IV. GIỚI THIỆU MỘT SỐ TIÊU CHUẨN, QUY CHUẨN ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MÔ
2.1.6.Chất rắn trong nước
2. CÁC THÔNG SỐ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC
2.1.6.Chất rắn trong nước
2.1. Các thông số vật lý môi trường nước
2.1.6.Chất rắn trong nước
Có nhiều vật chất dạng rắn tồn tại trong môi trường nước, để phân loại chúng có nhiều cách khác nhau:
• Theo bản chất: chất rắn vô cơ và chất rắn hữu cơ
• Theo khả năng hòa tan: chất rắn hòa tan và chất rắn không tan • Theo khả năng sa lắng: chất rắn lơ lửng và chất rắn lắng được • Theo khả năng lọc: chất rắn qua lọc và chất rắn không qua lọc…
Các chất rắn bao gồm các thành phần vô cơ và hữu cơ bao gồm cả các cơ thể sinh vật được phân thành hai loại dựa theo kích thước và khả năng (phương pháp) loại bỏ chúng ra khỏi môi trường nước:
Chất rắn có thể qua lọc: có đường kính ≤ 10-6 m (≤ 1µm) trong đó có hai loại: chất rắn dạng keo có kích thước từ 10-9 đến 10-6 và chất rắn hòa tan (các ion và phân tử hòa tan) có kích thước nhỏ hơn 10-9 m. Vi khuẩn thuộc loại chất rắn dạng keo.
Chất rắn không qua lọc: có đường kính lớn lơn 10-6m. Tế bào tảo, hạt bùn là các loại chất rắn lơ lửng có kích thước 10-5 – 10-6m, sạn, cát thuộc loại chất rắn có thể lắng, có kích thước lớn hơn 10-5m.
Tùy vào kích thước, trạng thái tồn tại của các chất rắn trong môi trường có thể thuộc về một số dạng hệ rắn – lỏng sau đây:
a. Hệ rắn – lỏng tồn tại dạng hệ keo
Hệ keo, còn gọi là hệ phân tán cao, là một hệ thống có hai thể của vật chất, một dạng hỗn hợp ở giữa hỗn hợp đồng nhất và hỗn hợp không đồng nhất.
•Trong một hệ phân tán keo, các giọt nhỏ hay hạt nhỏ của một chất gọi là chất phân tán, được phân tán trong một chất khác đó là môi trường phân tán.
• Trong một hệ keo cao phân tử, các chất cao phân tử được phân tán trong một một trường đồng nhất - môi trường phân tán.
Các hạt phân tán trong một hệ keo có kích thước từ 0,001 đến 1 µm. Một số tài liệu khác định nghĩa là các hạt keo có kích thước không nhìn được bằng kính hiển vi quang học thông thường, tức là các hạt keo có kích thước lớn nhất vào khoảng 0,1 µm. Các hệ phân tán với kích thước hạt phân tán nằm trong khoảng này gọi là aerosol keo, nhũ tương keo, bọt keo, huyền phù keo hay hệ phân tán keo. Hệ keo có thể có màu hay mờ đục vì hiệu ứng Tyndall, là sự tán xạ ánh sáng bởi các chất phân tán trong hệ keo.
Ngoài ra còn có cách phân biệt các hệ keo theo đặc tính tương tác giữa chất phân tán và môi trường phân tán: kỵ nước hay ưa nước.
• Kỵ nước: được đặc trưng bởi tương tác yếu giữa chất phân tán và môi trường phân tán, năng lượng bề mặt lớn. Đây là dạng hệ keo phổ biến.
• Ưa nước: được đặc trưng bởi tương tác mạnh giữa chất phân tán và môi trường phân tán, làm giảm năng lượng bề mặt.
Các hạt keo thường có kích thước lớn nên không bị tác động của hiệu ứng lượng tử. Mặc dù vậy chúng đủ nhỏ để có thể bị tác động bởi các chuyển động nhiệt trong hệ keo. Các lực sau đây đóng vai trò quan trọng trong tương tác giữa những hạt keo:
•Lực đẩy hạt rắn: Thường các hạt keo là các chất rắn, vì thế hai hạt keo không thể ở gần nhau hơn là tổng số bán kính của chúng.
•Tương tác tĩnh điện: Hạt keo có thể mang khả năng tích điện. Lực tương tác Coulomb tỉ lệ nghịch với bình phương khoảng cách giữa chúng. Mặc dù vậy, nếu có hạt phân tán tích điện ngược với hạt keo, chúng sẽ tích tụ chung quanh hạt keo và chắn các lực tương tác này.
Lực Van der Waals: Nếu chỉ số khúc xạ của các hạt keo khác với chỉ số khúc xạ của môi trường phân tán chúng sẽ bị hút theo thế năng của lực van der Waals tỉ lệ với r-6.
Lực entropy: Theo định luật thứ hai của nhiệt động lực học, một hệ thống có thể đi đến trạng thái có entropy cực đại. Điều này có thể dẫn đến các lực có hiệu quả ngay cả giữa những khối rắn.
Một hệ keo được gọi là hệ keo bền khi các hạt keo không lắng xuống đáy của môi trường phân tán và không kết dính lại với nhau. Ổn định không gian và ổn định tĩnh điện là hai phương pháp chính để ổn định một hệ keo. Ổn định tĩnh điện dựa trên lực đẩy tương tác giữa những phần tử có cùng điện tích. Các thể khác nhau thường có tính hấp thụ điện khác nhau, vì thế mà tạo thành hai lớp tích điện trên mọi bề mặt. Các hạt keo có kích thước nhỏ dẫn đến tỷ lệ bề mặt rất lớn (so với thể tích của hạt keo) nên hiệu ứng này được tăng cường rất nhiều trong các hệ keo. Trong một hệ keo bền, trọng lượng của chất phân tán rất nhỏ nên lực đẩy của chất lỏng hay động năng không đủ lớn
để vượt qua được lực đẩy tĩnh điện giữa các lớp tích điện của môi trường phân tán. Hạt keo có tích điện có thể quan sát thấy bằng cách đưa hệ keo vào một điện trường: tất cả các hạt đều đi về cùng một điện cực và vì thế phải có cùng điện tích. Sự phá vỡ một hệ keo gọi là đông tụ hay keo tụ, có thể thực hiện bằng cách đun nóng hay cho thêm chất điện phân. Đun nóng sẽ làm tăng vận tốc của các hạt keo, làm cho chúng có đủ năng lượng xuyên qua lớp cản và kết hợp lại với nhau. Vì được lặp lại nhiều lần, các hạt keo lớn đủ để lắng xuống. Chất điện phân được thêm vào sẽ trung hòa các lớp ion trên bề mặt các hạt keo.
Phần lớn các chất rắn qua lọc đều là những chất có khả năng tạo hệ keo trong môi trường nước, chúng tồn tại bền vững trong nước (theo không gian và thời gian) đồng thời khó loại bỏ bằng các quá trình tự nhiên thông thường.
b. Hệ rắn – lỏng tồn tại dạng huyền phù
Huyền phù (Nổi lơ lửng, từ phù có nghĩa là nổi và huyền là treo hay đeo lơ lửng) là một hệ gồm pha phân tán là các hạt rắn lơ lửng trong môi trường phân tán lỏng (hỗn hợp dị thể). Ví dụ bột mì trong nước. Nếu để yên một huyền phù thì ngược lại với dung dịch, chất rắn có kích thước không nhỏ lắm sẽ lắng xuống đáy tạo thành một lớp cặn (sa lắng hay trầm tích). Chất lỏng phía trên có thể được chiết ra (lắng gạn) và tách chất rắn ra khỏi chất lỏng. Ở các phần tử có kích thước nhỏ có thể tăng nhanh quá trình sa lắng bằng phương pháp ly tâm vì kích thước các phần tử rắn càng nhỏ thì sự sa lắng càng chậm.
Các hạt có kích thước lớn hơn (≥ 1µm) hay các hạt không qua lọc đa phần là những hạt có thể tạo ra dạng huyền phù trong môi trường nước trừ khi kích thước của chúng qua lớn và không thể tồn tại lâu trong tầng nước. Các hạt huyền phù thường sa lắng chậm (còn gọi là các chất rắn lắng được) có thể bị loại bỏ khỏi nước bằng các quá trình tự nhiên với một thời gian đủ dài (quá trình lắng, bị sử dụng bởi sinh vật…)
c. Hệ nhũ tương
Nhũ tương là một hệ phân tán cao của hai chất lỏng mà thông thường không hòa tan được với nhau. Thể trong (thể được phân tán) là các giọt nhỏ được phân tán trong thể ngoài (chất phân tán). Tùy theo môi trường chất phân tán mà người ta gọi thí dụ như là nhũ tương nước trong dầu hay nhũ tương dầu trong nước. Các thí dụ cho một nhũ tương là các mỹ phẩm hay sữa. Để tạo độ bền cho nhũ tương có thể cho thêm các chất hoạt tính bề mặt (chất nhũ hóa, xà phòng, ...), các chất này ngăn trở hỗn hợp lại tự tách ra thành các thành phần riêng lẻ. Nhìn về mặt nhiệt động lực học thì nhũ tương lại là một hệ thống không bền.
Các chất lỏng hoặc là có thể hòa tan tốt vào nước (chất lỏng ưa nước) hoặc là có thể hòa tan tốt vào dầu (chầt lỏng kỵ nước). Nguyên nhân là do các phân tử nước chỉ tạo thành các lực liên kết hiđrô trong khi các phân tử mỡ chỉ tạo thành các lực Van der Waals. Chất nhũ hóa như xà phòng có thể liên kết các chất lỏng này. Chúng có tính chất này vì các phân tử của chất nhũ hóa có một phần phân cực và một phần không phân cực. Phần phân cực có thể tạo liên kết hiđrô và liên kết với các chất lỏng ưa nước trong khi phần không phân cực của phân tử tạo nên lực van der Waals và liên kết với các chất kỵ nước. Điều này giải thích tác dụng tẩy rửa của xà phòng: xà phòng làm giảm sức căng bề mặt của nước và tạo điều kiện rửa các chất chỉ tan trong dầu mỡ bằng cách cho thêm nước vào.
Tổng hàm lượng các chất rắn (TS - Total Solids)
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) 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).
Tổng hàm lượng các chất lơ lửng (TSS - Total Suspended Solids)
Các chất rắn lơ lửng (dạng huyền phù) là những chất rắn không tan trong nước. Hàm lượng các chất lơ lửng 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. Rắn lơ lửng bao gồm những hạt rất nhỏ không lắng được hoặc dạng keo, huyền phù trong nước. Chất rắn lơ lửng dạng keo là một phần của chất rắn lơ lửng tổng số, chúng không lắng xuống đáy ống nghiệm trong thời gian rất dài hàng 3-4h, cặn keo thường chứa 65% cặn hữu cơ, 35% cặn vô cơ.
Tổng chất rắn lắng được (SS - Settable Solids):
Chất rắn có khả năng lắng, được tính bằng ml/l, cho 1 lượng nước vào ống đong, để 45 phút cho lắng tự nhiên, sau đó khuấy nhẹ sát thành bình rồi để lắng tiếp 15 phút, đo thể tích
Tổng tạp chất nổi (FS - Floating Solid):
Bao gồm các hạt có trọng lượng riêng nhỏ hơn nước, khi để ổn định, hoặc trong quá trình lắng, các vật chất này nổi lên trên bề mặt.
Tổng hàm lượng các chất hòa tan (TDS – Total Dissolved Solids)
Các chất rắn hòa tan là những chất tan được trong nước, bao gồm cả chất vô cơ lẫn chất hữu cơ.Chất rắn dạng hoà tan có 90% là chất rắn hoà tan thực và 10% là keo. Chất rắn dạng hoà tan có 40% là cặn hữu cơ, 60% là cặn vô cơ. Cặn hoà tan có kích thước rất nhỏ, nó chui lọt qua giấy lọc tiêu chuẩn của phòng thí nghiệm. Hàm lượng các chất hòa tan TDS (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.
TDS = TS – TSS
Tổng hàm lượng chất rắn lơ lửng dễ bay hơi (VSS- Volatile Suspended Solids) Tổng hàm lượng chất rắn hòa tan dễ bay hơi (VDS - Volatile Dissolved Solids)
Tổng hàm lượng chất rắn dễ bay hơi thường để đánh giá hàm lượng hữu cơ của chất rắn lơ lửng và chất rắn hòa tan. Hàm lượng các chất rắn lơ lửng dễ bay hơi VSS là lượng mất đi khi nung lượng chất rắn lơ lửng (TSS) ở 550oC cho đến khi khối lượng không đổi (thường được qui định trong một khoảng thời gian nhất định – 1h), phần bay hơi là các chất hữu cơ, phần còn lại sau khi hoá tro là các chất vô cơ. Hàm lượng các chất rắn hòa tan dễ bay hơi VDS là lượng mất đi khi nung lượng chất rắn hòa tan (DS) ở 550oC cho đến khi khối lượng không đổi (thường được qui định trong một khoảng thời gian nhất định).
Chất rắn hữu cơ: có nguồn gốc từ các thức ăn của người, động vật, xác động vật chết, cây lá thối rữa tạo nên. Thành phần hoá học của chất hữu cơ là cacbon (C), hydro (H2), oxy (O2), nitơ (N2), phốtpho (P), lưu huỳnh (S). Dạng tồn tại của chất rắn hữu cơ trong nước thải chủ yếu là protein, cacbonhydrat, chất béo và các sản phẩm phân huỷ của chúng. Cặn hữu cơ cháy và bay hơi hoàn toàn ở nhiệt độ cao 550-600oC nên đôi khi còn gọi là chất rắn bay hơi.
Tổng hàm lượng chất rắn lơ lửng vô cơ (FSS - Fixed Supended Solids)
Sau khi nung chất rắn lơ lửng ở 550oC cho đến khi khối lượng không đổi thì phần chất hữu cơ bay hơi hết, phần vô cơ còn lại bị tro hóa, đó là chất rắn lơ lửng vô cơ. Hầu hết cảc muối vô cơ đều bị phân huỷ ở nhiệt độ dưới 825oC. Chất rắn vô cơ: là các chất trơ, không bị phân huỷ, đôi khi có những hợp chất vô cơ phức tạp (như sunfua) ở điều kiện nhất định có thể bị phân rã. Cặn vô cơ có
nguồn gốc khoáng chất như các muối khoáng, cát, sạn, bùn, độ kiềm, độ cứng. Cặn vô cơ không bị cháy ở nhiệt độ cao.
TSS = VSS + FSS