự dưỡng)

- Là nơi tổng hợp nhiều enzym, các protein của chuỗi hô hấp

- Cung cấp năng lượng cho sự chuyển động của tiên mao

Dựa vào tính chất hoá học của màng tế bào và tính chất bắt màu của nó, người ta chia ra làm 2 loại Gram (+) và Gram (-)

Vi khuẩn Gram (+) có vách tế bào dày hơn, khoảng 14 - 18nm, trọng lượng có thể chiếm

từ 10 - 20% trọng lượng khô của vi khuẩn Vi khuẩn Gram (-) có vách tế bào mỏng hơn, khoảng 10nm (1nm = 10-3μm = 10-6 mm = 10-9m) Các vi khuẩn Gram (-) có tính thấm màng ngoài nguyên vẹn, còn vi khuẩn Gram (+) thì không

Phương pháp nhuộm Gram được sử dụng rộng rãi khi định loại vi sinh vật Thành phần hoá học của 2 nhóm này khác nhau chủ yếu như sau:

Bảng 22 Thành phần hoá học của 2 nhóm (gram dương, gram âm) chủ yếu

b Nguyên sinh chất tế bào (bào tương)

Nguyên sinh chất là một khối keo bán lỏng, có độ dày từ 7,5 - 10nm, nó là nền sống của

tế bào, bao gồm photpholipit và protein và protein sắp xếp thành 3 lớp: lớp giữa là photpholipit bao gồm hai lớp phân mồi phân tử gồm 1 đầu chứa gốc photphat háo nước và một đầu chứa hydratcacbon, đầu háo nước của hai lớp phân tử photpholipit quay ra ngoài, ở đây chứa các men vận chuyển Pecmeaza Hai lớp ngoài và trong và Protein

Nguyên sinh chất có ý nghĩa quan trọng đối với đời sống của vi khuẩn, nó có đầy đủ tính chất của vật chất sống và lại có khả năng không ngừng đổi mới cấu trúc của mình Qua việc đồng hóa các chất dinh dưỡng, nguyên sinh chất của tế bào có ảnh hưởng đến thành phần và tính chất của môi trường xung quanh, đồng thời chính nó lại chịu ảnh hưởng của các yếu tố môi trường Bằng các phản ứng hóa học phức tạp, trong nguyên sinh chất tế bào xảy ra các quá trình tổng hợp các chất phức tạp (protein, gluxit, lipit, ) từ các chất đơn giản, đồng thời phân giải các chất phức tạp thành hàng loạt các chất đơn giản hơn

Nguyên sinh chất tế bào gồm có 4 phần:

- Màng nguyên sinh chất: Nằm sát màng tế bào có chức năng vận chuyển vật chất qua

màng thông qua thẩm thấu chọn lọc; trao đổi thông tin qua màng; phân hóa màng tế bào (xảy ra quá trình sinh tổng hợp một số thành phần của tế bào và tham gia vào quá trình hô hấp)

- Nguyên sinh chất (cơ chất bào tương): Là hệ keo sống của tế bào, nằm bên trong của tế

bào Nó có khả năng không ngừng đổi mới cấu tạo của nó, chuyển hóa thức ăn thành những chất phức tạp và đặc trưng của cơ thể sống

- Các thể vùi (những kho vật tư của tế bào): Tồn tại một số hạt dự trữ Người ta chia các

thể vùi làm bốn loại: Thể vùi axít nucleic (hạt vô lutin), thể vùi lipoit (giọt mỡ); thể vùi gluxit; thể vùi vô cơ

- Các bào quan (các cơ quan tử của bào tương): Để hoàn thành các chức năng nhất định,

bao gồm:

+ Riboxom: Được ví như các xí nghiệp siêu vi mô sản xuất protít, là nơi tổng hợp

protein của tế bào chất, chứa chủ yếu là ARN và protein Ngoài ra có chứa một ít lipit, và một

số chất khoáng Ribosom nằm tự do trong tế bào chất và chiếm tới 70% trọng lượng khô của tế bào chất Mỗi tế bào vi khuẩn có trên 1000 riboxom, trong thời kỳ phát triển mạnh của nó, số lượng riboxom tăng lên Không phải tất cả các riboxom đều ở trạng thái hoạt động Chỉ khoảng

5 - 10% riboxom tham gia vào quá trình tổng hợp protein Chúng liên kết nhau thành một chuỗi gọi là polyxom nhờ sợi ARN thông tin

Trong quá trình tổng hợp protein, các riboxom trượt dọc theo sợi ARN thông tin như kiểu đọc thông tin Qua mỗi bước đọc, một axit amin lại được gắn thêm vào chuỗi polypeptit

+ Meroxom: Được coi như là trung tâm tổng hợp có dạng tiểu thể hình cầu Trong một

tế bào chỉ có dung nhất một mezoxom Mezoxom chỉ xuất hiện khi tế bào phân chia, nó có vai trò quan trọng trong việc phân chia tế bào và hình thành vách ngăn ngang Ở nhiều loài vi khuẩn, Mezoxom là một thành phần của màng tế bào chất phát triển ăn sâu vào tế bào chất

+ Không bào: Là phức hợp của lipít và protít Bên trong không bào chứa đầy một dịch

thể gồm nước và nhiều loại chất hòa tan Không bào có chức năng điều hoà áp suất thẩm thấu của tế bào

+ Sắc thể: Giữ ánh sáng và chuyển hóa thành hóa năng trong các hợp chất hữu cơ để sử

dụng

c Nhân tế bào

Là một bào quan đặc biệt và quan trọng với chức năng bao trùm lên mọi hoạt động của

tế bào; là phần vật chất dạng keo nằm bên trong màng sinh chất, chứa tới 80% là nước

* Qua các công trình nghiên cứu, người ta có thể kết luận về tính chất của nhân vi khuẩn như sau:

- Nhân vi khuẩn chứa ADN (nghĩa là có cùng thành phần như nhân tế bào động vật, thực vật, kể cả con người), ADN có cấu trúc sợi kép nhưng hai đầu ghép lại thành vòng kín

- ADN không phân tán đều trong nguyên sinh chất mà được tập trung lại thành một thể giống nhân

- Nhân vi khuẩn không có màng nhân và nhân con, nó tiếp xúc trực tiếp với bào tương (đó là điểm khác so với nhân thông thường của tế bào sinh vật tiến triển hơn)

- Nhân vi khuẩn hoàn thành chức năng giống như những chức năng của tế bào sinh vật bậc cao: nghĩa là nó điều khiển quá trình sinh tổng hợp protein của tế bào, trong đó có cả quá trình sinh tổng hợp enzym và di truyền tính chất của tế bào mẹ cho con cái

- Nhân vi khuẩn trong quá trình tế bào phân cắt cũng được phân cắt ngay trước lúc tế bào phân cắt

- Số lượng nhân trong tế bào vi khuẩn khác nhau thì khác nhau: ở cầu khuẩn một nhân, ở trực khuẩn thì có nhiều nhân hơn

Như vậy tế bào vi khuẩn bao giờ cũng có nhân, nhưng nhân không có màng nhân, không

có nhiễm sắc thể và thành phần chính là AND có cấu trúc vòng

* Dựa vào hình thái bên ngoài có thể chia vi khuẩn thành 5 loại khác nhau: Cầu khuẩn,

trực khuẩn, cầu trực khuẩn, xoắn khuẩn và phẩy khuẩn

- Cầu khuẩn: Là những vi khuẩn có hình tròn hoặc hình cầu và là loài có hình dáng đơn giản nhất, tuy nhiên có thể là hình bầu dục Kích thước của cầu khuẩn thay đổi khoảng từ 0,5

÷1,0 μm

- Trực khuẩn: Là những vi khuẩn có hình que, hình gậy, đầu tròn hay đầu vuông Kích thước của trực khuẩn khoảng từ 0,25 ÷ 0,3 × 0,4 ÷ 1,5 μm Ví dụ vi khuẩn tụ huyết trùng, vi khuẩn dịch hạch

- Cầu trực khuẩn: Là loại vi khuẩn trung gian giữa cầu khuẩn và trực khuẩn, có hình bầu dục, hình trứng, có kích thước khoảng 0,5 ÷1,0 × 1,0 ÷ 5,0μm

- Xoắn khuẩn: Kích thước của xoắn khuẩn thay đổi trong khoảng từ 0,5 ÷ 3,0 × 5,0 ÷ 40,0 μm Là những vi khuẩn có hình sợi lượn sóng, gồm các vi khuẩn có từ 2 vòng xoắn trở lên, di động được nhờ một hay nhiều tiên mao (lông roi) mọc ở đỉnh Tất cả chỉ có một giống,

đa số sống hoại sinh

- Phẩy khuẩn: Là những vi khuẩn có hình que uốn cong, có hình giống như dấu phẩy, hình lưỡi liềm Phần lớn phẩy khuẩn sống hoại sinh, điển hình là vi khuẩn thổ tả

Bảng 23 Thành phần các nguyên tố chủ yếu của tế bào vi khuẩn E.Coli

2.1.1.2 Hình thái vi sinh vật

Giữa các nhóm trên không có mối liên hệ chặt chẽ về mặt hình thái hay phân loại, nhưng người ta gộp chúng lại vì chúng cùng có một số phương pháp nuôi dưỡng, nghiên cứu và hoạt động sinh lý gần giống nhau và đều có các đặc điểm chung

a Đặc tính hình thái

Bao gồm hình dáng, kích thước tế bào, khả năng di động, sự bố trí tiên mao, khả năng hình thành bào tử, sự nhuộm màu gram, hình thức sinh sản, quy luật biến hóa hình thái trong quá trình phát triển cá thể

b Đặc tính nuôi cấy

Tế bào vi khuẩn khi phát triển trên môi trường đặc có kích thước, hình dạng, màu sắc, tính chất vật lý, đặc điểm bề mặt, rìa mép xung quanh khuẩn lạc, xếp loại khuẩn lạc S, R, M, G,

Tế bào vi khuẩn khi phát triển trên môi trường lỏng có các tính chất như: làm đục môi trường, phát triển trên bề mặt, lơ lửng trong môi trường hay ở đáy bình nuôi cấy

c Đặc tính sinh lý

Tác dụng với nguồn thức ăn cacbon tự dưỡng hay dị dưỡng, sử dụng những nguồn gluxit nào, phát triển được trên nguồn nitơ vô cơ hay nitơ hữu cơ

* Vi sinh vật tự dưỡng: Gồm các vi sinh vật có khả năng tiết ra enzym làm xúc tác cho

phản ứng tổng hợp cacbon từ CO2 thành ra một chất hữu cơ phức tạp đáp ứng được nhu cầu của

tế bào Gồm một số vi sinh vật quan trọng trong nông nghiệp, công nghiệp

* Vi sinh vật dị dưỡng: Nhóm này không có khả năng tổng hợp các chất hữu cơ từ

nguyên tử cacbon Nhóm này chiếm đa số trong vi sinh vật Cách dinh dưỡng này giống như ở động vật Thuộc loại này gồm có 2 loại:

- Dị dưỡng quang năng: Nguồn cacbon là chất hữu cơ, nguồn năng lượng là ánh sáng, ví

dụ ở vi khuẩn không lưu huỳnh màu tía Chúng sử dụng các hợp chất lưu huỳnh làm nguồn cung cấp electron trong các phản ứng tạo thành ATP (Ađênôsin tri photphat) của cơ thể Vi sinh vật thuộc nhóm này có sắc tố quang hợp, nên chúng có khả năng hấp thu năng lượng mặt trời, chuyển hoá thành năng lượng hoá học tích luỹ trong phân tử ATP

- Dị dưỡng hoá năng: Nguồn cacbon là chất hữu cơ, nguồn năng lượng là từ sự chuyển

hoá trao đổi chất của chất nguyên sinh của một cơ thể khác, đó là những vi sinh vật hoại sinh,

vi sinh vật ký sinh Ví dụ ở động vật nguyên sinh, nấm, một số vi khuẩn

Với vi sinh vật dị dưỡng nguồn thức ăn cacbon làm cả hai chức năng: nguồn dinh dưỡng

và nguồn năng lượng

Một số vi khuẩn dị dưỡng, nhất là các vi khuẩn gây bệnh sống trong máu, trong các tổ chức hoặc trong ruột của người và động vật muốn sinh trưởng được ngoài nguồn cacbon hữu

cơ còn cần phải được cung cấp một lượng nhỏ CO2 thì mới phát triển được

Đặc điểm chung của vi sinh vật

 Kích thước nhỏ bé

Các Vi sinh vật có kích thước rất bé, đo bằng đơn vị nanomét (1nm = 10-9 m) như các vi rút hoặc micromet (1μm = 10-6 m) như các vi khuẩn, vi nấm Chẳng hạn:

- Các vi khuẩn có kích thước thay đổi trong khoảng (0,2 - 2) x (2,0 - 8,0) μm; trong đó

vi khuẩn Escherichia coli rất nhỏ: 0,5 x 2,0μm

- Các tế bào nấm men Saccharomyces cerevisiae có đường kính 5 - 10μm

Kích thước càng bé thì diện tích bề mặt của vi sinh vật trong 1 đơn vị thể tích càng lớn Hấp thu nhiều, chuyển hóa nhanh

Tuy vi sinh vật có kích thước rất nhỏ bé nhưng chúng lại có năng lực hấp thu và chuyển

hoá vượt xa các sinh vật khác Chẳng hạn 1 vi khuẩn lắctic (Lactobacillus) trong 1 giờ có thể

phân giải được một lượng đường lactose lớn hơn 100 - 10 000 lần so với khối lượng của chúng, tốc độ tổng hợp protein của nấm men cao gấp 1000 lần so với đậu tương và gấp 100 000 lần so với trâu bò

Năng lực chuyển hóa sinh hóa mạnh mẽ của VSV dẫn đến các tác dụng vô cùng to lớn của chúng trong thiên nhiên cũng như trong hoạt động sống của con người

 Khả năng sinh sản nhanh

Thời gian thế hệ của nấm men dài hơn, ví dụ với men rượu (Saccharomyces cerevisiae)

là 120 phút Với nhiều vi sinh vật khác còn dài hơn nữa, ví dụ với tảo tiểu cầu (Chlorella ) là 7 giờ, với vi khuẩn lam Nostoc là 23 giờ, Có thể nói không có sinh vật nào có tốc độ sinh sôi

nảy nở nhanh như vi sinh vật

Đây là đặc điểm quan trọng được con người lợi dụng để sản xuất nhiều sản phẩm hữu ích như rượu, bia, tương chao, mỳ chính, các chất kháng sinh

 Năng lực thích ứng mạnh và dễ phát sinh biến dị

Năng lực thích ứng của vi sinh vật vượt rất xa so với động vật và thực vật Trong quá trình tiến hoá lâu dài vi sinh vật đã tạo cho mình những cơ chế điều hoà trao đổi chất để thích ứng được với những điều kiện sống rất bất lợi Người ta nhận thấy số lượng enzim thích ứng chiếm tới 10% lượng chứa protein trong tế bào vi sinh vật

Phần lớn vi sinh vật có thể giữ nguyên sức sống ở nhiệt độ của nitơ lỏng (-196oC), thậm chí ở nhiệt độ của hydro lỏng (- 253oC) Một số vi sinh vật có thể sinh trưởng ở nhiệt độ 250oC, lạnh đến 0-5oC, mặn với nồng độ 32% NaCl (muối ăn), ngọt đến nồng độ mật ong, pH thấp đến 0,5 (vi khuẩn Thiobacillus thioxydans) hoặc cao đến 10,7 (vi khuẩn Thiobacillus denitrificans),

áp suất cao đến trên 1103 atm

Ở nơi sâu nhất trong đại dương (11034 m) nơi có áp lực tới 1103,4 atm vẫn thấy có vi sinh vật sinh sống Nhiều vi sinh vật thích nghi với điều kiện sống hoàn toàn thiếu oxy (vi sinh vật kị khí bắt buộc - Obligate anaerobes)

Vi sinh vật đa số là đơn bào, đơn bội, sinh sản nhanh, số lượng nhiều, tiếp xúc trực tiếp với môi trường sống do đó rất dễ dàng phát sinh biến dị Tần số biến dị thường ở mức 10-5-

10-10 Chỉ sau một thời gian ngắn đã có thể tạo ra một số lượng rất lớn các cá thể biến dị ở các thế hệ sau Những biến dị có ích sẽ đưa lại hiệu quả rất lớn trong sản xuất

 Phân bố rộng, chủng loại nhiều

Vi sinh vật phân bố ở khắp mọi nơi trên trái đất Chúng có mặt trên cơ thể người, động vật, thực vật, trong đất, trong nước, trong không khí, trên mọi đồ dùng, vật liệu, từ biển khơi đến núi cao, từ nước ngọt, nước ngầm cho đến nước biển

Vi sinh vật tham gia tích cực vào việc thực hiện các vòng tuần hoàn sinh - địa - hoá học (biogeochemical cycles) như vòng tuần hoàn Cacbon, vòng tuần hoàn Nitơ, vòng tuần hoàn Photpho, vòng tuần hoàn Lưu huỳnh,

Trong đường ruột của người thường có không dưới 100 - 400 loài sinh vật khác nhau, chúng chiếm tới 1/3 khối lượng khô của phân Chiếm số lượng cao nhất trong đường ruột của người là vi khuẩn Bacteroides fragilis, chúng đạt tới số lượng 1010 - 1011/g phân (gấp 100 -

1000 lần số lượng vi khuẩn Escherichia coli)

Ở độ sâu 10.000 m của Đông Thái Bình Dương, nơi hoàn toàn tối tăm, lạnh lẽo thậm chí nơi có áp suất rất cao người ta vẫn phát hiện thấy có khoảng 1 triệu - 10 tỉ vi khuẩn/ml (chủ yếu

là vi khuẩn lưu huỳnh)

Hầu như không có hợp chất cacbon nào (trừ kim cương, đá graphít ) mà không là thức

ăn của những nhóm vi sinh vật nào đó (kể cả dầu mỏ, khí thiên nhiên, formol ) Vi sinh vật có rất phong phú các kiểu dinh dưỡng khác nhau

 Là sinh vật xuất hiện đầu tiên trên trái đất

Trái đất hình thành cách đây 4,6 tỷ năm nhưng cho đến nay mới chỉ tìm thấy dấu vết của

sự sống từ cách đây 3,5 tỷ năm Đó là các vi sinh vật hoá thạch còn để lại vết tích trong các tầng đá cổ Vi sinh vật hoá thạch cổ xưa nhất đã được phát hiện là những dạng rất giống với Vi khuẩn lam ngày nay Chúng có dạng đa bào đơn giản, nối thành sợi dài đến vài chục mm với đường kính khoảng 1-2 mm và có thành tế bào khá dày

Dựa vào đặc điểm cấu tạo tế bào, người ta chia ra làm 3 nhóm lớn:

- Nhóm chưa có cấu tạo tế bào bao gồm các loại virus

- Nhóm có cấu tạo tế bào nhưng chưa có cấu trúc nhân rõ ràng (cấu trúc nhân nguyên thủy) gọi là nhóm Procaryotes, bao gồm vi khuẩn, xạ khuẩn và tảo lam

- Nhóm có cấu tạo tế bào, có cấu trúc nhân phức tạp gọi là Eukaryotes bao gồm nấm men, nấm sợi (gọi chung là vi nấm) một số động vật nguyên sinh và tảo đơn bào

2.1.2 Thành phần hóa học tế bào vi sinh vật

Cấu tạo hoá học tế bào vi khuẩn cũng tương tự như những tế bào khác Nó được cấu tạo bởi các nguyên tố C,H,O,N,P,K,Mg,Na, S, Cl… Những nguyên tố này làm cơ sở tạo nên những men và vitamin phức tạp Tế bào vi khuẩn thường có:

- 75-85% trọng lượng là nước, riêng nha bào tỉ lệ nước thấp;

- 15-25% trọng lượng là các hất hữu cơ, trong đó 1/2 là anbumin, còn lại là các hợp chất khác như đường, mỡ

- 1-2% trọng lượng là chất khoáng

Trong sinh chất,nước thực hiện nhiều chức năng,là dung môi hoà tan được hầu hết các chất Nước là môi trường thuận lợi để cho phản ứng hoá học xảy ra.Nước hoà tan các cặn bã và thải chúng ra ngoài.Nước có khả năng thu hút nhiệt lớn mà thay đổi nhiệt rất ít

2.1.2.1 Gluxit

Đường,tinh bột,xenlulozơ đều thuộc nhóm gluxit.Trong các chất đó C,H,O chứa theo tỉ

lệ 1:2:1.Loại C6H12O6,tức là monosaccarit thuộc dạng gluxit đơn giản thường gặp.Trong số chúng có glucozơ và fructzơ Glucozơ có một lượng đáng kể trong cơ thể chúng ta.Các loại gluxit khác mà chúng ta sử dụng đều biến thành glicogen ở gan.Glucozơ là thành phần cấu tạo tuyệt đối cần thiết cho máu.Hàm lượng trong máu và mô động vật là 0,1%.Tăng glucozơ trong

cơ thể không gây nguy hại gì lớn,song nếu giảm hàm lượng glucozơ thì sẽ làm tăng kích thích của một số tế bào não làm chúng có phản ứng đối với cả những kích động yếu ớt.Do vậy,dễ sinh ra co giật,mất trí và chết Glucozơ là nguồn năng lượng cho sự trao đổi chất của tế bào,kể

cả tế bào não bộ.Nồng độ của glucozơ trong máu được điều chỉnh bằng một cơ chế phức tạp có

sự tham gia của hệ thần kinh,gan,tuỵ,tuyến yên,tuyến trên thận Nhóm gluxit thứ hai thường gặp trong sinh chất là disacacrit có công thức C12H22O11.Bản thân tên gọi cho thấy chúng được tạo thành từ hai phân tử monosaccarit tách một phân tử nước

Đường mía tạo thành từ sự kết hợp của một phân tử glucozơ và một phân tử fructozơ có

mất một phân tử nước

Mantozơ là đường nha,được tạo nên do sự hợp lại của hai phân tử glucozơ có tách một

phân tử nước

Đường lactozơ (gọi tắt là đường sữa)tạo thành từ một phân tử glucozơ kết hợp với một

galactozơ cũng đồng thời tách một phân tử nước.Nó có trong sữa động vật có vú Fructozơ có độ ngọt cao nhất trong các loại đường đơn

Còn saccarin là chất ngọt nhân tạo,ngọt hơn hàng trăm lần so với bất kỳ một loại đường

nào Các gluxit có phân tử lượng lớn hơn là các polisaccarit.Trong số đó có tinh bột,xenlulozơ;phân tử của chúng cũng cấu tạo từ nhiều monosaccarit và loại bỏ phân tử nước

Tinh bột có công thức là (C6H10O5)n.Các loại tinh bột khác nhau về số gốc n.Chúng là thành phần cơ bản của chất sống động và thực vật."Tinh bột" của động vật có tên là glicogen.Khác biệt của nó với các tinh bột khác là phân tử của chúng phân nhánh và tan trong nước.Sở dĩ cây không tích luỹ dạng đơn giản như glucozơ và phải tích luỹ dạng phức tạp vì glucozơ rất dễ bị tan và khuếch tán khỏi tế bào.Còn phân tử tinh bột và glicogen thì ít hoà tan.Trong gan,glicogen dễ dàng chuyển thành glucozơ để vận chuyển đến các cơ quan khác thông qua hệ tuần hoàn

Xenlulozơ là hợp chất bền vững có chức năng bảo vệ tế bào.Nó không tan.Phân tử của

nó cũng gồm nhiều glucozơ song các liên kết hoá học giữa các glucozơ ở tinh bột và xenlulozơ khác nhau.Enzym phân huỷ tinh bột thì không phân huỷ được xenlulozơ.Các dẫn xuất xenlulozơ có vai trò thực tiễn rất lớn như chế chất nổ,chế tơ visco ,xenluloit,một số chất dẻo,phim ảnh và sơn Trong chất sống,gluxit đóng vai trò "chất đốt" cung cấp nhiệt,năng lượng

và các vật liệu khung để chế tạo nhiều chất sống khác C6H12O6 + 6O2 ->6H2O + 6CO2+ 689 Kcal Gluxit cũng liên kết với các chất khác nhu protein,lipit để tham gia cấu tạo nhiều chất sống phức tạp khác của sinh chất Ribozơ và đêôxiribozơ là các đường chứa 5 cacbon.Chúng tham gia cấu tạo các phân tử axit nuclêic như ADN,ARN

2.1.2.2 Protit

Các chất có chứa C,H,O,N và có cả S cũng như P đều xếp vào các protein.Trong

chúng,nguyên tố chủ đạo là nitơ.Toàn bộ các enzym,một số hoocmon và nhiều thành phần cấu trúc quan trọng của sinh chất đều là protein.Protein là hợp chất sinh học quan trọng nhất.Phân

tử của chúng có phân tử lượng cao.Chúng gồm nhiều hợp chất đa dạng nhất của chất sống Người ta tổng hợp được gluxit,chất béo nhưng chưa tổng hợp được phân tử protein Trong axit amin có 2 nhóm chức hoá học:một là nhóm axit(-COOH),một là nhóm amin(-NH2).Nhóm amin

có vai trò như kiềm,vì thế chúng phản ứng với các axit,còn nhóm axit có phản ứng với

kiềm.Nhờ hai nhóm chức đối lập đó mà các protein có tính chất đệm,nghĩa là có khả năng

chống lại sự thay đổi độ axit và độ kiềm của môi trường,do đó bảo vệ được sinh chất Các axit amin trong phân tử protein kết hợp với nhau nhờ liên kết peptit.Ví dụ:glixin kết hợp với analin thành glixinanalin Trong tổng hợp các axit amin,người ta phát hiện 8 axit amin đặc biệt,gọi là gia cấu tạo sinh chất,cấu tạo các enzym(phần apoenzym),cấu tạo các hoocmon axit amin

không thay thế

Protein tham Ptotein có vai trò đặc biệt trong cấu tạo và chức năng của màng sinh chất.Chúng cũng được sử dụng như nguồn cung cấp năng lượng lúc cần thiết

2.1.2.3 Lipit

Chất béo nguyên chất cũng được cấu tạo từ C,H,O nhưng hàm lượng oxi trong chúng ít

hơn nhiều so với gluxit.Chất béo mềm hơn,có khi ở thể lỏng,có loại ở thể rắn.Mỗi phân tử chất béo được cấu tạo từ một phân tử glixerin và ba phân tử axit béo.Các chất béo khác nhau đều do thành phần axit béo khác nhau tạo nên