Chương 1 Tổng quan tài liệu 1. Nước thải Nước thải nói chung là nước đã qua sử dụng vào các mục đích khác nhau của con người như sinh hoạt, tưới tiêu, dịch vụ, chế biến công nghiệp, chăn nuôi…. Những nguồn nước này sau khi đã qua sử dụng được thải ra môi trường và bị thay đổi nhiều so với tính chất ban đầu của chúng. Sự thay đổi này thường là làm cho chúng bẩn hơn so với ban đầu.
Các chất gây nhiễm bẩn trong nước thải Trong nước thải có rất nhiều chất gây bẩn, tùy theo bản chất của chúng mà chia hành hai loại là chất vô cơ và chất hữu cơ. Trong nước thải thì nguồn chất hữu cơ là nguyên nhân chính gây ô nhiễm. Trong nước tự nhiên thì hàm lượng chất hữu cơ là rất thấp nhưng trong nguồn nước đã qua xử dụng thì hàm lượng chất hữu cơ là rất cao. Tùy vào khả năng bị phân hủy bởi vi sinh vật mà người ta chia chất hữu cơ thành các dạng chính khác nhau.
Chất hữu cơ dễ phân hủy Là những hợp chất protein, hidratcacbon, chất béo có nguồn gốc từ động vật và thực vật….Những chất hữu cơ dễ phân hủy này thường gặp nhiều trong nước thải của những nhà máy chế biến hay từ nước sinh hoạt hằng ngày của khu dân cư…Những chất này thường gặp trong xác bã động thực vật hay từ phân của con người. Chất hữu cơ khó phân hủy Các chất này là những chất hữu cơ Clo vòng thơm như hydrocacbua của dầu khí, các chất đa vòng ngưng tụ, các hợp chất clo hữu cơ, phospho hữu cơ…[5, 14, 24] c. Hợp chất hữu cơ có độc tính cao Những chất hữu cơ có độc tính cao có thường gặp trong những nguồn nước thải của nông nghiệp, lâm nghiệp dùng nhiều thuốc bảo vệ thực vật hay nguồn nước thải của những nhà máy chưng cất dầu mỏ, nhà máy hóa chất, phân bón, acquy – chì. + Các hợp chất cacbuahydro Là thành phần chủ yếu của dầu mỏ, khí đốt, chúng có thể là những hợp chất no hay không no, có mạch vòng hay mạch nhánh…,[5, 11,14].
+ Xà phòng và chất tẩy rửa Chúng thường là những muối của acid béo bậc cao như natri stearat xử dụng như tác nhân làm sạch. Xà phòng không phải là tác nhân gây ô nhiễm cơ bản cho nước. Tuy nhiên, các chất tẩy rửa và xà phòng hàng năm được sản xuất tới 25 triệu tấn/năm nên cho dù chúng ít gây độc cho con người và các sinh vật nhưng cũng gây ảnh hưởng nhiều đến chất lượng nước. Mặt khác trong xà phòng cũng có nhiều polyphotphat nên khi chúng phân hủy thì làm thực vật thủy sinh trong nước phát triển mạnh, [5, 11,14, 24, 34].
+ Tanin và lignin Đây là hai chất có nguồn gốc thực vật, chúng có nhiều trong nước thải của nhà máy thuộc da và nhà máy giấy. Các chất này làm cho nước có màu nâu hay đen, có độc tính cao với thực vật thủy sinh gây ô nhiễm nhiều đến chất lượng nước, [5, 11,14]. Các chất vô cơ Trong nước thải thường chứa nhiều chất vô cơ tùy thuộc vào nguồn nước thải. Ngoài ra trong nước thải còn chứa nhiều kim loại nặng có độc tính cao.
Các chất chứa Nitơ Các chất chứa Nitơ này là những chất ở các giai đoạn khác nhau của quá trình phân hủy protein trong nước thải. + Amoniac Nếu nước chứa hầu hết các hợp chất Nitơ hữu cơ, ammoniac hay NH4OH thì chứng tỏ nước mới bị ô nhiễm. NH3 trong nước sẽ gây độc với cá và sinh vật trong nước. Trong nước thì NH3 tồn tại ở hai dạng là NH3 và (NH4)+ tùy thuộc vào pH của nước vì nó là một base yếu.
Cùng với photphat thì ammoniac làm thúc đẩy quá trình phú dưỡng của nước. Trong nước thải sinh hoạt và nước thải từ các xí nghiệp chế biến thực phẩm có hàm lượng amon cao 10 – 100mg/l, [5, 11, 14, 24]. + Nitrit và nitrat Nếu trong nước có hợp chất Nitơ chủ yếu là nitrit là nước đã bị ô nhiễm một thời gian dài hơn. Nếu nước chứa hợp chất Nitơ ở dạng nitrat chứng tỏ quá trình phân hủy đã kết thúc.
Nitrat sẽ bị phản nitrat do các vi sinh vật thực hiện thành khí NO, N2O… Nitrat thường có nồng độ 10mg/l ở nước bị ô nhiễm do chất thải hay phân bón làm cho rong tảo dễ phát triển. Nitrat khi vào cơ thể sẽ kết hợp với một số chất tạo thành nitroso là chất có khả năng gây ung thư. Nếu nồng độ cao trong máu thì có thể gây bệnh thiếu máu, [5, 11, 14, 24]. Các chất chứa Photpho Photpho trong nước thường ở dạng ortho là muối photphat của acid photphoric : (H2PO4)-, (HPO4)2-, (PO4)3- từ xác động vật thối rữa hay là phân bón.
Ngoài ra photphat trong nước còn là do những chất tẩy rửa có cứa polyphotphat. Bản thân photphat không phải là chất gây độc nhưng trong nước thì nó là nguyên nhân gây nước nở hoa. Các kim loại nặng Trong nước thải có thể chứa kim loại nặng có độc tính cao với người và động vật như: chì (Pb), thủy ngân (Hg), Asen (As), Crom (Cr), Cadimi (Cd)…Trong đó chì và thủy ngân là hai kim loại nặng rất nguy hiểm thường xuất hiện trong nước thải, [ 14]. Chì có khả năng thâm nhập vào cơ thể sinh vật và tích tụ lại, đặc biệt là ở thực vật thủy sinh thì chì có thể tích lũy lại với hàm lượng rất cao.
ở người hay động vật thì chì ít gây độc cấp tính mà tích lũy lại ở xương trong thời gian dài, khi đạt đến nồng độ nhất định thì gây độc bằng cách gây ức chế hệ enzyme trong quá trình trao đổi chất của hồng cầu, gây ảnh hưởng đến não và thậm chí có thể gây chết người. Chì trong các hợp chất hữu cơ thì gây độc gấp 100 lần so với hợp chất vô cơ chứa chì, [ 5, 11, 14, 23]. Thủy ngân có thể xâm nhập vào cơ thể thông qua nước uống và thực phẩm có nhiễm thủy ngân. Độc tính của thủy ngân gây ra với con người cũng là do tác dụng kìm hãm hoạt tính của hệ enzyme vì nó kết hợp với nhóm sulfohydryl của protein.
Ngoài ra thủy ngân còn phá hoại màng sinh học và làm giảm lượng acid ribonuleic trong tế bào. Đối tượng chính gây hại của thủy ngân là hệ thần kinh trung ương gây mất khả năng tập trung và tính tình thất thường, [ 5, 11, 14, 23]. Một số chất khác Trong thành phần của nước thải còn có một số chất khác là những kim loại hay những gốc của các muối hòa tan như : Đồng (Cu), Niken (Ni), Kẽm (Zn), Bari (Ba), Bo (B), Molipden (Mo), Antimon (Sb+), Sulphat (SO4)2-, Xianua (CN-), Hidrosulfua H2S.v… Trong đó CN- là rất nguy hiểm, gốc này tồn tại ở dạng muối của acid xianic, muối này có độ bền rất kém và yếu hơn cả muối của acid cacbonic. Xianua có thể kết hợp với đường trong hoa quả, củ gây ra vị đắng trong các hạt táo, mơ, đào…, [ 14, 23].
Xianua tự do có độc tính cao hơn so với ở dạng hợp chất, chúng có khả năng tạo phức bền với các loại enzyme chứa sắt, nó cũng có khả năng tấn công vào liên kết disulfide trong mạch của phân tử protein. Do sự phong tỏa enzyme chứa sắt cytochrom – oxidase dẫn đến quá trình ngừng hô hấp. Nồng độ cho phép của WHO với xianua trong nước uống là 70µg/l, còn với các nước EU là 50µg/l,[ 14, 23]. Các chỉ tiêu đánh giá mức độ ô nhiễm của nước thải 1.
Chỉ số COD ( nhu cầu oxi hóa học – Chemical Oxigen Demand) Chỉ số này dùng để xác định hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải và sự ô nhiễm của nước tự nhiên. COD là lượng oxi cần thiết cho quá trình oxi hóa toàn bộ các chất hữu cơ trong mẫu nước thành CO2 và nước. Để xác định chỉ số này người ta thường dùng những chất có tính oxi hóa mạnh trong môi trường acid như kali penmanganat (KMnO4) hay kali bicromat ( K2Cr2O7), trong hai chất trên thì kali bicromat thường được dùng nhiều hơn vì cho kết quả chính xác hơn, [11, 14, 23, 24, 34]. Chỉ tiêu BOD ( Nhu cầu oxi sinh hóa – Biochemical Oxigen Demand) Nhu cầu oxi sinh hóa là lượng oxi cần thiết để oxi hóa các chất hữu cơ có trong nước nhờ vi sinh vật.
Các vi sinh vật tham gia chính ở đây là những vi khuẩn hoại sinh và quá trình này gọi là quá trình oxi hóa sinh học. Chất hữu cơ + O2+ vi sinh vật CO2 + H2O + sinh khối vi sinh vật. Như vậy, thông qua BOD ta biết những chất hữu cơ dễ phân hủy hay nguồn dinh dưỡng của vi sinh vật có trong nước thải. Thời gian để vi sinh vật trong nước sử dụng hết những chất hữu cơ này cũng kéo dài khoảng vài chục ngày hay dài hơn là tùy thuộc vào những điều kiện khác nhau.
Thông thường thì 70% nhu cầu oxi sinh học được sử dụng trong 5 ngày đầu, 20% trong 5 ngày tiếp theo và 99% ở ngày thứ 20 và 100% ở ngày thứ 21. Việc xác định BOD rất quan trọng trong việc tính gần đúng lượng oxi cần thiết oxi hóa các chất hữu cơ dễ phân hủy trong nước thải, làm cơ sở tính toán các công trình xử lí, xác định hiệu suất của một số quá trình. Trong xử lí nước thải thì người ta thường xử dụng một chỉ tiêu là BOD5 là lượng oxi cần thiết trong 5 ngày đầu ở nhiệt độ 20oC trong bình tối. Sau khi đã biết được BOD5 thì sẽ biết được BOD20 bằng cách chia cho hệ số biến đổi 0,68 hay dùng công thức tính BODt = Lo ( 1 – e-kt) Trong đó: BODt : BOD tại thời điểm t ngày Lo : BOD cuối cùng k : Tốc độ phản ứng (d-1) tính theo hệ số e BOD5 thích hợp cho những nước ôn đới có nhiệt độ thấp nhưng ở những nước nhiệt đới thì thường dùng chỉ số BOD3 là lượng oxi cần thiết trong 3 ngày đầu khi ủ ở nhiệt độ 30oC.
COD và BOD đều là các chỉ số định lượng chất hữu cơ có trong nước thải có khả năng bị oxi hóa. Nhưng COD cho thấy toàn bộ chất hữu cơ có trong nước bị oxi hóa bằng nhân tố hóa học còn BOD thì chỉ thể hiện cho những chất hữu cơ dễ phân hủy có khả năng oxi hóa bằng tác nhân là vi sinh vật. Vì vậy tỉ số của COD/ BOD là luôn ≥ 1, tỉ số này càng cao thì nước ô nhiễm càng nặng. Nếu COD/BOD ≤ 2 thì có khả năng xử lí nước bằng phương pháp sinh học hiếu khí, nếu tỉ số này quá cao thì phải xử lí bằng phương pháp kị khí hay phương pháp hóa lý trước, [11, 14, 23, 24, 34].