Cấp thoát nước - Chương 4 pdf

1
Chương 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.
2
Các 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 (Cl
2
, NaOCl, Ca(OCl)
2
, O

3
, KMnO
4
,
OCl
2
) 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.
3
1. 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 15
o
C 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/cm
2
• Clo là chất ôxy hoá mạnh, thế OXH tiêu chuẩn E
o
= 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:
Cl
2
+ H
2
O ⇋ HOCl + HCl
hoặc ở dạng phương trình phân ly:
Cl
2
+ H
2
O ⇋ 2H
+
+ OCl
-

+ Cl
-
Khi sử dụng clorua vôi làm chất sát trùng:
Ca(OCl)
2
+ H
2
O ⇋ 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.
5
1.1 Bản chất của quá trình diệt trùng bằng Clo.
• Hằng số thuỷ phân của clo trong nước ở 25
o
C là:
• Với HOCl, giá trị của hằng số phân ly thay ñổi
phụ thuộc nhiệt ñộ:
- ở 0
o

C giá trị ñó là 1,5.10
-8
- ở 10
o
C giá trị ñó là 2.10
-8
- ở 25
o
C giá trị ñó là 2,7.10
-8
][
]][][[
2
Cl
ClHHOCl
K
−+
=
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 20
o
C.
• 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
6
1.1 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 + NH
3
→ NH
2
Cl + H
2
O
HOCl + NH
2
Cl → NHCl
2
+ H
2
O
HOCl + NHCl
2
→ NCl
3
+ H
2
O

7
1.1 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 Cl
2
,
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.
8
1.1 Bản chất của quá trình diệt trùng bằng Clo
• Clo hoá nc vi liu 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 NH
4
+
cho
1g Cl.
9
1.2. 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:
t
1

, t
2
: thời gian tiếp xúc (phút) cần ñể giảm lượng vi trùng
trong nước ñến mức yêu cầu tương ứng với nhiệt ñộ
nước T
1
, T
2
(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 SO
2
ñể khử clo dư trong nước:
Cl
2
+ SO
2
+H
2
O → 2HCl + H
2
SO
4
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 SO
2
.
• Khử bằng Na
2
SO

3
:
Cl
2
+ Na
2
SO
3
+ H
2
O → 2HCl + Na
2
SO
4
khử 1mg clo dư cần 3,05mg Na
2
SO
3
tinh thể.
• Dùng Na
2
S
2
O
3
khử clo dư:
4Cl
2
+ Na
2

S
2
O
3
+ 5H
2
O → 2NaCl + 6HCl + 2H
2
SO
4
ñể khử 1mg Cl
2
cần 0,85mg Na
2
S
2
O
3
dạng tinh thể ngậm 5 phân tử
nước. Thành phần hoạt tính của Na
2
S
2
O
3
trong sản phẩm thương
mại là 30-50%.
Trước khi cho Na
2
S

2
O
3
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 hấp
phụ.
- 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 (ClO
2
)
2.1. Các dạng khác nhau của ClO
2
trong môi trường nước:
• Tính tan của ClO
2
trong nước cao gấp 10 lần so với clo.

Trong nước ClO
2
bị phân huỷ theo phương trình:
2ClO
2
+ H
2
O ⇋ HClO
2
+ HClO
3
• Sự thuỷ phân này rất chậm trong môi trường trung tính
hoặc axit nhẹ. Trong môi trường kiềm, ClO
2
chuyển hoá
thành clorit và clorat:
2ClO
2
+ H
2
O
-
⇋ 2ClO
2
-
+H
2
O
2.1. Các dạng khác nhau của ClO
2

trong môi
trường nước
- Khi có mặt ánh sáng (λ=365 nm) các dung dịch ClO
2
bị phân
huỷ với một vận tốc phụ thuộc vào thời gian và cường ñộ
chiếu sáng. Phản ứng tổng quát:
2ClO
2
+ hv + H
2
O → HClO
3
+ HCl + O
2
- Tăng nhiệt ñộ gây ra sự thuỷ phân ClO
2
thành clo và ôxy.
- ClO
2
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.
ClO
2
+ e ⇋ ClO
2
-
(E
o
= 0,95V)

- Lưu ý: các vết ion clorat (ClO
3
-
) có thể tạo thành từ một số
phản ứng của ClO
2
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 ClO
2
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 Fe
2+
, mangan
Mn
2+
, các ion nitrit, sunfua và xyanua. ClO
2
còn
phản ứng với các ion iodua nhưng không phản
ứng với ion clorua và bromua.
o
ClCl
E
−/
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 ClO
2
• 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
ClO
2
dư trong nước ở mức 0,1mg/l ñủ ñể diệt khuẩn,
0,5mg/l ñể diệt virus. ClO
2
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
ClO
2
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 15
o
C 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 10
o
C, 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 bão
hoà dung dịch vôi sữa bằng clo hơi.
- Theo lý thuyết, 1kg sạch chứa 49,6% Cl
2
. 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 ClO
2
- ClO
2
là chất khí màu vàng xanh, hoà tan trong nước và không bền
vững dưới ánh sáng. ClO
2
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.
- ClO
2
ñược sản xuất trực tiếp tại chỗ bằng cách sục khí clo vào dung
dịch natri clorit hay canxi clorit ñã ñược axit hoá:
2NaClO
2
+ Cl
2
→ 2ClO
2

+ 2NaCl
Ca(ClO
2
)
2
+ Cl
2
→ 2ClO
2
+ CaCl
2
1kg natri cloxit và 400g clo hơi tạo ra 750g ClO
2
ở dạng dung dịch.
Khả năng diệt trùng của ClO
2
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
O
3
/m
3
không khí).

- O
3
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.
- O
3
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