CÁC KHÁI NIỆM CƠ BẢN VỀ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI
TỔNG QUAN VỀ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI
Nước là nguồn tài nguyên thiết yếu cho sự sống trên Trái Đất, không có nước, sự sống và nền văn minh hiện đại sẽ không tồn tại Từ xa xưa, con người đã nhận thức rõ vai trò quan trọng của nước; các nhà khoa học cổ đại coi nước là thành phần cơ bản của vật chất Nhiều nền văn minh lớn của nhân loại đã phát triển quanh các lưu vực sông lớn, chẳng hạn như nền văn minh Lưỡng Hà ở Tây Á, văn minh Ai Cập ở sông Nil, văn minh sông Hằng ở Ấn Độ, văn minh Hoàng Hà ở Trung Quốc và văn minh sông Hồng ở Việt Nam.
Nước đóng vai trò thiết yếu trong nhiều quá trình tự nhiên và đời sống con người, từ việc người Ai Cập cổ đại sử dụng hệ thống tưới tiêu để canh tác cách đây 3.000 năm cho đến việc khám phá các ứng dụng mới của nước trong xã hội hiện đại Nước không chỉ là nguồn cung cấp thực phẩm và nguyên liệu công nghiệp dồi dào mà còn rất quan trọng trong nông nghiệp, công nghiệp, sinh hoạt, thể thao và nhiều hoạt động khác Hơn nữa, nước được xem là khoáng sản đặc biệt với khả năng lưu trữ năng lượng lớn và hòa tan nhiều chất có thể khai thác phục vụ nhu cầu đa dạng của con người Trong ngành công nghiệp, nước được sử dụng như nguyên liệu, nguồn năng lượng, dung môi, chất tải nhiệt và phương tiện vận chuyển nguyên vật liệu.
Nước chiếm 71% bề mặt trái đất, trong đó 97% là nước mặn và chỉ 3% là nước ngọt Nước không chỉ giúp ổn định khí hậu và pha loãng ô nhiễm mà còn là thành phần chính trong cơ thể sinh vật, chiếm từ 50% đến 97% trọng lượng cơ thể, ví dụ như ở người là 70% và ở sứa biển lên tới 97% Tuy nhiên, trong 3% nước ngọt, hơn 75% không thể sử dụng do nằm sâu dưới lòng đất, bị đóng băng, ở dạng hơi trong khí quyển hoặc tuyết trên lục địa Chỉ có 0,5% nước ngọt tồn tại trong sông, suối, ao, hồ mà con người sử dụng, và sau khi loại trừ nước ô nhiễm, chỉ còn khoảng 0,003% là nước ngọt sạch có thể sử dụng.
Hình 1.1 Tỉ lệ giữa các loại nước trên thế giới (Liêm, 1990)
Khối lượng nước tự do trên bề mặt trái đất ước tính khoảng 1,4 tỉ km³, tuy nhiên, con số này so với trữ lượng nước trong lớp vỏ giữa của trái đất (khoảng 200 tỉ km³) là rất nhỏ, chỉ chiếm chưa đến 1%.
Nước trong tự nhiên được tuần hoàn theo chu trình sau:
Hình 1.2 Chu trình tuần hoàn nước toàn cầu hàng năm
Theo chu trình tuần hoàn, nước ngọt được tái chế qua quá trình bốc hơi và mưa hàng năm, với tổng lượng bốc hơi khoảng 500.000 km³, trong đó 430.000 km³ từ đại dương và 70.000 km³ từ đất liền Lượng mưa hàng năm tương ứng là 500.000 km³, bao gồm 390.000 km³ mưa trên biển và 110.000 km³ mưa trên đất liền Chu trình này giúp bảo toàn lượng nước, nhưng nước có thể chuyển đổi giữa các dạng lỏng, hơi và rắn, cũng như di chuyển giữa các nguồn nước như biển, đại dương, sông, suối, ao, hồ và nước ngầm.
Nước tự nhiên là loại nước được hình thành qua các quá trình tự nhiên mà không bị ảnh hưởng bởi con người Nó bao gồm ba loại chính: nước mặt, nước ngầm và nước biển.
Nước mặt là thuật ngữ chỉ các nguồn nước trên bề mặt trái đất, bao gồm nước chảy như sông, suối, kênh, rạch và nước tĩnh như ao, hồ, đầm, phá Nguồn gốc chính của nước mặt là nước mưa chảy tràn hoặc nước ngầm chảy ra do áp suất cao và độ ẩm dư thừa trong đất cùng với các tầng nước ngầm.
Nước tan từ băng tuyết chảy thành dòng
Dòng chảy mặt Bốc hơi
Dòng chảy từ nước ngầm
Nước ngầm là nguồn tài nguyên quý giá tồn tại trong các tầng hay túi dưới lòng đất, cung cấp nước cho các khu vực đô thị, công nghiệp và tưới tiêu thủy lợi, đặc biệt là cho các vùng trồng cây công nghiệp tập trung.
Nước biển, với thành phần tương đối đồng đều và giàu muối NaCl, được gọi là nước mặn Nó đóng vai trò quan trọng trong chu trình tuần hoàn nước toàn cầu.
Nước thải là loại nước đã qua sử dụng trong sinh hoạt, sản xuất hoặc từ các khu vực ô nhiễm Tùy thuộc vào nguồn gốc hình thành, nước thải được phân loại thành ba loại chính: nước thải sinh hoạt, nước thải khí quyển và nước thải công nghiệp.
Hiện nay, sự gia tăng dân số cùng với quá trình công nghiệp hóa và đô thị hóa mạnh mẽ đã tạo ra nhu cầu sử dụng nước khổng lồ Trong khi đó, nguồn tài nguyên nước không được cải thiện, dẫn đến tình trạng suy giảm nghiêm trọng về cả chất lượng lẫn số lượng nước.
Một cách khái quát các nguồn phát sinh nước thải có thể được thể hiện như trên hình 1.4
Nước thải sinh hoạt ủoõ thũ
Nước thải sản xuất từ các khu công nghieọp
TổTổnngg:: 33 111100 000000 mm 3 3 nnưướớcc tthhảảii // nnggààyy (( 22000055))
Ngguuoồànn:: tthheeoo ttớớnnhh ttooaỏựnn ccuủỷaa TTTTKKTTMMTTĐĐTT&&KKCCNN,, ĐĐHH XXaõõyy ddưựùnngg HHaàứ NNoộọii,, 22000055
Hình 1.3 Ước tính tổng lượng nước thải hàng ngày (Việt Nam)
Hình 1.4 Các nguồn gây ô nhiễm nước mặt
Nước thải sinh hoạt bao gồm nước từ nhà tắm, giặt, hồ bơi, nhà ăn và nhà vệ sinh, chứa khoảng 58% chất hữu cơ và 42% chất khoáng Đặc điểm chính của nước thải này là hàm lượng cao các chất hữu cơ không bền sinh học như carbohydrate, protein và mỡ, cùng với các chất dinh dưỡng như photphat và nitơ, vi khuẩn, chất rắn và mùi Nước thải sinh hoạt phát sinh từ các hộ dân cư với lưu lượng nhỏ nhưng phân bố rộng rãi, gây khó khăn trong việc thu gom triệt để và được xếp vào loại nguồn phân tán (non-point source).
Nước khí quyển được hình thành từ mưa và chảy ra từ đồng ruộng, nhưng thường bị ô nhiễm bởi các chất vô cơ và hữu cơ Nước này có thể mang theo chất rắn, dầu mỡ, hóa chất và vi trùng khi chảy qua khu vực dân cư và sản xuất công nghiệp Ngoài ra, nước chảy ra từ đồng ruộng cũng chứa chất rắn, thuốc sát trùng và phân bón Nước mưa khi chảy qua rừng sẽ mang theo các chất hữu cơ từ động thực vật và chất rắn lơ lửng do xói mòn đất Tất cả các loại nước thải này đều thuộc loại nguồn phân tán.
Nước thải công nghiệp xuất hiện trong quá trình khai thác và chế biến nguyên liệu hữu cơ và vô cơ, bao gồm nhiều nguồn khác nhau Đầu tiên, nước thải hình thành từ phản ứng hóa học, bị ô nhiễm bởi các tác chất và sản phẩm phản ứng Thứ hai, nước ở dạng ẩm tự do và liên kết trong nguyên liệu được tách ra trong quá trình chế biến Ngoài ra, nước rửa nguyên liệu và sản phẩm cũng tạo ra nước thải Các nguồn nước thải khác bao gồm dung dịch nước cái sau kết tinh, nước chiết, nước hấp thụ, nước làm nguội và các loại nước khác như nước bơm chân không, nước từ thiết bị ngưng tụ, hệ thống thu hồi tro ướt, nước rửa bao bì, nhà xưởng và máy móc.
Nước thải công nghiệp có lưu lượng lớn và nồng độ ô nhiễm cao thường được xả ra từ các cống của nhà máy hoặc khu công nghiệp Loại nước thải này được phân loại là nguồn điểm (point source).
Các chất gây nhiễm bẩn nước: [13], [14]
Nước bị ô nhiễm bởi rất nhiều chất hóa học khác nhau, bao gồm các yếu tố vật lý, hóa học và sinh học
- Các yếu tố vật lý: nhiệt độ cao hay thấp, pH, biến đổi màu nước
CÁC TÍNH CHẤT CỦA NƯỚC THẢI
Nước thải chứa nhiều loại hợp chất với số lượng và nồng độ biến đổi đa dạng Tính chất của nước thải có thể được phân loại theo các tiêu chí khác nhau.
Tính chất vật lý của nước thải được xác định dựa trên các chỉ tiêu: các chất rắn, độ đục, màu sắc, mùi vị, nhiệt độ và lưu lượng
Các chất rắn là một trong những thành phần chính của ô nhiễm trong nước thải, và mục tiêu của việc xử lý nước thải là loại bỏ hoặc chuyển đổi chúng thành dạng ổn định hơn để dễ xử lý Chất rắn có thể được phân loại theo thành phần hóa học (hữu cơ hoặc vô cơ) hoặc theo đặc tính vật lý (có thể lắng đọng, nổi trên mặt nước, hoặc ở dạng keo) Nồng độ tổng các chất rắn trong nước thải sinh hoạt thường dao động từ 350 đến 1.200 mg/l.
+ Các chất rắn hữu cơ: bao gồm C, H, O, N và có thể được chuyển thành CO 2 và
+ Các chất rắn vô cơ: phần còn lại sau khi đốt cháy hoàn toàn cặn, thu được trên giấy lọc
Các chất rắn lơ lửng trong nước thải thường được giữ lại bởi các bể lọc đệm với vật liệu xơ và được phân loại thành tổng chất rắn lơ lửng (TSS), chất rắn lơ lửng dễ bay hơi (VSS) và chất rắn lơ lửng cố định Chúng cũng được chia thành ba thành phần dựa trên khả năng lắng đọng: chất rắn có khả năng lắng, chất rắn nổi trên mặt và dạng keo Tổng hàm lượng các chất rắn lơ lửng trong nước thải sinh hoạt thường dao động từ 100.
Chất rắn tan là loại chất có khả năng đi qua các bể lọc và được phân loại thành ba loại chính: tổng hàm lượng chất rắn tan (TDS), chất rắn tan dễ bay hơi và chất rắn tan cố định Tổng hàm lượng chất rắn tan thường dao động trong khoảng 250 – 850 mg/l.
Màu sắc là một chỉ số quan trọng để đánh giá chất lượng nước Nước sạch thường không có màu, trong khi nước thải mới thường có màu nâu sáng Tuy nhiên, nước thải thường có màu xám và vẩn đục Khi nước thải bị nhiễm khuẩn, màu sắc của nó có thể chuyển sang màu đen tối, cho thấy mức độ ô nhiễm nghiêm trọng.
Độ đục là một chỉ số quan trọng phản ánh mức độ ô nhiễm của nước, được xác định qua độ trong của nước Nó xuất phát từ sự hiện diện của các chất lơ lửng như tảo, vi sinh vật, đất sét, bọt xà phòng và các chất tẩy rửa Để đo độ đục trong quá trình xử lý nước thải, phương pháp sử dụng tia UV thường được áp dụng.
Mùi hôi trong nước thải sinh hoạt chủ yếu xuất phát từ khí sinh ra trong quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ hoặc do một số chất được thêm vào Thông thường, nước thải sinh hoạt có mùi mốc, nhưng nếu bị nhiễm khuẩn, mùi sẽ chuyển sang mùi trứng thối do sự hình thành khí H2S.
Nhiệt độ của nước thải thường cao hơn so với nguồn nước sạch ban đầu do sự gia nhiệt từ các thiết bị gia đình và máy móc công nghiệp Tuy nhiên, nước mưa và dòng nước thấm qua đất là những yếu tố chính làm thay đổi nhiệt độ nước một cách đáng kể Sự gia tăng nhiệt độ này ảnh hưởng đến khả năng hòa tan oxy trong nước và tốc độ hoạt động của vi khuẩn trong nước thải.
Lưu lượng nước thải là một trong những đặc tính vật lý quan trọng, được đo bằng m³/ngày Trong thiết kế hệ thống xử lý nước thải sinh hoạt, lưu lượng thường được tính theo mức trung bình 0,12 m³/người/ngày Do lưu lượng nước thải có sự biến đổi trong suốt cả ngày, việc áp dụng các biện pháp ổn định là cần thiết để đảm bảo hiệu quả trong quá trình xử lý.
Tính chất hóa học của nước thải thường là tính chất của: các hợp chất hữu cơ và vô cơ
Các hợp chất hữu cơ: protein, dầu mỡ, cacbohydrat, và các chất tẩy rửa
- Protein : thực chất là các hợp chất hữu cơ chứa Nitơ với khối lượng phân tử lớn
Protein chủ yếu tồn tại dưới dạng amino axit và bao gồm các nguyên tố như cacbon, hydro, oxy, lưu huỳnh, photpho và nitơ Trong nước thải chăn nuôi, protein là thành phần chính, và khi có mặt với số lượng lớn, nó thúc đẩy quá trình phân hủy mạnh mẽ của vi sinh vật, dẫn đến mùi hôi khó chịu Quá trình phân hủy này bắt đầu với việc protein bị thủy phân thành amino axit, sau đó chuyển hóa thành amoni, H2S, và cuối cùng là các hợp chất hữu cơ đơn giản hơn.
Dầu và mỡ không tan trong nước nhưng hòa tan trong các dung môi như dầu lửa, cloroform và ête Chúng có nguồn gốc từ bơ, mỡ lợn, thực phẩm chứa mỡ động thực vật và dầu thực vật trong nước thải đô thị Là một trong những chất hữu cơ ổn định nhất, dầu mỡ khó bị phân hủy bởi vi sinh vật Nước thải chứa nhiều dầu mỡ có thể ảnh hưởng tiêu cực đến quá trình xử lý, như gây cản trở quá trình lọc, hình thành lớp màng trong hệ thống xử lý và gia tăng lượng bọt, từ đó làm giảm hiệu quả của bùn hoạt tính.
Cacbohydrat là các chất hữu cơ phổ biến trong tự nhiên và nước thải, bao gồm tinh bột, xenlulô, đường và chất xơ, với thành phần chính là carbon (C), hydro (H) và oxy (O) Trong số đó, đường có khả năng tan trong nước, trong khi tinh bột không hòa tan Khi cacbohydrat bị phân hủy trong điều kiện thiếu oxy, sản phẩm cuối cùng sẽ là các axit hữu cơ, rượu và khí như CO2 và H2S.
Sự hình thành axit hữu cơ trong nước thải có thể làm giảm pH và ảnh hưởng đến hoạt tính của vi sinh vật, gây khó khăn cho quá trình xử lý nước thải.
Các chất tẩy rửa có đặc điểm ít tan trong nước, gây hiện tượng nổi bọt trong các nhà máy xử lý nước thải Chúng cũng ảnh hưởng đến khả năng hòa tan oxy, làm giảm hiệu quả của các quá trình xử lý sinh học.
Các hợp chất vô cơ: độ pH, độ kiềm, clo, nitơ, photpho, lưu huỳnh, các hợp chất vô cơ độc và các kim loại nặng
Độ pH của nước và nước thải phản ánh nồng độ ion H+, với pH = 7 biểu thị môi trường trung tính, pH thấp (9) là môi trường bazơ Tính axit của nước là một trong những nguyên nhân chính gây ô nhiễm môi trường nước, vì các trầm tích thường giải phóng độc chất trong điều kiện axit.
THÀNH PHẦN MỘT SỐ LOẠI NƯỚC THẢI
Nước thải sinh hoạt chiếm khoảng 80% tổng lượng nước sử dụng, chứa 52% chất hữu cơ và 48% chất vô cơ, cùng với nhiều vi sinh vật gây bệnh và độc tố Các vi khuẩn như vi khuẩn gây bệnh tả, lỵ, thương hàn thường có mặt trong nước thải Ngoài ra, nước thải sinh hoạt còn chứa hàm lượng dinh dưỡng cao, đôi khi vượt quá nhu cầu phát triển của vi sinh vật trong xử lý sinh học Tỷ lệ dinh dưỡng cần thiết cho các công trình xử lý nước theo phương pháp sinh học thường là BOD5:N:P = 100:5:1 Khoảng 20-40% BOD trong nước thải không được vi sinh vật chuyển hóa và sẽ theo bùn lắng ra ngoài.
Bảng 1.1 : Tải lượng ô nhiễm từ nước thải sinh hoạt
Chỉ tiêu ô nhiễm Hệ số tải lượng
BOD 5 của nước đã lắng 45 – 54
Nguồn: Rapid Environmental Assessment WHO - 1992
Nước thải sinh hoạt chứa nhiều chất ô nhiễm như cặn bã, chất rắn lơ lửng (SS), hợp chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học, và các hợp chất dinh dưỡng như nitơ (N) và photpho (P), cùng với vi khuẩn Nồng độ của các chất này trong nước thải sinh hoạt cần được theo dõi và xử lý để bảo vệ môi trường.
Bảng 1.2 Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải sinh hoạt
Chỉ tiêu ô nhiễm Nồng độ ô nhiễm (mg/m 3 )
Chưa qua xử lý Qua bể tự hoại nhỏ
Nguồn: Hoàng Huệ - Xử lý nước thải
Nước thải sinh hoạt có mức ô nhiễm hữu cơ và dinh dưỡng rất cao, nhưng sau khi được xử lý qua bể tự hoại, mức độ ô nhiễm đã giảm đáng kể, mặc dù vẫn còn ở mức cao.
Bảng 1.3 Thành phần trung bình của nước thải sinh hoạt
STT Các chất có trong nước thải
Mức độ ô nhiễm Nặng Trung bình Nhẹ
Chất rắn không hòa tan
Tổng chất rắn lơ lửng
Clorua Độ kiềm (mg CaCO 3 )
Nguồn : Mackenzio L Davis, Susan J Macten, Principles of Environmental Engineering and Science
Bảng 1.4 Thành phần nước mưa (mg/l)
Chỉ tiêu ô nhiễm Giá trị
Nguồn: Viện vệ sinh dịch tễ
Nói chung nước mưa có chất lượng nước khá tốt nên được qui ước là nước sạch
Nước thải công nghiệp có thành phần và tính chất phức tạp hơn nước thải sinh hoạt, phụ thuộc vào loại hình sản xuất của nhà máy Nước thải từ các nhà máy thực phẩm thường chứa đầy đủ các chất dinh dưỡng cần thiết cho xử lý sinh học, trong khi nước thải từ các nhà máy hóa chất lại chứa nhiều hóa chất độc hại, không phù hợp cho sự phát triển của vi sinh vật.
Bảng 1.5: Nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải cuûa một số ngành công nghiệp
Ngành công nghiệp Các chất ô nhiễm Nồng độ (mg/l)
Hồ thải từ công đoạn dán gỗ
Giết mổ gia súc BOD 5 400 – 2.500
Bột giấy và giấy BOD 5 100 – 350
Nguồn : Mackenzio L Davis, Susan J Macten, Principles of Environmental Engineering and Science
* Ngành chế biến thực phẩm:
Nước thải trong ngành chế biến thực phẩm chủ yếu phát sinh từ quá trình sơ chế và vệ sinh thiết bị, nhà xưởng, chứa nhiều chất thải hữu cơ có nguồn gốc động, thực vật hoặc sản phẩm từ quá trình lên men Thành phần và lưu lượng nước thải được thể hiện rõ trong bảng dưới đây.
Bảng 1.6 Thành phần, tính chất một số loại nước thải công nghiệp thực phẩm
Lưu lượng (m 3 /tấn sp) Đồ hộp 3.7-8.l 1500- 1800 1100-
Nước ngọt 5.4-5.7 300- 1800 250- 1200
