Tiểu luận Khử trùng nước thải

1 TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN TIỂU LUẬN MÔN HỌC: XỬ LÝ NƯỚC THẢI ĐÔ THỊ Đề tài : KHỬ TRÙNG NƯỚC THẢI GVGD: PHẠM TRUNG KIÊN SVTH : Nhóm 12 1. Huỳnh Mạnh Phúc (01698.174.047) 2. Nguyễn Minh Nhật 3. Nguyễn Thị Diễm 4. Nguyễn Minh Giáp 5. Trần Trịnh Thị My 6. Lương Xuân Định TP. Hồ Chí Minh, Tháng 03 năm 2015 2 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN ................................................................................................ 1 1.1. Khái niệm .................................................................................................................. 1 1.2. Tầm quan trọng của quá trình khử trùng trong xử lý nước thải ................................ 1 1.3. Lịch sử hình thành và phát triển ................................................................................ 2 CHƯƠNG 2. VỊ TRÍ VÀ CHỨC NĂNG ............................................................................ 3 2.1. Vị trí ........................................................................................................................... 3 2.2. Chức năng .................................................................................................................. 3 CHƯƠNG 3. CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG .......................................................... 3 3.1. Phương pháp vật lý .................................................................................................... 3 3.1.1. Phương pháp sử dụng tia cực tím ...................................................................... 3 3.1.1.1. Sơ lược về tia cực tím .................................................................................. 3 3.1.1.2. Cơ chế tiêu diệt vi sinh vật .......................................................................... 5 3.1.1.4. Yếu tố ảnh hưởng tới khả năng khử trùng nước bằng tia UV ..................... 7 3.1.1.5. Ưu nhược điểm của tia cực tím ................................................................... 9 3.1.2. Phương pháp nhiệt ............................................................................................ 10 3.2. Phương pháp hóa học .............................................................................................. 11 3.2.1. Khử trùng bằng Clo và các hợp chất của Clo. ................................................. 11 3.2.1.1. Giới thiệu ................................................................................................... 11 3.2.1.2. Cơ chế khử trùng ....................................................................................... 12 3.2.1.3. Khử trùng bằng Clo lỏng ........................................................................... 13 3.2.1.4. Khử trùng bằng Clorua vôi ....................................................................... 16 3.2.1.5. Khử trùng bằng nước Javen. ..................................................................... 17 3.2.1.6. Một số hợp chất khác của Clo dùng để khử trùng .................................... 18 3.2.2. Khử trùng bằng Ozone. .................................................................................... 21 3.2.2.1. Đặc tính ..................................................................................................... 21 3.2.2.2. Cơ chế khử trùng ....................................................................................... 21 3.2.2.3. Cách tạo ra ozone ...................................................................................... 22 3 3.2.2. Các phương pháp khử trùng hoá học khác ....................................................... 25 Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 1 CHƯƠNG 1. TỔNG QUAN 1.1. Khái niệm Khử trùng là quá trình ứng dụng một hoặc nhiều phương pháp bao gồm: hóa học, lý học nhằm mục đích tiêu diệt, loại bỏ các loài vi khuẩn, vi trùng gây bệnh có trong nước trước khi sử dụng (nước cấp) hoặc thải ra nguồn tiếp nhận (nước thải). 1.2. Tầm quan trọng của quá trình khử trùng trong xử lý nước thải Như đã biết, xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện tự nhiên cho hiệu suất xử lý và khử trùng cao nhất, đạt tới 99,9%, còn xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện nhân tạo chỉ đạt được từ 91 – 98%. Hầu hết các loại vi khuẩn trong nước thải không phải là vi trùng gây bệnh, nhưng không thể loại trừ khả năng tồn tại của một vài loại vi khuẩn gây bệnh nào đó. Bảng 1: Khả năng loại bỏ hoặc tiêu diệt vi khuẩn bằng các quá trình khác nhau STT Quá trình Loại bỏ (%) 1 Lưới chắn thô 0 – 5 2 Lưới chắn mịn 10 – 20 3 Bể lắng cát 10 – 25 4 Lắng thô 25 – 75 5 Kết tủa hóa học 40 – 80 6 Lọc nhỏ giọt 90 – 95 7 Bùn hoạt tính 90 – 98 8 Khử trùng bằng clo 98 – 99.999 Nguồn : Metcalf & Eddy, 2003 Vi khuẩn tuy nhỏ bé nhưng chúng hấp thu nhiều và chuyển hóa rất nhanh cơ chất, chẳng hạn như vi khuẩn lactic trong 1 giờ có thể chuyển hóa một lường đường lactozo nặng gấp 1000 – 10000 lần khối lượng cơ thể của chúng. Vi khuẩn là một loài có khả năng thích ứng mạnh và sinh trưởng rất nhanh và phát triển mạnh, như vi khuẩn Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 2 Escherichia coli trong điều kiện thích hợp cứ khoảng 12 – 20 phút lại phân cắt một lần. Vì vậy, nếu xả nước thải có chứa một lượng nhỏ vi khuẩn gây bệnh ra nguồn cấp nước, ao hồ nuôi cá, hồ bơi thì khả năng lan truyền bệnh cũng sẽ rất lớn, do đó phải có biện pháp khử trùng nước thải trước khi xả ra nguồn tiếp nhận. Khử trùng nước thải nhằm mục đích phá hủy, tiêu diệt các loại vi khuẩn, vi trùng gây bệnh nguy hiểm. Vì vậy khử trùng là một khâu rất quan trọng trong hệ thống xử lý nước thải. 1.3. Lịch sử hình thành và phát triển Từ xa xưa, con người đã biết cách khử trùng nguồn nước trước khi sử dụng. Đó chính là dùng lửa để đun sôi nước, đây là phương pháp khử trùng đơn giản dễ làm nhất. Phương pháp này là dùng nguyên lý thay đổi nhiết độ để tiêu diệt vi khuẩn. Với phương pháp này thì chỉ có thể tiêu diệt được một số loài vi khuẩn nhất định, và không có khả năng ứng dụng với nguồn nước lớn. Nên sau đó, con người đã tìm ra hợp chất khử trùng nhanh, hiểu quả cao, thích hợp với nguồn nước lớn, đó chính là clo. Clo được phát hiện năm 1774 bởi Carl Wilhelm Scheele, là người đã sai lầm khi cho rằng nó chứa oxy. Đến năm 1810, clo được đặt tên bời Humphry Davy, là người đã khẳng định nó là một nguyên tố hóa học. Năm 1835, clo được sử dụng để loại bỏ mùi hôi từ nước. Năm 1890, clo được xem như một chất hóa học khử trùng hiệu quả, là một chất lý tưởng để tiêu diệt các vi khuẩn gay bệnh ở trong nước. Với phát hiện này, clo được ứng dụng cho quá trình khử trùng nước trong Vương quốc Anh và sau đó mở rộng đến Hoa Kỳ vào năm 1908, ứng dụng tại Canada vào năm 1917. Cho đến ngày nay, clo vẫn là một chất qua trọng ứng dụng trong khử trùng nước. Clo là một chất khử trùng lý tưởng, nhưng nó cũng mang lại nhiều nguy hiểm cho con người. Theo nghiên cứu của các nhà khoa học thuộc Đại học Boston( Mỹ) cho biết, phụ nữ uống nước chứa nhiều Clo dễ bị sẩy thai và nếu sinh con thì tỷ lệ dị tật ở trẻ sơ sinh là rất lớn. Nghiên cứu phát hiện Trihalomethane (THM - các hóa chất nguy hiểm tạo ra phản ứng giữa Clo và các chất tự nhiên trong nước) có thể được thai phụ hấp thụ qua da, ngấm vào bào thai qua nước uống, nước tắm gội thậm chỉ cả khi thai phụ đứng gần luồng hơi nước đang sôi cũng làm tăng nguy cơ nhiễm độc. Vì tính gây độc của clo nên ở các nước tiên tiến trên thế giới, clo không còn được xem là một chất khử trùng lý tưởng nước, họ dần thay thế clo bằng các công nghệ khử trùng khác như: ozone, tia cực tím, Ngoài clo thì khử trùng bằng tia cực tím cũng xuất hiện khá sớm. Năm 1877, Downes và Blunt đã phát hiện ra các tính chất sát trùng của ánh sáng mặt trời. Năm 1901, sự phát triển của đèn thủy ngân là nguồn ánh sáng tia cực tím nhân tạo. Năm 1906, sử dụng thạch anh làm vật liệu truyền tia cực tím. Tiếp theo là ứng dụng khử trùng nước Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 3 uống đầu tiên ở Marseilles, Pháp, vào năm 1910. Năm 1929, Gates xác định mối liên hệ giữa khử trùng tia cực tím và sự hấp thụ ánh sáng tia cực tím bởi axit nucleic (Gates 1929). Sự phát triển của bóng đèn huỳnh quang trong những năm 1930 đã dẫn đến việc sản xuất các loại đèn ống sát trùng. Nghiên cứu đáng kể về cơ chế khử trùng tia cực tím và bất hoạt của các vi sinh vật xảy ra trong những năm 1950 (Dulbecco 1950, Kelner 1950, Brandt và Giese năm 1956, Powell 1959). Mặc dù các nghiên cứu quan trọng về khử trùng tia cực tím diễn ra trong nửa đầu của thế kỷ 20, việc chi phí thấp của clo và các vấn đề hoạt động với thiết bị khử trùng tia cực tím ban đầu hạn chế sự phát triển của nó như một công nghệ xử lý nước uống. Các ứng dụng tin cậy đầu tiên của ánh sáng tia cực tím để khử trùng nước uống diễn ra ở các thành phố thụy sĩ và áo vào năm 1955 (Kruithof và Van der Leer 1990). Đến năm 1985, số lượng các lắp đặt như ở các nước này đã tăng lên xấp xỉ 500 và 600. Sau khi các sản phẩm phụ khử trùng clo (DBPS) được phát hiện, khử trùng tia cực tím đã trở thành phổ biến ở Na Uy và Hà Lan với việc lắp đặt đầu tiên xảy ra vào năm 1975 và 1980. Tính đến năm 2000, hơn 400 phương tiện khử trùng tia cực tím trên toàn thế giới đã được dung để xử lý nước uống; các cơ sở tia cực tím thường xử lý các dòng dưới 1 triệu gallon mỗi ngày (USEPA 2000). Từ năm 2000, một số lắp đặt tia cực tím lớn trên khắp Hoa Kỳ đã được xây dựng hoặc hiện đang được thiết kế. Lớn nhất trong số các cơ sở này bao gồm một cơ sở 180-MGD hoạt động ở Seattle, Washington, và một cơ sở 2.200- MGD theo thiết kế cho thành phố New York của cơ quan bảo vệ môi trường (Schulz 2004). CHƯƠNG 2. VỊ TRÍ VÀ CHỨC NĂNG 2.1. Vị trí 2.2. Chức năng CHƯƠNG 3. CÁC PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG 3.1. Phương pháp vật lý 3.1.1. Phương pháp sử dụng tia cực tím 3.1.1.1. Sơ lược về tia cực tím Tia cực tím (hay tia tử ngoại, tia UV- Ultraviolet) là bức xạ điện từ với bước sóng ngắn hơn so với ánh sáng nhìn thấy. Tia UV có thể được phân thành nhiều loại khác nhau: Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 4 + UVA (380-315 nm), hay gọi là sóng dài, + UVB (280-315 nm), hay gọi là bước sóng trung bình: có tác dụng đối với người như là bỏng nắng hoặc ánh sáng mặt trời có cường độ mạnh, + UVC (100-280 nm),hay gọi là bước sóng ngắn được xem là “chất khử trùng UV”. Ở một bước sóng nào đó tia UV có thể là tác nhân làm tăng đột biến ở vi khuẩn, virus và các vi sinh vật khác. Vi sinh vật ít được bảo vệ khỏi tia UV và không thể sống lâu hơn khi kéo dài thời gian tiếp xúc với tia UV. Mặt trời tỏa ra tia cực tím UVA, UVB và UVC, nhưng bởi vì sự hấp thụ của tầng ozone, 99% tia cực tím đến được mặt đất là thuộc dạng UVA. Bản thân tầng ozone được tạo ra nhờ phản ứng hóa học có sự tham gia của tia UVC. Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 5 Hình 1. 3.1.1.2. Cơ chế tiêu diệt vi sinh vật Các phân tử bị chiếu tia cực tím sẽ hấp thu năng lượng, phá vỡ liên kết trong phân tử và hình thành liên kết mới. Vì lý do này, ánh sáng UVC được gọi là phototoxic (ánh sáng độc hại). Các phân tử quan trọng nhất của các tế bào sống như deoxyribonucleic acid (DNA) và ribonucleic acid (RNA), rất nhạy cảm với phototoxicity. Tác dụng phổ biến nhất của UV-C là sự hình thành của một vòng xyclobutyl giữa hai loại axit nucleic thymine liền kề nằm trên cùng một sợi DNA / RNA, như thể hiện trong hình ... gọi là thymine dimer, làm biến dạng cơ cấu xoắn ốc của phân tử DNA / RNA ngăn chặn sự kết hợp của phức hợp enzyme phiên mã và sao chép. Kết quả thường dẫn đến ức chế sự sao chép và việc nhân rộng của các phân tử di truyền trong tế bào bị ảnh hưởng, gây chết tế bào đơn lẻ đó.trong tế bào bị ảnh hưởng, dẫn đến cái chết của tế bào đơn lẻ đó. Hình 2. Cơ chế phá hủy DNA 3.1.1.3. Cách bố trí chiếu tia UV trong hệ thống xử lý nước thải Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 6 a. Hệ thống kín Hình 3: Hệ thống chiếu tia UV kín Chú thích: 1. Đường đi, 2. Nút điều khiển cần gạt nước, 3. Nắp tắt dễ dàng, 4. Đầu di động, 5. Kẹp đầu, 6. Cơ chế gạt nước cấp, 7. Cổng kiểm soát, 8. Tia cực tím, 9. Đèn diệt khuẩn trong ống thạch anh, 10. Đầu ra, 11. Buồng bằng thép không gỉ, 12. Thanh gạt nước. Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 7 b. Hệ thống hở Bố trí đèn UV trong hệ thống hở, nghĩa là các đèn UV sẽ đặt trong đường dẫn của các kênh, mương dẫn nước đầu ra. Có thể bố trí đèn vuông góc, hoặc song song với chiều dòng chảy. Hình 4. .. 3.1.1.4. Yếu tố ảnh hưởng tới khả năng khử trùng nước bằng tia UV Thành phần Ảnh hưởng Nhiệt độ Ánh sáng tốt nhất vào khoảng 104 -1100F, tức 40°C – 43,3°C. Thời gian tiếp xúc Yếu tố này phụ thuộc vào tốc độ dòng chảy của nước, tốc độ chậm làm tăng thời gian tiếp xúc. Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 8 Công suất của đèn Biểu thị cho lượng ánh sáng được tạo ra từ đèn BOD, COD, TOC Không hoặc ít ảnh hưởng trừ phi các vật liệu axit humic chiếm lượng lớn giá trị BOD. Các vật liệu axit humic Hấp thụ mạnh bức xạ UV Dầu, mỡ Có thể bám vào ống bọc thạch anh của đèn UV và hấp thụ bức xạ UV TSS Hấp thụ bức xạ UV, có thể che chắn cho vi sinh vật Độ kiềm Có thể tác động đến khả năng khử trùng, ngoài ra ảnh hưởng đến độ tan của kim loại dẫn đến hấp thụ bức xạ UV. Độ cứng Can xi, ma nhê và các muối khác có thể tạo thành lớp khoáng lắng đọng trên ống thạch anh đặc biệt là khi tăng nhiệt độ. Ammonia Không hoặc ít ảnh hưởng Nitrit Không hoặc ít ảnh hưởng Nitrat Không hoặc ít ảnh hưởng Sắt Hấp thụ mạnh bức xạ UV, có thể kết tủa trên ống thạch anh, có thể hấp phụ chất rắn lơ lửng và che bức xạ cho vi khuẩn. Mangan Hấp thụ mạnh bức xạ UV pH Có thể ảnh hưởng đến độ tan của kim loại và cacbonat TDS Có thể tác động khả năng khử trùng và tạo thành lớp lắng đọng vô cơ. Chất thải công nghiệp Phụ thuộc vào thành phần (ví dụ như chất màu) có thể dẫn đến sự thay đổi vể độ truyền qua vào ban ngày và theo mùa. Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 9 3.1.1.5. Ưu nhược điểm của tia cực tím  Ưu điểm: - Tia cực tím ở 1 tần số nhất định có thể diệt được 99,99% vi khuẩn, - Đây là phương pháp tự động, không gây ra mùi hôi cũng như ảnh hưởng đến hương vị của nước, - Năng lượng sử dụng ít, - Thanh lọc bằng tia cực tím không sử dụng bất kỳ loại hóa chất nào như chlorine hay để lại bất kỳ độc hại gì cho quá trình lọc nước, - Phương pháp xử lí nhanh, đơn giản, hiệu quả.  Nhược điểm: - Ánh sáng tia cực tím chỉ có khả năng tiêu diệt các vi sinh vật như vi khuẩn, virus, nấm mốc, tảo, nấm men, cryptosporidium, giardia,.. mà không có khả năng loại bỏ Clo, các kim loại nặng, hợp chất hữu cơ bị hoà tan, - Không loại bỏ được tạp chất có trong nước, - Cần kết hợp với phương pháp lọc trước khi xử lí bằng tia cực tím để nâng cao hiệu quả, - Bức xa ̣UV-C có thể phá vỡ các liên kết hóa hoc̣. Điều này làm cho chất liêụ dẻo nhanh bi ̣ lão hóa (loaị vâṭ liêụ dùng để cách điêṇ, miềng hoặc vòng đệm cách điện) và môṭ số chất liêụ khác, - Ở bước sóng nào đó (bao gồm cả UVC) tia UV có thể gây haị cho người và các sinh vâṭ khác. Trong hầu hết các thiết bi ̣ khử trùng bằng tia UV, đèn UV sẽ đươc̣ che chắn làm haṇ chế sư ̣tiếp xúc với tia UV như bồn chứa nước kín hoăc̣ hê ̣thống lưu thông khép kín, thường với các khóa tư ̣ đôṇg, có thể tư ̣đôṇg tắt đèn khi hê ̣ thống bi ̣ hở xảy ra do con người. - Đối với con người, làn da tiếp xúc trưc̣ tiếp với bước sóng khử trùng của tia UV có thể gây ra bỏng nhẹ và (trong môṭ vài trường hơp̣) có thể bi ̣ ung thư da. Sư ̣tiếp xúc của mắt với bức xa ̣tia UV có thể gây bỏng và tổn thương giác mac̣ nghiêm troṇg và làm giảm thi ̣ lưc̣ taṃ thời hoăc̣ viñh viêñ và kể cả bi ̣ mù trong môṭ vài trường hơp̣. Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 10 - Đèn UV khi tiếp xúc với không khí có thể tạo ra khí ozone. Ozone trong tầng đối lưu có nhiều tác hại, ảnh hưởng không tốt tới sức khoẻ con người 3.1.2. Phương pháp nhiệt Đun sôi là công nghệ chính được sử dụng để kiểm soát sự lây lan các bệnh qua đường nước. Đây là công nghệ truyền thống được sử dụng trước khi có sự ra đời của các công nghệ xử lý nước hiện đại. Hình 5. Ở phương pháp này, nước sẽ được đun sôi đến 100oC, nhiệt độ cao có khả năng tiêu diệt các loại vi khuẩn và ngăn cản sự gây bệnh của chúng. Đối với những vi sinh vật có khả năng chuyển sang dạng bào tử với lớp bảo vệ vững chắc, để tiêu diệt được nhóm vi khuẩn sinh bào tử này, cần đun sôi nước đến 1200C hoặc đun sôi theo trình tự sau: đun sôi ở điều kiện thường 15-20 phút để cho nước nguội dưới 350C và giữ trong vòng 2 giờ tạo điều kiện cho các bào tử phát triển trở lại sau đó lại đun sôi nước thêm một lần nữa (shock nhiệt). Bảng 2: Điều kiện ước chừng để diệt khuẩn bằng sức nóng ẩm Vi sinh vật Tế bào dinh dưỡng Bào tử Nấm men 5 min., 50-60°C 5 min., 70-80°C Nấm sợi 30 min., 62°C 30 min., 80°C Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 11 Vi khuẩn 10 min., 60-70°C 2-trên 800 min., 100°C 0,5-12 min., 121°C Virus 30 min., 60°C (Theo sách của Prescott, Harley và Klein)  Ưu điểm: - Là phương pháp khử trùng đơn giản, hiệu quả phù hợp trong những trường hợp cấp bách, - Có hiệu quả trong việc tiêu diệt một số loại vi khuẩn gây bệnh, loại bỏ các mầm bệnh có trong nước như vi khuẩn Cryptosporidia, giardia, E.coli và vi khuẩn gây bệnh thương hàn, - Không gây tác dụng phụ.  Nhược điểm: - Không có khả năng loại bỏ các hạt vật chất, - Đun sôi không loại bỏ được các kim loại nặng, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ và các dược phẩm độc hại, - Tốn năng lượng nên chỉ được áp dụng ở quy mô nhỏ, - Mất nhiều thời gian đun sôi nước. 3.2. Phương pháp hóa học Cơ sở của phương pháp khử trùng bằng hóa chất là sử dụng chất oxy hóa mạnh hơn để oxy hóa men của tế bào vi sinh vật và tiêu diệt chúng. Các hóa chất thường dùng là: các halogen clo, brom; clo dioxyt; các hypoclorit và các muối của nó; ozôn. Phương pháp khử trùng hóa học có hiệu suất cao nên được sử dụng rộng rãi với nhiều quy mô. 3.2.1. Khử trùng bằng Clo và các hợp chất của Clo. 3.2.1.1. Giới thiệu Clo được biết đến như một phương pháp khử trùng và bắt đầu được sử dụng rộng rãi tại Vương quốc Anh. Phương pháp khử trùng bằng Clo là phương pháp đơn giản, rẻ tiền và hiệu quả cao. Clo là một chất oxy hóa mạnh, ở bất cứ dạng nào, nguyên chất hay Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 12 hợp chất, khi clo tác dụng với nước đều cho các phân tử axit hypocloro (HOCl), một hợp chất có khả năng khử trùng rất mạnh. Trong xử lý nước thải, người ta thường dùng các loại Clo sau đây để khử trùng:  Clo lỏng Cl2;  Natri hypoclorit dạng lỏng NaOCl (nước Javen);  Canxi hypoclorit CaOCl2 (Clorua vôi) 3.2.1.2. Cơ chế khử trùng Nguyên tắc chung khi cho Clo và các hợp chất của Clo vào nước axit hypoclorit (HOCl) được hình thành bởi các phản ứng đặc trưng: + Trường hợp dùng Clo lỏng: Cl2 + H2O ↔ HOCl + HCl + Trong trường hợp dùng CaCl2O (Clorua vôi) phản ứng diễn ra như sau: 2CaCl2O + 2H2O ↔ Ca(OH)2 + 2HOCl + CaCl2 + Trường hợp sử dụng Natri hypochlorite: NaOCl + H2O ↔ HOCl + NaOH Axit hypoclorit HOCl là một axit rất yếu, không bền và dễ phân huỷ ngay thành HCl và Oxi nguyên tử. HOCl ↔ HCl + O Hoặc có thể phân ly thành H+ và OCl- : HOCl ↔ H+ + OCl- Tất cả các chất HOCl, OCl- và Oxi nguyên tử là các chất ôxy hoá mạnh. Chúng ôxy hoá nguyên sinh chất và khử hoạt tính của men, làm tế bào bị tiêu diệt. Quá trình hủy diệt vi sinh vật xảy ra qua hai giai đoạn: đầu tiên chất khử trùng khuếch tán xuyên qua vỏ tế bào của vi sinh vật, sau đó phản ứng với men bên trong tế bào và phá hoại quá trình trao đổi chất dẫn đến diệt vong tế bào. Tổng lượng Cl2 và OCl- trong nước gọi là lượng clo hoạt tính. Khử trùng được tiến hành theo các bước: - Xáo trộn hoá chất khử trùng với nước thải trong các bể trộn, thời gian 1÷2 phút; Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 13 - Thực hiện phản ứng tiếp xúc hoá chất khử trùng với nước thải trong các bể tiếp xúc và máng dẫn nước thải ra nguồn với thời gian từ 15 đến 30 phút, phụ thuộc vào các điều kiện xáo trộn và phản ứng. Tuy nhiên, việc khử trùng bằng Clo sẽ khó khăn nếu trong nước thải có nhiều hợp chất hữu cơ bền vững. Khi đó, Clo sẽ kết hợp với các chất này để tạo thành các hợp chất hữu cơ Clo như là trihalomethanes (THM) bao gồm: cloroform, diclomethane, 1,2- dicloethane và carbon tetraclorua...dể gây nguy hại cho nguồn nước, đặc biệt là nguồn phục vụ cho mục đích cấp nước sinh hoạt và bị nghi ngờ có khả năng sinh ung thư. 3.2.1.3. Khử trùng bằng Clo lỏng a. Đặc tính Clo lỏng là một loại Clo nguyên chất có màu vàng xanh,trọng lượng riêng là 1,47 kg/l. Clo lỏng sản xuất trong nhà máy đựng trong các bình có dung tích từ 50 – 500 lít, áp suất trung bình từ 6-8 at. Khi dùng Clo hóa lỏng để khử trùng nước thải, tại nhà máy phải lắp đặt thiết bị chuyên dùng để đưa Clo vào nước gọi là Clorator, Clorator có chức năng định lượng clo, xáo trộn Clo hơi với nước công tác, điều chế và vận chuyển đến nơi sử dụng. Đặc tính kỹ thuật của Clorator chân không: Hình : Cấu tạo Clorator chân không. Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 14 Nguyên lý hoạt động: Dòng nước áp lực từ bơm đi đến, đi qua ejector tạo ra chân không trong Clorator. Nhờ độ chênh áp lực trước và sau van chân không làm cho màng nằm trên rãnh chân không di chuyển , nén lò xo để mở van an toàn ở cửa vào. Khí Clo từ bình chứa đi qua hệ van an toàn và giảm áp lực, lọc qua bộ lọc giữ lại Clo nước còn lại khí Clo, đi vào rãnh chân không, định lượng qua rotamet, đi tiếp vào ống dẩn chân không rồi được hút vào Ejector, theo đường ống dẫn áp lực dẫn vào bể tiếp xúc. Khi Ejector không làm việc, trong Clorator không còn chân không, độ chênh áp lực bằng không, màng dãn ra, lò xo không bị nén, van an toàn ở cửa vào đóng lại. Toàn hệ thống ngừng làm việc. b. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử trùng nước bằng clo Tốc độ phản ứng quá trình khử trùng được xác định bằng động học của quá trình khuếch tán chất diệt trùng qua vỏ tế bào và động học của quá trình phân hủy men tế bào. Tốc độ quá trình khử trùng tăng khi nồng độ của chất khử trùng và nhiệt độ của nước tăng, ngoài ra tốc độ khử trùng còn phụ thuộc vào dạng không phân ly của chất khử trùng, vì quá trình khuếch tán qua vỏ tế bào xảy ra nhanh hơn cả quá trình phân ly. Tốc độ quá trình khử trùng còn phụ thuộc vào cả hàm lượng các chất hữu cơ, các cặn lơ lửng và các chất khử khác. Khi trong nước có hàm lượng cao của các chất này thì tốc độ quá trình khử trùng sẽ giảm đáng kể.  Hàm lượng và thời gian tiếp xúc: Công thức tính thời gian tiếp xúc: 3)23.01(  tC N N t o t + Nt: Số Coliform ở thời gian t, MPN/100ml. + N0: Số Coliform ở thời gian ban đầu t0, MPN/100ml. + Ct: Hàm lượng clo dư ở thời gian t. + t: Thời gian tiếp xúc, phút  Ảnh hưởng của pH Khả năng diệt trùng của clo phụ thuộc vào hàm lượng HOCl có trong nước. Nồng độ HOCl phụ thuộc vào lượng ion H+ trong nước hay phụ thuộc vào pH của nước. Khi : + pH = 6 thì HOCl chiếm 99,5%, OCL- chiếm 0,5% + pH = 7 thì HOCl chiếm 79%, OCl- chiếm 21% Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 15 + pH = 8 thì HOCl chiếm 25%, OCl- chiếm 75% HOCl không phân ly là thành phần khử trùng chính trong nước, thành phần này chỉ có giá trị cao ở pH thấp,điều đó cũng nói lên rằng quá trình dùng clo để khử trùng trong nước chỉ có được hiệu quả cao khi tiến hành ở pH thấp.  Ảnh hưởng của nồng độ Khi một chất khử trùng đặc biệt được cho vào nước, nó không chỉ phản ứng với vi sinh vật gây bệnh, mà còn với các tạp chất khác, chẳng hạn như các kim loại hòa tan, các hạt vật chất hữu cơ và vi sinh vật khác. Nồng độ chất khử trùng được thêm vào nước được tính bởi tổng nhu cầu khử trùng cần thiết để tiêu diệt vi sinh vật và nồng độ chất khử trùng còn lại sau quá trình khử trùng. Do đó, để khử trùng nước một cách hoàn toàn, yêu cầu cần cung cấp một nồng độ chất khử trùng cao hơn nồng độ cần thiết để tiêu diệt vi sinh vật gây bệnh. Khi tăng nồng độ chất khử trùng, thời gian tiếp xúc cần thiết sẽ giảm xuống và mối quan hệ này được biểu thị qua quan hệ : Cn.t = K + C: Nồng độ chất khử trùng; + t: Thời gian cần thiết để khử trùng đến một giới hạn nhất định; + n: Số mũ; + K: Hằng số quá trình. Theo quy định của TCVN 7957: 2008, liều lượng clo hoạt tính để khử trùng phụ thuộc vào mức độ xử lý và được chọn như sau:  Nước thải sau xử lý cơ học là 10 g/m3;  Nước thải sau xử lý sinh học không hoàn toàn là 5 g/m3;  Nước thải sau xử lý sinh học hoàn toàn là 3 g/m3. c. Ưu điểm và nhược điểm.  Ưu điểm: Khử trùng bằng clo có những ưu điểm vượt trội nên vẫn được các nước ứng dụng rộng rãi: + Xử lí với quy mô lớn, + Xử lí được các loại vi khuẩn gây bệnh, Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 16 + Giá thành rẻ, + Bảo quản, vận chuyển và điều hành dễ dàng, + Xử lí được các sinh vật lớn, + Đòi hỏi ít điện năng, + Sử dụng được cho nhiều mục đích (diệt khuẩn, sắt, mangan, H2S..).  Nhược điểm: + Độc hại trong quá trình vận hành, + Dễ gây nguy hại cho nguồn tiếp nhận, + Không diệt được các virus gây bệnh, trứng Giardia, + Thời gian tiếp xúc lâu (30 phút), + Độ đục của nước có thể làm giảm khả năng xử lý. 3.2.1.4. Khử trùng bằng Clorua vôi a. Đặc tính Là quá trình bảo hòa dung dịch sữa vôi với Clo. Ca(OH)2 + Cl2  CaOCl2 + H2O Theo lí thuyết thì 1kg CaOCl2 sạch chứa 49,6% Cl2, trong sản phẩm thương mại, hàm lượng clo hoạt tính chỉ có từ 30-45%. CaOCl2 là chất rắn màu trắng, không hút ẩm, có thể bảo quản trong kho tối, khô ráo mà không bị giảm độ hoạt tính và dễ tan trong nước. Thiết bị dùng để khử trùng nước thải bằng clorua vôi thường có một hoặc hai thùng hoà trộn, hai thùng dung dịch và máy bơm định lượng. Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 17 Hình : Sơ đồ nguyên tắc hoạt động của hệ thống khử trùng bằng Clorua vôi. 1: Bột Clorua vôi cấp từ kho; 2: Thùng hoà trộn; 3: Thùng dung dịch; 4: Thiết bị định lượng; 5: Máng trộn nước thải với dung dịch Clo a: nước cấp; b: đường dẫn dung dịch Clorua vôi; c: nước thải; d: bùn cặn Clorua vôi Thùng hoà trộn làm nhiệm vụ trộn Clorua vôi với nước kỹ thuật để đạt dung dịch Clorua vôi dạng sữa nồng độ 10÷15%. Bùn cặn từ thùng này được xả ra ngoài và vận chuyển đi làm khô. Sữa clorua vôi được pha loãng trong thùng dung dịch đến nồng độ dưới 2,5% sau đó được máy bơm định lượng cấp về máng trộn. Khử trùng bằng Clorua vôi thường dùng cho các trạm xử lý nước thải công suất dưới 1000 m3/ngày b. Ưu điểm và nhược điểm.  Ưu điểm: Là chất khử trùng hiệu quả, giá thành rẻ.  Nhược điểm + Bột Clorua vôi hút ẩm, khó bảo quản, + Hoà trộn thủ công. 3.2.1.5. Khử trùng bằng nước Javen. a. Đặc tính Nước javel là dung dịch có nồng độ clo từ 5-15%, nhưng đắt hơn nhiều so với khí clo. Nước Javel là dung dịch hơi vàng có mùi đặc trưng, là chất tẩy trắng trong gia đình với nồng độ là 5% (PH=11), natri hypoclorit không ổn định, khi tiếp xúc với axit, ánh sáng mặt trời, một số kim loại, các khí độc hại và ăn mòn bao gồm cả khí clo, natri Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 18 hypoclorit sẽ bị tan chảy. Nó là một chất oxi hóa mạnh phản ứng với các hợp chất dễ cháy. Sản xuất: Trong công nghiệp Natri hypochlorite có thể được sản xuất trong hai cách: - Bằng cách hòa tan muối trong nước. Dung dịch điện phân và tạo thành một dung dịch natri hypochlorite trong nước. Dung dịch này có chứa 150g clo hoạt động (Cl2) cho mỗi lít. Trong phản ứng này khí H2 cũng được hình thành. (hình ) - Bằng cách thêm khí clo (Cl2) vào xút (NaOH) Cl2 + 2NaOH  NaOCl + NaCl + H2O Hình b. Ưu điểm và nhược điểm.  Ưu điểm: + Dễ dàng được lưu trữ và vận chuyển, + Sử dụng đơn giản, + Có hiệu quả khử trùng như khí clo.  Nhược điểm: + Giá thành cao, + Chất lượng giảm sút nhanh khi bảo quản và vận chuyển, có thể trở thành nước thường. 3.2.1.6. Một số hợp chất khác của Clo dùng để khử trùng a. Chloramine Chloramines là dẫn xuất của amoniac được hình thành trong quá trình phản ứng giữa Clo (Cl2) và amoniac (NH3) bằng cách thay thế một, hai hoặc ba hydro nguyên tử bởi clo nguyên tử.: monochloramine (chloroamine, NH2Cl), dichloramine (NHCl2 ), và nitơ triclorua (NCl3 ). Họ chloramine cũng được đề cập bao gồm các hợp chất hữu cơ với công thức R2NCL và RNCl2 (R là một nhóm hữu cơ). Phổ biến ở Việt Nam sử dụng 2 dạng là Cloramin B (C6H5SO2NClNa.3H2O) và Cloramin T (C7H7SO2NClNa.3H2O). Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 19  Điều chế - Trong dung dịch nước pha loãng, chloroamine được điều chế bằng phản ứng của amoniac với hypochlorite. Trong phản ứng này ba chloramines vô cơ khác nhau được hình thành: + Tạo thành monochloramine: NH3 + HOCl  NH2Cl + H2O, + Tạo thành dichloramine: NH2Cl + HOCl  NHCl2 + H2O, + Tạo thành trichloramine: NH2Cl2 + HOCl  NCl3 + H2O. Tỉ lệ của 3 dạng chloramine phụ thuộc vào pH của nước. Monochloramine chiếm ưu thế ở pH> 8,5. Monochloramine và dichloramine cùng tồn tại ở pH khoảng từ 4,5 đến 8,5, tuy nhiên pH > 6 monochloramine là nhiều hơn và trichloramine tạo thành ở pH< 4,5. Trong nhà máy xử lý nước, việc tạo thành monochloramine là điều mong muốn bởi vì dichloramine và trichloramine tạo thành vị khó chịu đối với nước. - Chloroamine khí có thể thu được từ phản ứng của amoniac với khí clo (pha loãng với nitơ khí): 2NH3 (k) + Cl2 (k) ⟺ NH2Cl (k) + NH4Cl (r) - Chloroamine tinh khiết có thể được chuẩn bị bằng cách đi qua fluoroamine qua calcium chloride : 2NH2F + CaCl2 ⟶ 2 NH2Cl + CAF2  Cơ chế khử trùng Trong nước, các liên kết cộng hóa trị N-Cl của chloroamines dễ dàng bị thủy phân và phóng axit hypochlorous: RR'NCl + H2O ⟺ RR'NH + HOCl  Ưu điểm + Không tạo ra sản phẩm phụ như trihalomethanes; THM và các sản phẩm phụ khác có thể gây ung thư (acid acetic halogenic; HAA) giống Clo, + Chloramines hoạt động trong một thời gian dài trong nước.  Nhược điểm + Tốc độ phản ứng của chloramines chậm, + Chloramines hữu cơ được hình thành, + Tạo thành Amoniac có thể gây ăn mòn. Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 20 b. Clo dioxit  Đặc tính ClO2 là ôxít của Chlorine, dạng khí có màu vàng cam, có tính ôxy hóa khử rất mạnh nên có tính sát khuẩn rất cao so với các loại hóa chất khác như: B.K.C, Iodine và Thuốc tím dễ hòa tan trong nước và kém bền dưới ánh sáng. ClO2 tiêu diệt hoàn toàn các vi sinh vật trong nước như: Virus, vi khuẩn, protozoa, nguyên sinh động vật Clo dioxit thường dùng để khử trùng nước có chứa phenol hoặc có hàm lượng chất hữu cơ cao do không phản ứng tạo ra clophenol. Ngoài mục đích khử trùng: ClO2 còn được sử dụng để trung hòa hàm lượng kim loại nặng trong môi trường nước và đáy ao như Sắt, Mangan, và ôxy hóa các hợp chất H2S và Phenol. Clo dioxit được sản xuất trực tiếp tại chỗ bằng cách sục khí clo vào dung dịch natri clorit hay canxi clorit đã được axit hóa : 2NaClO2 + Cl2 → 2ClO2 + 2NaCl Ca(ClO2)2 + Cl2 → 2ClO2 + CaCl2  Cơ chế khử trùng. ClO2 ôxy hóa và thẩm thấu qua màng tế bào, phản ứng trực tiếp với các mono acid (Cystein, trytophan, tyrosin...) và RNA trong tế bào (kể cả thể bào xác và vi bào tử) làm ngừng trệ quá trình trao đổi chất, dẫn đến ức chế và phá vỡ hoạt động sống của Virus, vi khuẩn,nấm,nguyên sinh động vật...  Ưu, nhược điểm: - Ưu điểm + Có thể tiêu diệt các loại vi khuẩn, virus mà những hệ thống sử dụng clo khác không diệt được, + Dễ hòa tan trong nước. - Nhược điểm + Giá thành cao và đòi hỏi kĩ thuật cao, + Gây nguy hại khi phản ứng với cacbon hoạt tính tạo hợp chất gây ăn mòn thiết bị, + Dễ bị phân hủy dưới ánh sáng. Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 21 3.2.2. Khử trùng bằng Ozone. 3.2.2.1. Đặc tính Ozone là một dạng thù hình của oxy, là chất khí có màu ánh tím, hóa lỏng ở nhiệt độ 1120C. Ozone là chất oxy hóa mạnh nhất trong số các chất khử trùng được sử dụng hiện nay, ozone đã được sử dụng lần đầu tiên vào năm 1893 cho việc xử lý nước uống. Ozone có dạng của oxy triatomic O3, tiết ra mùi gần giống với vùng đất bị sét đánh hoặc điện gây ra. 3.2.2.2. Cơ chế khử trùng Trong nước Ozone bị phân ly theo các phản ứng sau đây: O3 + H2O  HO3+ + OH- HO3+ + OH-  2HO2 O3 + HO2  HO + 2O2 HO+ HO2  H2O + O2 Như vậy trong quá trình này các gốc tự do như hydro peroxy HO2 và hydroxyl HO được hình thành, chúng có khả năng ôxy hoá mạnh và tham gia tích cực vào quá trình khử trùng. Nó tiêu diệt vi khuẩn vì quá trình oxy hóa nguyên sinh dẫn đến sự tan rã thành tế bào (tế bào ly giải). Ozone làm ảnh hưởng tính thấm hoạt động của ezyme và AND của tế bào vi khuẩn trong đó những đuôi guanine hay thymine dường như nhạy cảm nhất đối với ozone. Xử lý ozone cũng dẫn đến việc biến đổi AND plasmide vòng kín thành AND vòng mở. Đối với poliovirus, ozone gây bất hoạt virus bằng cách phá hủy lõi acid nhân. Vỏ protein cũng bị ảnh hưởng, những tổn thương đối với vỏ protein là nhỏ và có thể không bị ảnh hưởng đến việc hấp thụ poliovirus vào tế bào chủ (VP4, một polypeptide capside chịu trách nhiệm cho việc bám dính vào tế bào chủ và không bị ảnh hưởng bởi ozone). Đối với rotavirus, ozone thay đổi cả capside và lõi ARN. Tác động làm phân hủy các thành phần của axit nucleic. Phá vỡ liên kết cacbon – nito hàng đầu để deplymerization (khử trùng hợp). Clo không có hiệu quả trong việc chống lại virut. Không giống với clo, ozone có thể loại bỏ được virut và vi khuẩn cùng một lúc, đặc biệt hơn là nó có thể loại bỏ được vi khuẩn độc hại cryptosporidium, là một động vật nguyên sinh được tìm thấy trong nước, điều này đã khẳng định tính năng của ozone mạnh hơn Clo. Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 22 Mặt khác nó còn phân hủy được những hợp chất độc hại trong nguồn nước như hóa chất bảo vệ thực vật tồn lưu phân tử Ozone là chất có khả năng oxy hóa cực mạnh nên khi phân tử Ozone tương tác với phân tử thuốc trừ sâu hoặc chất độc khác nó bẻ gãy liên kết hóa học và phá vỡ cấu trúc phân tử của chất đó (phân hủy chất độc phenol, tricloroethlene -TCE ). 3.2.2.3. Cách tạo ra ozone Ozone là chất không bền vững và không thể lưu giữ lâu trong bình chứa nên phải dùng máy sản xuất ozone ngay tại nơi sử dụng. Có ba cách để tạo ra ozone: a. Điện phân: Đây là cách dễ dàng để tạo ra ozone với thiết bị đơn giản nhưng ít được sử dụng để sản xuất ozone cho mục đích xử lý nước uống. Dùng phương pháp này đắt gấp 2-5 lần so với dùng tia lửa điện. b. Quang hóa (bức xạ tia cực tím): Ánh sáng mặt trời tạo ra ozone trong khí quyển ở tầng bình lưu, việc tạo ra ozone dựa trên nguyên tắc quang hóa. Cả hai đèn màu đen và bóng đèn tia cực tím tạo bước sóng cần thiết để sản xuất ozone từ các nguồn oxy( oxy từ không khí khô hoặc nguồn oxy sạch). Sử dụng tia cực tím tiện dụng, linh hoạt và có thể là duy nhất trong một số ứng dụng khi mà sản xuất ozone ở cự li ngắn trong nước. Tuy nhiên sử dụng đèn UV để tạo ra ozone không hiệu quả vì tốn kém chi phí. Hình: Cơ chế tạo ozone từ tia lửa điện. c. Tia lửa điện: Quá trình này là an toàn nhất, hiệu quả nhất, kinh tế và là phương tiện kiểm soát được việc sản xuất ozone. Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 23 Ozone được sản xuất bằng cách cho oxy hóa không khí đi qua thiết bị phóng tia lửa điện. Để cấp đủ lượng ozone khử trùng dùng máy phát tia lửa điện bao gồm hai điện cực cao thế hàng chục kV bằng kim loại đặt cách nhau một khoảng cho không khí chạy qua. Vì thế lượng điện tiêu thụ để sản xuất ozone thường lớn. Cấp dòng điện xoay chiều vào các điện cực để tạo ra tia hồ quang, đồng thời với việc thổi luồng không khí sạch đi qua khe hở của các điện cực để chuyển một phần oxy thành ozone . Không khí vừa là nguồn tiếp oxy vừa là chất điện môi để san đều diện tích phóng ra trên toàn bề mặt điện cực, ngăn cản hiện tượng phóng điện quá tải cục bộ. Để sản xuất 1kg O3 từ không khí yêu cầu lượng điện từ 14 đến 20 kWh. Hình: Nguyên tắc hoạt động của một máy tạo ozone dùng tia lửa điện/ Sản phẩm phụ của quá trình sản xuất ozone là nhiệt lượng. Luồng không khí đi qua khe hở giữa các điện cực không đủ để làm lạnh (hạ nhiệt) các điện cực. Ozone sản xuất ra dể bị phân hủy thành oxy do đó phải lắp thiết bị làm lạnh ở máy sản xuất ozone. Có 2 loại máy làm lạnh điện cực: - Làm lạnh bằng không khí. - Làm lạnh bằng nước. Dưới tác dụng của tia lữa điện, một phần Nitơ phản ứng với nước thành axit nitric có tác dụng ăn mòn kim loại của máy phát, do đó để loại trừ hiện tượng này, không khí trước khi cho vào máy tạo zone phải được làm sạch để khử hoàn toàn độ ẩm. Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 24 Nồng độ ozone trong không khí cao hơn 1 mg/lít gây độc hại cho người quản lý vận hành, do đó cần phải có biện pháp phát hiện và phòng ngừa tại gian đặt máy. b. Đưa Ozone vào trạm xử lý. Ozone được hoà tan vào nước bằng hai cách:  Hoà trộn trực tiếp với nước thải trong bể tiếp xúc qua thiết bị khuếch tán khí;  Hoá lỏng nhờ ejector sau đấy trộn với nước thải trong máng trộn trước khi vào bể tiếp xúc. Độ hòa tan của ozone gấp 13 lần so với oxy. Khi vừa cho vào trong nước khả năng diệt trùng là rất ít, khi ozone đã hòa tan đủ liều lượng, ứng với hàm lượng đủ oxy hoá hữu cơ và vi khuẩn trong nước, lúc đó tác dụng khử trùng mạnh nhanh gấp 3100 lần so với Clo, thời gian diệt trùng xảy ra trong khoảng 3 – 8 giây. Như vậy bể tiếp xúc trong trường hợp dùng ozone khử trùng không cần lớn hơn đối với clo. Thời gian lưu nước chỉ cần 15 phút. Hiệu quả khử trùng bằng ozone phụ thuộc vào chất lượng nước thải. Liều lượng ozone cần thiết để khử trùng ứng với thời gian tiếp xúc với nước thải 15 phút được nêu trong bảng sau: Bảng. Nồng độ ozone cần thiết để khử trùng nước thải. Nước thải dòng vào Tổng Coliform dòng vào, MPN/100ml Nồng độ ozone, mg/l Tổng số coliform dòng ra, MPN/100ml 1000 200 23 Nước thải từ HTNT 107 - 109 15-40 Nước thải sau lắng đợt một 107 - 109 10-40 Nước thải sau bể tự hoại 107 - 109 15-40 Nước thải sau bể aeroten 105 – 106 4-10 4-8 16-30 Nước thải sau lọc sinh học 105 – 106 4-10 Nước thải sau xử lý nitơ 104 – 106 3-6 4-6 8-20 c. Ưu điểm và nhược điểm Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 25  Ưu điểm:  Có thể tiêu diệt các sinh vật trong phạm vi rộng hơn so với Clo  Quá trình ozone hóa sử dụng một thời gian tiếp xúc ngắn (chỉ mất 15 phút trong khi Clo phải mất từ 30-45 phút),  Không có mùi,  Làm giảm nhu cầu oxi của nước, giảm nồng độ chất hữu cơ, giảm nồng độ các chất hoạt tính bề mặt,  Khử màu, phenol, xyanua,  Tăng DO,  Không có sản phẩm phụ gây độc hại,  Tăng vận tốc lắng của hạt lơ lửng,  Ozone được tạo ra tại chỗ nên an toàn trong vấn đề vận chuyển và xử lí.  Nhược điểm:  Giá thành xử lý cao (2-3 lần clo), ít hòa tan trong nước nên khó duy trì dư lượng ozone để tránh quá trình tái nhiễm khuẩn,  Ozone hóa là một công nghệ phức tạp hơn là clo hoặc khử trùng UV, đòi hỏi thiết bị phức tạp và hệ thống kết nối hiệu quả,  Ozone gây ra phản ứng ăn mòn, do đó đòi hỏi vật liệu chống ăn mòn, chẳng hạn như thép không gỉ,  Không đo lường được lượng dư để chỉ ra hiệu quả khử trùng của ozone,  Chi phí xử lí cao, cả về vốn đầu tư và tập trung năng lượng,  Hiệu quả kém đối với nước có COD, BOD, SScao,  Ozone rất gây kích ứng và có thể độc hại, vì vậy cần ngăn chặn ozone tiếp xúc với người lao động,  Không có khả năng tiêu diệt được các sinh vật lớn hơn. 3.2.2. Các phương pháp khử trùng hoá học khác a. Khử trùng bằng iot: Iod là nguyên tố thuộc nhóm halogen trong bảng tuần hoàn bên cạnh brom (Br) và Clo (Cl). Iod có trọng lượng nguyên tử nặng nhất trong nhóm halogen và là halogen duy nhất Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 26 tồn tại dưới dạng rắn màu tím thẩm ở nhiệt độ phòng. Iod thường có sẵn ở dạng muối kali iodide (KI). Iod làm kết tủa protein và oxy hóa các enzim chủ yếu theo nhiều cơ chế: phản ứng với các nhóm NH, SH, phenol, các carbon của các acid béo không bão hoà, làm ngăn cản tạo màng vi khuẩn. Iod đã được phát triển trong Thế chiến II để khử trùng lượng nhỏ nước cho trường hợp khẩn cấp hoặc sử dụng tạm thời. Cồn iod hoặc iod viên rất phổ biến với các trại quân đội để khử trùng nước. Chi phí của iod cao hơn so với clo. Tuy nhiên, trong khi clo dư được sử dụng hết trong quá trình khử trùng, iod còn lại có thể được tái sinh. Black và các cộng sự ước tính rằng “mỗi nguyên tử iod có thể được tái sử dụng từ 10 đến 13 lần”, việc bổ sung iod cần thiết để khử trùng ít hơn đáng kể so với clo. Hình: Viên nén iod dùng để khử trùng nước Ngược lại với clo và brôm, iod ít hòa tan trong nước và phản ứng với một tốc độ chậm với các hợp chất hữu cơ. Do đó, phương pháp đơn giản nhất của khử trùng nước bằng iod là bằng cách hòa tan iod trong nước để tạo thành dung dịch bão hòa và sau đó tiêm dung dịch iod vào hệ thống xử lý nước. Độ hòa tan của iod trong nước phụ thuộc vào nhiệt độ. Ở 00C độ hòa tan là 100mg/l. Ở 200C độ hòa tan là 300mg/l. Khi pH của môi trường nhỏ hơn 7, lượng iod cần dùng thường trong khoảng 0,3-1mg/l. Nếu sử dụng cao hơn 1.2mg/l sẽ làm cho nước có mùi vị iod. Cách rẻ nhất để giải phóng iot trong nước là cho KI phản ứng với Cl2 để tạo thành iod (I2). Tùy thuộc vào độ pH, iod sau đó phản ứng với nước để có những hình thức sau đây: Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 27 iot (I2) ở pH 8, và Iodate ion (IO-) tại pH > 8. Axit hypoiodous (HOI) đã được chứng minh tiêu diệt E.coli nhanh hơn iot bốn lần. Iod diệt khuẩn và các vi sinh vật, không có khả năng diệt tảo. Iod không diệt vi khuẩn khi tiếp xúc, thời gian lưu nước ít nhất 20 phút là cần thiết tùy thuộc vào nồng độ iod. Một lượng dư iod (từ 0,5 đến 1,0 mg/l) nên được duy trì và iod ở mức độ này làm cho nước ít hoặc không có mùi iod. Iot có thể được loại bỏ khỏi nước chỉ với một bộ lọc carbon trước khi uống. Trong thực tế, iod thường được sử dụng để khử trùng hồ bơi. Việc sử dụng iod có thể ảnh hưởng đến các chất khoáng trong nước nên nó phải được xem xét chỉ trên cơ sở khẩn cấp như bão lũ, sóng thần, động đất do thiên tai gây ra. Iod rất ít được sử dụng để khử trùng nước thải. Ưu, nhược điểm.  Ưu điểm  Không đòi hỏi năng lượng,  Nó đòi hỏi ít bảo trì,  Có thể tái sử dụng.  Nhược điểm. Hiệu quả bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ nước, Làm cho nước có một màu sắc nhẹ ở mức cao, Làm cho nước có mùi iod, Không diệt được tảo. b. Khử trùng bằng ion bạc: Bạc là một nguyên tố có tính kháng khuẩn tự nhiên, có khả năng tiêu diệt phổ rộng các loài vi sinh vật gây bệnh, nhưng đồng thời là một chất kháng khuẩn thân thiện với môi trường, bởi vì không gây tác dụng độc hại đối với cơ thể con người và động vật nếu được sử dụng với liều lượng phù hợp cho việc khử trùng nước.  Để thu được ion bạc có thể sử dụng các biện pháp sau: - Tăng diện tích tiếp xúc trực tiếp giữa nước và bạc, - Sản xuất viên oxit bạc để hòa vào nước, - Điện phân với điện cực bằng bạc.  Giả thiết về cơ chế khử trùng của ion bạc: Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 28 Hiện nay tồn tại một số quan điểm giải thích cơ chế diệt khuẩn của bạc được nhiều người ủng hộ. Các quan điểm đó chủ yếu dựa trên sự tương tác tĩnh điện giữa ion bạc mang điện tích dương và bề mặt tế bào vi khuẩn mang điện tích âm và trên sự vô hiệu hóa nhóm thiol trong enzym vận chuyển ôxy, hoặc trên sự tương tác của ion bạc với DNA dẫn đến sự dime hóa pyridin và cản trở quá trình sao chép DNA của tế bào vi khuẩn. Các nhà khoa học thuộc hãng INOVATION Hàn Quốc cho rằng bạc tác dụng trực tiếp lên màng bảo vệ của tế bào vi khuẩn. Màng này là một cấu trúc gồm các glycoprotein được liên kết với nhau bằng cầu nối axit amin để tạo độ cứng cho màng. Các ion bạc vừa mới được giải phóng ra từ bề mặt các hạt nano bạc tương tác với các nhóm peptidoglican và ức chế khả năng vận chuyển oxy của chúng vào bên trong tế bào, dẫn đến làm tê liệt vi khuẩn. Nếu các ion bạc được lấy ra khỏi tế bào ngay sau đó, khả năng hoạt động của vi khuẩn có thể lại được phục hồi. Các tế bào động vật cấp cao có lớp màng bảo vệ hoàn toàn khác so với tế bào vi sinh vật. Chúng có hai lớp lipoprotein giàu liên kết đôi có khả năng cho điện tử do đó không cho phép các ion bạc xâm nhập, vì vậy chúng không bị tổn thương khi tiếp xúc với các ion bạc. Cơ chế tác động của các ion bạc lên vi khuẩn được các nhà khoa học Trung Quốc làm việc trong hãng ANSON mô tả như sau: khi ion Ag+ tương tác với lớp màng của tế bào vi khuẩn gây bệnh nó sẽ phản ứng với nhóm sunphohydril –SH của phân tử enzym vận chuyển oxy và vô hiệu hóa enzym này dẫn đến ức chế quá trình hô hấp của tế bào vi khuẩn. Ngoài ra, các ion bạc còn có khả năng ức chế quá trình phát triển của vi khuẩn bằng cách sản sinh ra oxy nguyên tử siêu hoạt tính trên bề mặt của hạt nano bạc: 2Ag+ + O-2 --> 2Ag0 + O0 Theo một số nhà khoa học Nga, hiện nay có nhiều lý thuyết về cơ chế tác dụng diệt vi khuẩn của nano bạc đã được đề xuất, trong đó lý thuyết hấp phụ được nhiều người chấp nhận hơn cả. Bản chất của thuyết này là ở chỗ tế bào vi khuẩn bị vô hiệu hóa là do kết quả của quá trình tương tác tĩnh điện giữa bề mặt mang điện tích âm của tế bào và ion Ag+ được hấp phụ lên đó, các ion này sau đó xâm nhập vào bên trong tế bào vi khuẩn và vô hiệu hóa chúng. Cho đến nay, những gì liên quan đến cơ chế tác động của nano bạc lên tế bào vi sinh vật, mới chỉ có một quan điểm được hầu hết các nhà khoa học thừa nhận. Đó là khả năng diệt khuẩn của hạt nano bạc là kết quả của quá trình biến đổi các nguyên tử bạc kim loại trên bề mặt hạt nano bạc thành các ion Ag+ tự do và các ion tự do này sau đó tác dụng lên vi khuẩn. Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 29 Tóm lại, các nhà khoa học đã đề xuất một số giả thiết về cơ chế khử trùng của nano bạc như sau: - Cơ chế của quá trình ôxy hóa nguyên sinh chất của tế bào vi khuẩn hoặc quá trình phá hủy nguyên sinh chất bởi ôxy hòa tan trong nước với vai trò xúc tác của bạc; - Cơ chế của các quá trình vô hiệu hóa enzym có chứa các nhóm –SH và –COOH, phá vỡ cân bằng áp suất thẩm thấu, hoặc tạo phức với axit nucleic dẫn đến làm thay đổi cấu trúc DNA của tế bào vi sinh vật; - Tác động gián tiếp lên phân tử DNA bằng cách tăng số lượng các gốc tự do làm giảm hoạt tính của các hợp chất chứa ôxy hoạt động, làm rối loạn các quá trình ôxy hóa cũng như phosphoryl hóa trong tế bào vi khuẩn. - Ức chế quá trình vận chuyển các ion Na+ và Сa2+ qua màng tế bào. Ngoài ra, một số nhà khoa học còn cho rằng ion bạc có khả năng vô hiệu hóa các loài virut gây bệnh đậu mùa, bệnh cúm A-1, B, adenovirus và HIV, cho hiệu quả điều trị tốt đối với các bệnh virut Marburg, virut bệnh đường ruột (enteritis) và virut bệnh chó dại. Tuy nhiên, để có thể vô hiệu hóa hoàn toàn virut bacteriophag đường ruột N163,virut Koksaki serotyp A-5, A-7, A-14 cần đến nồng độ bạc cao hơn (0.5 – 5.0 mg/lít) so với trường hợp xử lý Escherichia, Salmonella, Shigellia và các loài virut đường ruột khác (0.1 – 0.2 mg/lít). Ion bạc thể hiện mạnh mẽ khả năng diệt nấm: tại nồng độ 0.1mg/lít, với mật độ 105 tế bào/lít, nấm Candida albicans có thể bị vô hiệu hóa hoàn toàn sau 30 phút tiếp xúc. Trong khi cơ chế tác dụng của các ion bạc lên vi sinh vật vẫn chưa hoàn toàn sáng tỏ, nhưng hầu hết các nhà nghiên cứu đều có một quan điểm thống nhất rằng chúng phá hủy chức năng hô hấp, hoặc phá hủy chức năng của thành tế bào, hoặc liên kết với DNA của tế bào vi sinh vật và ức chế chức năng sao chép của chúng. Hình: Cơ chế khử trùng của Ion Bạc. Tiểu luận: Các phương pháp khử trùng nước 30 Hiện nay quá trình này chỉ được sử dụng để khử trùng nước uống trên tàu hoặc cho uống nguồn nước ở các khu vực thảm họa. Tổ chức Y tế thế giới (WHO) đã xác định liều lượng bạc tối đa không gây ảnh hưởng đối với sức khỏe con người là 10g (nếu hấp thụ từ từ). Nghĩa là, nếu một người trong toàn bộ cuộc đời của mình (70 tuổi) ăn và uống vào 10g bạc, đảm bảo không có vấn đề gì về sức khỏe. Trên cơ sở đó Tổ chức EPA của Mỹ đã xác lập tiêu chuẩn tối đa cho phép của bạc trong nước uống của Mỹ là 0.1mg/lít, trong khi Cộng đồng châu Âu áp dụng tiêu chuẩn tối đa cho phép là 0.01mg/lít và tại LB Nga là 0.05mg/lít.  Ưu điểm:  Bạc không tạo ra mùi hôi và độc tính khi xử dụng trong nước với hàm lượng thích hợp,  Các chất hữu cơ không cản trở sự làm việc của nó như đối với Clo.  Nhược điểm:  Chi phí cao,  Hiệu quả bị cản trở khi trong nước có clorua và sulfide,  Mất thời gian dài tiếp xúc và xử lí nước. Ví dụ, khi sử dụng bạc với nồng độ 0,03 mg/l để khử trùng nước ở pH = 7,5 và nhiệt độ 150C thời gian để khử 99% vi trùng là 177 phút.  Hàm lượng trong nước cao dễ gây ảnh hưởng đến sức khỏe của con người