CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ CHÁT LƯỢNG NƯỚC

CHƯƠNG 3 QUẢN LÝ CHẤT LƯỢNG NGUỒN NƯỚC

3.2 CƠ SỞ ĐÁNH GIÁ CHÁT LƯỢNG NƯỚC

Nước sông ngòi, hồ ao chứa nhiều các chất hữu cơ, vô cơ, các loại sinh vật khác nhau. Tỷ lệ thành phần của các chất trên có trong một mẫu nước phản ánh chất lượng nước của mẫu. Bố trí những vị trí lấy mẫu, phân tích định hướng, định lượng thành phần các chất trong mẫu nước trong phòng thí nghiệm là nội dung chủ yếu để đánh giá chất lượng và phát hiện tình hình ô nhiễm nguồn nước.

3.2.1 Những thông số vật lý, hoá học, sinh học của chất lượng nước.

Có 3 loại thông số phản ánh các đặc tính khác nhau của chất lượng nước là thông số vật lý, thông số hoá học và thông số sinh học.

1. Thông số vật lý: Thông số vật lý bao gồm màu sắc, mùi, vị, nhiệt độ của nước, lượng các chất rắn lơ lửng và hoà tan trong nước, các chất dầu mỡ trên bề mặt nước.

Phân tích màu sắc của nguồn nước cần phân biệt màu sắc thực của nước và màu sắc của nước khi đã nhiễm bẩn. Loại và mật độ chất bẩn làm thay đổi màu sắc của nước. Nước tự nhiên không màu, khi nhiễm bẩn thường ngả sang màu sẫm. Còn lượng các chất rắn trong nước được phản ánh qua độ đục của nước.

2. Thông số hoá học: Thông số hoá học phản ánh những đặc tính hoá học hữu cơ và vô cơ của nước.

Đặc tính hoá học hữu cơ của nước thể hiện bởi quá trình sử dụng ôxy hoà tan trong nước của các loại vi khuẩn, vi sinh vật để phân huỷ các chất hữu cơ.

Nước tự nhiên tinh khiết hòan toàn không chứa chất hữu cơ. Nước tự nhiên đã nhiễm bẩn thì thành phần các chất hữu cơ trong nước tăng lên, các chất này luôn bị tác dụng phân huỷ của vi sinh vật. Nếu lượng chất hữu cơ càng nhiều thì lượng ôxy cần thiết cho quá trình phân huỷ càng lớn, do đó lượng ôxy hoà tan sẽ giảm xuống, ảnh hưởng đến quá trình sống của các sinh vật dưới nước. Phản ánh đặc tính của quá trình trên có thể dùng một số thông số sau:

- Nhu cầu ôxy sinh học BOD (mg/l) - Nhu cầu ôxy hoá học COD (mg/l) - Nhu cầu ôxy tổng cộng TOD (mg/l) - Tổng số các bon hữu cơ TOC (mg/l)

Các thông số trên được xác định qua phân tích trong phòng thí nghiệm mẫu nước thực tế. Trong các thông số, BOD là thông số quan trọng nhất, phản ánh mức độ nhiễm bẩn nước rõ rệt nhất.

Đặc tính vô cơ của nước bao gồm độ mặn, độ cứng, độ pH, độ axit, độ kiềm, lượng chất chứa các ion mangan (Mn), clo (CL), sunfat (SO4), những kim loại nặng như thuỷ ngân (Hg), chì (Pb), Crôm (Cr), đồng (Cu), kẽm (Zn), các hợp chất chứa nitơ hữu cơ, amôniac (NH3, NO2, NO3) và phốt phát (PO4).

3. Thông số sinh học: Thông số sinh học của chất lượng nước gồm loại và mật độ các vi khuẩn gây bệnh, các vi sinh vật trong mẫu nước phân tích. Đối với nước cung cấp cho sinh hoạt yêu cầu chất lượng cao, phải đặc biệt chú ý đến thông số này.

3.2.2. Nhu cầu sinh học BOD

1. Khái niệm

Các chất bẩn trong nước phần lớn là các chất hữu cơ, chúng không phải là những chất độc đối với sinh vật sống. Chúng không ảnh hưởng tới độ pH. Trong nước, hầu hết các chất hữu cơ bị tác động phân huỷ của các vi sinh vật thành hợp chất đơn giản. Quá trình đó vi sinh vật cần ôxy. Nếu lượng chất hữu cơ trong nước càng lớn và mật độ vi sinh vật càng cao thì lượng ôxy cần thiết cho quá trình phân huỷ yêu cầu càng nhiều. Lượng ôxy cần thiết để các vi sinh vật phân huỷ các chất hữu cơ trong một đơn vị mẫu nước là nhu cầu sinh học BOD. Đơn vị của BOD là mg/l. Thông thường, để xác định BOD người ta phân tích mẫu nước trong điều kiện nhiệt độ 200C trong thời gian 5 ngày và được gọi là BOD5.

Phân tích BOD trong một mẫu nước thí nghiệm chứa trong một bình thuỷ tinh có thể thấy quá trình sử dụng ôxy của tế bào vi sinh vật chia thành hai giai đoạn.

Đầu tiên, nhân của tế bào vi sinh vật dùng ôxy để phân huỷ các chất hữu cơ thành năng lượng cho mình. Giai đoạn này diễn ra trong khoảng 18 đến 36 giờ. Giai đoạn tiếp theo là giai đoạn trong đó các tế bào vi sinh vật dùng ôxy để ôxy hoá hay cho các quá trình trao đổi chất bên trong các tế bào vi sinh vật. Giai đoạn này không dài hơn 20 ngày. Tốc độ của phản ứng trong giai đoạn đầu thường gấp từ 10 đến 20 lần tốc đọ của giai đoạn sau, nên đường cong BOD trong giai đoạn đầu cũng rất dốc, sau thoải dần.

2.Công thức BOD

Quá trình sử dụng ôxy trong thí nghiệm trên có thể biểu thị dưới dạng công thức toán học như sau:

Gọi L là lượng ôxy hòa tan trong nước. Trong quá trình sử dụng ôxy của vi sinh vật, Sự biến đổi của L theo thời gian có dạng :

KL dt

dL  (3.1) Trong đó : K - hệ số tốc độ trung bình của phản ứng trung bình BOD.

Tích phân (3.1) ta được :

Lt L0eKt (3.2) Trong đó : L0 - tổng số lượng ôxy sử dụng trong phản ứng ;

Lt – BOD còn lại, thời điểm t;

Đặt y= L0 – Lt là tổng số ôxy đã sử dụng hoạc BOD đã sử dụng sau thời gian t, phương trình (3.2) có thể viết thành :

y L0(1eKt) (3.3)

hoặc

yL0(110K't) (3.4)

Trong đó : K’ hệ số tốc độ trung bình của phản ứng trên cơ sở cơ số 10. Quan hệ giữa K và K’ như sau :

K 2,303K' (3.5)

Trong phương trình (3.3) hệ số K phụ thuộc số lượng và đặc tính tự nhiên của những chất hữu cơ có trong nguồn nước thải. Đối với dòng nước thải giàu chất hữu cơ, tốc độ sử dụng ôxy trong giai đoạn một rất nhanh nên hệ số K lớn. Đối với dòng nước thải đã xử lý, lượng chất hữu cơ còn thấp nên hầu hết lượng ôxy dùng trong giai đoạn hai và hệ số K thấp hơn nhiều, có thể thấy rõ điều này qua bảng dưới đây.

Bảng 3.1:Hệ số tốc độ trung bình của các loại nước Loại nước thải K’ (l/ngày)

Nước thải chưa xử lý

Nước thải đã qua bộ phận lọc

Nước thải đã xử lý vi sinh vật

Nước sông nhiễm ít bẩn

0.15-0.28 0.12-0.22 0.06-0.10 0.04-0.08

Hai hệ số K, K’ đều là ẩn số trong phương trình BOD, chúng có thể tính toán gián tiếp dựa vào số liệu thực đo.

c) Sự ôxy hóa trong phản ứng BOD

Sự ôxy hóa trong thí nghiệm BOD như trên xảy ra theo hai giai đoạn :

Ôxy hóa các hợp chất chứa Cacbon (Cácbonat hóa ) và ôxy hóa các hợp chất chứa Nitơ (Nitơrat hóa).

Quá trình ôxy hóa các hợp chất chứa Cacbon xảy ra đầu tiên và được thể hiện như phương trình (3.3) :

yL0(1eKt)

Và theo quá trình Cx HyOz  CO2 +H2O

Quá trình ôxy hóa hợp chất Nitơ tiếp theo sau quá trình Cacbonat hóa theo quá trình:

NH3 NO2 +NO2

Với tốc độ chậm hơn.

Trong một số điều kiện, có thể cả hai quá trình ôxy hóa trên xảy ra đồng thơì.

Nhưng nói chung, sự Nitorat hoá chỉ bắt đầu khi nhu cầu các bon đã thỏa mãn.Biểu thức toán học của phản ứng sẽ gồm hai phần :

) 1

( ) 1

( K12 N K2t

O e L e

L

y       (3-6)

Trong đó :

LO - nhu cầu oxy hóa tối đa cho quá trình cacbonat hóa ; LN - nhu cầu oxy hóa tối đa cho quá trình nitơrat hóa ; K1 - hệ số tốc độ của sự cacbonat hóa ;

K2 - hệ số tốc độ của sự nitorat hóa .

3.2.3. Các đặc trưng chất lượng nước COD, TOD, TOC

(1) COD là nhu cầu oxy cần thiết cho oxy hóa học các chất trong một đơn vị mẫu nước (mg/ml). Nếu biết được phương trình phản ứng hóa học thì có thể tính được lượng COD theo lý thuyết. Ví dụ :

Oxy hóa 1.000mg pheenol : C6H5OH +7O2  6CO2 + 3H2O Cần COD lý thuyết = (1.000)(224)/94= 2.383mg

Không phải tất cả các chất hữu cơ đều dễ dàng bị Oxy hóa. Các loại đường, các chất béo có cấu trúc mạch phân nhánh thường dễ bị Oxy hóa hoàn toàn. Còn Ben zen, Toluen không bị Oxy hóa. Các axit amin, axit có cấu trúc mạch thẳng có thể hoàn toàn bị Oxy hóa khi có chất xúc tác là sun phát nhôm Al2(SO4)3 tham gia.

Ngoài cách lý thuyết, COD cũng được cho trong sổ tay “những phương pháp tiêu chuẩn để kiểm tra chất lượng nước và nước thải” .

(2) TOD là nhu cầu Oxy tổng cộng cần thiết cho hai quá trình Oxy sinh học(BOD) và Oxy hóa học (COD) .Đơn vị TOD là mg/l .

(3) TOC là tổng số cacbon hữu cơ trong một đơn vi mẫu nước. TOC được xác định nhờ dụng cụ phân tích Cacbon.

Trong thí nghiệm này một mẫu nước hoặc nước thải được đưa vào một ống với nhiệt độ từ 900 đến 10000C , nước sẽ bốc hơi, các chất các bon sẽ bị Oxy hóa hoàn toàn nhờ chất xúc tác coban và luồng oxy thổi qua. Luồng khí gồm CO2 ,O2 ,

hơi nước sẽ được dẫn đến bình ngưng tụ , còn khí CO2, O2 tiếp tục dẫn đến máy phân tích hồng ngoại. Lượng cac bon hữu cơ sẽ được xác định và vẽ trên biểu đồ bằng bộ phận tự ghi .