Các thông số chất lượng môi trường nước

................................................16 3.2 Độ cứng của nước..................................................................................................17 3.2.1 Tác hại của nước cứng..................................................................................19 3.2.2 Độ cứng của nước trong tự nhiên..................................................................20 3.2.3 Các phương pháp làm mềm nước..................................................................21 3.3 Hàm lượng oxigen hòa tan (DO) ...........................................................................22 3.4 Nhu cầu oxigen hóa học (COD) ............................................................................23 3.5 Nhu cầu oxigen sinh hóa (BOD)............................................................................24 3.6 Một số chỉ tiêu hóa học khác trong nước................................................................25 3.6.1 Sắt................................................................................................................25 3.6.2 Các hợp chất clorur.......................................................................................25 3.6.3 Các hợp chất sulfat.......................................................................................26 3.6.4 Các hợp chất Nitơ.........................................................................................27 3.6.5 Phosphorus & Phosphate..............................................................................27 3.6.6 Các hợp chất Silic........................................................................................30 3.6.7 Các hợp chất mangan...................................................................................30 3.6.8 Nhôm...........................................................................................................31 3.6.9 Khí hòa tan...................................................................................................31 3.6.10 Hóa chất bảo vệ thực vật.............................................................................32 3.6.11 Chất hoạt động bề mặt................................................................................32 Chương 4 CÁC CHỈ TIÊU VI SINH CỦA NƯỚC......................................................................34Các chỉ tiêu vật lý.......................................................................................................34 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................36 Chương 1 TỔNG QUAN MÔI TRƯỜNG NƯỚC Nước chiếm 70% diện tích quả đất. Trong lượng nước có mặt trên quả đất, nước đại dương chiếm khoảng 97%, nước đóng băng ở các cực quả đất chiếm khoảng 2%, còn lại khoảng 1% là “nước ngọt” (ao hồ, sông, nước ngầm…). Thành phần nguồn nước trên trái đất Nước đóng vai trò rất quan trọng trong các hệ sinh học. Có hai tính chất rất quan trọng khiến cho nước đóng vai trò hết sức độc đáo trong tự nhiên : nước là một phân tử phân cực và giữa các phân tử nước có liên kết hidrogen rất mạnh. Chương 2 CÁC CHỈ TIÊU VẬT LÝ 2.1 Độ pH Giới thiệu chung. Thuật ngữ pH được sử dụng rộng rãi để biểu diễn tính acid hoặc tính kiềm của dung dịch. pH là chỉ số biểu diễn nồng độ của ion – hydro, hay nói chính xác hơn là nồng độ hoạt tính của ion – hydro. pH có vai trò quan trọng trong hầu hết các quá trình của lĩnh vực kỹ thuật môi trường. Trong lĩnh vực cấp nước, pH là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình keo tụ hóa học, khử trùng, làm mềm và kiểm soát tính ăn mòn của nước. Trong xử lý nước thải bằng các quá trình sinh học, pH phải được duy trì trong giới hạn tối ưu cho sự phát triển của vi sinh vật. Các quá trình hóa học sử dụng để keo tụ nước thải, làm khô bùn hoặc oxy các hợp chất như ion cyanua, thường đòi hỏi pH phải được duy trì trong một giới hạn hẹp. Vì những lý do trên và vì các mối quan hệ cơ bản giữa pH, độ acid và độ kiềm, cần phải hiểu biết về lý thuyết cũng như thực tế pH. 2.1.2 Lý thuyết pH Khái niệm về pH được phát triển từ hàng loạt các nghiên cứu dẫn đến hiểu biết đầy đủ hơn về acid và base. Với sự khám phá của Cavendish năm 1366 về hydro, ngay sau đó mọi người đều biết tất cả acid chứa nguyên tố hydro. Các nhà hóa học đã tìm thấy rằng các phản ứng trung hòa giữa acid và base luôn luôn tạo thành nước. Từ khám phá trên và các thông tin liên quan, người ta kết luận rằng base chứa các nhóm hydroxyl. Năm 1887 Arrhenius thông báo lý thuyết của ông về sự phân ly thành ion (ionization). Từ đó đến nay acid được coi là các chất khi phân ly tạo thành ion – hydro và base khi phân ly tạo thành ion hydroxyl. Theo khái niệm của Arrhenius, trong dung dịch, acid mạnh và base mạnh có khả năng phân ly cao, acid yếu và base yếu có khả năng phân ly kém trong dung dịch nước. Sự ra đời và phát triển các thiết bị thích hợp đo nồng độ hoặc hoạt tính của ion – hydro đã chứng minh lý thuyết trên. Điện cực hydro là thiết bị thích hợp để đo độ hoạt tính của ion – hydro. Cùng với việc sử dụng điện cực hydro, người ta tìm thấy rằng nước tinh khiết phân ly cho nồng độ ion hydro cân bằng khoảng 10-7 mol/l. H2O H+ +OH- (1 – 1) Vì nước phân ly tạo thành một ion – hydroxyl và một ion – hydro nên rõ ràng rằng có khoảng 10-7 mol/l ion – hydroxyl cũng được tạo thành. Thay thế vào phương trình cân bằng ta có HOHH2O=K (1 – 2) Nhưng vì nồng độ của nước là rất lớn ([6,02 x 1023 x 1.000/18] mol/l) và giảm đi rất ít do bị phân ly nên có thể được xem là hằng số (hoạt tính của nó tương đương với 1,0) và phương trình (1 – 2) có thể được viết thành: {H+} {OH-} = Kn (1 – 3) và đối với nước tinh khiết ở 200C, {H+} {OH-} = 10-7 x 10-7 = 10-14 Hằng số này là tích ion hoặc hằng số phân ly của nước. Khi cho vào nước một acid, nó phân ly trong nước và hoạt tính ion – hydro tăng lên; tiếp theo, hoạt tính ion – hydroxyl phải giảm xuống tuân theo hằng số phân ly. Ví dụ, nếu acid được cho vào nước để tăng nồng độ hoạt tính {H+} đến 10-1 thì nồng độ hoạt tính {OH-} phải giảm đến 10-13, để có: 10-1 x 10-13 = 10-14 Ngược lại, nếu base được cho vào nước để tăng nồng độ {OH-} đến 10-3 thì nồng độ {H+} giảm đến 10-11. Và một ghi nhớ quan trọng là {OH-} và {H+} không bao giờ giảm đến zero. Khái niệm cơ bản pH Việc biểu diễn hoạt tính ion – hydro dưới dạng nồng độ mol là không thuận tiện. Để khắc phục khó khăn này, năm 1909 Sorenson kiến nghị biểu diển nồng độ hoạt tính của ion – hydro dưới dạng logarithm âm và kí hiệu là pH+. Ký hiệu của ông được thay thế bằng ký hiệu đơn giản hơn là pH và được biểu diển bằng pH = - log{H+} hoặc pH = log1H+ (1 – 5) và pH thường nằm trong dãy từ 0 đến 14, với pH 7 ở 250C biểu diễn tính trung hòa tuyệt đối. Vì hằng số Kn thay đổi theo sự thay đổi nhiệt độ, nên pH của tính trung hòa cũng thay đổi cùng với nhiệt độ, là 7,5 ở 00C và 6,5 ở 600C. Tính acid tăng khi giá trị pH giảm và tính kiềm tăng khi giá trị pH tăng. 2.1.3 Đo pH Điện cực hydro là tiêu chuẩn tuyệt đối để đo pH. Nhưng nó không thuận lợi và không thích ứng được việc sử dụng rộng rãi, đặc biệt trong các nghiên cứu ngoài hiện trường hoặc đối với các dung dịch có chứa các chất hấp phụ lên platin đen. Sự thay đổi của các chất chỉ thị được chuẩn độ với điện cực để xác định tính chất độ màu của chúng ở các mức độ thay đổi của pH. Từ những nghiên cứu này, có thể xác định một cách chính xác việc chọn chất chỉ thị có khả năng thay đổi độ màu một cách đáng kể trong dãy pH có liên quan. Việc sử dụng chất chỉ thị được thay thế bằng việc phát triển điện cực thủy tinh. Khoảng năm 1925, người ta đã tìm thấy điện cực có thể được chế tạo bằng thủy tinh và có khả năng đo được hoạt tính của ion – hydro mà không bị ảnh hưởng của hầu hết các ion khác. Việc sử dụng nó trở thành phương pháp tiêu chuẩn để đo pH. Đo bằng điện cực thủy tinh Các loại máy đo pH sử dụng điện cực thủy tinh do nhiều công ty chế tạo. Chúng thay đổi từ các loại máy pH công trường sử dụng pin với giá vài trăm USD đến các loại thiết bị có độ chính xác cao với giá hơn ngàn USD. Các loại máy đo pH sử dụng điện 110V được chế tạo từ những năm 1940 và đáp ứng được hầu hết các yêu cầu của phòng thí nghiệm, chúng có khả năng đo được pH với độ chính xác 0,1 đơn vị. Các máy đo pH di động sử dụng pin thích hợp với việc đi công trường. Việc đo pH có thể được thực hiện trong rất nhiều loại vật liệu và ở các điều kiện rất khác nhau, điều này cho thấy phải lưu ý đến loại điện cực. Việc đo các giá trị pH cao hơn 10 và ở nhiệt độ cao tốt nhất được thực hiện với các điện cực thủy tinh đặc biệt. Các thiết bị đo pH thường được chuẩn độ bằng các dung dịch pH chuẩn. 2.2 Nhiệt độ Nhiệt độ ảnh hưởng đến độ pH, đến các quá trình hóa học và sinh hóa xảy ra trong nước. Nhiệt độ phụ thuộc rất nhiều vào môi trường xung quanh, vào thời gian trong ngày, vào mùa trong năm…Nhiệt độ cần được xác định tại chỗ (tại nơi lấy mẫu). 2.3 Màu sắc  Nước nguyên chất không có màu. Màu sắc gây nên bởi các tạp chất trong nước (thường là do chất hữu cơ (chất mùn hữu cơ – acid humic), một số ion vô cơ (sắt…), một số loài thủy sinh vật…Màu sắc mang tính chất cảm quan và gây nên ấn tượng tâm lý cho người sử dụng. Độ màu thường được so sánh với dung dịch chuẩn trong ống Nessler, thường dùng là dung dịch K2PtCl6 + CaCl2 (1 mg K2PtCl6 tương đương với 1 đơn vị chuẩn màu). Độ màu của mẫu nước nghiên cứu được so sánh với dãy dung dịch chuẩn bằng phương pháp trắc quang. Nước thiên nhiên sạch thường không màu, màu của nước mặt chủ yếu do chất mùn, các chất hòa tan,  keo hoặc do thực vật thối rửa. Sự có mặt của một số ion kim loại (Fe, Mn), tảo, than bùn và các chất thải công nghiệp cũng làm cho nước có màu. Độ màu của nước được xác định theo thang màu tiêu chuẩn tính bằng đơn vị Pt-Co. Trong thực tế, độ màu có thể phân thành hai loại: độ màu thực và độ màu biểu kiến. Độ màu biểu kiến bao gồm cả các chất hòa tan và các chất huyền phù tạo nên, vì thế màu biểu kiến được xác định ngay trên mẫu nguyên thủy mà không cần loại bỏ chất lơ lửng. Độ màu thực được xác định trên mẫu đã ly tâm và không nên lọc qua giấy lọc vì một phần cấu tử màu dễ bị hấp thụ trên giấy lọc. Ý nghĩa môi trường Đối với nước cấp, độ màu biểu thị giá trị cảm quan, độ sạch của nước.  Riêng với nước thải, độ màu đánh giá phần nào mức độ ô nhiễm nguồn nước. Phương pháp xác định Nguyên tắc xác định độ màu dựa vào sự hấp thu ánh sáng của hợp chất màu có trong dung dịch , phương pháp xác định là phương pháp so màu. Các yếu tố ảnh hưởng Độ đục ảnh hưởng đến việc xác định độ màu thật của mẫu. Khi xác định độ màu thực, không nên sử dụng giấy lọc vì một phần màu thực có thể bị hấp thụ trên giấy. Độ màu  phụ thuộc vào pH của nước, do đó trong bảng kết quả cần ghi rõ pH lúc xác định độ màu. 2.4 Độ đục Độ đục gây nên bởi các hạt rắn lơ lửng trong nước. Các chất lơ lửng trong nước có thể có nguồn gốc vô cơ, hữu cơ hoặc các vi sinh vật, thủy sinh vật có kích thước thông thường từ 0,1 – 10 m. Độ đục làm giảm khả năng truyền sáng của nước, ảnh hưởng tới quá trình quang hợp.1 đơn vị độ đục là sự cản quang gây ra bởi 1 mg SiO2 hòa trong 1 lít nước cất. Độ đục được đo bằng máy đo độ đục (đục kế – turbidimeter). Đơn vị đo độ đục theo các máy do Mỹ sản xuất là NTU (Nephelometric Turbidity Unit). Thang đo độ đục Theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), độ đục được xác định bằng chiều sâu lớp nước thấy được (gọi là độ trong) mà ở độ sâu đó người ta vẫn đọc được hàng chữ tiêu chuẩn. Độ đục càng thấp chiều sâu của lớp nước còn thấy được càng lớn. Nước được gọi là trong khi mức độ nhìn sâu lớn hơn 1 m (hay độ đục nhỏ hơn 10 NTU). Theo qui định của TCVN, độ đục của nước sinh hoạt phải lớn hơn 30cm. 2.5 Tổng hàm lượng các chất rắn (TS) 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. 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. 2.6 Tổng hàm lượng các chất lơ lửng (SS) Các chất rắn lơ lửng (các chất huyền phù) là những chất rắn không tan trong nước. Hàm lượng các chất lơ lửng (SS : Suspended Solids) là lượng khô của phần chất rắn còn lại trên giấy lọc sợi thủy tinh khi lọc 1 lít nước mẫu qua phễu lọc rồi sấy khô ở 105oC cho tới khi khối lượng không đổi. Đơn vị tính là mg/L.  2.7 Tổng hàm lượng chất rắn hòa tan (DS) Tổng chất rắn hoà tan - Total Dissolved Solids (TDS) là tổng số các ion mang điện tích, bao gồm khoáng chất, muối hoặc kim loại tồn tại trong một khối lượng nước nhất định, thường được biểu thị bằng hàm số mi/L hoặc ppm (phân ngìn). TDS thường được lấy làm cơ sở ban đầu để xác định mức độ sạch/ tinh khiết của nguồn nước. Chất rắn hoà tan đang nói đến ở đây tồn tại dưới dạng các ion âm và ion dương. Do nước luôn có tính hoà tan rất cao nên nó thường có xu hướng lấy các ion từ các vật mà nó tiếp xúc. Ví dụ, khi chảy ngầm trong lòng nói đá, nước sẽ lấy các ion Can-xi, các khoáng chất. Khi chảy trong đường ống, nước sẽ lấy các ion kim loại trên bề mặt đường ống, như sắt, đồng, chì (ống nhựa) Theo các quy định hiện hành của WHO, US EPA, và cả Việt Nam, TDS không được vượt quá 500 đối với nước tinh khiết và không vượt quá 1000 đối với nước sinh hoạt TDS càng nhỏ chứng tỏ nước càng tinh khiết. Một số ứng dụng trong ngành sản xuất điện tử yêu cầu TDS không vượt quá 5. Tuy nhiên, điều ngược lại không phải luôn đúng. Nguồn nước có TDS cao chưa chắc đã không an toàn, có thể do nó chứa nhiều ion có lợi. Các loại nước khoáng thường không bị giới hạn về TDS. Khi đo thấy chỉ số TDS cao, cần tiếp tục phân tích mẫu nước để xác định thành phần các ion chủ yếu và đối chiếu với các ứng dụng thực tế để quyết định có cần giảm TDS hay không. Ví dụ đối với nước dùng cho nồi hơi, nước cho máy giặt công nghiệp phải không có các ion can-xi, ma-giê, tránh tình trạng nổ lò hơi hoặc giảm tuổi tho máy giặt... Nếu TDS cao do nhiều ion can-xi, magiê, bắt buộc phải loại bỏ hết ... Đối với nước khoáng, cũng cần xác định thành phần khoáng để có biện pháp lựa chọn giữ lại hoặc giảm bớt. Khi biết thành phần chính của TDS sẽ có thể áp những phương pháp thích hợp: Trao đổi ion Khử ion Thẩm thấu ngược Chưng cất 2.8 Tổng hàm lượng các chất dễ bay hơi (VS) Để đánh giá hàm lượng các chất hữu cơ có trong mẫu nước, người ta còn sử dụng các khái niệm tổng hàm lượng các chất không tan dễ bay hơi (VSS: Volatile Suspended Solids), tổng hàm lượng các chất hòa tan dễ bay hơi (VDS: Volatile Dissolved Solids).Hàm lượng các chất rắn lơ lửng dễ bay hơi VSS là lượng mất đi khi nung lượng chất rắn huyền phù (SS) ở 5500C cho đến khi khối lượng không đổi (thường được qui định trong một khoảng thời gian nhất định). Hàm lượng các chất rắn hòa tan dễ bay hơi VDS là lượng mất đi khi nung lượng chất rắn hòa tan (DS) ở 5500C cho đến khi khối lượng không đổi (thường được qui định trong một khoảng thời gian nhất định). Chương 3 CÁC CHỈ TIÊU HÓA HỌC 3.1 Độ kiềm toàn phần Độ kiềm toàn phần (Alkalinity) là tổng hàm lượng các ion HCO3-, CO32-, OH- có trong nước. Độ kiềm trong nước tự nhiên thường gây nên bởi các muối của acid yếu, đặc biệt là các muối carbonat và bicarbonat. Độ kiềm cũng có thể gây nên bởi sự hiện diện của các ion silicat, borat, phosphat… và một số acid hoặc baz hữu cơ trong nước, nhưng hàm lượng của những ion này thường rất ít so với các ion HCO3-, CO32-, OH- nên thường được bỏ qua. Khái niệm về độ kiềm (alkalinity – khả năng trung hòa acid) và độ acid (acidity – khả năng trung hòa baz) là những chỉ tiêu quan trọng để đánh giá động thái hóa học của một nguồn nước vốn luôn luôn chứa carbon dioxid và các muối carbonat.Xét một dung dịch chỉ chứa các ion carbonat HCO3- và CO32-. Ở các giá trị pH khác nhau, hàm lượng carbonat sẽ nằm cân bằng với hàm lượng CO2 (cân bằng carbonat) vì trong nước luôn diễn ra quá trình:  2HCO3-  CO32- + H2O + CO2 ; CO32- + H2O 2OH- + CO2 Giả sử ngoài H+, ion dương có hàm lượng nhiều nhất là Na+ thì ta luôn luôn có cân bằng sau:  [H+] + [Na+] = [HCO3-] + 2[CO32-] + [OH-] Độ kiềm được định nghĩa là lượng acid mạnh cần để trung hòa để đưa tất cả các dạng carbonat trong mẫu nước về dạng H2CO3. Như vậy ta có các biểu thức: [Alk] = [Na+] Hoặc [Alk] = [HCO3-] + 2[CO32-] + [OH-] + [H+] Người ta còn phân biệt độ kiềm carbonat (còn gọi là độ kiềm m hay độ kiềm tổng cộng T vì phải dùng metyl cam làm chất chỉ thị chuẩn độ đến pH = 4,5; liên quan đến hàm lượng các ion OH-, HCO3- và CO32-) với độ kiềm phi carbonat (còn gọi là độ kiềm p vì phải dùng phenolphtalein làm chất chỉ thị chuẩn độ đến pH = 8,3; liên quan đến ion OH- . Hiệu số giữa độ kiềm tổng m và độ kiềm p được gọi là độ kiềm bicarbonat.Trên sơ đồ cân bằng carbonat trong nước cho thấy, ở pH = 6,3, nồng độ CO2 hòa tan trong nước và nồng độ ion HCO3- bằng nhau, còn ở pH = 10,3 thì nồng độ các ion HCO3- và CO32-sẽ bằng nhau. Ở pH 10,3 dạng tồn tại chủ yếu là dạng CO32-, còn trong khoảng 6,3 < pH < 10,3 dạng tồn tại chủ yếu là HCO3-. Tùy từng nước qui định, độ kiềm có những đơn vị khác nhau, có thể là mg/L, đlg/L (Eq/L) hoặc mol/L. Trị số độ kiềm cũng có thể qui đổi về một hợp chất nào đó, ví dụ Đức thường qui về CaO, Mỹ thường qui về CaCO3. Khi tính theo CaCO3, cách tính được thực hiện như sau: mg CaCO3/L = đương lượng gam CaCO3/đương lượng gam ion (mg ion/L)Ví dụ, nếu hàm lượng các ion CO32- và HCO3- lần lượt là 80 và 90 mg/L thì khi qui đổi về CaCO3 chúng lần lượt có giá trị là: mg CO32- theo CaCO3/L = 80mg/L×50/30 = 133,3 mg/L mg HCO3- theo CaCO3/L = 90mg/L×50/61 = 73,7 mg/L 3.2 Độ cứng của nước Nước cứng là loại nước tự nhiên chứa trên 3 mili đương lượng gam cation canxi (Ca2+) và magie (Mg2+) trong một lít. Nước chứa nhiều Mg2+ có vị đắng. Tổng hàm lượng ion Ca2+ và Mg2+ đặc trưng cho tính chất cứng của nước. Độ cứng của nước thiên nhiên dao động rất nhiều và đặc trưng lớn ở nước ngầm. Đặc điểm Nước cứng không được phép dùng trong nồi hơi vì khi đun sôi nước cứng thì canxi cacbonat (CaCO3) và magie cacbonat (MgCO3) sẽ kết tủa bám vào phía trong thành nồi hơi supde (nồi cất, ấm nước, bình đựng...) tạo thành một màng cặn cách nhiệt, làm giảm hệ số cấp nhiệt, có khi còn làm nổ nồi hơi. Nước cứng cũng không dùng để pha chế thuốc vì có thể gây kết tủa làm thay đổi thành phần của thuốc. Khi dùng nước cứng nấu làm rau, thịt khó chín; làm mất vị của nước chè. Giặt bằng nước cứng tốn xà phòng do Ca2+ làm kết tủa gốc axit trong xà phòng và làm xà phòng không lên bọt. Nhiều công nghệ hóa học cũng yêu cầu nước có độ cứng nhỏ. Nếu độ cứng vượt giới hạn cho phép (tuỳ mục đích sử dụng) thì phải làm mềm hóa nước cứng bằng cách cho kết tủa Mg2+ và Ca2+ với sođa (Na2CO3), photphat hoặc tách chúng bằng nhựa trao đổi ion hoặc đun sôi. Độ cứng của nước: một mili đương lượng gam của độ cứng tương đương với hàm lượng 20,04mgCa2+ và 12,16mgMg2+. Độ cứng của nước gây nên bởi các ion đa hóa trị có mặt trong nước. Chúng phản ứng với một số anion tạo thành kết tủa. Các ion hóa trị 1 không gây nên độ cứng của nước. Trên thực tế vì các ion Ca2+ và Mg2+ chiếm hàm lượng chủ yếu trong các ion đa hóa trị nên độ cứng của nước xem như là tổng hàm lượng của các ion Ca2+ và Mg2+.Đơn vị đo độ cứng được dùng khác nhau ở nhiều nước.1 độ cứng Đức: 1dH = 10mgCaO/L; 1 độ cứng Anh: 1eH = 10mgCaCO3/0,7L; 1 độ cứng Pháp: 1fH = 10mgCaCO3/L; 1 độ cứng Mỹ: 1aH = 1mgCaCO3/L. Qui đổi: 1mEq/L = 5fH (mEq: mili đương lượng gam); 1fH = 0,56dH = 0,7eH = 10mg CaCO3/L; 1dH =1,786fH =1,25eH = 17,86mgCaCO3/L = 10mgCaO/L; 1eH = 1,438fH = 0,8dH = 14,38mgCaCO3/L; 1mgCaCO3/L = 0,1fH = 0,056dH = 0,7eH Một đơn vị khác cũng hay được dùng để đánh giá độ cứng là ppm (Parts Per Million). 1dH = 17ppm.  Phân loại nước theo độ cứng Các ion Ca2+ và Mg2+ có thể tạo kết tủa với một số chất khóang có trong nước, tạo lắng cặn trong nồi hơi, bình đun nước hoặc hệ thống dẫn nước. Người ta còn phân biệt các loại độ cứng khác nhau : - Độ cứng carbonat (thường được ký hiệu CH: Carbonate Hardness): là độ cứng gây ra bởi hàm lượng Ca2+ và Mg2+ tồn tại dưới dạng HCO3-. Độ cứng carbonat còn được gọi là độ cứng tạm thời vì sẽ mất đi khi bị đun sôi. - Độ cứng phi carbonat (thường được ký hiệu là NCH : Non-Carbonate Hardness) là độ cứng gây ra bởi hàm lượng Ca2+ và Mg2+ liên kết với các anion khác ngoài HCO3- như SO42-, Cl-…Độ cứng phi carbonat còn được gọi là độ cứng thường trực hay độ cứng vĩnh cữu.  3.2.1 Tác hại của nước cứng Độ cứng vĩnh viễn của nước ít ảnh hưởng đến sinh vật trừ phi nó quá cao, ngược lại, độ cứng tạm thời (ĐCTT) lại có ảnh hưởng rất lớn. Nguyên nhân là vì thành phần chính tạo ra ĐCTT là các muối bicarbonat Ca và Mg: Ca(HCO3)2 và Mg(HCO3)2, chúng là các muối hòa tan hoàn toàn nhưng không ổn định, không bền. Chúng dễ dàng bị phân hủy thành CaCO3, MgCO3 là các muối kết tủa: Ca(HCO3)2 => CaCO3 + H2O + CO2 Mg(HCO3)2 => MgCO3 + H2O + CO2 Khi phản ứng phân hủy xảy ra trong cơ thể sinh vật, các muối này kết tủa trong cơ thể sinh vật sẽ gây hại không nhỏ. Ở con người, chúng là nguyên nhân gây ra sỏi thận và 1 trong các nguyên nhân gây tắc động mạch do đóng cặn vôi ở thành trong của động mạch. Lưu ý là các muối CaCO3 và MgCO3 là các muối kết tủa và chúng không thấm qua niêm mạc hệ tiêu hóa của chúng ta được, chỉ các muối hòa ta mới thấm được thôi. Vì vậy nước cứng chỉ có tác hại do các muối bicarbonat. 3.2.2 Độ cứng của nước trong tự nhiên  Trong tự nhiên có rất nhiều nguồn nước có độ cứng thấp, ví dụ như nước mưa - độ cứng của nước mưa gần như bằng 0. Ngoài ra, độ cứng của nước sông, và phần lớn ao hồ ở đồng bằng cũng rất thấp vì nguồn nước của chúng là nước mưa (có lẽ đó cũng là nguyên nhân làm cho phần lớn sinh vật thủy sinh kém thích nghi với nước cứng). Ngược lại suối và ao hồ ở những vùng núi đá vôi lại có độ cứng khá cao. Hầu như tất cả nước ngầm đều có độ cứng rất cao.Nước máy ở Hà nội có độ cứng tạm thời từ 250-320ppm, tức là 5-6,4 mEq/l hay 14-18 dH; Nước giếng khoan (chưa xử lý) ở HN có độ cứng tạm thời từ 250-450ppm, tức là 5-9 mEq/l hay 14-25dH 3.2.3 Các phương pháp làm mềm nước Có rất nhiều phương pháp làm giảm độ cứng của nước, từ đơn giản đến phức tạp. Tất nhiên muốn có nước càng mềm thì càng tốn công. Như đã nói ở trên, các muối bicarbonat rất không bền, chúng rất dễ bị phân hủy dưới những sự thay đổi rất nhỏ của môi trường xung quanh, vì vậy có rất nhiều cách để làm cho nó kết tủa: a- Làm nóng nước: đun nóng nuớc sẽ làm giảm đáng kể độ cứng của nước. b- Làm nước lưu động liên tục: khuấy liên tục hoặc bơm tuần hoàn liên tục cũng có tác dụng, tuy rằng khá chậm và trong nhiều trường hợp, sự phân hủy bicarbonat chậm hơn sự hòa tan bicarbonat mới từ các nguồn khác vào nước. c- Chưng cất nước: về nguyên tắc, nước cất có thể coi là H2O tinh khiết hoàn toàn.d- Loc RO (thẩm thấu ngược): công nghệ lọc RO cho phép loại bỏ gần như tất cả các chất hòa tan và không hòa tan ra khỏi nước, nước lọc RO có thể coi là H2O tinh khiết (tuy không bằng nước cất). e- Trao đổi ion: Đây là phương pháp được dùng phổ biến nhất vì có giá thành rẻ kể cả chi phí đầu tư lẫn chi phí vận hành. Nguyên lý của nó là đưa nước qua 1 vật liệu chứa các ion dương hoạt động mạnh hơn Ca++ và Mg++, vật liệu này sẽ hấp thụ các ion Ca++ và Mg++ trong nước và nhả ra các ion mạnh hơn kia, do đó tạo ra các hợp chất carbonat không kết tủa. Vật liệu đó được gọi là Cationit (hay cation-exchange resyn). Thông thường người ta dùng 2 loại cationit là Na-Cationit và H-Cationit tương ứng với các ion là Na+ và H+ và các hợp chất tạo ra tương ứng là Na2CO3 và H2CO3 (H2CO3 sẽ bị phân tích ngay thành H20 và CO2). Khi các Cationit đã hết khả năng trao đổi, người ta phải "hoàn nguyên" tức là phục hồi lại các ion dương cho nó. Đối với Na-Cationit người ta dùng muối ăn NaCl, đối với H-Cationit người ta dùng axit. Thiết bị trao đổi Na-Cationit thông thường có thể hạ độ cứng của nước xuống đến dưới 10ppm, nếu được thiết kế đặc biệt có thể hạ xuống dưới 2ppm. Mỗi lít hạt Na-Cationit có khả năng trao đổi khoảng từ 2-6 gam đương lượng tùy loại, tức là có thể làm hạ độ cứng của 300 đến 1000 lít nước có độ cứng 6 mEq/lít (300ppm hay 16,8dH) xuống 0 trước khi phải hoàn nguyên. H-Cationit có khả năng trao đổi mạnh hơn Na-Cationit và cũng triệt để hơn vì nó loại bỏ hoàn toàn gốc carbonat ra khỏi nước. Tuy nhiên nó có giá thành cao hơn nhiều lần, chi phí vận hành cũng cao hơn (axit đắt hơn muối ăn) và yêu cầu vận hành cũng nghiêm ngặt hơn do phải dùng axit nên ít được sử dụng. Ngoài cách trao đổi ion dương người ta còn dùng cả trao đổi ion âm (chất trao đổi gọi là Anionit) để loại bỏ các ion HCO3- ra khỏi nước. Phương pháp này thường chỉ được sử dụng trong các nhà máy nhiệt điện, ở đó họ dùng cả Na-Cationit, H-Cationit và Anionit nối tiếp nhau trong 1 hệ thống. Phương pháp trao đổi ion này được sử dụng rất rộng rãi và là phương pháp cơ bản để làm mềm nước trong công nghiêp. Kể cả đối với các thiết bị RO, để tăng tuổi thọ và giảm tải lên các thiết bị RO, người ta cũng làm mềm nước bằng trao đổi ion trước khi đưa nước vào lọc RO. 3.3 Hàm lượng oxigen hòa tan Oxigen hòa tan trong nước (DO: Dissolved Oxygen) không tác dụng với nước về mặt hóa học. Hàm lượng DO trong nước phụ thuộc nhiều yếu tố như áp suất, nhiệt độ, thành phần hóa học của nguồn nước, số lượng vi sinh, thủy sinh vật…Hàm lượng oxigen hòa tan là một chỉ số đánh giá “tình trạng sức khỏe” của nguồn nước. Mọi nguồn nước đều có khả năng tự làm sạch nếu như nguồn nước đó còn đủ một lượng DO nhất định.  Mọi nguồn nước đều có khả năng tự làm sạch nếu như nguồn nước đó còn đủ một lượng DO nhất định. Khi DO xuống đến khoảng 4–5 mg/L, số sinh vật có thể sống được trong nước giảm mạnh. Nếu hàm lượng DO quá thấp, thậm chí không còn, nước sẽ có mùi và trở nên đen do trong nước lúc này diễn ra chủ yếu là các quá trình phân hủy yếm khí, các sinh vật không thể sống được trong nước này nữa. Hàm lượng DO trong nước tuân theo định luật Henry, có nghĩa là nói chung độ hòa tan giảm theo nhiệt độ. Ở nhiệt độ bình thường, độ hòa tan tới hạn của oxigen trong nước vào khoảng 8mgO2/L. Hàm lượng DO có quan hệ mật thiết đến các thông số COD và BOD của nguồn nước. Nếu trong nước hàm lượng DO cao, các quá trình phân hủy các chất hữu cơ sẽ xảy ra theo hướng háo khí (aerobic), còn nếu hàm lượng DO thấp, thậm chí không còn thì quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong nước sẽ xảy ra theo hướng yếm khí (anaerobic).Hàm lượng DO bão hòa trong nước sạch ở áp suất 1 atm theo nhiệt độ:Nhiệt độ (0C) 0 5 10 15 20 25 30 35Nước ngọt (mg/L) 14,6 12,8 11,3 10,2 9,2 8,4 7,6 7,0Nước biển (mg/L) 11,3 10,0 9,0 8,1 7,1 6,7 6,1 -3.4 Nhu cầu oxigen hóa học  Nhu cầu oxigen hóa học (COD: Chemical Oxygen Demand) là lượng oxigen cần thiết (cung cấp bởi các chất hóa học) để oxid hóa các chất hữu cơ trong nước. Chất oxid hóa thường dùng là KMnO4 hoặc K2Cr2O7 và khi tính toán được qui đổi về lượng oxigen tương ứng (1mg KMnO4ứng với 0,253 mgO2). Các chất hữu cơ trong nước có hoạt tính hóa học khác nhau. Khi bị oxid hóa không phải tất cả các chất hữu cơ đều chuyển hóa thành nước và CO2 nên giá trị COD thu được khi xác định bằng phương pháp KMnO4 hoặc K2Cr2O7 thường nhỏ hơn giá trị COD lý thuyết nếu tính toán từ các phản ứng hóa học đầy đủ. Mặt khác, trong nước cũng có thể tồn tại một số chất vô cơ có tính khử (như S2-, NO2-, Fe2+…) cũng có thể phản ứng được với KMnO4 hoặc K2Cr2O7 làm sai lạc kết quả xác định COD.Như vậy, COD giúp phần nào đánh giá được lượng chất hữu cơ trong nước có thể bị oxid hóa bằng các chất hóa học (tức là đánh giá mức độ ô nhiễm của nước). Việc xác định COD có ưu điểm là cho kết quả nhanh (chỉ sau khoảng 2 giờ nếu dùng phương pháp bicromat hoặc 10 phút nếu dùng phương pháp permanganat).  3.5 Nhu cầu oxigen sinh hóa   Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) là lượng oxy cần thiết để vi sinh vật oxy hóa các chất hữu cơ có khả năng phân hủy sinh học trong điều kiện hiếu khí. Khái niệm “có khả năng phân hủy” có nghĩa là chất hữu cơ có thể dùng làm thức ăn cho vi sinh vật. BOD là một trong những chỉ tiêu được dùng để đánh giá mức độ gây ô nhiễm của các chất thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp và khả năng tự làm sạch của nguồn nước. Chỉ tiêu BOD được xác định bằng cách đo đạc lượng oxy mà vi sinh vật tiêu thụ trong quá trình phân hủy các chất hữu cơ. Các mẫu phải được bảo quản tránh tiếp xúc với không khí để ngăn cản oxy thông khí hòa tan vào nước khi hàm lượng oxy hòa tan trong mẫu giảm. Do hàm lượng oxy hòa tan bão hòa trong nước đạt khoảng 9 mg/L ở 200C, những loại nước thải có hàm lượng chất hữu c ơ cao phải được pha loãng thích hợp để bảo đảm lượng oxy hòa tan phải tồn tại trong suốt quá trình thí nghiệm. Phân tích BOD áp dụng quá trình sinh học nên phải khống chế điều kiện môi trường thích hợp cho sự sinh trưởng của các vi sinh vật. Các chất độc hại đối với vi sinh vật phải được loại khỏi dung dịch. Tất cả các thành phần dinh dưỡng cần thiết cho sự phát triển của vi sinh vật như N, P và những nguyên tố vi lượng phải được bổ sung. Quá trình oxy hóa hoàn toàn các chất hữu cơ dưới tác dụng của vi sinh vật sẽ tạo thành CO2 và H2O. Do đó, vi sinh vật được bổ sung trong phân tích BOD được gọi là “seed”. Phương trình phản ứng tổng quát có thể biểu diễn như sau: CnHaObNc + (n + a/4 - b/2 - 3/4c)O2→ nCO2 + (a/2 – 3/2c)H2O + NH3 (5 - 1) Vận tốc phản ứng phân hủy chất hữu cơ trong thí nghiệm BOD phụ thuộc vào nhiệt độ và nồng độ chất hữu cơ có trong mẫu phân tích. Để loại trừ ảnh hưởng của nhiệt độ, thí nghiệm được tiến hành ở 200C. Theo lý thuyết, phản ứng có thể xem là hoàn toàn trong vòng 20 ngày, đây là khoảng thời gian khá dài. Kinh nghiệm cho thấy, tỷ lệ BOD5/BOD tổng cộng tương đối cao nên thời gian ủ 5 ngày là hợp lý. Tỷ lệ này cao hay thấp tùy thuộc vào đặc tính của “seed” và bản chất của chất hữu cơ. Nước thải sinh hoạt và nhiều loại nước thải công nghiệp có BOD5 = 70 – 80% BOD tổng. Thời gian ủ 5 ngày còn có tác dụng loại trừ ảnh hưởng của quá trình oxy hóa ammonia do Nitrosomonas và Nitrobacter gây ra. 3.6 Một số chỉ tiêu hóa học khác trong nước 3.6.1 Sắt Sắt chỉ tồn tại dạng hòa tan trong nước ngầm dưới dạng muối Fe2+ của HCO3-, SO42-, Cl-…, còn trong nước bề mặt, Fe2+ nhanh chóng bị oxid hóa thành Fe3+ và bị kết tủa dưới dạng Fe(OH)3. 2Fe(HCO3)2 + 0,5O2 + H2O --> 2Fe(OH)3 + 4CO2.Nước thiên nhiên thường chứa hàm lượng sắt lên đến 30mg/L. Với hàm lượng sắt lớn hơn 0,5mg/L nước có mùi tanh khó chịu, làm vàng quần áo khi giặt… Các cặn kết tủa của sắt có thể gây tắc nghẽn đường ống dẫn nước. Trong quá trình xử lý nước, sắt được loại bằng phương pháp thông khí và keo tụ. 3.6.2 Các hợp chất clorur  Clor tồn tại trong nước dưới dạng Cl-. Nói chung ở mức nồng độ cho phép thì các hợp chất clor không gây độc hại, nhưng với hàm lượng lớn hơn 250mg/L thì làm cho nước có vị mặn. Nước có nhiều Cl- có tính xâm thực xi măng. 3.6.3 Các hợp chất sulfat Ion sulfate là một trong những anion thường gặp trong nước tự nhiên. Nó là chỉ tiêu quan trọng trong nước cấp vì khi hàm lượng SO42- trong nước cao sẽ gây ảnh hưởng đến con người do tính chất tẩy rửa của sulfate. Từ lý do này, đối với nước cấp, nồng độ giới hạn của sulfate là 250 mg/L. Ngoài ra trong nước cấp cho công nghiệp và sinh hoạt, chỉ tiêu SO42- cũng rất quan trọng do khả năng kết hợp với các ion kim loại trong nước hình thành cặn trong các thiết bị đun nước, lò hơi và các thiết bị trao đổi nhiệt. Trong xử lý nước thải, chỉ tiêu SO42- cũng được quan tâm do vấn đề về mùi và ăn mòn đường ống do quá trình khử sulfate thành hydrogen sulfide trong điều kiện kỵ khí. Khi không có sự hiện diện của oxy, sulfate được coi như là chất cung cấp oxy (chính xác hơn là chất nhân điện tử) cho quá trình oxy hóa sinh hóa của vi khuẩn kỵ khí. Trong điều kiện kỵ khí, sulfate bị khử thành S2-. Ion S2- sẽ kết hợp với ion H+ với hằng số phân ly KA1 = 9,1.10-8. Tại pH ( 8 trong dung dịch tồn tại chủ yếu hai dạng HS- và S2-, H2S chỉ tồn tại một lượng rất nhỏ, vì vậy áp suất riêng phần của nó rất thấp. Do đó, vấn đề mùi không xảy ra. Tại pH < 8 cân bằng hướng tới sự hình thành H2S, tại pH = 7, 80% S2- ở dạng H2S. Khi một lượng lớn sulfate bị khử thành ion sulfide, áp suất riêng phần của H2S đủ để gây ra vấn đề về mùi. Do độc tính của khí H2S, trong không khí hàm lượng của H2S nên nhỏ hơn 20 ppm. Sự ăn mòn “đỉnh cống“ (crown) của ống bêton là đặc biệt nghiêm trọng khi mà nước thải sinh hoạt có nhiệt độ cao, thời gian lưu trong cống dài và nồng độ sulfate cao, điều này đã xảy ra ở nhiều vùng của Mỹ, đặc biệt ở những vùng phía nam nước này. Nguyên nhân của sự ăn mòn được cho là do H2S và H2SO4 bởi quá trình khử sulfate thành H2S và từ H2S thành H2SO4. Thực ra H2S, hay H2S acid, là một acid yếu, yếu hơn cả H2CO3 và ít ảnh hưởng đến bêton có chất lượng cao. Tuy nhiên, trong hệ thống cống thoát nước tự chảy , H2S là nguyên nhân gián tiếp gây ra sự ăn mòn “đỉnh cống”. Đối với cống thoát nước tự chảy thường ít dùng trong những môi trường có sự hiện diện của sulfate và có những biến đổi sinh học. Hệ thống cống là một phần của hệ thống xử lý và trong quá trình vận chuyển nước thải luôn xảy ra các biến đổi sinh học. Những biến đổi này đòi hỏi có mặt của oxy, nếu lượng oxy không đủ do quá trình thông gió tự nhiên của không khí trong cống, quá trình khử sulfate thành sulfide sẽ xảy ra. Ở pH thông thường của nước thải, hầu hết S2- ở dạng H2S và một phần của nó bay vào lớp không khí ở trên lớp nước thải trong cống. Nếu hệ thống cống được thông gió tốt và thành cống và đỉnh cống khô ráo, việc hình thành của H2S không gây ra sự ăn mòn cống. Tuy nhiên, trong trường hợp thông gió kém, thành và đỉnh cống ẩm ướt, H2S sẽ hòa tan vào lớp nước trên thành và đỉnh cống tương ứng với áp suất riêng phần của nó trong không khí hiện diện trong cống. Điều này hầu như không gây nguy hại nào. 3.6.4 Các hợp chất nitơ Quá trình phân hủy các chất hữu cơ tạo ra amoniac (NH4+), nitrit (NO2-) và nitrat (NO3-). Do đó các hợp chất này thường được xem là những chất chỉ thị dùng để nhận biết mức độ nhiễm bẩn của nguồn nước. Khi mới bị nhiễm bẩn, ngoài các chỉ tiêu có giá trị cao như độ oxy hoá, amoniac, trong nước còn có một ít nitrit và nitrat. Sau một thời gian NH4+, NO2- bị oxy hóa thành NO3-. Phân tích sự tương quan giá trị các đại lượng này có thể dự đoán mức độ ô nhiễm nguồn nước. Việc sử dụng rộng rãi các loại phân bón cũng làm cho hàm lượng nitrat trong nước tự nhiên tăng cao. Ngoài ra do cấu trúc địa tầng tăng ở một số đầm lầy, nước thường nhiễm nitrat. Nồng độ NO3- cao là môi trường dinh dưỡng tốt cho tảo, rong phát triển, gây ảnh hưởng đến chất lượng nước dùng trong sinh hoạt. Trẻ em uống nước có nồng độ nitrat cao có thể ảnh hưỏng đến máu (chứng methaemoglo binaemia). Theo quy định của Tổ chức Y tế thế giới, nồng độ NO3- trong nước uống không được vượt quá 10mg/l (tính theo N). 3.6.5 Phosphorus & Phosphate Xác định phosphate đã nhanh chóng trở thành một việc làm cần thiết của kỹ sư môi trường do họ nhận ra rằng nhiều hợp chất phosphorus ảnh hưởng lên những quá trình xử lý chất thải. Thông thường chỉ có những dạng hợp chất phosphorus vô cơ gây ảnh hưởng như các dạng phosphate hay các dạng phân tử khử nước như polyphosphate hay condensed phosphate. Những hợp chất phosphorus hữu cơ thường không được quan tâm. Polyphosphate được sử dụng trong nước cấp như là một nhân tố kiểm soát sự ăn mòn. Chúng cũng được sử dụng cho các dạng nước mềm để ổn định hàm lượng calcium carbonate nhằm loại bỏ sự tái tạo muối carbonate. Bề mặt của nước cấp là nơi phát triển của một số vi sinh vật nước. Những sinh vật tự do hay những sinh vật nổi được gọi là phiêu sinh (plankton) và đây là loài sinh vật rất được các kỹ sư môi trường quan tâm. Những phiêu sinh mang tính động vật gọi là phiêu sinh động vật (zooplankton) và những phiêu sinh mang tính thực vật được gọi là phytoplankton (phiêu sinh thực vật). Sau cùng là tảo mang tính thực vật (trong tế bào của những sinh vật này có chứa chlorophyll), chúng phát triển mạnh và phụ thuộc vào những nguyên tố dinh dưỡng trong nước. Nhiều nghiên cứu đã cho thấy rằng nitrogen và phosphorus là 2 nguyên tố ảnh hưởng lên sự tăng trưởng của tảo và vi khuẩn và khi lượng nguyên tố này bị giới hạn thì nó cũng là nhân tố giới hạn tốc độ tăng trưởng và phát triển của tảo và vi khuẩn. Ở những nơi có hàm lượng nitrogen và phosphorus cao làm thúc đẩy hiện tượng nở hoa của tảo gây tác động xấu đến môi trường. Kinh nghiệm cho thấy rằng hiện tượng nở hoa không thể xảy ra khi hàm lượng nitrogen hoặc phosphorus hoặc cả hai bị giới hạn. Mức tới hạn cho phosphorus vô cơ vào khoảng 0,005 mg/L hoặc 5μg/L trong điều kiện tăng trưởng mùa hè. Nước thải sinh hoạt rất giàu các hợp chất phosphorus. Chủ yếu là ở trong nước tẩy rửa tổng hợp, chứa khoảng từ 2 – 3 mg/L và những hợp chất vô cơ khác chiếm khoảng từ 0,5 – 1 mg/l. Hầu hết những phosphorus vô cơ có được là từ chất thải của con người do quá trình phân hủy protein và sự giải phóng phosphate từ nước tiểu. Trung bình một người dân Mỹ giải phóng một lượng phosphorus là 1,5 g/ngày. Hầu hết bột giặt tổng hợp siêu cấp được sản xuất cho thị trường gia dụng chứa một lượng lớn polyphosphate. Đa số trong chúng chứa từ 12 – 13% phosphorus hoặc hơn 50% polyphosphate. Sử dụng những nguyên liệu này như là một chất thay thế cho xà phòng đã làm gia tăng lượng phosphorus trong nước thải sinh hoạt. Từ các số liệu về polyphosphat được bán cho ngành công nghiệp chất tẩy rửa. Người ta ước tính được rằng, nước thải sinh hoạt sẽ chứa một lượng phosphorus vô cơ nhiều hơn gấp 2 – 3 lần so với khi chất tẩy rửa tổng hợp chưa được phổ biến rộng rãi. Vi sinh vật trong các quá trình xử lý nước thải sinh học cần một lượng phosphorus để tái tạo và tổng hợp mô tế bào mới. Nước thải đô thị chứa một lượng phosphorus vượt quá xa so với mức cần thiết để xử lý một lượng giới hạn chất hữu cơ. Sự việc này được lý giải dựa trên lượng phosphorus có trong nước đầu ra sau khi xử lý của các công trình xử lý nước thải sinh học. Tuy nhiên, nhiều loại nước thải công nghiệp không chứa đủ lượng phosphorus cần cho sự phát triển tối ưu của vi sinh vật trong quá trình xử lý nước thải. Trong những trường hợp này, lượng thiếu hụt được cung cấp bằng cách thêm phosphate vô cơ vào. Một vấn đề chính trong xử lý nước thải là tính chất của bùn sau các quá trình xử lý hiếu khí và kỵ khí. Những bùn này chứa một lượng lớn nitrogen và phosphorus đáp ứng cho mục đích dinh dưỡng. Tổng hàm lượng phosphorus chứa trong bùn trung bình khoảng 1% và 1,5% trong bùn hoạt tính khô. Ở Mỹ nơi có hàm lượng phosphate phong phú và rẻ, hầu hết bùn được bán dựa trên hàm lượng nitrogen mà nó chứa và chỉ có một ít loại dựa trên hàm lượng phosphorus. Phức hợp phosphate được sử dụng rộng rãi trong ngành công nghiệp năng lượng hơi nước để chống đóng cặn trong các nồi hơi. Nếu sử dụng phosphate dạng phức, chúng nhanh chóng được thủy phân thành những orthophosphate ở nhiệt độ cao. Giám sát lượng phosphate thông qua việc xác định hàm lượng orthophosphate. Có nhiều loại hợp chất phosphorus có mặt trong kỹ thuật môi trường. Tất cả những polyphosphate (những phân tử thủy phân thành phosphate) thủy phân hoàn toàn trong dung dịch nước và trở lại thành những dạng ortho mà chúng bắt nguồn. Na4P2O7 + H2O 2 Na2HPO4 (9 - 1) Tốc độ trở lại nguyên mẫu là một chức năng của nhiệt độ và do nó sẽ gia tăng nhanh khi nhiệt độ tiến đến gần điểm sôi. Tốc độ này cũng gia tăng khi giảm pH và ưu điểm là nó giữ đúng nguyên trạng ở những mẫu chuẩn bị để xác định hàm lượng phosphate phức. Sự thủy phân những phosphate phức cũng chịu ảnh hưởng bởi enzyme của vi sinh vật. Tốc độ trở lại nguyên mẫu rất chậm trong nước lọc và nhanh hơn trong nước thải. Kinh nghiệm cho thấy rằng trong một số loại nước pyrophosphate thủy phân nhanh hơn tripolyphosphate, trong một số loại nước khác thì tốc độ thủy phân là như nhau. Có những chất đòi hỏi nhiều giờ thậm chí nhiều ngày để chuyển hóa hoàn toàn polyphosphate thành orthophosphate, đặc biệt ở nhiệt độ thấp hoặc ở pH cao. Từ những lý do trên, để xác định phosphorus hay phosphate phải bao gồm cả việc xác định polyphosphate nếu muốn việc đo tổng các dạng vô cơ được chính xác. Các kỹ sư thường quan tâm đến sự hiện diện của hàm lượng ortho, poly và phosphorus hữu cơ. May mắn là có thể đo orthophosphate với rất ít trở ngại từ polyphosphate do khả năng ổn định của chúng trong điều kiện pH, thời gian, nhiệt độ được sử dụng trong quá trình đo. Cả hai dạng poly và phosphorus hữu cơ phải được chuyển thành orthophosphate để đo. 3.6.6 Các hợp chất Silic Trong nước thiên nhiên thường có các hợp chất silic. Ở pH11, silic tồn tại ở dạng HSiO3- và SiO32-. Do vậy trong nước ngầm, hàm lượng silic thường không vượt quá 60mg/l, chỉ có ở những nguồn nước có pH>9,0 hàm lượng silic đôi khi cao đến 300mg/l. Trong nước cấp cho các nồi hơi áp lực cao, sự tồn tại của các hợp chất silic rất nguy hiểm do cặn silic đóng lại trên thành nồi, thành ống làm giảm khả năng truyền nhiệt và gây tắc ống. Trong quá trình xử lý nước, silic có thể được loại bỏ một phần khi dùng các hóa chất keo tụ để làm trong nước. 3.6.7 Các hợp chất mangan Cũng như sắt, mangan thường có trong nước ngầm dưới dạng ion Mn2+, nhưng với hàm lượng tương đối thấp, ít khi vượt quá 5mg/l. Tuy nhiên, với hàm lượng mangan trong nước lớn hơn 0,1mg/l sẽ gây nguy hại trong việc sử dụng, giống như trường hợp nước chứa sắt với hàm lượng cao. 3.6.8 Nhôm Vào mùa mưa, ở những vùng đất phèn, đất ở trong điều kiện khử không có oxy, nên các chất như Fe2O3 và jarosite tác động qua lại, lấy oxy của nhau vào tạo thành sắt, nhôm, sunfat hoà tan vào nước. Do đó, nước mặt ở vùng này thường rất chua, pH=2,5~4,5, sắt tồn tại chủ yếu la Fe2+(có khi cao đến 300mg/l), nhôm hòa tan ở dạng ion Al3+(5~7mg/l). Khi chứa nhiều nhôm hòa tan, nước thường có màu trong xanh và vị rât chua. Nhôm có độc tính đối với sức khoẻ con người. Khi uống nước có hàm lượng nhôm cao có thể gây ra các bệnh về não như alzheimer. 3.6.9 Khí hòa tan Các loại khí hòa tan thường thấy trong nước thiên nhiên là khí cacbonic (CO2), khí oxy (O2) và sunfua hydro (H2S). Nước ngầm không có oxy. Khi độ pH<5,5, trong nước ngầm thường chứa nhiều khí CO2. Đây là khí có tính ăn mòn kim loại và ngăn cản việc tăng pH của nước. Các biện pháp làm thoáng có thể đuổi khí CO2, đồng thời thu nhận oxy hỗ trợ cho các quá trình khử sắt và mangan. Ngoài ra, trong nước ngầm có thể chứa khí H2S có hàm lượng đến vài chục mg/l. Đây là sản phẩm của quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ có trong nước. Với nồng độ lớn hơn 0,5mg/l, H2S tạo cho nước có mùi khó chịu. Trong nước mặt, các hợp chất sunfua thường được oxy hóa thành dạng sunfat. Do vậy, sự có mặt của khí H2S trong các nguồn nước mặt, chứng tỏ nguồn nước đã bị nhiễm bẩn và có quá thừa chất hữu cơ chưa phân huỷ, tích tụ ở đáy các vực nước. Khi độ pH tăng, H2S chuyển sang các dạng khác là HS- và S-. 3.6.10 Hóa chất bảo vệ thực vật Hiện nay, có hàng trăm hóa chất diệt sâu, rầy, nấm, cỏ - được sử dụng trong nông nghiệp. Các nhóm hóa chất chính là: - Photpho hữu cơ. - Clo hữu cơ. - Cacbarmat; Hầu hết các chất này đều có độc tính cao đối với người. Đặc biệt là clo hữu cơ, có độ bền vững cao trong môi trường và khả năng tích luỹ trong cơ thể con người. Việc sử dụng khối lượng lớn các hoá chất này trên đồng ruộng đang đe doạ làm ô nhiễm các nguồn nước. 3.6.11 Chất hoạt động bề mặt Một số chất hoạt động bề mặt như xà phòng, chất tẩy rửa, chất tạo bọt có trong nước thải sinh hoạt và nước thải một số ngành công nghiệp đang được xả vào các nguồn nước. Đây là những hợp chất khó phân huỷ sinh học nên ngày càng tích tụ nước đến mức có thể gây hại cho cơ thể con người khi sử dụng. Ngoài ra các chất này còn tạo thành một lớp màng phủ bề mặt các vực nước, ngăn cản sự hoà tan oxy vào nước và làm chậm các quá trình tự làm sạch của nguồn nước. Tùy theo mỗi quốc gia sẽ có 1 tiêu chuẩn khác nhau. Ở nước Nhật, Châu Âu và Mỹ có yêu cầu rất khắt khe. Còn các thông số tiêu chuẩn chất lượng nước của VN thường cao hơn các nước. Chương IV. Các chỉ tiêu vi sinh Trong nước thiên nhiên có nhiều loại vi trùng, siêu vi trùng, rong tảo và các loài thủy vi sinh khác. Tùy theo tính chất, các loại vi sinh trong nước có thể vô hại hoặc có hại. Nhóm có hại bao gồm các loại vi trùng gây bệnh, các loài rong rêu, tảo… Nhóm này cần phải loại bỏ khỏi nước trước khi sử dụng. Các vi trùng gây bệnh như lỵ, thương hàn, dịch tả…thường khó xác định chủng loại. Trong thực tế hóa nước thường xác định chỉ số vi trùng đặc trưng. Trong chất thải của người và động vật luôn có loại vi khuẩn E.Coli sinh sống và phát triển. Sự có mặt của E.Coli trong nước chứng tỏ chứng tỏ nguồn nước đã bị ô nhiễm bởi phân rác, chất thải của người và động vật và như vậy cũng có khả năng tồn tại các loại vi trùng gây bệnh khác. Số lượng E.Coli nhiều hay ít tùy thuộc mức độ nhiễm bẩn của nguồn nước. Đặc tính của khuẩn E.Coli là khả năng tồn tại cao hơn các loại vi khuẩn, vi trùng gây bệnh khác nên nếu sau khi xử lý nước, nếu trong nước không còn phát hiện thấy E.Coli thì điều đó chứng tỏ các loại vi trùng gây bệnh khác đã bị tiêu diệt hết. Mặt khác, việc xác định số lượng E.Coli thường đơn giản và nhanh chóng nên loại vi khuẩn này thường được chọn làm vi khuẩn đặc trưng trong việc xác định mức độ nhiễm bẩn do vi trùng gây bệnh trong nước. Người ta phân biệt trị số E.Coli và chỉ số E.Coli. Trị số E.Coli là đơn vị thể tích nước có chứa 1 vi khuẩn E.Coli. Chỉ số E.Coli là số lượng vi khuẩn E.Coli có trong 1 lít nước. Tiêu chuẩn nước cấp cho sinh hoạt ở các nước tiên tiến qui định trị số E.Coli không nhỏ hơn 100 mL, nghĩa là cho phép chỉ có 1 vi khuẩn E.Coli trong 100 mL nước (chỉ số E.Coli tương ứng là 10). TCVN qui định chỉ số E.Coli của nước sinh hoạt phải nhỏ hơn 20. Trong thực tế không thể xác định tất cả các loại vi sinh vật gây bệnh qua đường nước vì phức tạp và tốn thời gian. Mục đích của việc kiểm tra vệ sinh nước là xác định mức độ an toàn của nước đối với sức khoẻ con người. Do vậy có thể dùng vài vi sinh chỉ thị ô nhiễm phân để đánh giá sự ô nhiễm từ rác, phân người và động vật. Có ba nhóm vi sinh chỉ thị ô nhiễm phân: 1. Nhóm coliform đặc trưng là Escherichia Coli (E.Coli); 2. Nhóm Streptococci đặc trưng là Streptococcus faecalis; 3. Nhóm Clostridia khử sunfit đặc trưng là Clostridium perfringents. Đây là nhóm vi khuẩn thường xuyên có mặt trong phân người, trong đó E.Coli là loại trực khuẩn đường ruột, có thời gian bảo tồn trong nước gần giống những vi sinh vật gây bệnh khác. Sự có mặt của E.Coli chứng tỏ nguồn nước đã bị nhiễm bẩn phân rác và có khả năng tồn tại các loại vi trùng gây bệnh khác. Số lượng E.Coli nhiều hay ít tuỳ thuộc vào mức độ nhiễm bẩn phân rác của nguồn nước. Ngoài ra, trong một số trường hợp số lượng vi khuẩn hiếu khí và kỵ khí cũng được xác định để tham khảo thêm trong việc đánh giá mức độ nhiễm bẩn nguồn nước. TÀI LIỆU THAM KHẢO