Chương 11 QUẢN LÝ CHẤT LƯỢNG VÀ BẢO VỆ MÔI TRƯỜNG NƯỚC
11.2. KIẾN THỨC CƠ SỞ ĐỂ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC
Nước sơng ngịi, hồ ao chứa nhiều các chất hữu cơ, vô cơ, các loại vi sinh vật khác nhau. Tỷ lệ thành phần của các chất trên có trong một mẫu nước phản ánh chất lượng nước của mẫu. Bố trí những vị trí lấy mẫu, phân tích định tính, định lượng, thành phần các chất trong mẫu nước trong phịng thí nghiệm là nội dung chủ yếu để đánh giá chất lượng và phát hiện tình trạng ơ nhiễm nguồn nước.
11.2.1. Những thơng số vật lý, hố học, sinh học của chất lượng nước
Có ba loại thơng số phản ánh các đặc tính khác nhau của chất lượng nước là thông số vật lý, thông số hố học và thơng số sinh học.
1. Thơng số vật lý. Thông số vật lý bao gồm màu sắc, mùi, vị, nhiệt độ của nước, lượng các chất rắn lơ
lửng và hòa tan trong nước, các chất dầu mỡ trên bề mặt nước.
Phân tích màu sắc của nguồn nước cần phân biệt màu sắc thực của nước và màu sắc của nước khi đã nhiễm bẩn. Loại và mật độ chất bẩn làm thay đổi màu sắc của nước. Nước tự nhiên không màu khi nhiễm bẩn thường ngả sang màu sẫm. Còn lượng các chất rắn trong nước được phản ánh qua độ đục của nước.
2. Thơng số hố học. Thơng số hố học phản ánh những đặc tính hố học hữu cơ và vơ cơ của nước.
a) Đặc tính hố hữu cơ của nước thể hiện trong quá trình sử dụng ơxy hịa tan trong nước của các loại vi khuẩn, vi sinh vật để phân huỷ các chất hữu cơ.
Nước tự nhiên tinh khiết hồn tồn khơng chứa những chất hữu cơ nào cả. Nước tự nhiên đã nhiễm bẩn thì thành phần các chất hữu cơ trong nước tăng lên, các chất này luôn bị tác động phân huỷ của các vi sinh vật. Nếu lượng chất hữu cơ càng nhiều thì lượng ơxy cần thiết cho q trình phân huỷ càng lớn, do đó lượng ơxy hịa tan trong nước sẽ giảm xuống, ảnh huởng đến quá trình sống của các sinh vật nước. Phản ánh đặc tính của q trình trên, có thể dùng một số thơng số sau:
- Nhu cầu ôxy sinh học BOD(mg/l) - Nhu cầu ơxy hố học COD(mg/l) - Nhu cầu ôxy tổng cộng TOD(mg/l) - Tổng số các bon hữu cơ TOC (mg/l).
Các thông số trên được xác định qua phân tích trong phịng thí nghiệm mẫu nước thực tế. Trong các thông số, BOD là thông số quan trọng nhất, phản ánh mức độ nhiễm bẩn nước rõ rệt nhất.
b) Đặc tính vơ cơ của nước bao gồm độ mặn, độ cứng, độ pH, độ axít, độ kiềm, lượng chứa các ion
Mangan (Mn), Clo (Cl), Sunfat (SO4), những kim loại nặng như Thủy ngân (Hg), Chì (Pb), Crơm (Cr),
Đồng (Cu), Kẽm (Zn), các hợp chất chứa Ni tơ hữu cơ, amôniac (NH3,NO2, NO3) và Phốt phát (PO4).
3. Thông số sinh học. Thông số sinh học của chất lượng nước gồm loại và mật độ các vi khuẩn gây
bệnh, các vi sinh vật trong mẫu nước phân tích. Đối với nước cung cấp cho sinh hoạt yêu cầu chất lượng cao, cần đặc biệt chú ý đến thông số này.
11.2.2. Nhu cầu oxy sinh học BOD
1. Khái niệm
Các chất bẩn trong nước phần lớn là các chất hữu cơ, chúng không phải là những chất độc cho các
sinh vật sống. Chúng không ảnh hưởng đến độ pH. Trong nước, hầu hết các chất hữu cơ bị tác động phân huỷ của các vi sinh vật thành các hợp chất đơn giản. Trong q trình đó vi sinh vật cần ơxy. Nếu lượng chất hữu cơ trong nước càng lớn và mật độ vi sinh vật càng cao thì lượng ơxy cần thiết cho quá trình phân huỷ yêu cầu càng nhiều. Lượng ôxy cần thiết để các vi sinh vật phân huỷ các chất hữu cơ trong một đơn vị mẫu nước là nhu cầu ôxy sinh học BOD. Đơn vị của BOD là mg/l. Thông thường để xác định BOD người ta phân tích mẫu nước trong điều kiện nhiệt độ 200 C trong thời gian 5 ngày. BOD đo được gọi là BOD5.
Phân tích BOD trong một mẫu nước thí nghiệm chứa trong một bình thủy tinh có thể thấy q trình sử dụng ơxy của tế bào vi sinh vật chia thành hai giai đoạn. Đầu tiên nhân của tế bào vi sinh vật dùng ôxy để phân huỷ các chất hữu cơ, lấy năng lượng cho nó lớn lên. Giai đoạn này diễn ra trong khoảng từ 18 đến 36 giờ. Tiếp theo là giai đoạn các tế bào vi sinh vật dùng ôxy để ơxy hố hay cho q trình trao đổi chất bên trong các tế bào vi sinh vật. Giai đoạn này không dài hơn 20 ngày. Tốc độ của phản ứng trong giai đoạn
đầu thường gấp từ 10 đến 20 lần tốc độ của giai đoạn sau, nên đường cong BOD trong giai đoạn đầu cũng
178
2. Công thức BOD
Q trình sử dụng ơxy trong thí nghiệm trên có thể biểu thị dưới dạng cơng thức tốn học như sau: Gọi L là lượng ơxy hịa tan trong nước. Trong q trình sử dụng ơxy của vi sinh vật, sự biến đổi của L theo thời gian có dạng:
KL dt
dL =− (11.1) trong đó: K- hệ số tốc độ trung bình của phản ứng trung bình BOD.
Tích phân ta được:
Lt = L0e-Kt (11.2) trong đó L0- tổng số lượng ơxy sử dụng trong phản ứng, Lt - BOD còn lại thời điểm t.
Đặt y = L0- Lt thì y là tổng số ôxy đã sử dụng hoặc BOD đã sử dụng sau thời gian t, thì phương trình
(11.2) có thể viết thành:
y = L0(1- e -Kt) (11.3)
hoặc
y = L0(1 - 10K't) (11.4)
trong đó: K' - hệ số tốc độ trung bình của phản ứng trên cơ sở cơ số 10. Quan hệ giữa K và K' như sau:
K = 2,303K'
Loại nước thải K'(1/ ngày) Nước thải chưa xử lý 0,15- 0.28
Nước thải đã qua bộ phận lọc 0,12 - 0,22 Nước thải đã xử lý vi sinh vật 0,06 - 0,10
Nước sơng ít nhiễm bẩn 0,04 - 0,08
Trong phương trình (11.3) hệ số K phụ thuộc số lượng và đặc tính tự nhiên của những chất hữu cơ có trong nguồn nước thải. Đối với dòng nước thải giàu chất hữu cơ, tốc độ sử dụng ôxy trong giai đoạn một rất nhanh nên hệ số K lớn. Đối với dòng nước thải đã xử lý, lượng chất hữu cơ còn thấp, cho nên hầu hết lượng ôxy dùng trong giai đoạn 2. Hệ số K trong trường hợp này thấp hơn ở trường hợp trên nhiều.
Hai hệ số K, K' đều là ẩn số trong phương trình BOD, chúng có thể tính tốn gián tiếp dựa vào số liệu thực đo.
3. Sự ơxy hố trong phản ứng BOD.
Sự ơxy hố trong thí nghiệm BOD như trên xảy ra thành hai giai đoạn:
Ơxy hố các hợp chất chứa các bon (các bon nát hố) và ơxy hoá các hợp chất chứa nitơ (nitơ rát hoá). Sự ơxy hố các hợp chất chứa các bon xảy ra đầu tiên và được thể hiện như phương trình BOD (11.3)
) 1 ( 0 Kt e L y= − − và theo quá trình CxHyOz ™ CO2 + H2O
Sự ơxy hố hợp chất chứa ni tơ tiếp sau q trình các bơ nát hố theo q trình: NH3 ™ NO2™ NO3
với tốc độ chậm hơn.
Trong một số điều kiện, có thể cả hai q trình ơxy hố trên xảy ra đồng thời. Nhưng nói chung, sự ni tơ rát hoá chỉ bắt đầu khi nhu cầu các bon đã thoả mãn. Biểu thức toán học của phản ứng sẽ gồm hai phần.
) 1 ( ) 1 ( 1 2 0 t K N t K L e e L y = − − + − − trong đó:
L0 - nhu cầu ơxy hố tối đa cho các bon nát nát hoá;
LN - nhu cầu ơxy hố tối đa cho ni tơ rát hoá
K1 - hệ số tốc độ của sự các bon nát hoá;
K2 - hệ số tốc độ của sự ni tơ rát hoá.
11.2.3. COD, TOD, TOC
1. COD là nhu cầu ôxy hoá học tức nhu cầu ơxy hố cần thiết cho ơxy hố học các chất trong một đơn
vị mẫu nước (mg/l). Nếu biết được phương trình phản ứng hố học thì có thể tính được lượng COD theo lý thuyết. Thí dụ ơxy hố 1.000mg phênol:
C6H5OH7+7O2™ CO2+3H2O
COD lý thuyết =(1.000)(224)/94 = 2.383mg.
Không phải tất cả các chất hữu cơ đều dễ dàng bị ơxy hố học. Các loại đường, các chất béo có cấu
trúc mạch phân nhánh thường dễ bị ơxy hố hồn tồn. Cịn benzen, toluen khơng bị ơxy hố. Các axít amin, các axít có cấu trúc mạch thẳng có thể hồn tồn bị ơxy hố khi có chất xúc tác là sunfat nhơm(Ag2SO4) tham gia.
Ngồi các tính lý thuyết, COD cũng có trong sổ tay ''Những phương pháp tiêu chuẩn để kiểm tra chất lượng nước và nước thải''.
2. TOD là nhu cầu ôxy tổng cộng, cần thiết cho hai q trình ơxy sinh học (BOD) và ơxy hố học
(COD). Đơn vị mg/l.
3. TOC là tổng số các bon hữu cơ trong một đơn vị mẫu nước. TOC được xác định nhờ dụng cụ phân
tích các bon.
Trong thí nghiệm này, một mẫu nước, hoặc nước thải được đưa vào một ống với nhiệt độ từ 900 đến 1.000 0C, nước sẽ bốc hơi, các chất có các bon sẽ bị ơxy hố hồn tồn nhờ chất xúc tác Cô ban và luồng ôxy thổi qua. Luồng khí gồm CO2' O2, hơi nước sẽ được dẫn đến bình ngưng tụ, cịn khí CO2, O2 tiếp tục dẫn đến máy phân tích hồng ngoại. Lượng các bon hữu cơ sẽ được xác định và vẽ trên biểu đồ bằng bộ
phận tự ghi.