Một sô chỉ tiêu đặc trưng của nước thải

NGUỒN GỐC VÀ NHỮNG ĐẶC ĐIỂM VỂ THÀNH PHẦN TÍNH CHAT CỦA Nước THẢI

9.2. THÀNH PHẦN TÍNH CHẤT NUỒC THẢI ĐÔ THỊ VÀ CÁC DẠNG CHẤT BẨN

9.2.2. Một sô chỉ tiêu đặc trưng của nước thải

Các chỉ tiêu đặc trưng nhất của nước thải là: nhiệt độ, màu sắc, mùi vị, độ trong, độ pH, chất tro và không tro, chất lơ lửng (SS - Suspendid solid), chất lắng đọng, BOD (Biochemical Oxygen Demand), COD (Chemical Oxygen Demand), hàm lượng các chất liên kết khác nhau của nitơ, phốt pho, clorid, sulíat, oxy hoà tan v.v... Sau đây xét một số chỉ tiêu cần thiết.

1. Hùm lượìig chất rắn

Tổng chất rắn là thành phần vật lí đặc trưng nhất của nước thải. Nó bao gồm các chất rắn không tan lơ lửng - chất Ịơ lửng (SS), chất keo và hoà tan.

Xác định hàm lượng tổng chất rắn bằng cách cho bay hơi một lượng nước thải trên bếp cách thuỷ và sấy khô ở nhiệt độ 105°c cho tới khi trọng lượng không đổi, sau đó đem cân và so sánh với khối lượng nước ban đầu, đcm vị bằng m g/1.

Chất rắn lơ lửng có kích thước hạt > 10"^mm có thể lắng được và không lắng được (dạng keo). Nó được xác định bằng cách cho nước thải thấm qua giấy lọc tiêu chuẩn với kích thước lỗ khoảng l ,2|4.m. Gạn lấy lượng cặn đọng lại trên giấy thấm, đem sấy ở nhiệt độ 105°c cho đến khi trọng lượng không thay đổi, đơn vị bằng mg/1.

Trong nước thải sinh hoạt cặn lơ lửng chứa 70% hữu cơ và 30% vô cơ.

Chất rắn lơ lửng lắng được là chất rắn có khả năng lắng tạo lớp cặn khi đế nước thải lắng yên trong ống nghiệm với thời gian 2 giờ, số cặn này chiếm khoảng 65 75% tính theo trọng lượng.

Cặn hoà tan có kích thước rất nhỏ < 10‘^min, cũng được xác định bằng phương pháp nêu trên nhưng chỉ đối với phần nước đã cho qua giấy lọc tiêu chuẩn. Cặn hoà tan có 90% là cặn hoà tan thực và 10% là keo. Cặn hoà tan có 40% là hữu cơ và 60% là vô cơ.

Lượng cặn được xác định theo cách đã trình bày đem đốt sấy ở nhiệt độ 800°c, phần tro gọi là chất tro (hay tinh cặn) - là các hạt thuộc nguồn gốc vô cơ. Phần chênh lệch giữa lượng cặn toàn phần và lượng tinh cặn là lượiig chất không tro (chất bay hơi) - là các hạt thuộc nguồn gốc hữu cơ.

2. Nhu cầu ôxy cho quá trình sinh hoủ (BOD) và lìoú học (COD)

Mức độ nhiễm bẩn nước thải bởi chất hữu cơ có thể xác định theo lượng ôxy cần thiết để ôxy hoá chất hữu cơ dưới tác động của vi sinh vật hiếu khí và được gọi là nhu cầu ôxy cho quá trình sinh hoá. Tuỳ theo mục đích nghiên cứu có thể xác định BOD đối với nước đã lắng sơ bộ hoặc đối với nuớc chưa lắng.

Nồng độ nhiễm bẩn của nước thải theo hàm lượng chất lơ lửng và theo hàm lượng BOD có thể xác định theo công ihức:

. _a.lOOO _ _

S20 = - mg/1 (9.1)

s>0 - Hàm lượng BOD20 hoặc hàm lượng chất lơ lửng, m g/1;

a - Định mức BODọo hoặc chất lơ lửng tính trên đầu người sử dụng hệ thống thoát nước g/(người.ngày), tham khảo bảng (9.5);

q - Tiêu chuẩn thải nước, //(người.ngày).

Nước thải đô thị thường là hỗn hợp nước thải sinh hoạt và nước thải sản xuất công nghiệp. Do vậy nồng độ hỗn hợp nước thải sinh hoạt và sản xuất Chh được xác định theo công thức:

CshQsh + Troiig đó:

Chh =

Q s h + Q s x

Trong đó:

Q h’ Qx ■ Hàm lượng theo chất !ơ lửng (hoặc theo BOD) của nưóc thải sinh hoạt và nước thải sản xuất, mg/1;

Q s h ’ Q s x ■ Lưu lượng nước thải sinh hoạt và nước thải sản xuất, m % g .đ .

Trong nước thải, BOD biến đổi phụ thuộc thời gian, theo thuyết động học có thể mô tả bằng phương trình;

dS

dt = -k ,S (9.2)

Trong đó: s - BOD tại thời điểm t;

k| - Hệ số tốc độ phản ứng.

Bảng 9.5. Định mức trọng lưọTig các chất nhiễm bẩn cơ bản tính theo đầu người

- Chất lơ lửng 65 g/(người.ngày)

- BOD^ của nước thải đã lắng trong 35 g/(người.ngày)

- BOD90 nưóc thải đã lắng trong 40 g/(người.ngày)

- Nitơ của muối amôn 8 g/(người.ngày)

- Phốt phát (P2O5) 1,7 g/(người.ngày)

- Clorua (Cl) 9 g/(người.ngày)

- Chất hoạt tính bề mặt 2,5 g/(người.ngày)

Có thể tính tích phân, biến đổi phưofng trình (9.2) như sau:

InS = - k ị t (9.3)

3)

BOD cỏn lai

— = e s

S o

) lúc ban đầu.

So

BODj -kl

s = s„,e

s

(9.4)

ố) So = BOD cuối của pha cacbon

Thời gian, ngày

ổ x y đã sử dụng

^ Thơ gian, ngày

Hình 9.1: a) Quan hệ íỊÌữa BOD còn lại với ílỉời ịỊịan plichi Ììỉiỷ;

h) Quan hệ {ỊÌữa BOD đã sử dụn^ vù íhời í^ian phân hiiỷ Mối quan hệ giữa k| (cơ số e) và ko (cơ số 10) như sau:

k

- 2,303 Hàm lượng BOD tại thời điểm t sẽ là:

(9.5)

s = s„e‘ k { (9.6)

(9.7) Hàm lượng BOD đã được phân huỷ trong thời gian t là:

BOD, = s „ - s = s „(l-e -'')

Mối quan hệ phụ thuộc giữa hàm lượng BOD còn lại và hàm lượng ôxy tiêu thụ với thời gian phân huỷ minh hoạ ở hình 9.1.

Giá trị hệ số tốc độ phản ứng rất khác nhau. Tuy nhiên với nước thải nó dao động từ 0,05 0,3/ngày (cơ số e) hoặc lớn hơn m ột chút. Cho cùng giá trị BOD tối đa, nhimg việc sử dụng ôxy sẽ khác nhau theo thời gian và khác nhau ca về hằng số tốc độ phản ứng.

Ngoài ra cũng cần nhấn mạnh thêm rằng, nhiệt độ cũng ảnh hưởng tới hệ số tốc độ phản ứng, xấp xỉ có thể xác định theo công thức:

(9.8) Trong đó: 0 nằm trong khoảng 1,056 -H 1,135.

Thời gian cần thiết để thực hiện quá trình phân huỷ phụ thuộc vào nồng độ nhiễm bẩn, có thể là 1,2, 3, 4, 5,... 20 ngày hay lâu hơn nữa.

Quan hệ giữa nhu cầu tiêu thụ ôxy và Ihời gian phân huý thể hiện ở hình 9.2. Theo số liệu thực nghiệm đối với nước thải sinh hoạt, với thời gian 20 ngày hầu như lượng BOD đã được tiêu hao gần hết, khoảng 99%. Hiện tượng ôxy hoá xảy ra rất không đồng đều theo thời gian. Bước đầu quá trình xảy ra với tốc độ mạnh, sau đó giảm dần. Ví dụ, đối với nước thải ở 20”c , qua 1 ngày đầu tiêu hao 21% lượng ôxy tổng cộng; qua 5 ngày 65%; qua 20 ngày 99% và qua 100 ngày ~ 100%. Như vậy, có thể lấy BOD20 làm chỉ tiêu cho quá trình ôxy hoá sinh hoá hoàn toàn các chất chữu cơ có chứa trong nước thải.

Các chất hữu cơ liên kết cácbon thường được ôxy hoá nhanh hơn các chất hữu cơ liên kết nitơ. Vì thế, BOD5 có thể được sử dụng làm chỉ tiêu ban đầu để giảm các liên kết cácbon. Tưy nhiên, cần lưu ý rằng BOD5 đôi lúc cũng bao hàm cả lượng ôxy đối với NH3-N và chất vô cơ dễ ôxy hoá như sulfite, muối sắt. Nếu biết giá trị của BOD5 thì cũng có thể tính được giá trị của BODiQ bằng cách dùng hệ số chuyển đổi 0,684:

BOD20 = BOD5/0,684 (9.9)

Thời gian, ngây

Hinh 9.2: Quan hệ ^iữa BOD vù thời ^ian phán ỉìuỷ

Trên thực tế BOD không đặc trưng cho số lượng đầy đủ chất hữu cơ có chứa trong nước thải. Vì rằng một phần chất hữu cơ ụr nó không bị ôxy hoá sinh hoá, phần khác dùng để tăng sinh khối. Để xác định tổng lưcmg ôxy cần thiết người ta sử dụng phương pháp ôxy hoá iôdát hay bicromát là những tác nhàn ôxy hóa hoá học mạnh. Lượng ôxy sứ dụng cho quá trình ôxy hoá chất hữii cơ bằng phương pháp hoá học này gọi là nhu cầu ôxy cho quá trình hoá học - COD.

Chỉ số COD biểu thị cả lượng các chất hữu cơ không thể bị ôxy hoá sinh học, do đó nó có giá trị 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 lí sinh học càng dễ.

Hình 9.3 giới thiệu mối tương quan giữa COD và BOD.

Ngoài các chỉ số COD và BOD người ta còn dùng một vài chỉ số khác để đo hàm lượng các chất hữu cơ trong nước như tổng cácbon hữu cơ TOC và nhu cầu ôxy theo lí thuyết ThOD. TOC chỉ dùng khi hàm lượng các chất hữu cơ trong nước rất nhỏ, còn ThOD chính là lượng oxy cần thiết để ôxy hoá hoàn toàn chất hữu cơ thành CO2 và nước. Hàm lượng này sẽ tính được khi biết cấu tạo công thức hoá học của các chất hữu cơ.

3. Ơxy hó tan (DO)

Ôxy thường có độ hoà tan thấp và phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ, nồng độ muối có trong nước thải... Trong quá trình xử lí, các vi sinh vật tiêu thụ ôxy hoà tan để ôxy hoá sinh hoá, đồng hoá các chất dinh dưỡng và chất nền (BOD, N, pj cần thiết cho sự sống, sinh sản và tăng trưởng của chúng. V ì vậy, giữ được ôxy hoà tan trong nước thải trong quá trình xử lí là yêu cầu quan trọng. Chỉ tiêu nồng độ ôxy hoà tan đảm bảo cho quá trình xử lí hiếu khí là 1,5 4- 2mg/l.

Để xác định nồng độ ôxy hoà tan trong nước, người ta thường dùng phươiig pháp iốt (còn gọi là phương pháp Winkler). Phương pháp phân tích này dựa vào quá trình ôxy hoá Mn*'^ thành trong môi trường kiềm, và lại có khả năng ôxy hoá I thành I2.12 được giải phóng tương đương với lượng ôxy hoà tan có trong nước. Lượng iốt này được xác định bằng phương pháp chuẩn độ với dung dịch natri thiosuníat (Na2S903).

Các phản ứng hóa học xảy ra như sau;

- Nếu không có ôxy trong mẫu nước:

Mn-^ + 2 0H" ^ Mn(0H)2 i (màu trắng) - Nếu có ôxy trong mẫu nirớc:

Mn“^ + 2 0 H ' + I/2O2 -> M nƠ2 ị (mầu nâu) + HoO Sau đó hoà tan chất kết tủa trên bằng axit H->SƠ4 đậm đặc:

M nO , + 2 F + 4H^ ^ M n'^ + I2 + 2H2O

- Đóng kín nút lắc ít nhất trong 10 giây đế phản ứng xảy ra hoàn toàn, rồi lấy 2(X)ml dung dịch này đem chuẩn độ với dung dịch 0.025N Na2Si03;

I2 + 2Na2SoƠ3 - > Na2S4Ơ6 (không màu) + 2NaI tinh bột

Kết quả Im l dung dịch chuẩn tưong đương lmg/1 ôxy hoà tan.

Hiện nay người ta đã sản xuất các máy đo ôxy hoà tan (DO) có độ chính xác cao phục vụ nghiên cứu và quan trắc môi trường. Việc xác định hàm lượng ôxy hoà tan có ý nghĩa quan trọng trong việc duy trì điều kiện hiếu khí của nước tự nhiên và phân huỷ hiếu khí trong quá trình xử lí nước thải. Mặt khác hàm lượng ôxy hoà tan còn là cơ sở xác định nhu cầu ôxy sinh hoá. Ngoài ra, ôxy còn là yếu tố quan trọng trong kiểm soát ăn mòn sắt thép,...

4. Các thành phần chất /lê/ì tron^ nước thủi sinh hoạt

Thành phần chất nển quan trọng trong nước thải bắt nguồn từ 3 loại thức ăn cơ bản là cacbonhydrat, protêin và chất béo.

- Cacbonhydrat là sản phẩm và là dạng phân nhỏ của axit hữu cơ, nó là thành phần đầu tiên bị phân huỷ trong quá trình hoạt động sống của vi sinh. Cacbonhydrat thường tồn tại ở những loại đường, hồ bột khác nhau và cả ở dạng các hợp chất xenlulo của bột giấy. Cacbonhydrat là nguồn đầu tiên cung cấp năng lưọng và các hợp chất hữu cơ chứa cácbon cho vi khuẩn sống trong nước thải.

- Protein và các sản phẩm phân huỷ của chúng như amin axit, là các hợp chất chứa nhiểu nitơ và có nguồn gốc từ động và thực \ ật. Protein là nguổn cung cấp nitơ cần thiết cho quá trình hình thành và phát trièn của tế bào vi sinh trong nước thải.

- Chất béo và dầu có nguồn gốc từ động, thực vật, chúng bị phân huỷ thành axit béo dưới tác động của vi khuẩn. Chất béo và díiu có độ hoà tan thay đổi trong nước, ở một số điều kiện nhất định thường nổi lên bề mật nước.

5. Trị s ố p H

Trị số pH cho biết nước thải có tính trung hoà pH = 7 hay tính axit pH < 7 hoặc tính kiềm pH > 7. Quá trình xử lí sinh học nước thải rất nhạy cảm với sự dao động của trị số pH. Quá trình xử lí hiếu khí đòi hỏi trị sô pH trong khoảng 6,5 -ỉ- 8,5 và khoảng giá trị tốt nhất là từ 6,8 7,4.

6. Hợị) chất nừơ và pliôt pho troiìiị nước thải

Xác định hàm lượng các liên kết nitơ có trong nước thải đô thị và công nghiệp cũng là cần thiết, vì chúng là thành phần dinh dưỡng cơ bản trong quá trình phát triển của vi sinh trong các công trình xử lí sinh học nước thải. Trong nước thải sinh hoạt, hàm lượng đạm kjedahl vào khoảng 15 ^ 20% BOD. Phần bổ sung hàng ngày của đạm kjedahl nằm giữa 10 H- 15g/người.

Trong nước thải đô thị và nước thải công nghiệp, nitơ tồn tại chủ yếu dưới dạng hữu cơ và amoniắc. Khi khử nitơ bằng sinh học xảy ra 4 quá trình cơ bản:

- Quá trình amôn hoá là quá trình biến đổi từ nitơ hữu cơ thành nitơ amôn.

- Quá trình đồng hoá là việc sử dụng một phần amôn và kể cả nitơ hữu cơ để tổng hợp vi khuẩn.

- Quá trình nitrat hoá là quá trình dưới tác động của nhóm vi khuẩn đặc biệt muối amôn được ôxy hoá để trở thành muối của axít nitrơ hay còn gọi là nitrit (RN O ,), sau đó trở thành muối của axít nitric hay còn gọi là nitrat (RNO3). Nitrát hoá được thực hiện bởi các vi sinh tự dưỡng.

Như vậy nitrit và nitrat chỉ có thể xuất hiện sau khi nước thải đã được xử lí trong các công trình sinh hoá như ở bể biôphin và aeroten.

Bằng thực nghiệm, người ta đã chứng minh được rằng lượng ôxy tiêu thụ cho quá trình ôxy hoá Img nitơ muối amôn ở giai đoạn tạo nitrit là 3,43mg o , , còn ở giai đoạn tạo nitrat là 4,5mg Oo.

Sự tồn tại của nitrit và nitrat ở trong nước thải biểu thị khả năng tạo khoáng của các chất liên kết hữu cơ chứa nitơ, nó cũng đặc trưng cho chế độ và hiệu quả công tác của các công trình xử lí. Quá trình nitrat hoá có ý nghĩa quan trọng trong kĩ thuật xử lí nước thải. Trước hết nó phản ánh mức độ khoáng hoá các chất hữu cơ như đã nói ở trên, nhưng quan trọng hơn là tích ỉuỹ được một lượng ôxy dự trữ có thể sử dụng để ôxy hoá chất hữu cơ không chứa nitơ khi lượng ôxy tự do bị cạn kiệt.

- Quá trình khử nitrat là quá trình trong đó các vi khuẩn dị dưỡng sử dụng ôxy liên kết của muối axít nitric đê’ thực hiện ôxy hoá nội bào (nguồn cácbon của chính bản thân các vi khuẩn). Kết quả của quá trình là giảm lượng nitrat và giải phóng nitơ tự do bay vào không khí.

Phốt pho cũng như nitơ, nhimg phốt pho là chất dinh dưỡng đẩu tiên cần thiết cho sự phát triển thảo mộc sống dưới nước. Nếu nồng độ phốt pho trong nước thải xả ra sông, suối, ao hồ vượt quá mức cho phép sẽ gây hiện tượng phì dưỡng. Phốt pho thường ở dạng phốt phát vô cơ và cũng như nitơ bắt nguồn từ chất thải là phân, nước tiểu, urê, phân bón dùng trong nông nghiệp và các chất tẩy rửa dùng trong sinh hoạt thường ngày,...

7. Cúv chất vô cơ quaiì trọn^ khúc

Để đánh giá tính chất nhiễm bẩn nước thải bởi khoáng vật người ta dùng chỉ tiêu về hàm lượng sulfat và cloriia. Trong nước thải đô thị hàm lượng sulíat vào khoảng 100 -r 150mg/l, còn hàm lượng clorua 150 250 mg/1. Hàm lượng sulíat và clorua thường không thay đổi trước và sau xử lí và cũng không làm ảnh hưởng tới các quá trình lí hoá, sinh hoá nước thải và cặn bã.

8. Các clìât độc hại trong nướv thải

C ác kim loại nặng: sắt, đồng, chì, kẽm, crôm (đặc biệt là crôm hoá trị 6), asen, antimon, nhôm,... thường tồn tại trong nước ở dạng ion là những chất thuộc nhóm độc

hại. Chúng phát sinh từ những nguồn gốc khác nhau, chủ yếu là do các hoạt động công nghiệp. Do chúng không phân huỷ nên các kim loại nặng tích tụ trong các chuỗi thức ăn của hệ sinh thái. Quá trình này bắt đầu với nồng độ thấp của các kim loại nặng tồn tại trong nước hoặc cặn lắng, rồi sau đó được tích tụ nhanh trong cơ thể các động vật và Ihực vật sống dưới nước. Tiếp đến các sinh vật khác sử dụng các động vật và thực vật này làm thức ăn trong chuỗi thức ăn dẫn đến nồng độ các kim loại nặng được tích tụ trong cơ thế sinh vật trở nên cao hơn. Cuối cùng đên sinh vật bậc cao nhất trong chuỗi thức ăn, nồng độ kim loại nặng đủ lớn để gây ra độc hại.

Hàm lượng của các kim loại nặng trong nước thải công nghiệp xả vào hệ thống thoát nước đô thị không được vượt quá giới hạn quy định đê không làm tổn thưong tới sinh khối.

C ác hoá c h ấ t bảo vệ thự c vật: Các hoá chất bảo vệ thực vật bao gồm: thuốc trừ sâu (insecticides), thuốc trừ nấm (fungicides), thuốc diệt cỏ (herbicides) và thuốc diệt tảo (algicides), nhưng người ta vẫn gọi chung là thuốc trừ sâu.

Thuốc trừ sâu gồm có các hydrocacbon clo hoá như eldrin, clordane, hợp chất ĐT, dieldrin, heptaclo, metoxyclo, taxaphene, hexachlorobenzen (BCH); các phốt phát hữu cơ như diazinon malathion, parathion,... Thuốc diệt cỏ gồm cacbonat; các hydrocacbon clo hoá: (2; 4)D, 1, 3, 5 - T, silvex. Thuốc diệt nấrn gồm đồng sulfat, íerbam, siram.

Thuốc diệt tảo chủ yếu là các hợp chất đồng.

Rất nhiều loại thuốc trừ sâu trước đây như ĐT, laxaphene và dieldrin là thuộc các hợp chất hydrocacbon clo hoá. Chúng là những hợp chất bển trong tự nhiên và tưong tự như CÍÍC kim loại nặng, chúng tồn tại trong nước rất lâu.

Người ta đã nghiên cứu xác định bản chất của các vấn đề chất lượng nước do các thuốc bảo vệ thực vật gây ra. Nước từ các vìing đất canh tác nông nghiệp là một nguồn chính gây ra sự nhiễm bẩn thuốc trừ sâu khi dổ vào nirớc np.ầni và nước mặt.

C ác hựp c h ấ t hữu cơ: Quá trình công nghiẹp hoá và phái triển công nghệ đã dẫn đến s ố lượng các hợp chất hữu cơ thải vào môi trLíờng ngày càng nhiều. Tác động của các hợp chất hữu cơ này rất nguy hiểm, có thể gây ung thư cho động vật,...

T rihalogenm etan (THM ): Trihalogenmetan được tạo thành khi các nguyên lố hoá học trong nhóm halogen (clo, brôm, iot) tác dụng với các lụyp chất hĩai cơ. Trong xử lí nước thải cần quan tâm tới THM clorofonn (CHCI3), bromodic lometan, clorodibromomctan và bromofonn (CHBr-,).

THM cũng có thế là nguyên nhân gây ung thư. C!o sứ dung đế khử trùng nước cấp và nước thải có thế tác dụng với một số chất hĩai cơ tạo thành các hydrocacbon hoá, những hợp chất này cũng có thể gày ung thư.