Tóm tắt
Tóm tắt
Bộ môn Thoát nước
Khoa Kỹ thuật hạ tầng và Môi trường Đô Thị E.mail: dungnt38@gmai.com
Điện thoại: 0912906075
Ngày nhận bài: 5/6/2017 Ngày sửa bài: 4/6/2018 Ngày duyệt đăng: 11/02/2019
1. Mở đầu
Sunfua có mặt tương đối phổ biến trong tự nhiên, phần lớn có nguồn gốc từ chất thải sinh hoạt của con người và động vật cũng như từ quá trình chuyển hóa các hợp chất của lưu huỳnh (đặc biệt quá trình khử sunfat của vi khuẩn trong môi trường yếm khí). Lưu huỳnh và các hợp chất của nó luôn luôn chuyển hoá nhờ vi sinh vật theo chu trình biểu diễn trên Hình 1.
Khí H2S và các loại khí nguồn gốc lưu huỳnh hữu cơ thoát vào không khí trên bề mặt nước thải trong cống, một phần khí này bị tích tụ tại các hốc bề mặt nhám của cống và có thể bị oxy hoá thành H2SO4. Axít này sẽ gây xâm thực vật liệu, mặt khác khí H2S hoặc sunfua hữu cơ như mercaptan dễ phát tán ra môi trường xung quanh, gây mùi hôi, khó chịu và độc hại cho con người, gây ăn mòn và giảm tuổi thọ của cống thoát nước bê tông cốt thép.
Từ những vấn đề nêu trên, để đảm bảo cho các công trình thoát nước (CTTN) và xử lý nước thải (XLNT) hoạt động bền vững và giảm thiểu mùi hôi trong nước thải, cần thiết phải có các biện pháp kiểm soát sunfua hình thành trong đó.
2. Sự hình thành Sunfua và tác động của nó đến các công trình thoát nước và xử lý nước thải nước và xử lý nước thải
Trong nước thải nguồn sunfua chủ yếu là các hợp chất S- hữu cơ từ quá trình phân hủy protein và sunfat trong nước. Sunfat là hợp chất hóa học bền, không gây độc với liều lượng bình thường. Ion sunfat(SO42-) là anion phổ biến, tồn tại trong nước và có nguồn gốc khoáng chất (các loại nước mưa, nước mặt và nước ngầm)..
Trong điều kiện yếm khí (trong nước cống, dưới lớp bùn) sunfat có thể bị vi sinh vật (nhóm vi khuẩn khử sunfat: Desulfovibrio, Desulfotomaculum, Desulfobacter v.v..) khử về dạng sunfua (S2-) và kết hợp với proton thành sunfua hydro (H2S) theo sơ đồ tổng quát sau:
Chất hữu cơ + SO42- + vi sinh → S2- + H2O + CO2 (1)
S2- + 2H+ → H2S (2)
Hình 1. Chu trình lưu huỳnh trong tự nhiên[2]
Sunfua tồn tại dưới 3 dạng: hydro sunphua khí (H2S), ion hydro sunphua không bay hơi (HS-) và sunphit (S2-). Tỉ lệ thành phần H2S, HS và S2- phụ thuộc vào pH của nước.
Khi pH= 6,9% sunfua tồn tại dưới dạng H2S, tại pH = 7 thì một nửa tồn tại dưới dạng khí có thể bay hơi (khi nồng độ trong nước lớn hơn giá trị cân bằng), một nửa tồn tại dưới dạng HS- không bay hơi. Tuy nhiên khi pH =10 thì 100% sunfua tồn tại dưới dạng sunfit S2-.pH càng tăng thì tỉ lệ sunfua dạng không bay hơi càng cao. Giá trị pH tối ưu cho sự hình thành sunfua là từ 7,5 ÷ 8,0, khoảng pH này gần mức pH trung bình của nước thải trong hầu hết các công trình thoát nước. Khoảng giá trị pH của nước thải cống chung thoát nước đô thị thích hợp cho quá trình khử sunfat hình thành sunfua [3], nên sunfat trở thành một trong những yếu tố chi phối sự hình thành sunfua trong nước tại CTTN và XLNT. Sunfua (H2S, HS-, S2-) xuất hiện trong hệ thống thoát nước (HTTN) với các điều kiện: nồng độ oxy hòa tan nhỏ, thời gian lưu nước thải lớn và hàm lượng chất hữu cơ chứa lưu huỳnh cao. Nhiệt độ cao cũng là yếu tố thúc đẩy sự hình thành sunfua. Trong khoảng từ 15oC đến 38oC, nếu nhiệt độ tăng thêm 1oC thì tốc độ hình thành sunfua tăng trung bình 7% [7].
Ngoài ra trong môi trường còn có các hợp chất lưu huỳnh dạng metylmercaptan (CH3SH) và dimetylsunfit (CH3-S-CH3) do quá trình oxi hóa mercaptan tạo thành:
2CH3SH + 1/2O2 → H3C – S – S – CH3 + H2O (3) Trong đường cống thoát nước với nước thải không chảy đầy nên oxy xâm nhập vào tạo nên sự hình thành sunfua và ngưng tụ thành axit sunfuric trên vòm ống. Các quá trình này được biểu diễn trên Hình 3.
Sự vận chuyển nước thải trong đường cống thoát nước, trên các công trình thoát nước và trạm bơm cũng như trong các công trình XLNT tạo nên sự phát tán H2S lên thành và vòm công trình hoặc ra môi trường bên ngoài.Trong các CTTN việc ăn mòn bê tông không xảy ra khi nồng độ H2S ≥ 0,2 ppm [7]. Những nơi dễ phát tán H2S vào không khí là tại giếng chuyển bậc, giếng tiếp nhận nước thải trạm bơm nâng, ngăn tiếp nhận và đập tràn phân phối nước thải vào đầu công trình xử lý, bể lắng cát, song chắn rác, bể lắng đợt một, bể nén bùn,... Hàm lượng khí H2S có thể tích tụ ở đây từ vài đến trên 1.000 ppm (tại khoảng tiếp nhận bùn đã phân hủy). Trong giếng thăm mạng lưới thoát nước thải thành phố, nồng độ H2S thường đạt tới 50 ppm [7]. Tuy nhiên cũng dễ nhận thấy rằng điều kiện thoáng khí ở trong cống thoát nước thường thấp nên mức độ xâm thực do tích tụ H2S ở trên đường cống thoát nước sẽ lớn hơn trong các công trình XLNT.
Khí sunfua hydro khuyếch tán ra không khí từ nước thải sẽ bám vào thành cống và công trình XLNT, tích tụ ở đó. Vi khuẩn Thiobacillus ferrooxidans có trong môi trường lại tiếp tục oxy hóa nó thành axit sunfuric, gây ra hiện tượng ăn mòn kim loại theo các phản ứng sau đây:
2FeS2 + 7O2 + 2H2O → 2FeSO4 + 2H2SO4 (4) 4FeSO4 + O2 + 2H2SO4 → 2Fe2(SO4)3 + 2H2O (5) Ăn mòn do axit sunfuric xảy ra nhanh và rất nghiêm trọng. Trong xi măng có chứa khoáng 3CaO.Al2O3, khi thuỷ hoá tạo ra khoáng hyđro aluminat canxi dạng: 3CaO.Al2O3.6H2O(C3AH6). Khi ion SO42- thấm vào khối bê tông sẽ xẩy ra phản ứng:
C3AH6 + 3Ca2+ + 3SO42- + 26 H2O →C3A.3CaSO4.26H2O
+3 H2 (6)
Sản phẩm của phản ứng (ettringit) có thể tích tăng gấp
4,76 lần so với các chất tham gia phản ứng tạo ra ứng suất phá vỡ cấu trúc đá xi măng (ăn mòn sunfat). Khoáng C3S trong xi măng khi thuỷ hoá giải phóng ra Ca(OH)2 và tương tác với ion sunfat theo phản ứng:
Ca(OH)2+Mg+2+SO4-2 +2H2O → CaSO4.2H2O+Mg(OH)2 (7) Các sản phẩm của phản ứng này bị hoà tan và bị rửa trôi trong đường cống và công trình thoát nước.
Ngoài việc gây ăn mòn bê tông, khí H2S phát tán gây mùi hôi ra môi trường. Con người có thể phát hiện ra mùi khó chịu của khí H2S khi nồng độ ở mức 0,3 ppm và bị ảnh hưởng hoàn toàn khi nồng độ 3 pmm [6]. Theo một số nghiên cứu trong nước sông Tô Lịch hàm lượng hydro sunfua 5,32 mg/l thì mức độ phát tán khí H2S là 2.828 mg/m/h [7].
Hợp chất sunfua cũng rất dễ tạo thành muối với các ion kim loại nặng thành hợp chất khó tan lắng xuống dưới đáy các khu vực tiếp nhận nước. Trong các quá trình yếm khí nước thải và bùn thải hữu cơ có nguy cơ hình thành khí sunfua hydro, ức chế hoạt tính của vi sinh vật trong công trình xử lý. Mặt khác chất hữu cơ chứa lưu huỳnh có sẵn trong bùn, với môi trường yếm khí sẽ gia tăng sự hình thành sunfua trong HTTN.
Hình 2. Quan hệ các dạng H2S, HS- và S2- khi pH khác nhau của dung dịch chứa 10-3M H2S [3]
Hình 3. Sơ đồ hình thành sunfua trong cống thoát nước thải [2]