Khử trùng nước

1Chương 4. Khö trïng n−íc KHỬ TRÙNG NƯỚC • ðể ngăn ngừa các bệnh dịch, nước cấp cho sinh hoạt phải ñược diệt trùng. • Các hệ thống cấp nước công nghiệp cũng cần phải ñược diệt trùng ñể ngăn ngừa sự kết bám của của các VSV lên thành ống dẫn nước trong các thiết bị làm lạnh, làm giảm khả năng truyền nhiệt ñồng thời làm tăng tổn thất thuỷ lực của hệ thống. • Các quá trình cơ học không thể loại trừ ñược toàn bộ VSV và vi trùng có trong nước, do ñó cần tiến hành các biên pháp lý học và hoá học ñể khử trùng nước. 2Các phương pháp khử trùng nước Phương pháp vật lý: • Phương pháp nhiệt: nhóm VK sinh bào tử không bị diệt • Phương pháp chiếu tia tử ngoại (tia cực tím, chiều dài bước sóng 254 µm): p/p này chỉ có hiệu quả khi các tia chiếu qua 1 lớp nước mỏng, không có hiệu quả trong trường hợp nước ñục. • Ưu ñiểm của p/p vật lý: không làm thay ñổi t/c lý hoá của nước, không gây nên các hiệu quả phụ. • Tuy nhiên do hiệu quả thấp nên thường chỉ áp dụng ở quy mô nhỏ với các ñiều kiện kinh tế cho phép. Phương pháp hoá học: • Sử dụng các chất OXH mạnh (Cl2, NaOCl, Ca(OCl)2, O3, KMnO4, OCl2) ñể OXH men của tế bào VSV làm cho quá trình ñồng hoá và dị hoá bị ngưng trệ, VSV bị tiêu diệt. P/p này ñược áp dụng rộng rãi ñể khử trùng nước ở mọi quy mô do hiệu quả cao. 31. KHỬ TRÙNG BẰNG CLO 1.1 Bản chất của quá trình diệt trùng bằng Clo. • Clo nguyên chất trong ñk bình thường là 1 chất khí màu vàng, có mùi khó chịu, và rất ñộc. Ở 15oC khí clo bị hoá lỏng dưới áp lực nén 5,75 at, clo lỏng có màu vàng xanh, trọng lượng riêng 1,43 kg/l. ðể tiện cho việc vận chuyển và bảo quản khí clo ñược nén thành thể lỏng trong các bình chứa bằng thép, áp lực nén 20-25 kg/cm2 • Clo là chất ôxy hoá mạnh, thế OXH tiêu chuẩn Eo = 1.36V, ở bất kỳ dạng nào, nguyên chất hay hợp chất, khí tác dụng với nước ñều tạo ra phân tử axit hypoclorơ HOCl là chất khử trùng rất mạnh. • Quá trình diệt VSV xảy ra qua 2 giai ñoạn: ñầu tiên chất khử trùng khuyếch tán xuyên qua vỏ tế bào VSV, sau ñó phản ứng với men bên trong tế bào và phá hoại quá trình trao ñổi chất dẫn ñến sự diệt vong của tế bào. 1.1 Bản chất của quá trình diệt trùng bằng Clo. • Tốc ñộ của quá trình khử trùng ñược xác ñịnh bằng ñộng học của quá trình khuyếch tán chất diệt trùng qua vỏ tế bào và ñộng học của quá trình phân huỷ men tế bào. • Tốc ñộ của quá trình khử trùng tăng khi nồng ñộ của chất khử trùng và nhiệt ñộ nước tăng ñồng thời phụ thuộc vào dạng không phân ly của chất khử trùng, vì quá trình khuyếch tán qua vỏ tế bào xảy ra nhanh hơn quá trình phân ly. • Tốc ñộ khử trùng bị chậm ñi rất nhiều khi trong nước có các chất hữu cơ, cặn lơ lửng và các chất khử khác. 4• Phản ứng ñặc trưng là sự thuỷ phân của clo tạo ra axit hypoclorơ và axit clohydric: Cl2 + H2O ⇋ HOCl + HCl hoặc ở dạng phương trình phân ly: Cl2 + H2O ⇋ 2H+ + OCl- + Cl- Khi sử dụng clorua vôi làm chất sát trùng: Ca(OCl)2 + H2O ⇋ CaO + 2HOCl 2HOCl ⇋2H+ + 2OCl- 1.1 Bản chất của quá trình diệt trùng bằng Clo. 1.1 Bản chất của quá trình diệt trùng bằng Clo. • Khả năng diệt trùng của clo phụ thuộc vào sự tồn tại của HOCl mà sự phân ly của HOCl lại phụ thuộc vào nồng ñộ ion H+ có trong nước. Thực nghiệm cho thấy quá trình thuỷ phân của clo xảy ra hoàn toàn khi pH>4. 51.1 Bản chất của quá trình diệt trùng bằng Clo. • Hằng số thuỷ phân của clo trong nước ở 25oC là: • Với HOCl, giá trị của hằng số phân ly thay ñổi phụ thuộc nhiệt ñộ: - ở 0oC giá trị ñó là 1,5.10-8 - ở 10oC giá trị ñó là 2.10-8 - ở 25oC giá trị ñó là 2,7.10-8 ][ ]][][[ 2Cl ClHHOClK −+ = 1.1 Bản chất của quá trình diệt trùng bằng Clo. • Mức ñộ phân ly của HOCl phụ thuộc vào các giá trị khác nhau của pH với nước ở 20oC. • Khi pH tăng, nồng ñộ HOCl giảm làm cho hiệu quả khử trùng cũng giảm ñi tương ứng. • ðể quá trình khử trùng nước bằng clo ñạt hiệu quả cao nhất, nên tiến hành khi nước có ñộ pH thấp, trước khi xử lý ổn ñịnh nước. 0.100.503.0025.0079.0097.5099.5099.90HOCl, % 99.9099.5097.0075.0021.002.500.500.10OCl-, % 1110987654pH 61.1 Bản chất của quá trình diệt trùng bằng Clo. • Khi trong nước có amoniac, muối hay các hợp chất hữu cơ có chứa nhóm amoni thì clo, axit hypoclorơ, ion hypoclorơ tham gia vào phản ứng với chúng tạo thành monocloramin và dicloramin. HOCl + NH3 → NH2Cl + H2O HOCl + NH2Cl → NHCl2 + H2O HOCl + NHCl2 → NCl3 + H2O 71.1 Bản chất của quá trình diệt trùng bằng Clo. • pH càng thấp thì lượng clo kết hợp thành dicloramin càng ít và nồng ñộ monocloramin trong nước càng cao, ñồng thời khả năng diệt trùng càng giảm. • Khả năng diệt trùng của dicloramin thấp hơn của monocloramin khoảng 3-5 lần.Khả năng diệt trùng của dicloramin thấp hơn của clo từ 20-25 lần. • Clo ñã kết hợp với amoniac thành cloramin gọi là clo kết hợp, tổng hàm lượng clo tự do Cl2, HOCl, OCl- và clo kết hợp gọi là clo hoạt tính. 1.1 Bản chất của quá trình diệt trùng bằng Clo • ðể ñảm bảo cho quá trình khử trùng ñạt ñược hiệu quả hoàn toàn, sau khi khử trùng cần giữ lại trong nước 1 lượng clo dư thích hợp. Với các hệ thống cấp nước sinh hoạt, lượng clo dư cần ñể chống sự nhiễm bẩn trở lại của nước trong mạng lưới ñường ống phân phối hoặc nơi tiêu thụ thường lấy từ 0,2-0,3 mg/l tính theo clo tự do. • Do khả năng diệt trùng của clo tự do và clo kết hợp là khác nhau nên lượng dư cần thiết của chúng trong nước cũng cần ở các mức khác nhau. 81.1 Bản chất của quá trình diệt trùng bằng Clo • Clo hoá n
c vi liu l
ng cao: ðể khử trùng nước bị nhiễm bẩn nặng, ñặc biệt khi trong nước có chứa vi trùng có sức ñề kháng cao với các chất oxy hoá và trong trường hợp cần khử màu, mùi, vị của nước có thể sử dụng clo với liều lượng cao ≥10 mg/l. Tuy nhiên trong nhiều trường hợp sau khi khử trùng lượng clo dư tồn tại trong nước khá lớn nên cần phải khử bớt clo dư ñể hạ xuống tiêu chuẩn từ 0,3-0,5 mg/l. 1.1 Bản chất của quá trình diệt trùng bằng Clo • Trong trường hợp nước có phenol nếu cho clo vào sẽ tạo ra clophenol có mùi và vị rất khó chịu. • ðể khắc phục, cần tiến hành amoniac hoá trước (ñưa amoniac vào nước trước khi cho clo): lượng amoniac hay muối amoni lấy từ 0,5-1,0 mg/l tính theo ion NH4+ cho 1g Cl. 91.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình khử trùng nước bằng clo 1.2.1. Ảnh hưởng của ñộ pH: - Hiệu quả khử trùng giảm khi pH tăng - Lượng clo dư tối thiểu ñể diệt trùng hoàn toàn: ->1>10 -0.89 – 10 1.800.48 – 9 1.500.27 – 8 1.00.26 – 7 Clo hoạt tính dạng cloramin sau 60p tiếp xúc Clo dư sau 10p tiếp xúc Lượng clo dư tối thiểu Giá trị pH 1.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình khử trùng nước bằng clo 1.2.2. Ảnh hưởng của nhiệt ñộ: • Khi nhiệt ñộ nước tăng thì ñộ nhớt giảm, chuyển ñộng nhiệt tăng lên làm cho quá trình khuyếch tán chất khử trùng qua vỏ tế bào vi sinh vật tăng lên. • Với cloramin, nhiệt ñộ có ảnh hưởng lớn hơn so với clo tự do. 10 1.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình khử trùng nước bằng clo • Phương trình biểu diễn ảnh hưởng của nhiệt ñộ ñến tốc ñộ khử trùng: trong ñó: t1, t2: thời gian tiếp xúc (phút) cần ñể giảm lượng vi trùng trong nước ñến mức yêu cầu tương ứng với nhiệt ñộ nước T1, T2 (K); E: năng lượng hoạt hoá của quá trình khử trùng R: hằng số khí = 1,99 kcal/K.mol 21 12 2 1 )(lg TRT TTE t t − = 1.2. Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình khử trùng nước bằng clo 1.2.3. Ảnh hưởng của nồng ñộ: - Khi tăng nồng ñộ chất khử trùng, thời gian tác dụng sẽ giảm xuống. - Phương trình biểu diễn tương quan giữa nồng ñộ và thời gian khử trùng: trong ñó: C là nồng ñộ chất sát trùng t: thời gian cần thiết ñể diệt lượng vi trùng nhất ñịnh; N: chỉ số mũ; K: hằng số. KtC n = 11 1.3. Khử clo dư trong nước 1.3.1. Khử clo dư bằng hoá chất: • Dùng khí sunfua SO2 ñể khử clo dư trong nước: Cl2 + SO2 +H2O → 2HCl + H2SO4 Axít clohydric và axít sunfuric tạo ra sau phản ứng ñược trung hoà bằng ñộ kiềm tự nhiên của nước. ðể khử hết 1mg clo dư cần 0,9 mg SO2. • Khử bằng Na2SO3: Cl2 + Na2SO3 + H2O → 2HCl + Na2SO4 khử 1mg clo dư cần 3,05mg Na2SO3 tinh thể. • Dùng Na2S2O3 khử clo dư: 4Cl2 + Na2S2O3 + 5H2O → 2NaCl + 6HCl + 2H2SO4 ñể khử 1mg Cl2 cần 0,85mg Na2S2O3 dạng tinh thể ngậm 5 phân tử nước. Thành phần hoạt tính của Na2S2O3 trong sản phẩm thương mại là 30-50%. Trước khi cho Na2S2O3 vào nước phải pha thành dung dịch có nồng ñộ 1-2% sau ñó ñưa vào nước bằng các thiết bị ñịnh lượng dung dịch. 1.3. Khử clo dư trong nước 1.3.2. Khử clo dư bằng phương pháp hoá lý: - Dùng than hoạt tính ñể hấp thụ clo, lọc nước qua lớp than hoạt tính có chiều dày 2-2,5cm, kích thước hạt 1,5-2,5mm, tốc ñộ lọc 20-30m/h. Rửa than bằng dung dịch kiềm nóng hoặc canxi hypoclorit Ca(OCl)2 ñể hoàn nguyên hoạt ñộ hấpphụ. - Biện pháp làm thoáng chỉ khử ñược một phần clo hoà tan vì hypoclorit không bay hơi. Khử clo và cloramin bằng làm thoáng chỉ ñạt hiệu quả cao khi pH của nước nhỏ hơn 5. 12 2. Khử trùng bằng dioxitclo (ClO2) 2.1. Các dạng khác nhau của ClO2 trong môi trường nước: • Tính tan của ClO2 trong nước cao gấp 10 lần so với clo. Trong nước ClO2 bị phân huỷ theo phương trình: 2ClO2 + H2O ⇋ HClO2 + HClO3 • Sự thuỷ phân này rất chậm trong môi trường trung tính hoặc axit nhẹ. Trong môi trường kiềm, ClO2 chuyển hoá thành clorit và clorat: 2ClO2 + H2O- ⇋ 2ClO2- +H2O 2.1. Các dạng khác nhau của ClO2 trong môi trường nước - Khi có mặt ánh sáng (λ=365 nm) các dung dịch ClO2 bị phânhuỷ với một vận tốc phụ thuộc vào thời gian và cường ñộ chiếu sáng. Phản ứng tổng quát: 2ClO2 + hv + H2O → HClO3 + HCl + O2 - Tăng nhiệt ñộ gây ra sự thuỷ phân ClO2 thành clo và ôxy. - ClO2 là một tác nhân oxy hoá mạnh, thế khử OXH tiêu chuẩn của nó là 0,95V. Dạng khử của cân bằng OXH-K là ion clorit. ClO2 + e ⇋ ClO2- (Eo = 0,95V) - Lưu ý: các vết ion clorat (ClO3-) có thể tạo thành từ một sốphản ứng của ClO2 với các chất hoà tan trong nước hoặc với một vài chất oxy hoá khác (clo hoặc ozon) 13 2.2.Hoạt tính hoá học của ClO2 trong môi trường nước 2.2.1. Phản ứng với các hợp chất vô cơ: Dioxit clo, giống như clo và các dẫn xuất của nó, phản ứng nhanh với sắt ở dạng Fe2+, mangan Mn2+, các ion nitrit, sunfua và xyanua. ClO2 còn phản ứng với các ion iodua nhưng không phản ứng với ion clorua và bromua. o ClClE −/ 2.2.2. Phản ứng với các hợp chất hữu cơ • Do sự có mặt của một electron tự do trong cấu trúc gốc, dioxit clo có thể nhận một electron từ các tâm giàu electron của các chất hữu cơ (liên kết ñôi, nguyên tử nitơ, lưu huỳnh…) ñể chuyển một phần lớn thành ion clorit (30÷100%) và thành clorat (vài %) 14 2.2.3. Tính chất khử trùng của ClO2 • Trong nhiều trường hợp, tính chất diệt khuẩn, diệt virus, diệt bào tử nấm và diệt tảo của dioxit clo cao hơn nhiều so với clo. • ðộ ổn ñịnh của dioxit clo tương ñối lớn (thời gian bán phân huỷ trong bóng tối là 48h). • Với mục ñích chủ yếu là khử trùng, dioxit clo ñược sử dụng nhiều nhất so với các tác nhân khác. Lượng ClO2 dư trong nước ở mức 0,1mg/l ñủ ñể diệt khuẩn, 0,5mg/l ñể diệt virus. ClO2 cũng ñược sử dụng trong khâu tiền xử lý ñể chống lại sự sinh trưởng của tảo trong các công trình oxy hoá sắt và mangan. Lượng ClO2 thực tế khoảng 0,5÷1,5mg/l 3. Các hoá chất khử trùng gốc clo 3.1. Clo nguyên chất - Trong ñiều kiện bình thường clo là chất khí có màu vàng nhạt, mùi khó chịu và rất ñộc. - Ở 15oC clo khí bị hoá lỏng dưới áp lực nén 5,75 at. Clo lỏng có màu vàng xanh, trọng lượng riêng 1,34kg/l, mhiệt dung 0,2262 kg/kcal - ðộ hoà tan của clo vào nước phụ thuộc vào nhiệt ñộ nước và áp lực riêng phần của clo. - Khi áp lực bằng 1 at, nhiệt ñộ nước 10oC, 1 lít nước hoà tan ñược 3 lít khí clo (9,65g). 15 3. Các hoá chất khử trùng gốc clo 3.2. Canxi hypoclorit Ca(OCl)2 - Ca(OCl)2 là sản phẩm của quá trình làm bãohoà dung dịch vôi sữa bằng clo hơi. - Theo lý thuyết, 1kg sạch chứa 49,6% Cl2. Trong sản phẩm thương mại, hàm lượng clo hoạt tính chỉ chiếm 30÷45%. - Ca(OCl)2 không hút ẩm, có thể bảo quản lâu trong kho tối, khô ráo mà không bị giảm ñộ hoạt tính. 3. Các hoá chất khử trùng gốc clo 3.3. Clorua vôi - Clorua vôi ñược sản xuất bằng cách cho clo phản ứng với vôi tôi. - Trong clorua vôi có chứa 40÷45% canxi hypoclorit, lượng clo hoạt tính là 20÷25% - Clorua vôi dễ hút ẩm và phân huỷ khí clo nên cần bảo quản trong các kho kín, khô ráo. 16 3. Các hoá chất khử trùng gốc clo 3.4. Clo dioxit ClO2 - ClO2 là chất khí màu vàng xanh, hoà tan trong nước và không bền vững dưới ánh sáng. ClO2 thường ñược dùng ñể khử trùng nước có chứa phenol và có hàm lượng chất hữu cơ cao do phản ứng không tạo ra clophenol. - ClO2 ñược sản xuất trực tiếp tại chỗ bằng cách sục khí clo vào dung dịch natri clorit hay canxi clorit ñã ñược axit hoá: 2NaClO2 + Cl2 → 2ClO2 + 2NaCl Ca(ClO2)2 + Cl2 → 2ClO2 + CaCl2 1kg natri cloxit và 400g clo hơi tạo ra 750g ClO2 ở dạng dung dịch. Khả năng diệt trùng của ClO2 khi pH=7 tương ñương với clo. 3.5. Natri hypoclorit (nước javen) NaClO là sản phẩm của quá trình ñiện phân dung dịch muối ăn. Nước javen thường có nồng ñộ hoạt tính từ 6÷8 g/l. 4. Khử trùng bằng ozon - Ozon là chất khí ñược sản xuất từ oxy của không khí. - Phân tử ozon hoà tan trong nước (13 lần nhiều hơn so vơi oxy), tuy nhiên nồng ñộ ozon trong nước thường không cao vì nồng ñộ ozon trong pha khí nhỏ (15÷20g O3/m3 không khí). - O3 có thế oxy hoá-khử tiêu chuẩn rất cao (2,07V) nên có khả năng oxy hoá nhiều hợp chất hữu cơ và vô cơ. - O3 ñược ñiều chế tại chỗ sử dụng bằng phương pháp phóng ñiện qua không khí hoặc oxy. 17 Chất diệt trùng Hệ thống lớn (>10,000 người) Hệ thống nhỏ sử dụng nước ngầm (<10,000 người) Hệ thống nhỏ sử dụng nước mặt (<10,000 người) Elemental Chlorine 84% 61% 82% Sodium Hypochlorite 20% 34% 17% Calcium Hypochlorite <1% - 9% Chloramines 29% - 2% Ozone 6% - - UV - - - Chlorine Dioxide 8% - 6% Nguồn: American Water Works Association 2000. Lưu ý: tỉ lệ có thể lơn hơn 100% do một số hệ thống sử dụng nhiều hơn 1 loại chất diệt trùng . 18