Môi trường nước và ô nhiễm nguồn nước

Quy trình xử lý nước thải là đựa vào quá trình loại bỏ chất ô nhiễm có trong nước do quá trình hoạt động của con người tạo ra như sinh hoạt, sản xuất, trồng trọt tưới tiêu… nhằm mục đích đưa nguồn nước về mức tinh khiết để giảm thiểu ô nhiễm trong môi trường

–  Chu trình nước tuần hoàn: nước trên trái đất được tuần hoàn theo chu trình, tuỳ theo loại nguồn nước mà thời gian luân hồi cơ thể rất ngắn (một vài tuần hoặc kéo dài hàng ngàn năm).

–   Thực trạng chung của nguồn tài nguyên nước:

+  Trử lượng: dồi dào, phong phú. Việt Nam là một trong những quốc gia có trử lượng nước hàng đầu thế giới.

+  Chất lượng: thiếu nguồn nước sạch ( nước có thể uống được).

+  Xu thế biến đổi: Có dấu hiệu bị ô nhiễm ở các khu đô thị, khu công nghiệp,…

Xem thêm>>> xử lý nước thải công nghiệp

Giới thiệu về thành phần hoá học của nguồn nước

–   Các hợp chất vô cơ, hữu cơ trong nước tự nhiên có thể tồn tại ở dạng ion hoà tan, khí hoà tan, dạng rắn hoặc lỏng.

–   Chính sự phân bố các chất này quyết định bản chất của nước tự nhiên: ngọt, mặn, giàu hoặc nghèo dinh dưỡng, cứng hoặc mềm, bị ô nhiễm nặng hoặc nhẹ,…

a) Các ion hoà tan

– Trong nước tự nhiên có các ion hoà tan: Cl^–, Na⁺, SO₄^2-,Mg²⁺,Ca²⁺,HCO₃^–,…

– Hàm lượng các nguyên tố hoá học phân bố phụ thuộc vào

+ Đặc điểm khí hậu + Địa chất, địa hình + Độ dốc của lưu vực + Nguồn thải chất ô nhiễm

–   Để xác định các ion hoà tan trong nước:  dùng chỉ số TDS (tổng chất rắn hoà tan = Total dislove sodid)

b) Các khí hoà tan

• Hầu hết các khí đều hoà tan hoặc phản ứng với nước (trừ metan): O₂, CO₂, NH₃, H₂S,…
• O₂: Độ bảo hoà phụ thuộc chủ yếu vào nhiệt độ nước, áp suất khí quyển trên bề mặt và một phần vào độ mặn.
• NH₃, H₂S: do sự phân huỷ các hợp chất hữu cơ.

c) Các chất rắn (Bao gồm vô cơ, hữu cơ và sinh vật)

• Chúng được phân thành 02 loại, phụ thuộc vào kích thước

+  Loại chất rắn có thể lọc được d ≤ 10 ^{– 6}m:

• Dạng keo: 10^-9 – 10^-6m
• Dạng hoà tan: < 10^-9m

+  Loại chất rắn không lọc được:

• d ≥ 10^-6m → tảo
• d: 10^-5 – 10^-6m → hạt bùn (lơ lửng)
• d > 10^-5m → cát, sạn (lắng được)

• Chất rắn có thể phân loại theo độ bay hơi ở nhiệt độ sấy (103⁰C – 105⁰C)

+  Chất rắn bay hơi

+  Chất rắn không bay hơi

d) Chất hữu cơ

–   Chất hữu cơ dễ bị phân huỷ sinh học: đường, chất héo,prôtêin,…

–   Chất hữu cơ khó bị phân huỷ sinh học: PCB, Dioxin,…

Thành phần sinh học của nguồn nước tự nhiên 

–  Chỉ thị cho độc tính sinh thái của nguồn nước

–  Một số loài sinh vật gây ô nhiễm hoặc làm sạch nguồn nước tự nhiên

* Vi khuẩn và nấm

* Siêu vi trùng(vi rút)

* Tảo

* Các loại thực vật và sinh vật khác

Các thông số để đánh giá chất lượng nguồn nước

1.2.1. Các chỉ tiêu vật lý

a. Nhiệt độ

Nhiệt độ của nước thải sinh hoạt thường cao hơn nhiệt độ của nước cấp do việc xả các dòng nước nóng hoặc ấm từ các hoạt động sinh hoạt, thương mại hay công nghiệp và nhiệt độ của nước thải  thường thấp hơn nhiệt độ của không khí.

Nhiệt độ của nước thải là một trong những thông số quan trọng bởi vì phần lớn các sơ đồ công nghệ xử lý nước thải  đều ứng dụng các quá trình xử lý sinh học mà các quá trình đó thường bị ảnh hưởng mạnh bởi nhiệt độ.

Nhiệt độ của nước thải ảnh hưởng đến đời sống của thủy sinh vật, đến sự hòa tan oxy trong nước.

Nhiệt độ còn là một trong những thông số công nghệ quan trọng liên qun đến quá trình lắng các hạt cặn.

Nhiệt độ của nước thải thường thay đổi theo mùa và vị trí địa lý. Ở những vùng khí hậu lạnh, nhiệt độ của nước thải có thể thay đổi từ 7 ÷ 18⁰C, trong khi đó ở những vùng có khí hậu ấm hơn, nhiệt độ của nước thải có thể thay đổi từ 13 đến 24⁰C.

• Phụ thuộc vào nhiệt độ của môi trường (nước mặt)
• Nhiệt độ nước ngầm ít thay đổi
• Xác định nhiệt độ bằng nhiệt độ bằng nhiệt kế

b. Màu

Màu của nước thải là do các chất thải sinh hoạt, công nghiệp, thuốc nhuộm hoặc do các sản phẩm được tạo ra từ các quá trình phân hủy các chất hữu cơ.

Độ màu là thông số thường mang tính chất định tính, có thể được sử dụng để đánh giá trạng thái chung của nước thải.

Nước thải sinh hoạt để chưa quá 6h thường có màu nâu nhạt. Màu xám nhạt đến trung bình là đặc trưng của các loại nước thải đã bị phân hủy một phần.

Nếu xuất hiện màu xám sẫm hoặc đen, nước thải coi như đã bị phân hủy hoàn toàn bởi các vi khuẩn trong điều kiện yếm khí.

Hiện tượng nước thải ngả màu đen thường là do sự tạo thành các sulfide khác nhau, đặc biệt là sulfide sắt.

Điều này xảy ra khi khi hydro sulfua được sản sinh ra dưới điều kiện yếm khí kết hợp với một kim loại hóa trị 2 có trong nước.

• Phụ thuộc vào các chất hoà tan trong môi trường nước
• Phụ thuộc vào sự phát triển của các thực vật trong nước, vi sinh vật trong nước
• Xác định màu → so với thang màu chuẩn: Pt – Co;Cr – Co

Điển hình:

* Nước có sắt Fe³⁺ → có màu nâu đỏ

* Các hchc dạng humic → màu vàng

* Tảo lam →  xanh

* Nước thải SH, CN:  màu xám → màu đen

c. Mùi

Việc xác định mùi của nước thải ngày càng trở nên quan trọng, đặc biệt là các phản ứng gây gắt của dân chúng đối với các công trình xử lý nước thải không được vận hành tốt.

Mùi của nước thải còn mới thường không gây ra các cảm giác khó chịu nhưng một loạt các hợp chất gây mùi khó chị sẽ được tỏa ra khi nước thải bị phân hủy sinh học dưới điều kiện yếm khí.

• Phụ thuộc vào sản phẩm phân huỷ các chất hữu cơ

Ví dụ:

+ H₂S → mùi trứng thối

+ NH₃ → mùi khai,…

• Phụ thuộc sự phát triển hệ động thực vật trong nước
• Phương pháp xác định:

+ Ở nhiệt độ thường: lắc mạnh, mỡ nhanh nút → dùng khứu giác để xác định

+ Đun nóng 40 – 50⁰C, sau khi lắc nhẹ →  dùng khứu giác để xác định

Chú ý:  Chỉ xác định đối với những nguồn nước không có dấu hiệu ô nhiễm

d. Độ đục

Đọ đục của nước là do các chất lơ lửng và các chất dạng keo chứa trong nước thải tạo nên. Đơn vị đo độ đục thông dụng là NTU.

Giữa độ dục và hàm lượng chất lơ lửng trong nước thải ban đầu (chưa xử lý) chưa có mối quan hệ đáng kể nào, tuy nhiên mối quan hệ này thể hiện rõ ở nước sau khi ra khỏi bể lắng 2 và được tính bằng công thức:

Chất lơ lững, SS (mg/l) = (2.3 ÷ 2.4)* độ đục (NTU)

Phụ thuộc vào khả năng xuyên suốt của ánh sáng

e. Độ dẫn

Phụ thuộc vào hàm lượng các ion hoà tan trong nước

1.2.2. Các chỉ tiêu hoá học

a. DO

–  Rất quan trọng đối với nước mặt

–  Sơ bộ đánh giá được chất lượng nguồn nước:

* DO cao → nguồn nước sạch

* DO thấp → nguồn nước bị ô nhiễm

–  Với hệ thống xử lý nước thải → dùng giá trị DO để kiểm tra, đánh giá hiệu quả quá trình làm sạch

– Sự phụ thuộc của DO vào các yếu tố:

*  Nhiệt độ: nhiệt độ cao → DO thấp

* Áp suất

* Diện tích bề mặt

* Nồng độ muối (nồng độ muối cao → DO giảm)

* Sự phát triển của hệ động thực vật (DO biến thiên theo thời gian)

* Hàm lượng các chất hữu cơ

– Phương pháp xác định:

* Phương pháp Winkler

* Đo bằng điện lực

b. Fe

• Tiêu chuẩn:

* Nước cấp sinh hoạt : 0,3mg/l (tiêu chuẩn cũ), 0,5mg/l (tiêu chuẩn mới)

* Nước mặt: 1mg/l

* Nước ngầm: 1-5mg/l

• Sự phụ thuộc hàm lượng Fe: Trong nước ngầm tồn tại ở dạng Fe²⁺ nhưng khi ra ngoài không khí tồn tại ở dạng Fe³⁺. Nồng độ Fe phụ thuộc vào nguồn nước

c. Mn

• Đối với nguồn thải người ta thường ít quan tâm.
• Quan tâm ở nguồn nước cấp
• Tiêu chuẩn: [Mn] ≤ 0.1mg/l (tiêu chuẩn cũ)

≤ 0,5mg/l (tiêu chuẩn mới)

d. Ca – Mg

• Trong nước mặt, thông thường hàm lượng Ca, Mg tương đương với tiêu chuẩn cho phép
• Trong nước ngầm giá trị (Hàm lượng) Ca, Mg thay đổi tuỳ thuộc vào địa chất, vùng.

e. NH₃ – NH₄⁺

• Cần khảo sát, phân tích đối với nước ngầm
• Đối với trạm xử lý cần phải khử các muối ammôni
• Phụ thuộc vào giá trị pH. Với các khoảng pH khác nhau thì thông thường chúng tồn tại ở các dạng khác nhau ( hoặc là NH₃ hoặc là NH₄⁺).

f. NO₂^-,NO₃^–

• Là sản phẩm trung gian của quá trình của quá trình oxi hoá các hợp chất ammoni
• Theo tiêu chuẩn:

* Nước cấp sinh hoạt:

NO₃^–            ≤ 30mg/l (tiêu chuẩn cũ)

≤ 50mg/l (tiêu chuẩn mới)

NO₂^–            = 0 (tiêu chuẩn cũ)

≤ 0,1 mg/l (tiêu chuẩn mới)

* Chất lượng nước mặt:

N – NO₃^– : 10 – 15mg/l

N – NO₂^– : 0,01 – 0,05mg/l

h. PO₄^3-

• Đối với nước ngầm thì không cần quan tâm, thông thường giá trị của nó rất nhỏ.
• Thông qua thông số (chỉ tiêu) PO₄^3- để đánh giá sự phú dưỡng nguồn nước
• Trong công nghệ xử lý nước thải: N,P là nguyên tố dinh dưỡng

1.2.3. Các chỉ tiêu sinh học

• Nhóm coliform đặc trưng là Escherichia E.Coli: Chọn E.Coli vì nó phổ biến, đặc trưng cho nguồn nước có bị ô nhiễm phân không, có khả năng tồn tại cao trong các môi trường.
• Các loại rong tảo: đặc trưng cho sự nhiễm bẩn các chất hữu cơ, sự phú dưỡng nguồn nước ( Eutrofication)

Các nguồn nước thải gây ô nhiễm môi trường nước

I. Nước thải đô thị

• Nguồn gốc: từ hoạt động sinh hoạt và dịch vụ hàng ngày của con người
• Đặc điểm nguồn thải: nguồn thải nhỏ, phân tán
• Lưu lượng thải

* Phụ thuộc vào tập quán sinh hoạt

* Phụ thuộc vào thiết bị vệ sinh

* Phụ thuộc vào tiêu chuẩn cấp nước

• Chế độ thải: không ổn định
• Tích chất, thành phần:

* Tính chất:

Có màu từ trắng đục đến xám đen

Có mùi hôi.

* Thành phần:

Chứa nhiều hợp chất hữư cơ không bền vững, dễ bị phân huỷ sinh học (cacbon hydrat, pr, mỡ, thức ăn dư thừa,…) → gây mùi hôi, màu.

Chứa các chất dinh dưỡng N, P

Chứa các vi trùng, vi khuẩn gây bệnh.

II. Nước thải công nghiệp

• Nguồn gốc: Nước thải từ các nhà máy, xí nghiệp, cơ sở sản xuất,..
• Đặc điểm thải: tập trung
• Lưu lượng thải và chế độ thải: phụ thuộc vào qui trình công nghệ
• Tính chất, thành phần: phụ thuộc vào qui trình công nghệ, đặc thù của từng nhà máy, xí nghiệp hay cơ sở sản xuất.

III. Nước mưa chảy tràn

• Nguồn gốc: do nước mưa chảy tràn trên mặt đất
• Đặc điểm nguồn thải: phụ trhuộc vào mùa, lượng mưa.
• Tính chất, thành phần: Chứa chất rắn (Vô cơ, hữu cơ), thuốc trừ sâu, phân bón, dầu mỡ, hoá chất, vi trùng, vi khuẩn,…

IV. Hoạt động tàu thuyền và các hoạt động khác

• Nước thải từ các hoạt động sinh hoạt
• Nước thải từ các hoạt động khác: nước mưa, từ các vùng xử lý CTR.

1.4. Các chất gây ô nhiễm nước và phương pháp xác định

1.4.1. Các phương pháp phân tích thường gặp trong việc xác định nồng độ các chất gây ô nhiễm môi trường nước

a. Phương pháp chuẩn độ

b. Phương pháp trọng lượng

c. Phương pháp cực phổ

d. Phương pháp đo quang (trắc quang)

1.4.2. Các chất gây ô nhiễm môi trường nước và phương pháp xác định

a. Các chất lơ lững SS (Suspend Solid)

– Nguồn gốc:

+ Xói mòn, rửa trôi

+ Cọ xát dòng chảy, lắng đọng bụi

+ Do sự phát triển của hệ thống động thực vật trong nước

+ Do hoạt động của con nghười

– Ảnh hưởng đến chất lượng nguồn nước

+ Làm giảm giá trị sử dụng nguồn nước

+ Làm tăng độ đục, khả năng truyền ánh sáng kém → ảnh hưởng đến sự sinh trưởng và phát triển của hệ động thực vật trong nước

+ Tăng chi phí xử lý nước cấp cho sinh hoạt.

– Phương pháp xác định:  phương pháp cân trọng lượng

b. Các chất hữu cơ (COD, BOD)

Gồm 02 loại:

+ Chất hữu cơ dễ phân huỷ sinh học

+ Chất hữu cơ khó phân huỷ sinh học

1. Chất hữu cơ dễ phân huỷ sinh học

• Khái niệm: là các chất hữu cơ trong điều kiện tự nhiên có khả năng (dễ) chuyển hoá thành các dạng khác (đặc trưng bởi thông số BOD₅)
• Sự chuyển hoá: Các quá trình sinh hoá

+ Quá trình oxy hoá sinh học hiếu khí

CHC + O₂ →  CO₂ + H₂O

+ Quá trình oxy hoá sinh hoạt sinh hoạt yếm khí

• Mức độ tác động: khi môi trường nước bị ô nhiễm bởi các chất hữu cơ dễ phân huỷ sinh học → xảy ra các quá trình sinh học hiếm khí → làm giảm lượng O₂ hoà tan trong nước:

+ Ảnh hưởng đến hệ động vật nước (O2 thấp trong thời gian dài)

+ Tạo thuận lợi cho quá trình sinh học yếm khí – gây mùi hôi thối – giảm giá trị sử dụng nhiều nước.

• Phương pháp xác định: xác định gián tiếp thông qua quá trình tiêu thụ O₂ trong quá trình sinh hoá.

2. Chất hữu cơ khó phân huỷ sinh học ( hchc bền vững)

Gồm 02 loại:

+ Độc

+ Không độc (ít độc)

1. Không độc (ít độc): dầu, mỡ động vật…

– Khó và chậm phân huỷ trong thời gian dài

– Các hợp chất này tạo thành lớp màn trên bề mặt môi trường nước → DO giảm → huỷ diệt hệ sinh vật trong môi trường nước.

– Các hợp chất dầu mỡ dễ phân tán vào môi trường nước bao bọc quanh sinh vật phù du, thức ăn, chất bẩn → sinh vật sử dụng chúng làm thức ăn → không chuyển hoá được thức ăn → sinh vật bị chết.

1. Độc:

• Thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ: Nồng độ lớn gây chết sinh vật trong nước, con người

Ví dụ:  DDT gây tiệt chủng các loại động vật bậc cao.

1. Phương pháp xác định:

• Xác định gián tiếp, xác định lượng O₂ tiêu thụ bằng các chất oxy hoá các chất hữu cơ khó phân huỷ ( dùng KMnO₄, K₂Cr₂O₇) – COD_Mn, COD_cr.

Việc giám sát và quản lý các chất có độc tính cao được qui đinh chặt chẽ trong các tiêu chuẩn nhà nước và các tổ chức thế giới cho từng loại nguồn nước và cho từng mục đích sử dụng khác nhau.

Để đánh giá tổng hợp các chất trong nước, người ta dung các thông số sau:

1. Tổng cacbon hữu cơ ( TOC): là tỷ lệ giữa khối lượng cacbon so với khối lượng hợp chất. TOC được tính dựa trên công thức của hợp chất bằng gam hoặc miligam cacbon theo thể tích (mg/m³, mg/l)
2. Nhu cầu oxy lý thuyết ( ThOD): là lượng oxy cần thiết để oxy hoá một đơn chất. ThOD được tính bằng gam hoặc miligam oxy theo thể tích dựa theo các phương trình phản ứng giữa các hchc và oxy (mg/m³, mg/l)
3. Nhu cầu oxy sinh hoá (BOD): là lượng oxy cần thiết để phân huỷ các hchc bằng vi sinh vật. Thông số này rất quan trọng, nó là thông số cơ bản đánh giá mức độ ô nhiễm, BOD càng lớn thì mức độ ô nhiễm càng cao. Đơn vị mg/l, g/m³
4. Nhu cầu oxy hoá học (COD): là lượng oxy cần thiết để oxy hoá hoá học các hợp chất hữu cơ

c. Các kim loại nặng: pb, Hg, As, Cd, Cr, Ni,…

– pb: Có độc tính với não, có thể gây nhiễm độc nặng. Chúng có khả năng tích luỹ lâu dài trong cơ thể.

+ Trong nước sông – hồ có lượng vết:  0.05 – 40mg/l

+ Nước biển không bị ô nhiễm, [pb] = 0.03mg/l

– Hg: rất độc đối với người và thuỷ sinh.

[Hg] cho phép trong nước uống: 0.001mg/l

[Hg] cho phép trong nước nuôi trồng thuỷ sản: 0.005mg/l

– As: là chất độc, khả năng gây ung thư cao

+ Nước tự nhiên có chứa vết As với nồng độ khoảng 0.01mg/l

+ Tiêu chuẩn nước uống là 0.05mg/l, nước nuôi cá là 0.025mg/l

d. Các chất dinh dưỡng (hợp chất N,P)

• Sự tự ô nhiễm → phú dưỡng nguồn nước. Các thực vật sống trong môi trường này phát triển rất mạnh
• Một số chất tiêu biểu

1. Ammôni (NH₄⁺): Trong nước tự nhiên không ô nhiễm có vết ammôni ( dưới 0.05 ppm). Nồng độ ammôni trong nước ngầm cao hơn. Lượng ammôni trong nước thải sinh hoạt và công nghiệp hoá chất, chế biến thực phẩm có thể lên tới 100mg/l. Nếu lượng ammôni trên 5mg/l nguồn nước dược xem là ô nhiễm nặng.
2. Nitrat (NO₃^–): là sản phẩm cuối cùng của sự phân huỷ các chất có Nitơ chứa trong chất thải của người và động vật. Trong nước tự nhiên, nồng độ nỉtat thường dưới 5mg/l. Ở vùng bị ô nhiễm nồng độ nitrat cao trên 10mg/l. Nitrat trong nước uống không được quá 10mg/l. Đây là chất dinh dưỡng của rong, tảo.
3. Phôtphat (PO₄^3-): có nhiều trong nước thải, phân người, súc vật và trong nước thải của các nước thải của các ngành sản xuất phân lân, thực phẩm. Đây cũng là chất dinh dưỡng cho rong tảo phát triển. Nồng độ phôtphat trong nước không ô nhiễm thường nhỏ hơn 0.01mg/l. Hàm lượng trong nước uống tối đa là 6mg/l.

e. Các vi sinh vật

Nguồn gốc: Nước thải bệnh viện, các nước thải từ các lò giết mổ gia súc,…

Nguồn nước thải phát sinh trong quá trình hoạt động con người

Xử lý nước thải sản xuất:

Vấn đề môi trường đang trở nên bức xúc không những cho mỗi quốc gia mà còn cho toàn nhân loại, trong đó hoạt động sản xuất công nghiệp được xác định là một trong những nguyên nhân ô nhiễm chính.

Vì vậy vấn đề bảo vệ môi trường là vấn đề toàn cầu, là quốc sách của hầu hết các quốc gia trên thế giới…

Xử lý nước thải sinh hoạt hoạt:

Là nước được thải bỏ sau khi sử dụng cho các mục đích sinh hoạt của cộng đồng: tắm, giặt giũ,tẩy rửa, vệ sinh cá nhân,…

Chúng thường được thải ra từ các căn hộ, cơ quan, trường học, bệnh viện, chợ, và các công trình công cộng khác.

Lượng nước thải sinh hoạt của một khu dân cư phụ thuộc vào dân số, vào tiêu chuẩn cấp nước và đặc điểm của hệ thống thoát nước…

Xử lý nước thải bệnh viện: là nguồn nước thải nguy hại dưới đây là cách xử lý căn bản

* Dưới đây là quy trình xử lý nước thải bệnh viện