7. GIỚI HẠN CỦA ĐỀ TÀI
4.2 CÁC CHỈ TIÊU HÓA HỌC VÀ PHƯƠNG PHÁP XÁC ĐỊNH [2]
4.2.1. Độ cứng của nước
Độ cứng của nước do hàm lượng canxi và magie hòa tan trong nước tạo nên. Độ cứng của nước thường không được coi là ô nhiễm vì không gây hại đến sức khoẻ con người. Nhưng độ cứng lại gây ảnh hưởng lớn đến công nghệ và hậu quả kinh tế. Độ cứng của nước có hai dạng chính:
• Độ cứng tạm thời do cacbonat và hidrocacbonat của canxi và magie bị kết tủa khi đun sôi nước. Hiện tượng này rất rõ ở thành ấm đun nước.
• Độ cứng vĩnh cửu do xuất hiện các muối sunfat và clorua của Ca và Mg. Bên cạnh hai cation này thì stronti, sắt và mangan cũng tham gia tạo độ cứng. Xác định độ cứng của nước bằng phương pháp tính toán: Phương pháp này dựa trên việc phân tích riêng lẻ Ca, Mg và sau đó dựa vào công thức để tính độ cứng và biểu thị ra mg/l CaCO3
4.2.2 . Hàm lượng oxy hoà tan (DO)
Oxy hoà tan trong nước sẽ tham gia vào quá trình trao đổi chất, duy trì năng lượng cho quá trình phát triển, sinh sản và tái sản xuất cho các sinh vật sống trong nước.
Oxy hoà tan trong nước phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ, thành phần, tính chất nguồn nước. Áp suất tăng, độ hoà tan của oxy vào nước tăng, khi nhiệt độ tăng thì độ hoà tan của oxy vào nước giảm. Hàm lượng oxy hoà tan trong nước tuân theo định luật Henry. Thông thường nồng độ oxy hòa tan ở thời điểm tới hạn là 8mg/l.
Chỉ số DO rất quan trọng để duy trì điều kiện hiếu khí và là cơ sở để xác định nhu cầu oxy sinh học.
Khi chỉ số DO thấp, trong nước có nhiều chất hữu cơ, nhu cầu oxy hoá tăng nên sự tiêu thụ oxy trong nước nhiều.
Khi chỉ số DO cao, trong nước có nhiều rong tảo tham gia quá trình quang hợp, giải phóng oxy. Nhiều oxy trong nước không làm chất lượng nước xấu đi nhưng làm ăn mòn kim loại và phá hủy bêtông.
4.2.3 . Độ pH
Độ pH là một trong những chỉ tiêu cần kiểm tra đối với chất lượng nước cấp và nước thải. Giá trị pH cho phép ta quyết định xử lý nước theo phương pháp thích hợp hoặc điều chỉnh lượng hóa chất trong quá trình xử lý nước như đông tụ hóa học, khử trùng hoặc trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học. Sự thay đổi giá trị pH trong nước có thể dẫn tới những thay đổi về thành phần các chất trong nước do quá trình hòa tan hoặc kết tủa, hoặc thúc đầy hay ngăn chặn những phản ứng hóa học, sinh học xảy ra trong nước.
Về mặt môi sinh, trong thiên nhiên pH ảnh hưởng đến hoạt động sinh học trong nước, liên quan đến một số đặc tính như tính ăn mòn, tính hoà tan… Chi phối các quá trình xử lý nước như lắng phèn, khử sắt, diệt khuẩn… Vì thế, việc xác định pH để hoàn chỉnh chất lượng nước cho phù hợp với yêu cầu kĩ thuật trong từng khâu quản lý rất quan trọng. Độ pH phản ánh tính chất của nước là trung tính, axit hay kiềm.
4.2.4 . Độ axit
Độ axit biểu thị khả năng phóng thích proton H+ của nước. Độ axit của mẫu nước phần lớn do sự hiện diện của các loại axit yếu như axit cacbonic, axit tanic, axit humic bắt đầu từ phản ứng phân huỷ các hợp chất hữu cơ gây ra, phần khác do sự thuỷ phân các muối của axit mạnh như sunfat nhôm, sắt tạo thành. Đặc biệt, khi bị các axit vô cơ thâm nhập, nước sẽ có pH rất thấp.
Nước thiên nhiên sử dụng cho nước cấp luôn duy trì một thế cân bằng giữa các ion bicacbonat, cacbonat và khí cacbonic hoà tan, do đó nước thiên nhiên đồng thời mang hai tính chất đối nhau: Tính axit và tính kiềm. Khi bị ô nhiễm bởi các axit vô cơ hoặc các muối acid từ khu vực hầm mỏ, đất phèn hoặc do nước thải công nghiệp, pH thấp hơn 7 khá nhiều.
Trong thực nghiệm có 2 khoảng pH chuẩn được sử dụng để biểu thị sự khác biệt trên. Khoảng pH thứ nhất ứng với điểm đổi màu của metyl da cam (từ 4,2 đến
4,5) đánh dấu sự chuyển biến ảnh hưởng của các axit vô cơ mạnh sang vùng ảnh hưởng của axit cacbonic. Khoảng pH thứ 2 ứng với khoảng chuyển màu của phenolphtalein (từ 8,2 đến 8,4) chuyển sang vùng ảnh của nhóm cacbonat trong dung dịch.
CO2 + H2O → H2CO3 → H+ + HCO3 → H+ + CO2- pH ═ 5 pH ═ 8,3
Độ axit trong nước ảnh hưởng tới chất lượng nước và làm ăn mòn các thiết bị chứa cũng như đường ống dẫn nước.
4.2.5 . Độ kiềm
Đặc trưng bởi các muối của axit hữu cơ như humat, bicacbonat, cacbonat, hyrat…Trong thự tế, các muối axit yếu như: Borat, silicat cũng gây ảnh hưởng lớn đến độ kiềm. Một vài axit hữu cơ bền với sự oxy hóa sinh học như axit humic, dạng muối có khả năng làm tăng độ kiềm. Trong điều kiện thiên nhiên thích hợp, tảo dễ dàng xuất hiện và tồn tại đối với một vài nguồn nước mặt, quá trình phát triển và tăng trưởng của tảo phóng một lượng đáng kể cacbonat và bicacbonat làm cho pH tăng dần có thể tăng đến 9– 10. Những nguồn nước được xử lý với hóa chất có chứa nhóm cacbonat cũng làm tăng giá trị pH.
Độ kiềm cao trong nước có thể gây ảnh hưởng đến sự sống của các sinh vật trong nước, là nguyên nhân gây nên độ cứng trong nước. Trong kiểm soát ô nhiễm nước thì độ kiềm là chỉ tiêu cần biết để tính toán cho quá trình trung hoà hoặc làm mềm nước, hoặc làm mềm nước, hoặc làm đệm trung hoà axit sinh ra trong quá trình đông tụ.
4.2.6 . Độ oxy hóa
Độ oxy hóa còn gọi là nhu cầu oxy cho quá trình sinh hóa (BOD) là lượng oxy cần thiết để vi sinh vật tiêu thụ trong quá trình oxy hóa các chất hữu cơ có trong nước (đặc biệt là nước thải). Trong nước, các vi sinh vật hiện có sẽ sử dụng các chất hữu cơ có trong nước như là nhu cầu cho tăng trưởng và sinh sản. Vì điều đó chúng sử dụng oxy trong nước. Sự giảm oxy này hoặc hết oxy làm chết các cây thủy sinh và các loại cá. Như vậy nước thải có thể hủy hoại toàn bộ môi trường tự nhiên. Nếu nước không tĩnh (do dòng chảy trong sông hoặc sóng trong các hồ), oxy trong
không khí được hòa tan vào trong nước và được cung cấp cho các vi sinh vật để loại bỏ các chất hữu cơ trong nước thải. Sự loại bỏ đó được gọi là “khả năng tự làm sạch” của nguồn nước.
Người ta có thể đánh giá mức độ nhiễm bẩn của nước thải và nguồn nước bằng cách đo “nhu cầu oxy”. Phương pháp đại diện nhất của hiện tượng tự nhiên tự làm sạch là nhu cầu oxy sinh hóa.
4.2.7 . Nhu cầu oxy sinh hóa trong 5 ngày
Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) là lượng oxy tiêu thụ bởi vi sinh vật để oxy hóa các chất hữu cơ ở nhiệt độ 20oC trong bóng tối. Thời gian cần thiết để các vi sinh vật oxy hóa hoàn toàn các chất hữu cơ cần 21–28 ngày.
Vì lí do thời gian này rất lâu, người ta đã quy định sau 5 ngày để định nghĩa nhu cầu oxy sinh hoá trong 5 ngày kí hiệu là BOD5. Nếu biết BOD5 thì cũng có thể tính được giá trị của BOD20 bằng cách dùng hệ số chuyển đổi 0,684:
BOD20═ BOD5/0,684
Nước nguyên chất không chứa nhiều oxy hòa tan. Để đo BOD5 cần phải đưa vào một ít chất thải vào trong một lượng lớn nước sạch bão hoà oxy sao cho sau 5 ngày vẫn còn khoảng 30%- 60% oxy hoà tan ban đầu. Mặt khác có thể loại trừ được ảnh hưởng của lượng oxy tiêu thụ cho quá trình nitrat hoá ở giai đoạn 2. Sau khi đo lượng oxy hoà tan trong nước sạch sau 5 ngày và oxy còn lại trong mẫu có pha nước thải, người ta tính lượng oxy tiêu thụ bằng cách nhân kết quả với tỉ số pha loãng.
Chỉ số BOD càng cao chứng tỏ lượng chất hữu cơ có khả năng phân huỷ sinh học ô nhiễm trong nước càng lớn.
Quá trình oxy hóa các chất hữu cơ trong nước có thể xảy ra qua 2 giai đoạn:
Giai đoạn 1:
Chủ yếu oxy hóa các hợp chất cacbuahydro, quá trình này kéo dài chừng 20 ngày ở nhiệt độ 20oC
CmHm + (n+m/2) O2 → m/2 H2O + nCO2
Oxy hóa các hợp chất nitơ, bắt đầu ngay sau ngày thứ 10 (có thể có trường hợp bắt đầu từ ngày thứ 5): Vi khuẩn nitrosomanas 2 NH3 +3O2 2 NO2- + 2H+ + 2 H2O Vi khuẩn nitrobacter 2 NO2- + O2 2 NO3-
4.2.8. Nhu cầu oxy hóa học
Chỉ số BOD là quan trọng, tuy nhiên trên thực tế, BOD không đặc trưng cho số lượng đầy đủ chất hữu cơ có trong nước thải. Để xác định tổng lượng oxy cần thiết người ta sử dụng phương pháp manganat hay bicromat là những tác nhân oxy hóa mạnh. Lượng oxy sử dụng cho quá trình này gọi là nhu cầu oxy hóa học (COD).
Chỉ số COD biểu thị cả lượng chất hữu cơ không thể bị oxi hóa sinh học, do đó nó có giá trị oxy hóa cao hơn giá trị của BOD. Đối với nhiều loại chất thải chỉ số BOD và COD có mối tương quan nhất định với nhau. Tỉ số COD/BOD luôn thay đổi tuỳ thuộc vào tính chất của nước thải. Tỉ số COD/BOD càng nhỏ thì xử lý sinh học càng dễ.
4.2.9. Chỉ số Fe
Sắt là nguyên tố phân bố rộng rãi trong đất thường ở trạng thái có độ tan thấp. Do các phản ứng hóa học, sinh học, chúng chuyển hoá thành dạng ion hoà tan, chủ yếu là Fe(II) thấm vào nước ngầm. Khi Fe2+
tiếp xúc với oxy hay tác nhân oxy hóa, ion Fe2+ bị oxy hóa thành Fe3+ và kết tủa thành các bông cặn Fe(OH)3 có màu nâu đỏ.
Hàm lượng sắt cao hơn 0,5 mg/l nước có mùi tanh, làm váng quần áo khi giặt, làm hỏng các sản phẩm của ngành dệt, giấy.
Có thể xác định hàm lượng sắt bằng phương pháp hấp phụ quang phổ nguyên tử.
4.2.10. Hàm lượng mangan
Mangan (Mn) là nguyên tố khá phổ biến trong vỏ trái đất, nó được đưa vào môi trường do quá trình rửa trôi, xói mòn và do chất thải công nghiệp luyện kim, phân bón… Mangan có độc tính không cao nhưng có ảnh hưởng tới vị giác.
4.2.11. Các hợp chất của nitơ
Các hợp chất hữu cơ có trong nước thường tồn tại dưới dạng amoniac, nitrat và nitơ tự do. Tồn tại những hợp chất này chứng tỏ nguồn nước bị nhiễm bẩn bởi nguồn nước thải. Nếu có NH3 chứng tỏ nguồn nước đang nhiễm bẩn rất nguy hiểm cho cá. Có HNO2, HNO3 chứng tỏ đã nhiễm nước bẩn quá lâu, các quá trình oxy hoá đã kết thúc. Những hợp chất nitơ có trong nước cũng có thể do các chất vô cơ gây nên.
4.2.12. Clorua (Cl-)
Clo có mặt trong nước là do các chất thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp mà chủ yếu là công nghiệp chế biến thực phẩm, ngoài ra do sự xâm nhập của nước biển vào các cửa sông.
Nước có Cl-
với lượng 300mg/l có thể gây cảm giác mặn. Một lượng lớn ion clo có thể ăn mòn đường ống bằng kim loại và gây hại đến sự phát triển của động - thực vật. Do vậy kiểm tra hàm lượng clo trong nước là rất quan trọng. Có thể xác định hàm lượng clo trong nước bằng phương pháp dùng điện cực chọn lọc ion, phép đo iod (chuẩn độ oxy hoá - khử), phương pháp Morh, phương pháp Fajans.