Tài liệu Giáo trình nguyên lý qui trình xử lý chất thải

1 http://www.ebook.edu.vn 1 Mục lục A. Thành phần nước thải …………………………………………………3 B. Các chất ô nhiễm trong nước thải 1) Nhu cầu oxi sinh hóa (BOD)……………………………………..8 2) Nhu cầu oxi hóa học (COD)……………………………………..9 3) pH của dung dịch ……………………………………………….9 4) Các loại muối …………………………………………………..10 5) Chất rắn trong nước thải…………………………………………10 6) Các kim loại độc và hợp chất hữu cơ độc trong nước thải……..12 7) Sự tiêu thụ oxi…………………………………………………...12 8) Nhiệt …………………………………………………………….13 9) Màu ……………………………………………………………...14 10) Các chất tạo bọt………………………………………………….14 11) Các chất gây trở ngại…………………………………………….14 12) Vi khuẩn và VSV khác trong nước thải…………………………15 C. Ước lượng tải lượng ô nhiễm của nước thải 1. Tải lượng các chất gây ô nhiễm …………………………………21 2. Nồng độ các chất gây ô nhiễm ………………………………….22 3. Dân số tương đương ……………………………………………..23 D. Các yếu tố cần thiết để lựa chon thông số xử lý………………………..23 E. Sơ đồ quy trình xử lý……………………………………………………25 F. Các phương pháp xử lý I. Song chắn rác……………………………………………………..28 1. Chức năng và cấu tạo…………………………………………28 2. Mở rộng kênh nơi đặt song chắn……………………………...29 3. Kích thước song chắn…………………………………………29 II. Bể lắng cát………………………………………………………..31 1. Chức năng và vị trí……………………………………………31 2. Các công thức tính…………………………………………….34 3. Bể lắng cát có sục khí..………………………………………..38 4. Bể lắng cát đứng có dòng chảy xoáy………………………… 38 III. Bể điều lưu……………………………………………………….38 1. Thành phần nước thải sinh hoạt và sự biến động………………38 2. Các loại nước thải khác…………………………………………40 3. Các bước tiến hành……………………………………………...40 IV. Lưu lượng kế……………………………………………………….44 V. Khuấy trộn………………………………………………………… .44 VI. Bể lắng sơ cấp………………………………………………………48 1. Ảnh hưởng của nhiệt độ………………………………………….50 2. Ảnh hưởng của cặn lắng…………………………………………51 VII. Bể lọc bằng các hạt lọc…………………………………………….51 VIII. Bể tuyển nổi……………………………………………………….54 http://www.ebook.edu.vn 2 IX. Bể lọc sinh học nhỏ giọt…………………………………………… 55 Phương pháp hấp phụ………………………………….............59 X. Keo tụ và tạo bông…………………………………………………...60 XI. Sơ lược về quá trình xử lý nước bằng VSV………………………... 61 1. Quá trình hiếu khí, tùy nghi……………………………………..61 2. Quá trình yếm khí……………………………………………….64 • Quá trình hiếu khí, yếm khí……………………………...68 • Các thiết bị xử lý hiếu khí………………………………..69 • Bể bùn hoạt tính………………………………………….70 • Đĩa tiếp xúc sinh học……………………………………..79 XII. Phương pháp kết tủa………………………………………………..82 XIII. Phương pháp quang xúc tác……………………………………….87 XIV. Phương pháp oxi hóa ……………………………………………..89 XV. Quá trình nitrat, nitric hóa………………………………………….92 1. Quá trình nitrát…………………………………………………..92 2. Quá trình khử nitrát……………………………………………..93 XVI. Phương pháp khử trùng…...……………………………………….93 G. Tái sử dụng…………………………………………………………...98 1. Sản xuất nông nghiệp……………………………………………98 2. Sản xuất biogas…………………………………………………..98 3. Sản xuất thủy sản………………………………………………..99 4. Tái sử dụng gián tiếp…………………………………………….99 H. Quản lý nguồn nước………………………………………………….99 QUY TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC THẢI TỰ NHIÊN……………………....105 I. Quá trình tự làm sạch nguồn nước…..………………………..105 1. Quá trình tự làm sạch nguồn nước…………………………...105 2. Quá trình xáo trộn nước thải…………………………………106 II. Quá trình xử lý nước thải bằng thủy sinh vật………………….106 1. Xử lý bằng tảo………………………………………………...106 2. Quy trình thiết kế……………………………………………..108 3. Xử lý bằng các sinh vật có kích thước lớn……………………109 4. Các loài sinh vật chính………………………………………..109 III. Cánh đồng chảy tràn….………………………………………..112 IV. Cánh đồng lọc…………………………………………………..115 1. Xử lý nước thải bằng cánh đồng lọc……….…………………115 • Cánh đồng lọc chậm……………………………………117 • Cánh đồng lọc nhanh…………………………………...120 http://www.ebook.edu.vn 2 3 A. THÀNH PHẦN NƯỚC THẢI Trên b́ nh diện toàn cầu, nước là một tài nguyên vô cùng phong phú nhưng nước chỉ hữu dụng với con người khi nó ở đúng nơi, đúng chỗ, đúng dạng và đạt chất lượng theo yêu cầu. Hơn 99% trữ lượng nước trên thế giới nằm ở dạng không hữu dụng đối với đa số các mục đích của con người do độ mặn (nước biển), địa điểm, dạng (băng hà). Phân bố và dạng của nước trên Trái đất Địa điểm Diện tích (km2) Tổng thể tích nước (km3) % tổng lượng nước Các đại dương và biển (nước mặn) 361.000.000 1.230.000.000 97.2000 Khí quyển (hơi nước) 510.000.000 12.700 0,0010 ------- 1.200 0,0001 130.000.000 4.000.000 0,3100 855.000 123.000 0,0090 28.200.000 28.600.000 2.1500 Sông, rạch Nước ngầm (đến độ sâu 0,8 km) Hồ nước ngọt Tảng băng và băng hà Nguồn: US Geological Survey Con người khai thác các nguồn nước tự nhiên để cung cấp nước cho các nhu cầu sinh hoạt và sản xuất. Sau khi sử dụng nước bị nhiễm bẩn do chứa nhiều vi trùng và các chất thải khác. Nếu không được xử lư trước khi thải vào các nguồn nước công cộng, chúng sẽ làm ô nhiễm môi trường. V́ vậy nước thải trước khi thải vào sông, hồ (nguồn nước) cần phải được xử lư thích đáng. Mức độ xử lư phụ thuộc vào nồng độ bẩn của nước thải; khả năng pha loăng giữa nước thải với nước nguồn và các yêu cầu về mặt vệ sinh, khả năng "tự làm sạch của nguồn nước". Theo các qui định về bảo vệ môi trường của Việt Nam, ô nhiễm nước là việc đưa vào các nguồn nước các tác nhân lư, hóa, sinh học và nhiệt không đặc trưng về thành phần hoặc hàm lượng đối với môi trường ban đầu đến mức có khả năng gây ảnh hưởng xấu đến sự phát triển b́ nh thường của một loại sinh vật nào đó hoặc thay đổi tính chất trong lành của môi trường ban đầu. Theo một định nghĩa khác "Ô nhiễm nước mặt diễn ra khi đưa quá nhiều các tạp chất, các chất không mong đợi, các tác nhân gây nguy hại vào các nguồn nước, vượt khỏi khả năng tự làm sạch của các nguồn nước này" Để thiết kế các công tŕnh xử lư nước thải, trước tiên chúng ta phải biết đặc điểm, thành phần của các chất gây ô nhiễm. 3 http://www.ebook.edu.vn 4 Các đặc điểm lý học, hóa học và sinh học của nước thải và nguồn sinh ra nó http://www.ebook.edu.vn 4 5 Đặc điểm Nguồn Lý học • Màu Nước thải sinh hoạt hay công nghiệp, thường do sự phân hủy của các chất thải hữu cơ. • Mùi Nước thải công nghiệp, sự phân hủy của nước thải • Chất rắn Nước cấp, nước thải sinh hoạt và công nghiệp, xói ṃòn đất. • Nhiệt Nước thải sinh hoạt, công nghiệp Hóa học • Carbohydrate Nước thải sinh hoạt, thương mại, công nghiệp • Dầu, mỡ Nước thải sinh hoạt, thương mại, công nghiệp • Thuốc trừ sâu Nước thải nông nghiệp • Phenols Nước thải công nghiệp • Protein Nước thải sinh hoạt, thương mại, công nghiệp • Chất hữu cơ bay hơi Nước thải sinh hoạt, thương mại, công nghiệp • Các chất nguy hiểm Nước thải sinh hoạt, thương mại, công nghiệp • Các chất khác Do sự phân hủy của các chất hữu cơ trong nước thải trong tự nhiên • Tính kiềm Chất thải sinh hoạt, nước cấp, nước ngầm • Chlorides Nước cấp, nước ngầm • Kim loại nặng Nước thải công nghiệp • Nitrogen Nước thải sinh hoạt, công nghiệp • pH Nước thải sinh hoạt, thương mại, công nghiệp • Phosphorus Nước thải sinh hoạt, thương mại, công nghiệp; rửa trôi • Sulfur Nước thải sinh hoạt, thương mại, công nghiệp; nước cấp 5 http://www.ebook.edu.vn 6 • Hydrogen sulfide Sự phân hủy của nước thải sinh hoạt • Methane Sự phân hủy của nước thải sinh hoạt • Oxygen Nước cấp, sự trao đổi qua bề mặt tiếp xúc không khí nước Sinh học • Động vật Các ḍạng chảy hở và hệ thống xử lý • Thực vật Các ḍạng chảy hở và hệ thống xử lý • Eubacteria Nước thải sinh hoạt, hệ thống xử lý • Archaebacteria Nước thải sinh hoạt, hệ thống xử lý • Viruses Nước thải sinh hoạt, hệ thống xử lý Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991 Các chất ô nhiễm quan trọng cần chú ý đến trong quá tŕnh xử lý nước thải Chất gây ô nhiễm Nguyên nhân được xem là quan trọng Các chất rắn lơ lửng Tạo nên bùn lắng và môi trường yếm khí khi nước thải chưa xử lý được thải vào môi trường. Biểu thị bằng đơn vị mg/L. Các chất hữu cơ có thể phân hủy bằng con đường sinh học Bao gồm chủ yếu là carbohydrate, protein và chất béo. Thường được đo bằng chỉ tiêu BOD và COD. Nếu thải thẳng vào nguồn nước, quá tŕnh phân hủy sinh học sẽ làm suy kiệt oxy ḥòa tan của nguồn nước. Các mầm bệnh Các bệnh truyền nhiễm có thể lây nhiễm từ các vi sinh vật gây bệnh trong nước thải. Thông số quản lư là MPN (Most Probable Number). Các dưỡng chất N và P cần thiết cho sự phát triển của các sinh vật. Khi được thải vào nguồn nước nó có thể làm gia tăng sự phát triển của các loài không mong đợi. Khi thải ra với số lượng lớn trên mặt đất nó có thể gây ô nhiễm nước ngầm. Các chất ô nhiễm nguy hại Các hợp chất hữu cơ hay vô cơ có khả năng gây ung thư, biến dị, thai dị dạng hoặc gây độc cấp tính. Các chất hữu cơ khó phân hủy Không thể xử lý được bằng các biện pháp thông thường. Ví dụ các nông dược, phenols... Kim loại nặng Có trong nước thải thương mại và công nghiệp và cần loại bỏ khi http://www.ebook.edu.vn 6 7 tái sử dụng nước thải. Một số ion kim loại ức chế các quá tŕnh xử lý sinh học Chất vô cơ ḥa tan Hạn chế việc sử dụng nước cho các mục đích nông, công nghiệp Nhiệt năng Làm giảm khả năng băo ḥòa oxy trong nước và thúc đẩy sự phát triển của thủy sinh vật Ion hydrogen Có khả năng gây nguy hại cho TSV Nguồn: Wastewater Engineering: Treatment, Diposal, Reuse, 1989 Low-maintenance Mechanically Simple Wastewater Treatment systems, 1980 Ở các thành phố có nhiều nhà máy, khu công nghiệp, nước thải công nghiệp ảnh hưởng rất lớn đến thành phần nước thải chung của thành phố, thị trấn và nó chứa nhiều các chất gây ô nhiễm ở nồng độ cao và tùy theo từng nhà máy thành phần chất gây ô nhiễm rất phức tạp. Do đó để giảm thiểu chi phí cho việc quản lý và xử lý, mỗi nhà máy cần phải có các hệ thống xử lý riêng để nước thải thải vào các nguồn nước công cộng phải đạt đến một tiêu chuẩn cho phép nào đó. Các loại chất thải và các nguồn thải chính Loại chất thải Từ cống rănh, kênh thoát nước Từ các nguồn chảy tràn Nước thải sinh hoạt Nước thải công nghiệp Chảy tràn từ khu sx nông nghiệp Chảy tràn ở khu vực thành thị Các chất thải cần oxy để phân hủy ´ ´ ´ ´ Dưỡng chất ´ ´ ´ ´ Các mầm bệnh ´ ´ ´ ´ Chất rắn lơ lửng/cặn lắng ´ ´ ´ ´ Muối ´ ´ ´ Kim loại độc ´ Chất hữu cơ độc ´ Nhiệt ´ 7 http://www.ebook.edu.vn ´ ´ 8 B. CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG NƯỚC THẢI 1.Nhu cầu oxi sinh hóa (BOD) Nhu cầu oxy sinh hóa là lượng oxy cần thiết để vi sinh vật oxy hóa các chất hữu cơ trong một khoảng thời gian xác định và được ký hiệu bằng BOD được tính bằng mg/L. Chỉ tiêu BOD phản ánh mức độ ô nhiễm hữu cơ của nước thải. BOD càng lớn thì nước thải (hoặc nước nguồn) bị ô nhiễm càng cao và ngược lại. Thời gian cần thiết để các vi sinh vật oxy hóa hoàn toàn các chất hữu cơ có thể kéo dài đến vài chục ngày tùy thuộc vào tính chất của nước thải, nhiệt độ và khả năng phân hủy các chất hữu cơ của hệ vi sinh vật trong nước thải. Để chuẩn hóa các số liệu người ta thường báo cáo kết quả dưới dạng BOD5 (BOD trong 5 ngày ở 20oC). Mức độ oxy hóa các chất hữu cơ không đều theo thời gian. Thời gian đầu, quá trình oxy hóa xảy ra với cường độ mạnh hơn và sau đó giảm dần. Ví dụ: đối với nước thải sinh hoạt và nước thải của một số ngành công nghiệp có thành phần gần giống với nước thải sinh hoạt thì lượng oxy tiêu hao để oxy hóa các chất hữu cơ trong vài ngày đầu chiếm 21%, qua 5 ngày đêm chiếm 87% và qua 20 ngày đêm chiếm 99%. Để kiểm tra khả năng làm việc của các công trình xử lý nước thải người ta thường dùng chỉ tiêu BOD5. Khi biết BOD5 có thể tính gần đúng BOD20 bằng cách chia cho hệ số biến đổi 0,68. BOD20 = BOD5 : 0,68 Hoặc tính BOD cuối cùng khi biết BOD ở một thời điểm nào đó người ta có thể dùng công thức: BODt = Lo (1 - e-kt) hay BODt = Lo (1 - 10-Kt) trong đó BODt: BOD tại thời điểm t (3 ngày, 5 ngày...) Lo: BOD cuối cùng k: tốc độ phản ứng (d-1) tính theo hệ số e K: tốc độ phản ứng (d-1) tính theo hệ số 10, k = 2,303(K) Giá trị K và k tiêu biểu cho một số loại nước thải K (20oC) (day-1) k (20oC) (day-1) Nước thải thô 0,15 ¸ 0,30 0,35 ¸ 0,70 Nước thải đã được xử lý tốt 0,05 ¸ 0,10 0,12 ¸ 0,23 Loại nước thải http://www.ebook.edu.vn 8 9 Nước sông bị ô nhiễm 0,05 ¸ 0,10 0,12 ¸ 0,23 Để tính giá trị k ở nhiệt độ T ta có công thức Giải: • Xác định BOD cuối cùng BODt = Lo (1 - e-kt) 200 mg/L = Lo (1 - e-0,23 × 5) Lo = 293 mg/L • Xác định BOD ngày thứ nhất BODt = Lo (1 - e-kt) BODt = 60 mg/L 2. Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand, COD) Chỉ tiêu BOD không phản ánh đầy đủ về lượng tổng các chất hữu cơ trong nước thải, vì chưa tính đến các chất hữu cơ không bị oxy hóa bằng phương pháp sinh hóa và cũng chưa tính đến một phần chất hữu cơ tiêu hao để tạo nên tế bào vi khuẩn mới. Do đó để đánh giá một cách đầy đủ lượng oxy cần thiết để oxy hóa tất cả các chất hữu cơ trong nước thải người ta sử dụng chỉ tiêu nhu cầu oxy hóa học. Để xác định chỉ tiêu này, người ta thường dùng potassium dichromate (K2Cr2O7) để oxy hóa hoàn toàn các chất hữu cơ, sau đó dùng phương pháp phân tích định lượng và công thức để xác định hàm lượng COD. Khi thiết kế các công trình xử lý nước thải công nghiệp hoặc hỗn hợp nước thải sinh hoạt và công nghiệp cần thiết phải xác định BOD và COD. 3. pH của nước thải pH của nước thải có một ý nghĩa quan trọng trong quá trình xử lý. Các công trình xử lý nước thải áp dụng các quá trình sinh học làm việc tốt khi pH nằm trong giới hạn từ 7 ÷ 7,6. Như chúng ta đã biết môi trường thuận lợi nhất để vi khuẩn phát triển là môi trường có pH từ 7 ÷ 8. Các nhóm vi khuẩn khác nhau có giới hạn pH hoạt động khác nhau. Ví dụ vi khuẩn nitrit phát triển thuận lợi nhất với pH từ 4,8 ÷ 8,8, còn vi khuẩn nitrat với pH từ 6,5 ÷ 9,3. Vi khuẩn lưu huỳnh có 9 http://www.ebook.edu.vn 10 thể tồn tại trong môi trường có pH từ 1 ÷ 4. Ngoài ra pH còn ảnh hưởng đến quá trình tạo bông cặn của các bể lắng bằng cách tạo bông cặn bằng phèn nhôm. Nước thải sinh hoạt có pH = 7,2 ÷ 7,6. Nước thải công nghiệp có pH rất khác nhau phụ thuộc từng loại công nghiệp. Các xí nghiệp sản xuất có thể thải ra nước thải có tính acid hoặc kiềm rất cao chẳng những làm cho nguồn nước không còn hữu dụng đối với các hoạt động giải trí như bơi lội, chèo thuyền mà còn làm ảnh hưởng đến hệ thủy sinh vật. Nồng độ acid sulfuric cao làm ảnh hưởng đến mắt của những người bơi lội ở nguồn nước này, ăn mòn thân tàu thuyền, hư hại lưới đánh cá nhanh hơn. Nguồn nước lân cận một số xí nghiệp có thể có pH thấp đến 2 hoặc cao đến 11; trong khi cá chỉ có thể tồn tại trong môi trường có 4,5 < pH < 9,5. Hàm lượng NaOH cao thường phát hiện trong nước thải ở các xí nghiệp sản xuất bột giặt, thuộc da, nhuộm vải sợi... NaOH ở nồng độ 25 ppm đã có thể làm chết cá 4. Các loại muối Nhiều loại xí nghiệp có nước thải chứa hàm lượng muối khá cao; ngoài ra ở các nước ôn đới người ta còn dùng muối để rãi lên mặt đường vào mùa đông và muối bị rửa trôi vào hệ thống cống rãnh. Hàm lượng muối cao sẽ làm cho nguồn nước không còn hữu dụng cho mục đích cấp nước hay tưới tiêu, làm hoa màu bị thiệt hại và đất bị ô nhiễm. Các loại muối khóang Ca, Mg còn làm cho nguồn nước bị "cứng", đóng cặn trong các đường ống gây thất thoát áp lực trên đường ống. Nước cứng làm ảnh hưởng đến việc nhuộm vải sợi, sản xuất bia và chất lượng của các sản phẩm đóng hộp. Nước cứng còn gây đóng vẩy trong các đường ống của lò hơi làm giảm khả năng truyền nhiệt. Magnesium sulfate gây xổ nhẹ ở người, ion chloride làm tăng độ dẫn điện của giấy cách điện, ion sắt gây các vết bẩn trên vải sợi và giấy, carbonat tạo vẩy cứng đóng trên đậu Hà Lan trong quá trình chế biến và đóng hộp chúng. Các loại muối có chứa Nitrogen và phosphorus làm cho tảo phát triển nhanh gây hiện tượng tảo nở hoa, làm ảnh hưởng đến hệ thủy sinh vật và mất mỹ quan. 5. Chất rắn trong nước thải Chất rắn trong nước thải bao gồm các chất rắn lơ lửng, chất rắn có khả năng lắng, các hạt keo và chất rắn hòa tan. Tổng các chất rắn (Total solid, TS) trong nước thải là phần còn lại sau khi đã cho nước thải bay hơi hoàn toàn ở nhiệt độ từ 103 ÷ 105oC. Các chất bay hơi ở nhiệt độ này không được coi là chất rắn. Tổng các chất rắn được biểu thị bằng đơn vị mg/L. Tổng các chất rắn có thể chia ra làm hai thành phần: chất rắn lơ lửng (có thể lọc được) và chất rắn hòa tan (không lọc được). Chất rắn lơ lửng là các hạt nhỏ (hữu cơ hoặc vô cơ) trong nước thải. Khi vận tốc của dòng chảy bị giảm xuống (do nó chảy vào các hồ chứa lớn) phần lớn các chất rắn lơ lửng sẽ bị lắng xuống đáy hồ; những hạt không lắng được sẽ tạo thành độ đục (turbidity) của nước. Các chất lơ lửng hữu cơ sẽ tiêu thụ oxy để phân hủy làm giảm DO của nguồn nước. Các cặn lắng sẽ làm đầy các bể chứa làm giảm thể tích hữu dụng của các bể này. http://www.ebook.edu.vn 10 11 Để xác định hàm lượng các chất rắn lơ lửng phải tiến hành phân tích chúng bằng cách lọc qua giấy lọc bằng sợ thủy tinh Whatmann 934AH và 948H (Whatmann GF/C) có kích thước các lổ khoảng 1,2 micrometter (μm) hoặc của Đức loại A/E. Lưu ý là các giấy lọc cấu tạo bằng Polycarbonate cũng có thể sử dụng được, tuy nhiên các số liệu có thể chênh lệch do cấu trúc của các loại giấy này khác nhau. Các chất rắn lơ lửng bị giữ lại ở giấy lọc. Đem giấy lọc này sấy khô tuyệt đối ở nhiệt độ 105oC. Hàm lượng chất rắn lơ lửng sẽ được tính bằng công thức: trong đó TSS: tổng các chất rắn lơ lửng (mg/L) A: trọng lượng của giấy lọc và các chất rắn lơ lửng sau khi sấy khô tuyệt đối (mg) B: trọng lượng ban đầu của giấy lọc (mg) V: thể tích mẫu nước thải qua lọc (L) Hàm lượng chất rắn lơ lửng phụ thuộc chủ yếu vào lượng nước sử dụng hàng ngày của một người. Lượng nước tiêu thụ càng lớn thì hàm lượng các chất rắn lơ lửng nói riêng và các chất gây ô nhiễm nói chung càng nhỏ và ngược lại. Tùy theo kích thước hạt, trọng lượng riêng của chúng, tốc độ dòng chảy và các tác nhân hóa học mà các chất lơ lửng có thể lắng xuống đáy, nổi lên mặt nước hoặc ở trạng thái lơ lửng. Để xác định hàm lượng các chất rắn có khả năng lắng (settable solid) ngưới ta dùng một dụng cụ thủy tinh gọi là nón Imhoff có chia vạch thể tích. Cho 1 lít nước thải vào nón Imhoff để cho lắng tự nhiên trong vòng 45 phút, sau đó khuấy nhẹ sát thành nón rồi để cho lắng tiếp trong vòng 15 phút. Sau đó đọc thể tích chất lơ lửng lắng được bằng các vạch chia bên ngoài. Hàm lượng chất rắn lơ lửng lắng được biểu thị bằng đơn vị mL/L. Chỉ tiêu chất rắn có khả năng lắng biểu diễn gần đúng lượng bùn có thể loại bỏ được bằng bể lắng sơ cấp. Ngoài các chất lắng được, trong nước thải còn chứa các tạp chất nổi (floating solid) có trọng lượng riêng nhỏ hơn trọng lượng riêng nước. Khi lắng các chất này nổi lên bề mặt công trình. Theo các tính toán của Sở KHCN & MT Cần Thơ lượng chất rắn lơ lửng tổng cộng do một người ở khu vực Cần Thơ thải ra trong một ngày đêm là 200 g. Các chất rắn hòa tan (không lọc được bao gồm các hạt keo và các chất hòa tan. Các hạt keo có kích thước từ 0,001 ÷ 1 mm, các hạt keo này không thể loại bỏ bằng phương pháp lắng cơ học. Các chất hòa tan có thể là phân tử hoặc ion của chất hữu cơ hay vô cơ. Để xác định hàm lượng hữu cơ của các chất rắn lơ lửng người ta sử dụng chỉ tiêu VSS (volatile suspended solid) bằng cách đem hóa tro các chất rắn ở 550 ± 50oC trong 1 giờ. Phần bay hơi là các chất hữu cơ (VSS), phần còn lại sau khi hóa tro là các chất vô cơ FSS (Fixed suspended solid). Lưu ý hầu hết các muối vô cơ đều không bị phân hủy ở nhiệt độ dưới 825oC, chỉ trừ magnesium carbonate bị phân hủy thành MgO và CO2 ở nhiệt độ 350oC. Chỉ tiêu VSS của nước thải thường được xác định để biết rõ khả năng phân hủy sinh học của nó. 11 http://www.ebook.edu.vn 12 Mối quan hệ giữa các thành phần chất rắn trong nước và nước thải Nguồn: Wastewater Engineering: Treatment, Diposal, Reuse, 1989 Bài tập 1.1: Cho các số liệu sau Trọng lượng của đĩa dùng chứa mẫu là 53,5433 g Trọng lượng của đĩa và các chất rắn còn lại sau khi cho nước thải bay hơi ở 105oC là 53,5793 g Trọng lượng của đĩa và các chất rắn còn lại sau khi hóa tro nước thải ở 550oC là 53,5772 g Trọng lượng giấy lọc Whatmann là 1,5433 g Trọng lượng giấy lọc Whatmann và các chất rắn trên giấy lọc sau khi lọc mẫu là 1,5553 g Trọng lượng sau khi hóa tro là 1,5531g Tất cả các mẫu thử đều có thể tích là 50 mL. Xác định TS, VS, SS, VSS http://www.ebook.edu.vn 12 13 Giải: 6 .Các kim loại độc và các chất hữu cơ độc Nước chảy tràn ở khu vực sản xuất nông nghiệp có chứa dư lượng thuốc trừ sâu và thuốc trừ cỏ, trong khi nước chảy tràn ở các khu đô thị chứa chì và kẽm (chì từ khói xe ô tô, kẽm từ việc bào mòn các lớp xe). Nhiều ngành công nghiệp thải ra các loại kim loại và chất hữu cơ độc khác. Các chất này có khả năng tích tụ và khuếch đại trong chuỗi thức ăn, do đó cần phải được quản lý tốt. Hàm lượng chloride 4000 ppm gây độc cho cá nước ngọt, Cr6+ gây độc cho cá ở nồng độ 5 ppm. Đồng ở hàm lượng 0,1 ÷ 0,5% đã gây độc cho vi khuẩn và một số sinh vật khác. P2O5 ở nồng độ 0,5 ppm gây trở ngại cho quá trình tạo bông cặn và lắng trong các nhà máy nước. Phenol ở nồng độ 1 ppb đã gây nên vấn đề cho các nguồn nước. 7. Sự tiêu thụ oxy Để quá trình tự làm sạch diễn ra một cách bình thường ở nguồn nước thì cần phải có một lượng dự trữ oxy hòa tan (DO). Việc tiêu thụ lượng oxy hòa tan do quá trình oxy hóa các chất hữu cơ bởi các vi khuẩn (quá trình oxy hóa sinh hóa) thực hiện qua 2 giai đoạn: Giai đoạn thứ nhất: oxy hóa các chất hữu cơ cao phân tử tạo cacbonic và nước (phương trình 1.1) Giai đoạn thứ hai: oxy hóa các chất chứa nitơ thành nitrit và sau đó thành nitrat (phương trình 1.7 đến phương trình 1.10). 13 http://www.ebook.edu.vn 14 Sự hòa tan oxy vào nước nguồn Song song với quá trình tiêu thụ oxy, để oxy hóa các chất hữu cơ trong nguồn nước luôn xảy ra quá trình bổ sung lượng oxy mới. Nguồn bổ sung oxy là không khí. Chúng hòa tan vào nguồn nước qua mặt thoáng của nguồn nước. Ngoài ra còn có một lượng oxy bổ sung vào nước nguồn còn do quá trình quang hợp của thực vật sống trong nước. Các thực vật này đồng hóa cacbon từ axít cacbonic tan trong nước và giải phóng oxy tự do (pt 1.6). Như các chất khí khác, độ hòa tan của oxy phụ thuộc vào nhiệt độ, áp suất, độ mặn của nước. Độ hòa tan của oxy vào nước phụ thuộc vào diện tích tiếp xúc giữa hai pha oxy và nước. Vì vậy trong điều kiện như nhau, độ hòa tan đó phụ thuộc vào mức độ xáo trộn gây ra bởi dòng chảy cũng như các tác nhân như gió trên mặt thoáng của dòng chảy. Lượng oxy hòa tan của không khí vào nước theo nhiệt độ và độ mặn ở 1atm To C ToC DO mg/L 0 ppm salinity 5 ppm salinity 10 11,28 10,92 11 11,02 12 DO mg/L 0 ppm salinity 5 ppm salinity 21 8,90 8,64 10,67 22 8,73 8,48 10,77 10,43 23 8,56 8,32 13 10,53 10,20 24 8,40 8,16 14 10,29 9,98 25 8,24 8,01 15 10,07 9,77 26 8,09 7,87 16 9,86 9,56 27 7,95 7,73 17 9,65 9,36 28 7,81 7,59 18 9,45 9,17 29 7,67 7,46 19 9,26 8,99 30 7,54 7,33 20 9,08 8,81 31 7,41 7,21 Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, disposal, reuse (1991) http://www.ebook.edu.vn 14 15 8 .Nhiệt Các nước thải từ nhà máy nhiệt điện và lò hơi của một số ngành công nghiệp có nhiệt độ rất cao. Khi thải ra môi trường, nó làm tăng nhiệt độ của các thủy vực ảnh hưởng đến một số thủy sinh vật và làm suy giảm oxy hòa tan trong nguồn nước (do khả năng bão hòa oxy trong nước nóng thấp hơn và vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ sẽ hoạt động mạnh hơn). 9. Màu (color) Các nước thải từ nhà máy dệt, giấy, thuộc da, lò mổ... có độ màu rất cao. Nó có thể làm cản trở khả năng khuếch tán của ánh sáng vào nguồn nước gây ảnh hưởng đến khả năng quang hợp của hệ thủy sinh thực vật. Nó còn làm mất vẽ mỹ quan của nguồn nước nên rất dễ bị sự phản ứng của cộng đồng lân cận. 10. Các chất tạo bọt (foam-producing matter) Các nước thải từ nhà máy dệt, giấy, các nhà máy hóa chất có chưá các chất tạo bọt, đây là một dạng ô nhiễm dễ phát hiện và gây phản ứng mạnh của cộng đồng lân cận. 11. Các chất gây trở ngại cho quá trình xử lý • • • • • Lông vũ làm tắt nghẽn đường ống, dầu bơm. Các mảnh mỡ nhỏ làm nghẹt các đầu bơm. Cỏ rác làm nghẹt các đầu bơm. Các chất khí độc gây nguy hại trực tiếp đến công nhân vận hành. Các chất có khả năng gây cháy nổ. VI KHUẨN VÀ SINH VẬT KHÁC TRONG NƯỚC THẢI Các vi sinh vật hiện diện trong nước thải bao gồm các vi khuẩn, vi rút, nấm, tảo, nguyên sinh động vật, các loài động và thực vật bậc cao. Các vi khuẩn trong nước thải có thể chia làm 4 nhóm lớn: nhóm hình cầu (cocci) có đường kính khoảng 1 ÷ 3 mm; nhóm hình que (bacilli) có chiều rộng khoảng 0,3 ÷ 1,5 mm chiều dài khoảng 1 ÷ 10,0 mm (điển hình cho nhóm này là vi khuẩn E. coli có chiều rộng 0,5 mm chiều dài 2 mm); nhóm vi khuẩn hình que cong và xoắn ốc, vi khuẩn hình que cong có chiều rộng khoảng 0,6 ÷ 1,0 mm và chiều dài khoảng 2 ÷ 6 mm; trong khi vi khuẩn hình xoắn ốc có chiều dài có thể lên đến 50 mm; nhóm vi khuẩn hình sợi có chiều dài khoảng 100 mm hoặc dài hơn. Các vi khuẩn có khả năng phân hủy các hợp chất hữu cơ trong tự nhiên cũng như trong các bể xử lý. Do đó đặc điểm, chức năng của nó phải được tìm hiểu kỹ. Ngoài ra các vi khuẩn còn có khả năng gây bệnh và được sử dụng làm thông số chỉ thị cho việc ô nhiễm nguồn nước bởi phân. Điều này sẽ bàn kỹ trong phần sau. Nấm có cấu tạo cơ thể đa bào, sống hiếu khí, không quang hợp và là loài hóa dị dưỡng. Chúng lấy dưỡng chất từ các chất hữu cơ trong nước thải. Cùng với vi khuẩn, nấm chịu trách nhiệm phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải. Về mặt sinh thái học nấm có hai ưu điểm so với vi khuẩn: nấm có thể phát triển trong điều kiện ẩm độ thấp và pH. Không có sự hiện diện của nấm, chu trình carbon sẽ chậm lại và các chất thải hữu cơ sẽ tích tụ trong môi trường. 15 http://www.ebook.edu.vn 16 Tảo gây ảnh hưởng bất lợi cho các nguồn nước mặt vì ở điều kiện thích hợp nó sẽ phát triển nhanh bao phủ bề mặt ao hồ và các dòng nước gây nên hiện tượng "tảo nở hoa". Sự hiện diện của tảo làm giảm giá trị của nguồn nước sử dụng cho mục đích cấp nước bởi vì chúng tạo nên mùi và vị. Nguyên sinh động vật có cấu tạo cơ thể đơn bào, hầu hết sống hiếu khí hoặc yếm khí không bắt buộc chỉ có một số loài sống yếm khí. Các nguyên sinh động vật quan trọng trong quá trình xử lý nước thải bao gồm các loài Amoeba, Flagellate và Ciliate. Các nguyên sinh động vật này ăn các vi khuẩn và các vi sinh vật khác do đó, nó đóng vai trò quan trọng trong việc cân bằng hệ vi sinh vật trong các hệ thống xử lý sinh học. Một số nguyên sinh động vật gây bệnh cho người như Giardalamblia và Cryptosporium. Động vật và thực vật bao gồm các loài có kích thước nhỏ như rotifer đến các loài giáp xác có kích thước lớn. Các kiến thức về các loài này rất hữu ích trong việc đánh giá mức độ ô nhiễm của các nguồn nước cũng như độc tính của các loại nước thải. Vi rút là các loài ký sinh bắt buộc, các loại vi rút phóng thích ra trong phân người có khả năng lây truyền bệnh rất cao. Một số loài có khả năng sống đến 41 ngày trong nước và nước thải ở 20oC và 6 ngày trong nước sông bình thường. Nước thải có chứa một lượng khá lớn các sinh vật gây bệnh bao gồm vi khuẩn, vi rút, nguyên sinh động vật và các loại trùng. Nguồn gốc chủ yếu là trong phân người và gia súc. Năm 1986, Shuval và các cộng sự viên đã xếp loại các nhóm vi sinh vật này theo mức độ gây nguy hiểm của nó đối với con người. Ông cũng đưa ra nhận xét là các tác hại lên sức khỏe con người chỉ xảy ra đáng kể khi sử dụng hoặc phân tươi hoặc phân lắng chưa kỹ, và các biện pháp xử lý thích đáng sẽ góp phần đáng kể trong việc bảo vệ sức khỏe con người. Các vi sinh vật chỉ thị việc nhiễm bẩn nguồn nước bởi phân Coliforms và Fecal Coliforms: Coliform là các vi khuẩn hình que gram âm có khả năng lên men lactose để sinh ga ở nhiệt độ 35 ± 0.5oC, coliform có khả năng sống ngoài đường ruột của động vật (tự nhiên), đặt biệt trong môi trường khí hậu nóng. Nhóm vi khuẩn coliform chủ yếu bao gồm các giống như Citrobacter, Enterobacter, Escherichia, Klebsiella và cả Fecal coliforms (trong đó E. Coli là loài thường dùng để chỉ định việc ô nhiễm nguồn nước bởi phân). Chỉ tiêu tổng coliform không thích hợp để làm chỉ tiêu chỉ thị cho việc nhiễm bẩn nguồn nước bởi phân. Tuy nhiên việc xác định số lượng Fecal coliform có thể sai lệch do có một số vi sinh vật (không có nguồn gốc từ phân) có thể phát triển ở nhiệt độ 44oC. Do đó số lượng E. coli được coi là một chỉ tiêu thích hợp nhất cho việc quản lý nguồn nước. Fecal streptococci: nhóm này bao gồm các vi khuẩn chủ yếu sống trong đường ruột của động vật như Streptococcus bovis và S. equinus; một số loài có phân bố rộng hơn hiện diện cả trong đường ruột của người và động vật nhu S. faecalis và S. faecium hoặc có 2 biotype (S. faecalis var liquefaciens và loại S. faecalis có khả năng thủy phân tinh bột). Các loại biotype có khả năng xuất hiện cả trong nước ô nhiễm và không ô nhiễm. Việc đánh giá số lượng Faecal streptococci trong nước thải được tiến hành thường xuyên; tuy nhiên nó có các giới hạn như có thể lẫn lộn với các biotype sống tự nhiên; F. streptococci rất dễ chết đối với sự thay đổi nhiệt độ. Các thử nghiệm về sau vẫn khuyến khích việc sử dụng chỉ tiêu này, nhất là trong việc so sánh với khả năng sống sót http://www.ebook.edu.vn 16 17 của Salmonella. Ở Mỹ, số lượng 200 F. coliform/100 mL là ngưỡng tới hạn trong tiêu chuẩn quản lý các nguồn nước tự nhiên để bơi lội. Clostridium perfringens: đây là loại vi khuẩn chỉ thị duy nhất tạo bào tử trong môi trường yếm khí; do đó nó được sử dụng để chỉ thị các ô nhiễm theo chu kỳ hoặc các ô nhiễm đã xảy ra trước thời điểm khảo sát do độ sống sót lâu của các bào tử. Trong việc tái sử dụng nước thải chỉ tiêu này được đánh giá là rất hiệu quả, do các bào tử của nó có khả năng sống sót tương đương với một số loại vi rút và trứng ký sinh trùng. Việc phát hiện, xác định từng loại vi sinh vật gây bệnh khác rất khó, tốn kém thời gian và tiền bạc. Do đó để phát hiện nguồn nước bị ô nhiễm bởi phân người ta dùng các chỉ định như là sự hiện diện của Fecal Coliforms, Fecal Streptocci, Clostridium perfringens và Pseudomonas acruginosa. Cũng cần phải nói thêm rằng mối quan hệ giữa sự chết đi của các vi sinh vật chỉ thị và vi sinh vật gây bệnh chưa được thiết lập chính xác. Ví dụ khi người ta không còn phát hiện được Fecal Coliform nữa thì không có nghĩa là tất cả các vi sinh vật gây bệnh đều đã chết hết. Trong quá trình thiết kế các hệ thống xử lý các nhà khoa học và kỹ thuật phải hạn chế tối đa các ảnh hưởng của chất thải tới sức khoẻ cộng đồng. Mỗi nước, mỗi địa phương thường có những tiêu chuẩn riêng để kiểm tra khống chế. Do kinh phí và điều kiện có giới hạn các Sở KHCN & MT thường dùng chỉ tiêu E. coli hoặc tổng coliform để qui định chất lượng các loại nước thải. Xếp loại các vi sinh vật có trong phân người và gia súc theo mức độ nguy hiểm Mức độ nguy hiểm cao Ký sinh trùng (Ancylostoma, Ascaris, Trichuris và Taenia) Mức độ nguy hiểm trung bình Vi khuẩn đường ruột (Chloera vibrio, Sallmonella typhosa, Shigella và một số loại khác) Mức độ nguy hiểm thấp Các vi rút đường ruột Số lượng coliform hay E. coli được biểu diễn bằng số khả hữu MPN (Most Probable Number). Và sau khi có kết quả nuôi cấy ta có thể dùng công thức Thomas để tính số MPN: trong đó Np: số ống nghiệm phát hiện coliform (possitive) Vn: thể tích mẫu trong các ống nghiệm không phát hiện coliform (negative) Vt: tổng thể tích mẫu trong tất cả các ống nghiệm. Bài tập: Khi nuôi cấy để xác định số lượng coliform, người ta có các kết quả sau Thể tích mẫu (mL) Ống dương tính Ống âm tính 10.0 4 1 17 http://www.ebook.edu.vn 18 1.0 4 1 0.1 2 3 0.01 0 5 Giải: Số ống dương tính: 4 + 4 + 2 + 0 = 10 Thể tích mẫu trong các ống âm tính: (1 × 10) + (1 × 1,0) + (3 × 0,1) + (5 × 0,01) = 11,35 mL Thể tích mẫu trong tất cả các ống: (5 × 10) + (5 × 1,0) + (5 × 0,1) + (5 × 0,01) = 55,55 mL Số coloform khả hữu/100mL mẫu Việc xác định các vi sinh vật gây bệnh chủ yếu Các loài này chỉ xác định được trong phòng thí nghiệm bởi những kỹ thuật viên với trình độ thích hợp. Salmonella spp.: một vài loài Salmonella có thể hiện hiện trong nước thải đô thị, kể cả S. typhi (gây bệnh thương hàn). Doran et al, 1977 cho rằng số lượng 700 Salmonella/L; khoảng chừng đó Shigellae và khoảng 1.000 Vibrio cholera/L thường phát hiện trong nước thải đô thị của khu vực nhiệt đới. Shigellae và Vibrio cholera nhanh chóng chết đi khi thải ra môi trường. Do đó nếu chúng ta sử dụng một biện pháp xử lý nào đó để loại được Salmonella thì cũng có thể bảo đảm là phần lớn các vi khuẩn kia đã bị tiêu diệt. Enteroviruses: có thể gây các bệnh nguy hiểm như sởi, viêm màng não. Rotaviruses: gây bệnh vùng vị trường. Số lượng của chúng tương đối thấp hơn enteroviruses. Người ta đã chứng minh được rằng việc loại bỏ các loài vi rút có quan hệ mật thiết với việc loại bỏ các chất rắn lơ lửng. Ký sinh trùng: thường thì các bệnh ký sinh trùng chủ yếu là do Ascaris lumbricoides, trứng của loài ký sinh trùng này có kích thước lớn (45 ÷ 70 mm × 35 ÷ 50 mm) và các phương pháp để xác định ký sinh trùng đã được thiết lập bởi WHO, 1989. http://www.ebook.edu.vn 18 19 Các vi sinh vật chỉ thị dùng để quản lý cho các nguồn nước có mục đích sử dụng khác nhau Vi sinh vật chỉ thị Mục đích sử dụng của nguồn nước Nước uống Coliform tổng số (Total coliform) Nguồn nước ngọt cho các dịch vụ giải trí Fecal coliform E. coli Enterococci Nguồn nước lợ cho các dịch vụ giải trí Fecal coliform Coliform tổng số (Total coliform) Enterococci Khu vực sinh trưởng của các loài ốc, sò... Fecal coliform Coliform tổng số (Total coliform) Tưới tiêu trong nông nghiệp Coliform tổng số (Total coliform) cho nước thải đã xử lý Nước thải sau khi khử trùng Fecal coliform Coliform tổng số (Total coliform) The link ed image cannot be display ed. The file may hav e been mov ed, renamed, or deleted. Verify that the link points to the correct file and location. Đôi khi chúng ta cần phải xác định là nguồn nước bị nhiễm bẩn bởi phân người hay phân gia súc để có những biện pháp quản lý thích hợp. Khi đó người ta thường sử dụng tỉ lệ Fecal coliform trên Fecal streptococci. Các số liệu về tỉ lệ Fecal coliform/Fecal streptococci được trình bày trong bảng 1.7. Số lượng các vi sinh vật chỉ thị trên đầu người và đầu gia súc Sinh vật TB mật độ cá thể/g phân TB số cá thể cho ra/đầu.24 h Fecal coliform (106) Fecal streptococci (106) Fecal coliform (106) Fecal streptococci (106) Tæ leä FC/FS Gà 1,3 3,4 240 620 0,4 Bò 0,23 1,3 5.400 31.000 0,2 19 http://www.ebook.edu.vn