IV. GIỚI THIỆU MỘT SỐ TIÊU CHUẨN, QUY CHUẨN ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG MÔ
b. Nhu cầu oxy hóa học (COD – Chemical Oxygen Demand)
Chỉ số này được dùng rộng rãi để biểu thị hoá hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải và mức độ ô nhiễm nước tự nhiên. Chỉ tiêu nhu cầu oxy sinh hoá BOD không đủ để phản ánh khả năng oxy hoá các chất hữu cơ khó oxy hoá và các chất hữu cơ có thể bị oxy hoá trong nước thải nhất là nước thải công nghiệp. Vì vậy cần phải xác định nhu cầu oxy hoá học (COD, mg/l) để oxy hoá hoàn toàn các chất bẩn có trong nước thải. COD được định nghĩa là nhu cầu oxy cần thiết để oxy hoá chất hữu cơ trong mẫu nước thành CO2 và nước bằng các chất oxy hoá mạnh. Lượng oxy này tương đương với hàm lượng chất hữu có thể bị oxy hoá được xác định khi sử dụng một tác nhân oxy hoá hoá học mạnh trong môi trường axít. Ví dụ một phản ứng phân hủy chất hữu cơ bằng K2Cr2O7 như sau:
Chất hữu cơ + K2Cr2O7 + H+ → CO2 + H2O + 2Cr3+ + 2K+.
Mức độ oxy hoá phụ thuộc vào loại vật chất, pH, nhiệt độ, thời gian phản ứng và nồng dộ chất oxy hoá cũng như các chất thêm vào nếu có. KMnO4 là chất oxy hoá dùng để xác định các thành phần hữu cơ trong
nước và nước thải. Phương pháp này dễ thực hiện, tuy nhiên có những mặt hạn chế liên quan đến các vật chất hữu cơ như axít amino, ketones, hoặc axít cacboxylic bão hoà. Các vật chất này không thể oxy hoá bằng KMnO4. Do đó, phương pháp này chủ yếu được áp dụng đối với những khu vực ít ô nhiễm hoặc đánh giá chất lượng nước uống, các kết quả chỉ mang tính chất khuynh hướng. Việc đo đạc chủ yếu thực hiện trong dung dịch axít các ion Mn4+ bị khử thành Mn2+.
MnO4- + 8H+ + 5e- ↔ Mn2+ + 4H2O
Để thu được các kết quả đo COD chính xác hơn, KMnO4 được thay bằng K2Cr2O7 (một chất oxy hoá mạnh hơn).
Cr2O72- + 14H+ + 6e- ↔ 2Cr3+ + 7H2O
Phương pháp này được sử dụng để xác định COD trong tất cả các loại nước và nước thải. Tất cả các vật chất hữu cơ hầu như bị oxy hoá hoàn toàn. Nồng độ (mg/l O2) từ 10 -15 mg/l có thể an toàn trong đo đạc.
Để diễn dải các kết quả, vấn đề quan trọng cần chú ý đối với các giá trị COD là không thể chuyển đổi trực tiếp lượng đo đạc các vật chất hữu cơ tồn tại khi không định lượng được các thành phần. Các vật chất khác nhau yêu cầu lượng hoá chất dùng trong oxy hoá khác nhau để xảy ra phản ứng oxy hoá hoàn toàn.
Ví dụ: oxalic axít (C2H2O4) 0,18 mg/mg chất axetic axít (C2H4O2) 1,07 mg/mg chất phenol (C6H6O) 2,38 mg/mg chất Đối với nước thải sinh hoạt thường là 1,2 mg COD/mg chất hữu cơ.
Các chất hữu cơ trong nước có hoạt tính hóa học khác nhau. Khi bị oxy 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 oxyd 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).
COD và BOD đều là các thông số định lượng chất hữu cơ trong nước có khả năng bị oxy hoá, nhưng hai chỉ số này khác nhau về ý nghĩa. COD cho thấy toàn bộ chất hữu cơ (và cả các nhóm vô cơ có tính khử) có trong nước bị oxy hoá bằng tác nhân hoá học. BOD chỉ thể hiện các chất hữu cơ dễ bị phân huỷ sinh học, nghĩa là các chất hữu cơ có thể bị oxy hoá bằng vi sinh vật có ở trong nước. Do vậy thông số COD luôn luôn lớn hơn BOD và tỉ số BOD/COD bao giờ cũng nhỏ hơn 1. Trong đó
BOD/COD > 0,5: Hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủy cao, quá trình tự làm sạch xảy ra rất mạnh. (tphẩm, bia, sữa, bánh kẹo…)
BOD/COD < 0,5: Hàm lượng chất hữu cơ dễ phân hủy thấp, quá trình tự làm sạch xảy ra yếu (hóa chất, giấy, dệt nhuộm…).
Tỉ số càng thấp có thể là trong nước bị nhiễm các chất có độc tính kìm hãm vi sinh vật phát triển và hoạt động, cũng có khi vi sinh vật bị chết. Như vậy BOD sẽ rất thấp hoặc có khi gần tới không. Do đó nhiều trường hợp kôn thể suy từ COD sang BOD và ngược lại.
Trong trường hợp các nguồn nước tự nhiên và nước thải không có chất độc và tương đối ổn định về thành phần, như nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp thực phẩm cùng một số ngành khác ta có thể xác định qua thực nghiệm được một hệ số chuyển đổi từ COD sang BOD và ngược lại. Vì vậy có thể sử dụng giá trị của phép đo COD là thông số chất hữu cơ bị phân huỷ trong quá trình xử lý nước thải.
c. Các chỉ thị hữu cơ khác (Tổng cacbon hữu cơ – TOC – Total Organic Carbon; Nhu cầu oxy lý thuyết – ThOD – Theoretical Oxygen Demand)
Trong quá trình oxy hóa hoàn toàn các vật chất hữu cơ, các hợp chất hữu cơ phân hủy hoàn toàn, cacbon hữu cơ chuyển thành cacbon vô cơ: CO và CO2. Sau khi sử dụng phương pháp loại bỏ cacbon vô cơ: CO, CO2, HCO3-, CO32-, thành phần cacbon xác định được trong mẫu là cacbon vô cơ. Nhu cầu oxy lý thuyết (ThOD0 được xác định dựa trên lượng tiêu hao oxy để phân hủy và chuyển hóa các hợp chất hữu cơ, các hợp chất của nitơ (NH3, NO2, NO3…)
Để đánh giá hoàn chỉnh về thành phần và tính chất của chất hữu cơ trong nước, thường xử dụng đồng thời và đầy đủ các giá trị BOD, COD, TOC, ThOD). Trong đó, đối với nước thải sinh hoạt chưa xử lý, mối quan hệ giữa các giá trị này được thể hiện như sau:
BODu = 0,9ThOD BOD5 = 0,77BODu ThOD = COD COD/TOC = 32/12 = 2,66 BODu/ThOD = 0,9 BOD5/COD = 0,7 BOD5/TOC = 1,85
Trong đó BODu là giá trị BOD tối đa khi thời gian phân hủy đủ dài.
Bảng 2.18. Giá trị trung bình lượng oxy tiêu thụ theo thời gian trong phân tích BOD
Thời gian (ngày) Giá trị BOD Phần trăm lượng oxy suy giảm
0 5 7 20 ∞ BOD0 BOD5 BOD7 BOD20 BODu 0 60 – 80 70 – 95 95 – 99 100
Tuy nhiên, các tỷ lệ trên đây phụ thuộc chặt chẽ vào tình trạng phân hủy sinh học của nước. Ví dụ, đối với môi trường có tỷ lệ BOD/COD nhỏ hơn 0,1 hoặc giá trị BOD rất gần với 0, có hai trường hợp xảy ra. Trường hợp thứ nhất: trong môi trường có thể không có chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học, chỉ chứa phần lớn là chất hữu cơ khó phân hủy sinh học. Trường hợp thứ hai: trong môi trường không thể xảy ra quá trình phân hủy sinh học các chất gây ô nhiễm do không có vi sinh vật, do các chất độc gây ảnh hưởng tới sự phát triển của sinh vật.
2.2.6. Nhóm các chất hữu cơ