Bài tiểu luận khử trùng nước thải

Khái niệm Khử trùng là quá trình ứng dụng một hoặc nhiều phương pháp bao gồm: hóa học, lý học… nhằm mục đích tiêu diệt, loại bỏ các loài vi khuẩn, vi trùng gây bệnh có trong nước trước

1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP HỒ CHÍ MINH

KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

TIỂU LUẬN MÔN HỌC: XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ

Đề tài : KHỬ TRÙNG NƯỚC THẢI

2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1

1.1 Khái niệm 1

1.2 Tầm quan trọng của quá trình khử trùng trong xử lý nước thải 1

1.3 Lịch sử hình thành và phát triển 2

CHƯƠNG 2 VỊ TRÍ VÀ CHỨC NĂNG 3

2.1 Vị trí 3

2.2 Chức năng 3

CHƯƠNG 3 CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG 3

3.1 Phương pháp vật lý 3

3.1.1 Phương pháp sử dụng tia cực tím 3

3.1.1.1 Sơ lược về tia cực tím 3

3.1.1.2 Cơ chế tiêu diệt vi sinh vật 5

3.1.1.4 Yếu tố ảnh hưởng tới khả năng khử trùng nước bằng tia UV 7

3.1.1.5 Ưu nhược điểm của tia cực tím 9

3.1.2 Phương pháp nhiệt 10

3.2 Phương pháp hóa học 11

3.2.1 Khử trùng bằng Clo và các hợp chất của Clo 11

3.2.1.1 Giới thiệu 11

3.2.1.2 Cơ chế khử trùng 12

3.2.1.3 Khử trùng bằng Clo lỏng 13

3.2.1.4 Khử trùng bằng Clorua vôi 16

3.2.1.5 Khử trùng bằng nước Javen 17

3.2.1.6 Một số hợp chất khác của Clo dùng để khử trùng 18

3.2.2 Khử trùng bằng Ozone 21

3.2.2.1 Đặc tính 21

3.2.2.2 Cơ chế khử trùng 21

3.2.2.3 Cách tạo ra ozone 22

3 3.2.2 Các phương pháp khử trùng hoá học khác 25

Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 1

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN

1.1 Khái niệm

Khử trùng là quá trình ứng dụng một hoặc nhiều phương pháp bao gồm: hóa học,

lý học… nhằm mục đích tiêu diệt, loại bỏ các loài vi khuẩn, vi trùng gây bệnh có trong

nước trước khi sử dụng (nước cấp) hoặc thải ra nguồn tiếp nhận (nước thải)

1.2 Tầm quan trọng của quá trình khử trùng trong xử lý nước thải

Như đã biết, xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện tự nhiên

cho hiệu suất xử lý và khử trùng cao nhất, đạt tới 99,9%, còn xử lý nước thải bằng

phương pháp sinh học trong điều kiện nhân tạo chỉ đạt được từ 91 – 98% Hầu hết các

loại vi khuẩn trong nước thải không phải là vi trùng gây bệnh, nhưng không thể loại trừ

khả năng tồn tại của một vài loại vi khuẩn gây bệnh nào đó

Bảng 1: Khả năng loại bỏ hoặc tiêu diệt vi khuẩn bằng các quá trình khác nhau

Nguồn : Metcalf & Eddy, 2003

Vi khuẩn tuy nhỏ bé nhưng chúng hấp thu nhiều và chuyển hóa rất nhanh cơ chất,

chẳng hạn như vi khuẩn lactic trong 1 giờ có thể chuyển hóa một lường đường lactozo

nặng gấp 1000 – 10000 lần khối lượng cơ thể của chúng Vi khuẩn là một loài có khả

năng thích ứng mạnh và sinh trưởng rất nhanh và phát triển mạnh, như vi khuẩn

Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 2

Escherichia coli trong điều kiện thích hợp cứ khoảng 12 – 20 phút lại phân cắt một lần Vì

vậy, nếu xả nước thải có chứa một lượng nhỏ vi khuẩn gây bệnh ra nguồn cấp nước, ao hồ

nuôi cá, hồ bơi… thì khả năng lan truyền bệnh cũng sẽ rất lớn, do đó phải có biện pháp

khử trùng nước thải trước khi xả ra nguồn tiếp nhận

Khử trùng nước thải nhằm mục đích phá hủy, tiêu diệt các loại vi khuẩn, vi trùng

gây bệnh nguy hiểm Vì vậy khử trùng là một khâu rất quan trọng trong hệ thống xử lý

nước thải

1.3 Lịch sử hình thành và phát triển

Từ xa xưa, con người đã biết cách khử trùng nguồn nước trước khi sử dụng Đó

chính là dùng lửa để đun sôi nước, đây là phương pháp khử trùng đơn giản dễ làm nhất

Phương pháp này là dùng nguyên lý thay đổi nhiết độ để tiêu diệt vi khuẩn Với phương

pháp này thì chỉ có thể tiêu diệt được một số loài vi khuẩn nhất định, và không có khả

năng ứng dụng với nguồn nước lớn Nên sau đó, con người đã tìm ra hợp chất khử trùng

nhanh, hiểu quả cao, thích hợp với nguồn nước lớn, đó chính là clo

Clo được phát hiện năm 1774 bởi Carl Wilhelm Scheele, là người đã sai lầm khi

cho rằng nó chứa oxy Đến năm 1810, clo được đặt tên bời Humphry Davy, là người đã

khẳng định nó là một nguyên tố hóa học Năm 1835, clo được sử dụng để loại bỏ mùi hôi

từ nước Năm 1890, clo được xem như một chất hóa học khử trùng hiệu quả, là một chất

lý tưởng để tiêu diệt các vi khuẩn gay bệnh ở trong nước Với phát hiện này, clo được ứng

dụng cho quá trình khử trùng nước trong Vương quốc Anh và sau đó mở rộng đến Hoa

Kỳ vào năm 1908, ứng dụng tại Canada vào năm 1917 Cho đến ngày nay, clo vẫn là một

chất qua trọng ứng dụng trong khử trùng nước Clo là một chất khử trùng lý tưởng, nhưng

nó cũng mang lại nhiều nguy hiểm cho con người Theo nghiên cứu của các nhà khoa học

thuộc Đại học Boston( Mỹ) cho biết, phụ nữ uống nước chứa nhiều Clo dễ bị sẩy thai và

nếu sinh con thì tỷ lệ dị tật ở trẻ sơ sinh là rất lớn Nghiên cứu phát hiện Trihalomethane

(THM - các hóa chất nguy hiểm tạo ra phản ứng giữa Clo và các chất tự nhiên trong

nước) có thể được thai phụ hấp thụ qua da, ngấm vào bào thai qua nước uống, nước tắm

gội thậm chỉ cả khi thai phụ đứng gần luồng hơi nước đang sôi cũng làm tăng nguy cơ

nhiễm độc Vì tính gây độc của clo nên ở các nước tiên tiến trên thế giới, clo không còn

được xem là một chất khử trùng lý tưởng nước, họ dần thay thế clo bằng các công nghệ

khử trùng khác như: ozone, tia cực tím, …

Ngoài clo thì khử trùng bằng tia cực tím cũng xuất hiện khá sớm Năm 1877,

Downes và Blunt đã phát hiện ra các tính chất sát trùng của ánh sáng mặt trời Năm 1901,

sự phát triển của đèn thủy ngân là nguồn ánh sáng tia cực tím nhân tạo Năm 1906, sử

dụng thạch anh làm vật liệu truyền tia cực tím Tiếp theo là ứng dụng khử trùng nước

Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 3

uống đầu tiên ở Marseilles, Pháp, vào năm 1910 Năm 1929, Gates xác định mối liên hệ

giữa khử trùng tia cực tím và sự hấp thụ ánh sáng tia cực tím bởi axit nucleic (Gates

1929) Sự phát triển của bóng đèn huỳnh quang trong những năm 1930 đã dẫn đến việc

sản xuất các loại đèn ống sát trùng Nghiên cứu đáng kể về cơ chế khử trùng tia cực tím

và bất hoạt của các vi sinh vật xảy ra trong những năm 1950 (Dulbecco 1950, Kelner

1950, Brandt và Giese năm 1956, Powell 1959) Mặc dù các nghiên cứu quan trọng về

khử trùng tia cực tím diễn ra trong nửa đầu của thế kỷ 20, việc chi phí thấp của clo và các

vấn đề hoạt động với thiết bị khử trùng tia cực tím ban đầu hạn chế sự phát triển của nó

như một công nghệ xử lý nước uống Các ứng dụng tin cậy đầu tiên của ánh sáng tia cực

tím để khử trùng nước uống diễn ra ở các thành phố thụy sĩ và áo vào năm 1955 (Kruithof

và Van der Leer 1990) Đến năm 1985, số lượng các lắp đặt như ở các nước này đã tăng

lên xấp xỉ 500 và 600 Sau khi các sản phẩm phụ khử trùng clo (DBPS) được phát hiện,

khử trùng tia cực tím đã trở thành phổ biến ở Na Uy và Hà Lan với việc lắp đặt đầu tiên

xảy ra vào năm 1975 và 1980

Tính đến năm 2000, hơn 400 phương tiện khử trùng tia cực tím trên toàn thế giới

đã được dung để xử lý nước uống; các cơ sở tia cực tím thường xử lý các dòng dưới 1

triệu gallon mỗi ngày (USEPA 2000) Từ năm 2000, một số lắp đặt tia cực tím lớn trên

khắp Hoa Kỳ đã được xây dựng hoặc hiện đang được thiết kế Lớn nhất trong số các cơ sở

này bao gồm một cơ sở 180-MGD hoạt động ở Seattle, Washington, và một cơ sở

2.200-MGD theo thiết kế cho thành phố New York của cơ quan bảo vệ môi trường (Schulz

3.1.1.1 Sơ lược về tia cực tím

Tia cực tím (hay tia tử ngoại, tia UV- Ultraviolet) là bức xạ điện từ với bước sóng

ngắn hơn so với ánh sáng nhìn thấy Tia UV có thể được phân thành nhiều loại khác nhau:

Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 4

+ UVA (380-315 nm), hay gọi là sóng dài,

+ UVB (280-315 nm), hay gọi là bước sóng trung bình: có tác dụng đối với người như là

bỏng nắng hoặc ánh sáng mặt trời có cường độ mạnh,

+ UVC (100-280 nm),hay gọi là bước sóng ngắn được xem là “chất khử trùng UV”

Ở một bước sóng nào đó tia UV có thể là tác nhân làm tăng đột biến ở vi khuẩn,

virus và các vi sinh vật khác Vi sinh vật ít được bảo vệ khỏi tia UV và không thể sống

gian tiếp

UV

Mặt trời tỏa ra tia cực tím UVA, UVB và UVC, nhưng bởi vì sự hấp thụ của tầng

ozone, 99% tia cực tím đến được mặt đất là thuộc dạng UVA Bản thân tầng ozone được

tạo ra nhờ phản ứng hóa học có sự tham gia của tia UVC

Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 5

Hình 1

3.1.1.2 Cơ chế tiêu diệt vi sinh vật

Các phân tử bị chiếu tia cực tím sẽ hấp thu năng lượng, phá vỡ liên kết trong phân

tử và hình thành liên kết mới Vì lý do này, ánh sáng UVC được gọi là phototoxic (ánh

sáng độc hại) Các phân tử quan trọng nhất của các tế bào sống như deoxyribonucleic acid

(DNA) và ribonucleic acid (RNA), rất nhạy cảm với phototoxicity Tác dụng phổ biến

nhất của UV-C là sự hình thành của một vòng xyclobutyl giữa hai loại axit nucleic

thymine liền kề nằm trên cùng một sợi DNA / RNA, như thể hiện trong hình gọi là

thymine dimer, làm biến dạng cơ cấu xoắn ốc của phân tử DNA / RNA ngăn chặn sự kết

hợp của phức hợp enzyme phiên mã và sao chép Kết quả thường dẫn đến ức chế sự sao

chép và việc nhân rộng của các phân tử di truyền trong tế bào bị ảnh hưởng, gây chết tế

bào đơn lẻ đó.trong tế bào bị ảnh hưởng, dẫn đến cái chết của tế bào đơn lẻ đó

Hình 2 Cơ chế phá hủy DNA

3.1.1.3 Cách bố trí chiếu tia UV trong hệ thống xử lý nước thải

Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 6

a Hệ thống kín

Hình 3: Hệ thống chiếu tia UV kín Chú thích:

Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 7

b Hệ thống hở

Bố trí đèn UV trong hệ thống hở, nghĩa là các đèn UV sẽ đặt trong đường dẫn của các

kênh, mương dẫn nước đầu ra Có thể bố trí đèn vuông góc, hoặc song song với chiều

Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 8

Công suất của

Dầu, mỡ Có thể bám vào ống bọc thạch anh của đèn UV và hấp thụ bức xạ UV

TSS Hấp thụ bức xạ UV, có thể che chắn cho vi sinh vật

Độ kiềm Có thể tác động đến khả năng khử trùng, ngoài ra ảnh hưởng đến độ

tan của kim loại dẫn đến hấp thụ bức xạ UV

Độ cứng Can xi, ma nhê và các muối khác có thể tạo thành lớp khoáng lắng

đọng trên ống thạch anh đặc biệt là khi tăng nhiệt độ

Ammonia Không hoặc ít ảnh hưởng

Nitrit Không hoặc ít ảnh hưởng

Nitrat Không hoặc ít ảnh hưởng

Sắt Hấp thụ mạnh bức xạ UV, có thể kết tủa trên ống thạch anh, có thể

hấp phụ chất rắn lơ lửng và che bức xạ cho vi khuẩn

Mangan Hấp thụ mạnh bức xạ UV

pH Có thể ảnh hưởng đến độ tan của kim loại và cacbonat

TDS Có thể tác động khả năng khử trùng và tạo thành lớp lắng đọng vô cơ

Chất thải công

nghiệp

Phụ thuộc vào thành phần (ví dụ như chất màu) có thể dẫn đến sự thay đổi vể độ truyền qua vào ban ngày và theo mùa

Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 9

3.1.1.5 Ưu nhược điểm của tia cực tím

 Ưu điểm:

- Tia cực tím ở 1 tần số nhất định có thể diệt được 99,99% vi khuẩn,

- Đây là phương pháp tự động, không gây ra mùi hôi cũng như ảnh hưởng đến

hương vị của nước,

- Năng lượng sử dụng ít,

- Thanh lọc bằng tia cực tím không sử dụng bất kỳ loại hóa chất nào như chlorine

hay để lại bất kỳ độc hại gì cho quá trình lọc nước,

- Phương pháp xử lí nhanh, đơn giản, hiệu quả

 Nhược điểm:

- Ánh sáng tia cực tím chỉ có khả năng tiêu diệt các vi sinh vật như vi khuẩn, virus,

nấm mốc, tảo, nấm men, cryptosporidium, giardia, mà không có khả năng loại bỏ

Clo, các kim loại nặng, hợp chất hữu cơ bị hoà tan,

- Không loại bỏ được tạp chất có trong nước,

- Cần kết hợp với phương pháp lọc trước khi xử lí bằng tia cực tím để nâng cao hiệu

quả,

- Bức xa ̣ UV-C có thể phá vỡ các liên kết hóa ho ̣c Điều này làm cho chất liê ̣u dẻo

nhanh bi ̣ lão hóa (loa ̣i vâ ̣t liê ̣u dùng để cách điê ̣n, miềng hoặc vòng đệm cách điện)

và mô ̣t số chất liê ̣u khác,

- Ở bước sóng nào đó (bao gồm cả UVC) tia UV có thể gây ha ̣i cho người và các

sinh vâ ̣t khác Trong hầu hết các thiết bi ̣ khử trùng bằng tia UV, đèn UV sẽ được

che chắn làm ha ̣n chế sự tiếp xúc với tia UV như bồn chứa nước kín hoă ̣c hê ̣ thống

lưu thông khép kín, thường với các khóa tự đô ̣ng, có thể tự đô ̣ng tắt đèn khi hê ̣

thống bi ̣ hở xảy ra do con người

- Đối với con người, làn da tiếp xúc trực tiếp với bước sóng khử trùng của tia UV có

thể gây ra bỏng nhẹ và (trong mô ̣t vài trường hợp) có thể bi ̣ ung thư da Sự tiếp xúc

của mắt với bức xa ̣ tia UV có thể gây bỏng và tổn thương giác ma ̣c nghiêm tro ̣ng

và làm giảm thi ̣ lực ta ̣m thời hoă ̣c vĩnh viễn và kể cả bi ̣ mù trong mô ̣t vài trường

hợp

Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 10

- Đèn UV khi tiếp xúc với không khí có thể tạo ra khí ozone Ozone trong tầng đối

lưu có nhiều tác hại, ảnh hưởng không tốt tới sức khoẻ con người

3.1.2 Phương pháp nhiệt

Đun sôi là công nghệ chính được sử dụng để kiểm soát sự lây lan các bệnh qua

đường nước Đây là công nghệ truyền thống được sử dụng trước khi có sự ra đời của các

công nghệ xử lý nước hiện đại

Hình 5

Ở phương pháp này, nước sẽ được đun sôi đến 100oC, nhiệt độ cao có khả năng

tiêu diệt các loại vi khuẩn và ngăn cản sự gây bệnh của chúng Đối với những vi sinh vật

có khả năng chuyển sang dạng bào tử với lớp bảo vệ vững chắc, để tiêu diệt được nhóm vi

khuẩn sinh bào tử này, cần đun sôi nước đến 1200C hoặc đun sôi theo trình tự sau: đun sôi

ở điều kiện thường 15-20 phút để cho nước nguội dưới 350C và giữ trong vòng 2 giờ tạo

điều kiện cho các bào tử phát triển trở lại sau đó lại đun sôi nước thêm một lần nữa (shock

nhiệt)

Bảng 2: Điều kiện ước chừng để diệt khuẩn bằng sức nóng ẩm

Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 11

- Có hiệu quả trong việc tiêu diệt một số loại vi khuẩn gây bệnh, loại bỏ các mầm

bệnh có trong nước như vi khuẩn Cryptosporidia, giardia, E.coli và vi khuẩn

gây bệnh thương hàn,

- Không gây tác dụng phụ

 Nhược điểm:

- Không có khả năng loại bỏ các hạt vật chất,

- Đun sôi không loại bỏ được các kim loại nặng, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ và

các dược phẩm độc hại,

- Tốn năng lượng nên chỉ được áp dụng ở quy mô nhỏ,

- Mất nhiều thời gian đun sôi nước

3.2 Phương pháp hóa học

Cơ sở của phương pháp khử trùng bằng hóa chất là sử dụng chất oxy hóa mạnh

hơn để oxy hóa men của tế bào vi sinh vật và tiêu diệt chúng Các hóa chất thường dùng

là: các halogen clo, brom; clo dioxyt; các hypoclorit và các muối của nó; ozôn… Phương

pháp khử trùng hóa học có hiệu suất cao nên được sử dụng rộng rãi với nhiều quy mô

3.2.1 Khử trùng bằng Clo và các hợp chất của Clo

3.2.1.1 Giới thiệu

Clo được biết đến như một phương pháp khử trùng và bắt đầu được sử dụng rộng

rãi tại Vương quốc Anh Phương pháp khử trùng bằng Clo là phương pháp đơn giản, rẻ

tiền và hiệu quả cao Clo là một chất oxy hóa mạnh, ở bất cứ dạng nào, nguyên chất hay

Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 12

hợp chất, khi clo tác dụng với nước đều cho các phân tử axit hypocloro (HOCl), một hợp

chất có khả năng khử trùng rất mạnh

Trong xử lý nước thải, người ta thường dùng các loại Clo sau đây để khử trùng:

 Clo lỏng Cl2;

 Natri hypoclorit dạng lỏng NaOCl (nước Javen);

 Canxi hypoclorit CaOCl2 (Clorua vôi)

3.2.1.2 Cơ chế khử trùng

Nguyên tắc chung khi cho Clo và các hợp chất của Clo vào nước axit hypoclorit

(HOCl) được hình thành bởi các phản ứng đặc trưng:

+ Trường hợp dùng Clo lỏng:

Cl2 + H2O ↔ HOCl + HCl + Trong trường hợp dùng CaCl2O (Clorua vôi) phản ứng diễn ra như sau:

2CaCl2O + 2H2O ↔ Ca(OH)2 + 2HOCl + CaCl2 + Trường hợp sử dụng Natri hypochlorite:

NaOCl + H2O ↔ HOCl + NaOH Axit hypoclorit HOCl là một axit rất yếu, không bền và dễ phân huỷ ngay thành

HCl và Oxi nguyên tử

HOCl ↔ HCl + O Hoặc có thể phân ly thành H+ và OCl- :

HOCl ↔ H+ + OCl- Tất cả các chất HOCl, OCl- và Oxi nguyên tử là các chất ôxy hoá mạnh Chúng

ôxy hoá nguyên sinh chất và khử hoạt tính của men, làm tế bào bị tiêu diệt Quá trình hủy

diệt vi sinh vật xảy ra qua hai giai đoạn: đầu tiên chất khử trùng khuếch tán xuyên qua vỏ

tế bào của vi sinh vật, sau đó phản ứng với men bên trong tế bào và phá hoại quá trình

trao đổi chất dẫn đến diệt vong tế bào Tổng lượng Cl2 và OCl- trong nước gọi là lượng

clo hoạt tính

Khử trùng được tiến hành theo các bước:

- Xáo trộn hoá chất khử trùng với nước thải trong các bể trộn, thời gian 1÷2 phút;

Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 13

- Thực hiện phản ứng tiếp xúc hoá chất khử trùng với nước thải trong các bể tiếp

xúc và máng dẫn nước thải ra nguồn với thời gian từ 15 đến 30 phút, phụ thuộc

vào các điều kiện xáo trộn và phản ứng

Tuy nhiên, việc khử trùng bằng Clo sẽ khó khăn nếu trong nước thải có nhiều hợp

chất hữu cơ bền vững Khi đó, Clo sẽ kết hợp với các chất này để tạo thành các hợp chất

hữu cơ Clo như là trihalomethanes (THM) bao gồm: cloroform, diclomethane,

1,2-dicloethane và carbon tetraclorua dể gây nguy hại cho nguồn nước, đặc biệt là nguồn

phục vụ cho mục đích cấp nước sinh hoạt và bị nghi ngờ có khả năng sinh ung thư

3.2.1.3 Khử trùng bằng Clo lỏng

a Đặc tính

Clo lỏng là một loại Clo nguyên chất có màu vàng xanh,trọng lượng riêng là 1,47

kg/l Clo lỏng sản xuất trong nhà máy đựng trong các bình có dung tích từ 50 – 500 lít, áp

suất trung bình từ 6-8 at

Khi dùng Clo hóa lỏng để khử trùng nước thải, tại nhà máy phải lắp đặt thiết bị

chuyên dùng để đưa Clo vào nước gọi là Clorator, Clorator có chức năng định lượng clo,

xáo trộn Clo hơi với nước công tác, điều chế và vận chuyển đến nơi sử dụng

Đặc tính kỹ thuật của Clorator chân không:

Hình : Cấu tạo Clorator chân không