Tài liệu Công nghệ môi trường - Xử lý nước thải bằng các phương pháp hóa học

XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG CÁC PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC I.ĐỊNH NGHĨA Là phương pháp dung các tác nhân hóa học để loại bỏ hoặc chuyển hóa (làm thay đổi bản chất) chất ô nhiễm trong nước thải. Công đoạn xử lý hóa học thường gắn liền với công đoạn xử lý hóa học hoặc xử lý sinh học. Đây là phương pháp sử dụng trong thực tế tuy nhiên phương pháp này có hai bất lợi: hạn chế phạm vi ứng dụng(vì có thể tạo ra chất ô nhiễm thứ cấp) và giá thành xử lý cao (hóa chất và năng lượng) Các phương pháp xử lý hóa học bao gồm: Phương pháp trung hòa Phương pháp khử trùng Phương pháp oxi hóa khử Phương pháp kết tủa hóa học Phương pháp tuyển nổi hóa học Phương pháp hấp phụ hóa học Phương pháp trao đổi ion Phương pháp tách bằng màng Phương pháp điện hóa II.CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ 1.Phương pháp trung hòa a. Khái niệm Phương pháp trung hòa thường được dung trước công đoạn xử lý sinh học (vì ở độ pH trung tính thường là điều kiện tối ưu cho các quá trình phân hủy chất ô nhiễm) hay công đoạn cuối trước khi xả nước thải vào nguồn tiếp nhận. Mục tiêu của trung hòa: dùng tác nhân hóa học để khử tính acid (hoặc kiềm) của nước thải, đưa nước thải về khoảng trung tính (pH 6,5-8,5). b.Nguyên lý Bản chất của phương pháp trung hoà là phản ứng hóa học giữa axit và kiềm hoặc giữa muối với axit hoặc kiềm có trong nước thải. Chất được chọn để thực hiện phản ứng với các axit hoặc kiềm có trong nước thải gọi là tác nhân trung hoà hoá học. Quá trình trung hoà có thể thực hiện theo phương thức gián đoạn hoặc liên tục. Các tác nhân trung hoà thường được dùng để xử lý chất thải: Chất thải chứa axit: NaOH,KOH, Na2CO3, NH4OH, CaCO3, MgCO3, xi măng, vôi thường (hay dung vì rẻ tiền…) Chất thải chứa kiềm: H2SO4, HNO3, HCl, các muối acid. Tách kim loại nặng (Zn, Ni, Cu, Fe, Pb…): CaO, CaOH, Na2CO3, NaOH. ( Chọn tác nhân trung hoà và phương pháp trung hoà thích hợp phải dựa trên một số yếu tố cơ bản sau: - Lượng nước thải cần xử lý. - Loại nước thải (nước thải chứa axít hay kiềm). - Chất lượng nước thải (độ pH, các chất có trong nước thải và nồng độ của nó, v.v...). - Yêu cầu cần xử lý (độ pH cần đạt). - Tác nhân trung hoà cần rẻ tiền, dễ kiếm. - Thiết bị đơn giản, dễ vận hành và dễ chế tạo. - Tổng chi phí sao cho nhỏ nhất. - Mục đích sử dụng nước sau khi trung hòa. * Lựa chọn các tác nhân trung hoà có nhiều loại: - Loại khuấy trộn: Khuấy cơ khí hoặc sục khí. - Loại tháp: Tháp phun, tháp chảy màng hoặc tháp địa. c.Các phương pháp trung hòa 1. Trộn lẫn nước thải: trộn lẫn nước thải acid và kiềm từ các công đoạn sản xuất hoặc hai xí nghiệp gần nhau. 2. Bổ sung tác nhân hóa học: dung các tác nhân gây kiềm (hoặc acid) để trung hòa nước, có thể ở lỏng hoặc khí. 3. Lọc qua vật liệu: dung các vật liệu gây kiềm (hoặc acid) để trung hòa nước thải acid (hoặc kiềm). 4. Dùng khí trung hòa: dung khí thải để trung hòa nước thải. ( Phương pháp trộn nước thải Phương pháp đơn giản nhất và kinh tế nhất là trộn các loại nước thải chứa axit và kiềm với nhau. Tùy theo công nghệ sản xuất của từng xí nghiệp, nhà máy mà nước thải của nó có thể mang tính axit, tính kiềm hoặc cả hai. Phụ thuộc vào chế độ thải, lượng nước thải và chất lượng của từng loại nước thải mà thực hiện quá trình trung hoà 2 loại nước thải có tính chất khác nhau (tính axit và kiềm) theo phương thức trộn gián đoạn hay liên tục, thực hiện trong một ngăn hay nhiều ngăn nối tiếp nhau có khuấy trộn. Nếu chế độ thải không đều đặn hoặc nồng độ axit hay kiềm trong nước thải quá cao thì dòng chất thải đó phải được điều hoà lưu lượng cũng như nồng độ trong các thiết bị điều hòa. Như vậy, đảm bảo chế độ làm việc ổn định trong các thiết bị trung hòa. Nếu một xí nghiệp thải ra cả hai loại nước thải chứa axit và kiềm, quá trình trộn được thực hiện trong một thời gian thích hợp ở trong các thiết bị trung hoà đặt ngay trong trạm xử lý nước thải của xí nghiệp. Mặt khác, cũng có thể thực hiện quá trình trộn các dòng thải có tính chất khác nhau của các xí nghiệp công nghiệp ở gần nhau. Chẳng hạn một xí nghiệp chỉ thải ra nước thải chứa kiềm. Nước thải này được bơm đến trạm xử lý của xí nghiệp khác gần đó mà xí nghiệp này chỉ thải ra nước thải mang tính axit. Thí dụ: Xí nghiệp chuyên sản xuất vật liệu xây dựng thải ra nước thải mang tính kiềm dưới dạng bùn vôi. Bùn vôi này sẽ được trộn với nước thải mang tính axit của một nhà máy hoá chất gần đó. Phương pháp trộn các nước thải mang tính chất khác nhau là phương pháp xử lý đơn giản, hữu hiệu và kinh tế. Phương pháp này không tiêu tốn thêm hoá chất, thiết bị đơn giản, tận dụng dòng thải của xí nghiệp này để xử lý nước thải của xí nghiệp khác. * Các phương pháp xử lý nước thải axit Nước thải axit thường có trong dây chuyền công nghệ sản xuất của các ngành công nghiệp như: công nghiệp nhẹ, công nghiệp vật liệu và công nghiệp hóa chất. Thí dụ: nước thải của công nghệ cán thép, xí nghiệp sản xuất thuốc nhuộm, thuốc trừ sâu, dược phẩm đều chứa axit sunfuric, axit nước, axit clohydric. Nước thải chứa axit có thể phân thành 3 loại: Nước thải chứa axit mạnh như axit clohydric (HCl), axit nước (HNO3) các muối canxi của chúng dễ tan trong nước. Nước thải chứa axit mạnh như axit sunfuric (H2SO4) axit cacbonic (H2CO3) các muối canxi của chúng khó tan trong nước. - Nước thải chứa các axit yếu như axit acetic (CH3COOH). Phương pháp chủ yếu để xử lý nước thải chứa axit là phương pháp trung hòa. Khi trung hoà nước thải chứa axit mạnh, các muối của chúng khó tan trong nước sẽ bị kết tủa và lắng cặn. 1. Cho dòng nước thải chảy qua lớp đá vôi Phương pháp này là một trong những phương pháp thường được dùng để xử lý nước thải chứa axit. Lớp đá vôi có thể coi như một lớp đệm có hoạt tính hoá học. Phản ứng hoá học xảy ra liên tục khi lớp đệm còn hoạt tính hoá học. Phản ứng xảy ra ở các tâm hoạt hoá theo phản ứng: CaCO3 + H2SO4 → CaSO4 + H2CO3 Vật liệu lớp đệm ngoài đá vôi CaCO3 còn có thể dùng magiê cacbonat MgCO3 đá đôlômit v.v... Tính toán lượng đá vôi thích hợp và duy trì tính hoạt hoá của nó phải dựa vào các yếu tố. - Lượng nước thải cần xử lý - Chất lượng nước thải cần xử lý - Độ hoạt hoá của lớp đệm - Kích thước của các hạt trong lớp đệm - Chế độ thuỷ động trong tháp trung hòa. Tuy nhiên trong thời gian sử dụng, tính hoạt hoá của lớp đá cũng bị giảm đòi hỏi phải thay bằng lớp mới. Chu kỳ thay lớp đá vôi phụ thuộc vào lượng và chất lượng của nước thải cần xử lý. Nhược điểm thứ hai của phương pháp này là nếu nước thải có nồng độ axit lớn hoặc chứa các chất hữu cơ sẽ xuất hiện hiện tượng tạo bọt làm giảm hiệu suất quá trình xử lý. 2. Xử lý nước thải bằng vôi Vôi thường được dùng trung hoà nước thải chứa axit dưới dạng bột như cacbonat canxi CaCO3, cacbonat magiê MgCO3 dạng vôi bột hay sữa vôi của hydroxyt canxi Ca(OH)2. Đây là tác nhân trung hoà rẻ tiền và dễ kiếm. Phản ứng xảy ra với nước thải có chứa axit sunfuric: CaCO3 + H2SO4 → CaSO4 + H2CO3 - Q hoặc Ca(OH)2 + H2SO4 → CaSO4 + 2H2O - Q Sử dụng vôi tôi hay sữa vôi thường hay gặp hiện tượng đóng rắn tạo thành bờ ở các cửa nạp vôi vào thiết bị trung hòa vì khi hydroxit canxi Ca(OH)2 gặp không khí sẽ tác dụng với CO2 tạo thành CaCO3, CaCO3 sẽ đóng rắn và làm giảm lưu lượng cũng như tắc đường ống. Theo Nelson để trung hoà nước thải chứa axit sunfuric và axit nước có nồng độ 1,5% dùng đá đôlômit nung với thành phần của nó gồm 47,5% CaO, 34,3% MgO và 1,8% CaCO3. Loại đá này có ưu điểm hơn các loại đá vôi khác là giữ lại lượng sunphat dư rất nhỏ và như vậy tránh được hiện tượng lắng cặn trong thiết bị phản ứng. 3. Xử lý nước thải bằng xút NaOH hoặc sôđa Na2SO4 Trung hoà nước thải chứa axit bằng xút hoặc sôđa sẽ nhanh và hiệu quả. Nếu nước thải chứa axit cacbonic và axit sunfuric phản ứng sẽ xảy ra như sau: 2 NaOH + H2CO3 → Na2SO4+ 2H2O Na2CO3 + H2CO3 → 2NaHCO3 hay NaOH + H2SO4 → NaHSO4 + H2O NaHSO4 + NaOH → Na2SO4 + H2O Xử lý nước thải chứa axit bằng xút hay bằng sôđa có ưu điểm: Xử lý nhanh và càng có hiệu quả khi lượng nước thải cần xử lý nhỏ. Khi đó không cần phải thiết bị xử lý chứa kiềm mà chỉ cần tính lượng cần thiết và đưa vào trộn với nước thải ở đầu ống hút của bơm nước thải. Nếu lượng nước cần xử lý lớn người ta có thể thực hiện phản ứng theo phương thức gián đoạn hay liên tục trong các thiết bị phản ứng. Xút được chứa trong bể riêng và được nạp vào thiết bị phản ứng theo từng mẻ (phương thức gián đoạn) hay liên tục (phương thức liên tục) nhờ bơm đa tốc độ. Nước thải cần xử lý được đưa vào thiết bị phản ứng, trong đó axit chứa trong nước thải tham gia phản ứng với xút tạo thành muối và nước. Sản phẩm của phản ứng phần lớn ở dạng tan và không làm tăng độ cứng của nguồn nước tiếp nhận. Tuy nhiên xút và sôđa là những hoá chất đắt hơn các tác nhân trung hoà khác như vôi nên phương pháp này thường được dùng khi có xút và sôđa là những phế liệu của một công nghệ khác. Chú ý: Nếu dòng thải axit thiếu dinh dưỡng (N và P) thì dùng Na3PO4 hoặc NH4H2PO4 thêm vào dung dịch nếu tiếp theo sẽ là xử lý sinh học. Các phản ứng trung hoà đều toả một lượng nhiệt đáng kể. Nếu dòng thải axit chứa nhiều ion SO42- thì không nên dùng CaCO3 hoặc CaO làm chất trung hoà vì sản phẩm phản ứng là CaSO4.nH2O ở dạng kết tủa mịn sẽ bao bọc CaCO3 hoặc CaO làm phản ứng ngừng. * Xử lý nước thải chứa kiềm Nước thải chứa kiềm hay gặp trong công nghiệp hoá chất và công nghiệp dệt. Nước thải có tính kiềm mạnh phải được xử lý trước khi thải vào nguồn nước khác. 1. Phương pháp sục khí cacbonic CO2 Nguyên lý của phương pháp này là sục khí CO2 vào nước thải. Khí CO2 tan vào nước và tác dụng với nước tạo thành axít cacbonic H2CO3. Khi trong nước thải chứa kiềm, axit này sẽ phản ứng với chất kiềm (chẳng hạn nước thải chứa NaOH) CO2 + H2O → H2CO3 H2CO3 + 2NaOH → Na2CO3 + 2H2O Nếu H2CO3 dư: Na2CO3 + H2CO3 → 2NaHCO3 Khí cacbonic có thể là khí được chứa trong bình CO2 tinh khiết. Nhưng nếu dùng khí CO2 tinh khiết thì chi phí xử lý nước thải lớn. Do đó người ta phải tận dụng nguồn CO2 phế thải có sẵn trong nhà máy. Nguồn CO2 rẻ tiền dễ kiếm và có ở bất kỳ nhà máy nào là khí CO2 trong khí thải của ống khói nồi hơi - CO2 chiếm khoảng 14% trong khí thải này. Thiết bị ở đây cần một quạt để hút khí thải, ống dẫn khí đến trạm xử lý, một phễu lọc khí để tách lưu huỳnh và bụi than trước khi sục vào bể trung hoà. Ngoài ra, còn bộ phận phân phối khí để khí được khuếch tán đều trong nước thải (đốt, hấp phụ...) đểtránh gây mùi khó chịu cho những quá trình xử lý tiếp theo. Ngoài ra, nguồn CO2 phế thải có thể tận dụng được là nguồn CO2 của thiết bị lên men cồn rượu, CO2 của các lò vôi. Vấn đề ở đây là tính về mặt kinh tế sao cho việc thu hồi CO2 và dẫn sục vào bể trung hoà tiện lợi và đơn giản. 2. Phương pháp tạo CO2 trong nước thải chứa kiềm - Tạo CO2 bằng cách đốt khí cháy dưới nước: Quá trình này được gọi là sự cháy chìm (submerged combustion) và đã được sử dụng để xử lý nước thải nylon đạt độ trung hoà trước khi xử lý bằng phương pháp sinh học. Ở đây một hệ thống phải làm việc theo phương thức liên tục bao gồm một thùng bốc hơi, một đèn cháy dưới mặt nước chứa trong thùng bốc hơi, một bể trộn không khí và khí đốt tạo thành hỗn hợp cháy. - Tạo CO2 bằng phương pháp lên men: Người ta cho lên men kỵ khí nước thải chứa kiềm hoặc nước thải chứa các chất hữu cơ nhờ các vi khuẩn sinh axit làm cho độ pH của môi trường giảm. Kết tủa là quá trình chuyển các chất hoà tan trong dung dịch sang pha rắn dựa trên độ hoà tan của các hydroxit hoặc các muối vô cơ. Quá trình được ứng dụng để tách các kim loại Zn, Cd, Cr, Cu, Pb, Mn, Hg... ra khỏi nước thải ở dạng kết tủa hydroxit kim loại M(OH)2 hoặc dạng sunfit kim loại MS. Tác nhân kim loại là sữa vôi Ca(OH)2 và NaS Phản ứng xảy ra như sau: M2+ + 2OH- = M(OH)2 (M2+ là kim loại nặng) Na2S + MSO4 = MS + Na2SO4 Độ hòa tan của đa số M(OH)2 và MS phụ thuộc vào độ pH. Đa số các MS có độ hoà tan giảm khi độ pH tăng còn phần lớn các M(OH)2 có độ tan cực tiểu ở độ pH nhất định. 3. Xử lý nước thải chứa kiềm bằng axit sunfuric Đây là phương pháp trung hoà giữa kiềm và axit. Nếu nước thải chứa axit thì phản ứng xảy ra như sau: Tương tự như phương pháp xử lý nước thải chứa axit bằng xút, phương pháp này có ưu nhược điểm: - Lượng tác nhân trung hòa nhỏ. - Tốc độ phản ứng lớn, quá trình xảy ra nhanh dẫn đến hiệu quả quá trình cao. Song giá thành dùng tác nhân trung hòa là axit thường cao so với dùng khí thải CO2 Ngoài ra axit đậm đặc có tính ăn mòn nên gây khó khăn cho quá trình chứa, dẫn và nạp axit vào bể trung hoà. Thường những thiết bị chứa đường ống dẫn axit được tráng một lớp vật liệu chống ăn mòn axit. 2. Phương pháp khử trùng Quá trình khử trùng là quá trình tiêu hủy các vi sinh vật gây bệnh. Khác với quá trình tiệt trùng (sterilization) là quá trình tiêu diệt toàn bộ vi sinh vật có trong nước hoặc nước thải, quá trình khử trùng chỉ tiêu diệt một cách có chọn lọc những vi sinh vật gây bệnh. Trong lĩnh vực xử lý nước thải, ba nhóm vi sinh vật gây bệnh quan trọng nhất là vi khuẩn (bacteria), vi trùng (virus), và nang bào (amoebic cyst). Những loại bệnh do vi khuẩn lan truyền qua môi trường nước bao gồm bệnh thương hàn, bệnh dịch tả, bệnh phó thương hàn, bệnh kiết lị. Những bệnh do vi trùng lan truyền qua môi trường nước bao gồm bại liệt, viêm gan siêu vi. Quá trình khử trùng hầu hết được thực hiện bằng cách: sử dụng hóa chất, tác nhân vật lý, phương pháp cơ học và phương pháp bức xạ. Đối với phương pháp hóa học, các tác nhân hóa học dùng làm chất khử trùng bao gồm: - Clo và các hợp chất của clo. - Brom. - Iot. - Ozone. - Phenol và các hợp chất của phenol. - Rượu. - Các kim loại nặng và những hợp chất tương ứng. - Màu. - Xà phòng và chất tẩy rửa. - Các hợp chất ammonium. - H2O2. - Các hợp chất acid và kiềm. Trong những chất này những chất khử thông dụng nhất là các hợp chất hóa học có tính oxy hóa và clo là một trong những tác nhân được sử dụng nhiều nhất. Brom và iod cũng được sử dụng trong khử trùng nước thải. Ozone là tác nhân khử trùng có hiệu quả cao và ngày càng được sử dụng nhiều. Nước có độ acid và độ kiềm cao cũng được sử dụng để tiêu hủy vi sinh vật gây bệnh vì nước có pH lớn hơn 11 hoặc nhỏ hơn 3 thì độc đối với vi khuẩn. Một chất khử trùng cần phải thoả mãn: - Không độc đối với người và súc vật. - Độc đối với vi sinh vật ở nồng độ thấp. - Phải hoà tan trong nước. - Tạo với nước tàhnh một dung dịch đồng nhất. - Có hiệu quả ở nhiệt độ nước tiêu thụ bình thường (0-25o). - Ổn định để dẽ dàng duy trì một nồng độ dư nào đó trong một thời gian dài. - Không tác dụng với chất hữu cơ khác và chất hữu cơ của các vi sinh vật. - Không phá huỷ kim loại cũng như không làm hỏng quần áo khi giặt. - Khử các mùi. - Có số lượng lớn và được bán với giá cả hơp lý. - Dễ dàng vận chuyển và khong nguy hiểm đối với người vận chuyển. - Cho phép đo dễ dàng nồng độ và do đó kiểm tra chính xác nồng độ của chúng. Tỉ lệ tiêu diệt các vi sinh vật do khử trùng phụ thuộc nhiều yếu tố: độ mạnh của chất khử trùng, nồng độ chất khử trùng, thời gian tiếp xúc, số vi sinh vật cần loại bỏ, loại vi sinh vật, nhiệt độ của nước, độ pH và nồng độ chất hữu cơ của nước. a. Khử trùng bằng Clo và các hợp chất của clo: Khử trùng bằng clo được dùng nhiều nhất (80% các phương pháp khử trùng trên thế giới) vì khử trùng này có nhiều ưu điểm như đã nêu trên. Tuy nhiên clo có thể kéo theo các hiệu ứng phụ, trong một số trường hợp bắt buộc phải sử dụng chất khử khác. Ví dụ clo tác đụng với các chất hữu cơ của nước đôi khi tạo các chất gây ung thư (trihalometan) hoặc mùi khó chịu(cloro phenolat). Mặt khác clo không đủ mạnh để loại bỏ hoàn toàn một số vi sinh vật như vi rút hoặc động vật đơn bào. Để khắc phục có thể sử dụng dioxit clorua hoặc ozon. Hai chất khử trùng này mạnh hơn clo nhưng có nhược điểm không ổn định. Ví dụ ozon tác dụng rất nhanh trong nước, người ta không thể duy trì nồng độ trong thời gian dài. Chính vì thế bắt buộc phẩi xử lí chúng ngay tại nhà máy xử lý nước. Các chất hoá học đựoc sử dụng nhiều nhất để khử trùng nước bằng clo là: khí Cl2, NaOCl, Ca(OCl)2, NH2Cl và ClO2 trong các sản phẩm này clo ở dạng khí là chất được sử dụng nhiều nhất để khử trùng nước sạch. Trong các trạm xử lý nước nhỏ, người ta hay dùng các hypoclorit (NaOCl, Ca(Ocl)2) vì các chất này dễ sử dụng và ít gây nguy hại cho người vận hành. Khử trùng bằng dioxit clo: đến năm 1974, người ta sử dụng chủ yếu dioxit clo, do khả năng oxi hoá cao nó có thể khử các vị, các mùi, sắt và mangan có trong nước. Để khử trùng liên tục người ta hay dùng clo vì nó rẻ hơn. Khác với clo, dioxit clo khi tác dụng với chất hữu cơ không tạo ra các chất gây ung thư, chính vì vậy nó được sử dụng ngày càng nhiều và kết hợp với clo. Ban đầu xử lý nứơc chứa nhiều chất hữu cơ với dioxit clo để khử trùng, oxi hoá chất hữu cơ và khử phần lớn mùi vị, khi phần lớn các chất hữu cơ đã bị oxi hoá tiến hành cho thêm clo để duy trì nồng độ clo dư trong nước cấp. Khử trùng bằng clo: Các hợp chất clo thường dùng ở các trạm xử lý nước thải bao gồm (Cl2), Calcium Hypochlorite [Ca(OCl)2], Sodium Hypochlorite [NaOCl] và Chlorine Dioxide [ClO]2. Khi khí Cl2 được hòa tan vào nước sẽ có hai phản ứng xảy ra: phản ứng thủy phân và phản ứng oxi hóa. Quá trinh thủy phân xảy ra như sau: Cl2 + H2O ( HOCl + H+ + Cl- Hằng số bền của phản ứng này là: K= [HOCl][H+][Cl] ≈ 4,5 * 10-4,ở 250C [Cl2] Quá trình phân ly HOCl xảy ra như sau: HOCl ( H+ + OCl- Hằng số phân ly HOCl: Ki= [H+][OCl-] [HOCl] =2,9*10-8,ở 250C Lượng HOCl và OCl- tồn tại trong nước gọi là clo tự do (free available chlorine). Sự phân bố của hai nhóm này có ý nghĩa rất quan trọng vì hiệu quả khử trùng của HOCl lớn hơn so với OCl- khoảng 40- 80 lần. Sự phân bố HOCl được tính toán theo phương trình sau: [HOCl] = 1 = 1 [HOCl]+[OCl-] 1+[OCl-]/[HOCl] 1+K/[H+] Giá trị hằng số phân ly Hypochloric acid theo nhiệt độ được trình bày trong Bảng 3.1. Bảng 3.1. Giá trị hằng số phân ly Ki theo nhiệt độ Nhiệt độ ( 0+C) Ki * 108 (mol/l) 0 1,49 5 1,75 10 2,03 15 2,32 25 2,90 Clo tự do trong nước cũng có thể được tạo thành bằng các muối hypochlorite theo các phương trình phản ứng sau: Ca(OCl)2 + 2H2O → 2HOCl + Ca(OH)2 NaOCl + H2O → HOCl + NaOH Khả năng diệt trùng của Clo phụ thuộc vào sự tồn tại của ion HOCl trong nước, mà quá trình tạo thành phân ly HOCl lại phụ thuộc vào nồng độ ion H+, tức là giá trị pH của dung dịch: pH tăng, nồng độ HOCl giảm, nồng độ OCl- giảm; pH = 7 , nồng độ HOCl- cân bằng với nồng độ OCl. Kết quả thực nghiệm cho thấy quá trình thuỷ phân Cl2 chỉ xảy ra hoàn toàn khi pH > 4.Mức độ phân li HOCl phụ thuộc vào Ph ở 200C được trình bày trong bảng 3.2 Bảng 3.2 Mức độ phân ly của HOCl ở 200C pH 5 6 7 8 9 10 11 OCl-(%) 0,05 0,50 2,50 21,00 97,00 99,50 99,99 HOCl(%) 99,95 99,50 97,50 79,00 3,00 0,50 0,10 Thành phần HOCl là thành phần khử trùng chính trong nước chỉ tồn tại ở pH thấp,do đó quá trình khử trùng chỉ đạt hiệu quả cao ở pH thấp Nước tự nhiên thường không tinh khiết và các phản ứng với các tạp chất chứa trong nước sẽ ảnh hưởng đến sự hình thành clo tự do dư.Ví dụ nếu nước có chứa các chất hữu cơ,ammonia,nitites,sắt,mangan… thì clo sẽ phản ứng với các thanh phần này theo phương trình phản ứng như sau: HOCl + NH3 -> NH2Cl + H2O Monocloramin HOCl + NH2Cl -> NHCl2 + H2O Dicloramin HOCl + NHCl2 -> NCl3 + H2O Sản phẩm monochloramin và dicloramin sinh ra tùy thuộc vào giá trị pH của môi trường,pH càng cao,lượng clo kết hợp để tạo thành dichloramin càng thấp và monochroramin càng cao.Khả năng diệt trùng của chloramin thấp hơn Clo từ 20 đến 25 lần.Đó là lý do khiến cho quá trình khử trùng với clo xảy ra hiệu quả ở giá trị pH thấp. Trong hệ thống khử trùng chứa ammonia và các hợp chất amonium.Lượng clo tham gia phản ứng để tạo thành cloramin được gọi là clo kết hợp,tổng lượng clo tự do dưới dạng Cl2,HOCl,và OCl- và lượng clo kết hợp được gọi là clo hoạt tính khử trùng.Do khả năng diệt trùng của clo tự do và clo kết hợp khác nhau mà lượng clo dư cần thiết để đảm bảo khử trùng triệt để cũng được đánh giá ở các mức độ khác nhau.Tổng lượng clo cần thiết cho vào nước để đảm bào sau quá trình khử trùng có được lượng clo dư mong muốn thường được xác định trực tiếp bằng thực nghiệm. Khử clo: Tính độc hại của clo dư: do trong nước có nhiều hợp chất hữu cơ có thể tác dụng với clo tạo thành những hợp chất có tính độc và gây tác hại lâu dài. Do đó để giảm thấp nhất tác hại của các hợp chất này đến môi trường cần phải khử lượng clo dư vượt quá yêu cầu theo một trong những phương pháp dưới đây: a. Phương pháp dùng SO2: khí SO2 có thể khử clo tự do,monocloramin(NH2Cl), dicloramin (NHCl2 ), tricloride nitrogen(NCl3) và các hợp chất clo cao phân tử theo các phương trình phản ứng sau: Phản ứng với clo: SO2 + H2O HSO-3 + H+ HOCl + HSO-3 Cl- + SO42- + 2H+ SO2 + HOCl + H2O Cl- + SO42- + 3H+ Phản ứng với cloramin: SO2 + H2O HSO-3 + H+ NH2Cl + HSO-3 + H2O Cl- + SO42- + NH4+ + H+ SO2 + NH2Cl + 2H2O Cl- + SO42- + NH4+ + 2H+ Lượng SO2 sử dụng phải được không chế để tránh tốn hoá chất và làm giảm hàm lượng oxi hoà tan trong nước sau xử lý do phản ứng giữa HSO-3 với O2: HSO-3 + 0.5O2 SO42- + H+ Hàm lượng oxi giảm sẽ kéo theo giảm pH và tăng COD, BOD của nước sau khi xử lý b. Phương pháp dùng than hoạt tính: Phương pháp dùng than hoạt tính có thể khử hoàn toàn cả clo tự do và clo kết hợp theo các phương trình phản ứng sau: Phản ứng với clo: C + 2Cl2 + 2H2O 4HCl + CO2 Phản ứng với cloramin: C + 2NH2Cl + 2H2O CO2 + 2NH4+ + 2Cl- C + 4NH2Cl + 2H2O CO2 + 2N2 + 8Cl- + 8H+ Khử trùng bằng ClO2: Khí ClO2 là khí không bền và có khả năng cháy nổ nên khí này phải được tạo ra tại trạm xử lý theo phương trình phản ứng sau: 2NaClO2 + Cl2 2 ClO2 + 2NaCl Hiệu quả của ClO2 : tác nhân khử trùng hoạt tính trong hệ thống ClO2 là ClO2 tự do. Tính chất hoá học của ClO2 trong môi trường nước chưa được xác định rõ ràng. Tuy nhiên, do ClO2 là tác nhân oxi hoá rất mạnh do đó có cơ chế diệt khuẩn có thể xảy ra do khả năng làm mất hoạt tính của hệ thống enzim của tế bào VSV hoặc làm mất khả năng tổng hợp protein của tế bào. Sự hình thành sản phẩm phụ: một số sản phẩm phụ là các muối chlorite và chlorate có thể tạo thành trong quá trình khử trùng với ClO2. Tuy nhiên các hợp chất này có khả năng phân huỷ nhanh hơn các hợp chất clo dư do đó mức độ tác hại của chúng thấp hơn. Một trong những ưu điểm của quá trình khử trùng bằng ClO2 là ClO2 không phản ứng với ammonia và hợp chất ammonium nên không tạo thành các hợp chất cloramne có tính độc. thêm vào đó, các phản ứng tạo thành các hợp chất hữu cơ clo hoá cũng không xảy ra trong bất cứ điều kiện nào. Quá trình khử ClO2 : lượng ClO2 dư vượt quá yêu cầu có thể bằng khí SO2 theo phương trình phản ứng sau: SO2 + H2O H2SO3 5H2SO3 + H2O + 2ClO2 5H2SO4 + 2HCl Khử trùng bằng BrCl: BrCl thuỷ phân tạo thành HOBr và HCl theo phương trình phản ứng sau: BrCl + H2O HOBr + HCl HOBr là acid yếu có thể phân ly theo phương trình sau: HOBr H+ + OBr- Nếu trong nước có mặt NH3 thì HOBr cũng phản ứng với NH3 tạo ra bromamine theo các phương trình phản ứng sau: NH3 + HOBr NH2Br + H2O NH2Br + HOBr NHBr2 + H2O NHBr2 + HOBr NBr3 + H2O Mặc dù cần tiến hành những nghiên cứu bổ sung để xác định các cơ chế khử trùng bằng BrCl , nhưng giả thiết thích hợp nhất là BrCl hấp phụ lên tế bào VSV và phá huỷ hoạt tính enzim của tế bào. Các hợp chất bromamin thể hiện khả năng diệt khuẩn tốt hơn so với các hợp chất cloamine và đồng thời khả năng phân huỷ nhanh hơn. Sự hình thành sản phẩm phụ: các hợp chất hữu cơ bromat hoá sẽ hình thành trong quá trình khử trùng bằng BrCl và những hợp chất này dễ dàng bị phân huỷ quang hoá và thuỷ phân. Một số nghiên cứu cho thấy các hợp chất hữu cơ bromat có khả năng tích luỹ sinh học trong cá tiếp xúc với nước thải xử lý bằng BrCl. Tuy nhiên hàm lượng chất hữu cơ bromat trong cá thấp hơn những hoá chất khác (như PCBs và chlordane). Hiện tại chưa có nhiều số liệu nhiều về tác động đến môi trường do khử trùng bằng BrCl, do đó vẫn cần nghiên cứu chi tiết hơn.