Các thông số chất lượng môi trường nước

TRƯỜNG ĐẠI HỌC YERSIN ĐÀ LẠT KHOA KHOA HỌC MÔI TRƯỜNG Các thông số chất lượng môi trường nước Sinh viên thực hiện : Đoàn Duy Tân. Mssv: 10902016 Giảng viên hướng dẫn: Th.s Nguyễn Thị Thùy Minh Đà Lạt, 2013 MỤC LỤC Chương 1 TỔNG QUAN MÔI TRƯỜNG NƯỚC.........................................................................4 Chương 2 CÁC CHỈ TIÊU VẬT LÝ CỦA NƯỚC........................................................................5 2.1 Độ pH ..............................................................................................................5 2.2 Nhiệt độ............................................................................................................8 2.3 Màu sắc.............................................................................................................8 2.4 Độ đục...............................................................................................................9 2.5 Tổng hàm lượng chất rắn (TS) ........................................................................11 2.6 Tổng hàm lượng chất rắn lơ lững (SS) ............................................................13 2.7 Tổng hàm lượng chất rắn hòa tan (DS) ...........................................................13 2.8 Tổng hàm lượng các chất dễ bay hơi (VS) ......................................................14 Chương 3 CÁC CHỈ TIÊU HÓA HỌC CỦA NƯỚC...................................................................16 3.1 Độ kiềm toàn phần.................................................................................................16 3.2 Độ cứng của nước..................................................................................................17 3.2.1 Tác hại của nước cứng..................................................................................19 3.2.2 Độ cứng của nước trong tự nhiên..................................................................20 3.2.3 Các phương pháp làm mềm nước..................................................................21 3.3 Hàm lượng oxigen hòa tan (DO) ...........................................................................22 3.4 Nhu cầu oxigen hóa học (COD) ............................................................................23 3.5 Nhu cầu oxigen sinh hóa (BOD)............................................................................24 3.6 Một số chỉ tiêu hóa học khác trong nước................................................................25 3.6.1 Sắt................................................................................................................25 3.6.2 Các hợp chất clorur.......................................................................................25 3.6.3 Các hợp chất sulfat.......................................................................................26 3.6.4 Các hợp chất Nitơ.........................................................................................27 3.6.5 Phosphorus & Phosphate..............................................................................27 3.6.6 Các hợp chất Silic........................................................................................30 3.6.7 Các hợp chất mangan...................................................................................30 3.6.8 Nhôm...........................................................................................................31 3.6.9 Khí hòa tan...................................................................................................31 3.6.10 Hóa chất bảo vệ thực vật.............................................................................32 3.6.11 Chất hoạt động bề mặt................................................................................32 Chương 4 CÁC CHỈ TIÊU VI SINH CỦA NƯỚC......................................................................34Các chỉ tiêu vật lý.......................................................................................................34 TÀI LIỆU THAM KHẢO...........................................................................................36 Chương 1 TỔNG QUAN MÔI TRƯỜNG NƯỚC Nước chiếm 70% diện tích quả đất. Trong lượng nước có mặt trên quả đất, nước đại dương chiếm khoảng 97%, nước đóng băng ở các cực quả đất chiếm khoảng 2%, còn lại khoảng 1% là “nước ngọt” (ao hồ, sông, nước ngầm…). Thành phần nguồn nước trên trái đất Nước đóng vai trò rất quan trọng trong các hệ sinh học. Có hai tính chất rất quan trọng khiến cho nước đóng vai trò hết sức độc đáo trong tự nhiên : nước là một phân tử phân cực và giữa các phân tử nước có liên kết hidrogen rất mạnh. Chương 2 CÁC CHỈ TIÊU VẬT LÝ 2.1 Độ pH Giới thiệu chung. Thuật ngữ pH được sử dụng rộng rãi để biểu diễn tính acid hoặc tính kiềm của dung dịch. pH là chỉ số biểu diễn nồng độ của ion – hydro, hay nói chính xác hơn là nồng độ hoạt tính của ion – hydro. pH có vai trò quan trọng trong hầu hết các quá trình của lĩnh vực kỹ thuật môi trường. Trong lĩnh vực cấp nước, pH là yếu tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình keo tụ hóa học, khử trùng, làm mềm và kiểm soát tính ăn mòn của nước. Trong xử lý nước thải bằng các quá trình sinh học, pH phải được duy trì trong giới hạn tối ưu cho sự phát triển của vi sinh vật. Các quá trình hóa học sử dụng để keo tụ nước thải, làm khô bùn hoặc oxy các hợp chất như ion cyanua, thường đòi hỏi pH phải được duy trì trong một giới hạn hẹp. Vì những lý do trên và vì các mối quan hệ cơ bản giữa pH, độ acid và độ kiềm, cần phải hiểu biết về lý thuyết cũng như thực tế pH. 2.1.2 Lý thuyết pH Khái niệm về pH được phát triển từ hàng loạt các nghiên cứu dẫn đến hiểu biết đầy đủ hơn về acid và base. Với sự khám phá của Cavendish năm 1366 về hydro, ngay sau đó mọi người đều biết tất cả acid chứa nguyên tố hydro. Các nhà hóa học đã tìm thấy rằng các phản ứng trung hòa giữa acid và base luôn luôn tạo thành nước. Từ khám phá trên và các thông tin liên quan, người ta kết luận rằng base chứa các nhóm hydroxyl. Năm 1887 Arrhenius thông báo lý thuyết của ông về sự phân ly thành ion (ionization). Từ đó đến nay acid được coi là các chất khi phân ly tạo thành ion – hydro và base khi phân ly tạo thành ion hydroxyl. Theo khái niệm của Arrhenius, trong dung dịch, acid mạnh và base mạnh có khả năng phân ly cao, acid yếu và base yếu có khả năng phân ly kém trong dung dịch nước. Sự ra đời và phát triển các thiết bị thích hợp đo nồng độ hoặc hoạt tính của ion – hydro đã chứng minh lý thuyết trên. Điện cực hydro là thiết bị thích hợp để đo độ hoạt tính của ion – hydro. Cùng với việc sử dụng điện cực hydro, người ta tìm thấy rằng nước tinh khiết phân ly cho nồng độ ion hydro cân bằng khoảng 10-7 mol/l. H2O H+ +OH- (1 – 1) Vì nước phân ly tạo thành một ion – hydroxyl và một ion – hydro nên rõ ràng rằng có khoảng 10-7 mol/l ion – hydroxyl cũng được tạo thành. Thay thế vào phương trình cân bằng ta có HOHH2O=K (1 – 2) Nhưng vì nồng độ của nước là rất lớn ([6,02 x 1023 x 1.000/18] mol/l) và giảm đi rất ít do bị phân ly nên có thể được xem là hằng số (hoạt tính của nó tương đương với 1,0) và phương trình (1 – 2) có thể được viết thành: {H+} {OH-} = Kn (1 – 3) và đối với nước tinh khiết ở 200C, {H+} {OH-} = 10-7 x 10-7 = 10-14 Hằng số này là tích ion hoặc hằng số phân ly của nước. Khi cho vào nước một acid, nó phân ly trong nước và hoạt tính ion – hydro tăng lên; tiếp theo, hoạt tính ion – hydroxyl phải giảm xuống tuân theo hằng số phân ly. Ví dụ, nếu acid được cho vào nước để tăng nồng độ hoạt tính {H+} đến 10-1 thì nồng độ hoạt tính {OH-} phải giảm đến 10-13, để có: 10-1 x 10-13 = 10-14 Ngược lại, nếu base được cho vào nước để tăng nồng độ {OH-} đến 10-3 thì nồng độ {H+} giảm đến 10-11. Và một ghi nhớ quan trọng là {OH-} và {H+} không bao giờ giảm đến zero. Khái niệm cơ bản pH Việc biểu diễn hoạt tính ion – hydro dưới dạng nồng độ mol là không thuận tiện. Để khắc phục khó khăn này, năm 1909 Sorenson kiến nghị biểu diển nồng độ hoạt tính của ion – hydro dưới dạng logarithm âm và kí hiệu là pH+. Ký hiệu của ông được thay thế bằng ký hiệu đơn giản hơn là pH và được biểu diển bằng pH = - log{H+} hoặc pH = log1H+ (1 – 5) và pH thường nằm trong dãy từ 0 đến 14, với pH 7 ở 250C biểu diễn tính trung hòa tuyệt đối. Vì hằng số Kn thay đổi theo sự thay đổi nhiệt độ, nên pH của tính trung hòa cũng thay đổi cùng với nhiệt độ, là 7,5 ở 00C và 6,5 ở 600C. Tính acid tăng khi giá trị pH giảm và tính kiềm tăng khi giá trị pH tăng. 2.1.3 Đo pH Điện cực hydro là tiêu chuẩn tuyệt đối để đo pH. Nhưng nó không thuận lợi và không thích ứng được việc sử dụng rộng rãi, đặc biệt trong các nghiên cứu ngoài hiện trường hoặc đối với các dung dịch có chứa các chất hấp phụ lên platin đen. Sự thay đổi của các chất chỉ thị được chuẩn độ với điện cực để xác định tính chất độ màu của chúng ở các mức độ thay đổi của pH. Từ những nghiên cứu này, có thể xác định một cách chính xác việc chọn chất chỉ thị có khả năng thay đổi độ màu một cách đáng kể trong dãy pH có liên quan. Việc sử dụng chất chỉ thị được thay thế bằng việc phát triển điện cực thủy tinh. Khoảng năm 1925, người ta đã tìm thấy điện cực có thể được chế tạo bằng thủy tinh và có khả năng đo được hoạt tính của ion – hydro mà không bị ảnh hưởng của hầu hết các ion khác. Việc sử dụng nó trở thành phương pháp tiêu chuẩn để đo pH. Đo bằng điện cực thủy tinh Các loại máy đo pH sử dụng điện cực thủy tinh do nhiều công ty chế tạo. Chúng thay đổi từ các loại máy pH công trường sử dụng pin với giá vài trăm USD đến các loại thiết bị có độ chính xác cao với giá hơn ngàn USD. Các loại máy đo pH sử dụng điện 110V được chế tạo từ những năm 1940 và đáp ứng được hầu hết các yêu cầu của phòng thí nghiệm, chúng có khả năng đo được pH với độ chính xác 0,1 đơn vị. Các máy đo pH di động sử dụng pin thích hợp với việc đi công trường. Việc đo pH có thể được thực hiện trong rất nhiều loại vật liệu và ở các điều kiện rất khác nhau, điều này cho thấy phải lưu ý đến loại điện cực. Việc đo các giá trị pH cao hơn 10 và ở nhiệt độ cao tốt nhất được thực hiện với các điện cực thủy tinh đặc biệt. Các thiết bị đo pH thường được chuẩn độ bằng các dung dịch pH chuẩn. 2.2 Nhiệt độ Nhiệt độ ảnh hưởng đến độ pH, đến các quá trình hóa học và sinh hóa xảy ra trong nước. Nhiệt độ phụ thuộc rất nhiều vào môi trường xung quanh, vào thời gian trong ngày, vào mùa trong năm…Nhiệt độ cần được xác định tại chỗ (tại nơi lấy mẫu). 2.3 Màu sắc  Nước nguyên chất không có màu. Màu sắc gây nên bởi các tạp chất trong nước (thường là do chất hữu cơ (chất mùn hữu cơ – acid humic), một số ion vô cơ (sắt…), một số loài thủy sinh vật…Màu sắc mang tính chất cảm quan và gây nên ấn tượng tâm lý cho người sử dụng. Độ màu thường được so sánh với dung dịch chuẩn trong ống Nessler, thường dùng là dung dịch K2PtCl6 + CaCl2 (1 mg K2PtCl6 tương đương với 1 đơn vị chuẩn màu). Độ màu của mẫu nước nghiên cứu được so sánh với dãy dung dịch chuẩn bằng phương pháp trắc quang. Nước thiên nhiên sạch thường không màu, màu của nước mặt chủ yếu do chất mùn, các chất hòa tan,  keo hoặc do thực vật thối rửa. Sự có mặt của một số ion kim loại (Fe, Mn), tảo, than bùn và các chất thải công nghiệp cũng làm cho nước có màu. Độ màu của nước được xác định theo thang màu tiêu chuẩn tính bằng đơn vị Pt-Co. Trong thực tế, độ màu có thể phân thành hai loại: độ màu thực và độ màu biểu kiến. Độ màu biểu kiến bao gồm cả các chất hòa tan và các chất huyền phù tạo nên, vì thế màu biểu kiến được xác định ngay trên mẫu nguyên thủy mà không cần loại bỏ chất lơ lửng. Độ màu thực được xác định trên mẫu đã ly tâm và không nên lọc qua giấy lọc vì một phần cấu tử màu dễ bị hấp thụ trên giấy lọc. Ý nghĩa môi trường Đối với nước cấp, độ màu biểu thị giá trị cảm quan, độ sạch của nước.  Riêng với nước thải, độ màu đánh giá phần nào mức độ ô nhiễm nguồn nước. Phương pháp xác định Nguyên tắc xác định độ màu dựa vào sự hấp thu ánh sáng của hợp chất màu có trong dung dịch , phương pháp xác định là phương pháp so màu. Các yếu tố ảnh hưởng Độ đục ảnh hưởng đến việc xác định độ màu thật của mẫu. Khi xác định độ màu thực, không nên sử dụng giấy lọc vì một phần màu thực có thể bị hấp thụ trên giấy. Độ màu  phụ thuộc vào pH của nước, do đó trong bảng kết quả cần ghi rõ pH lúc xác định độ màu. 2.4 Độ đục Độ đục gây nên bởi các hạt rắn lơ lửng trong nước. Các chất lơ lửng trong nước có thể có nguồn gốc vô cơ, hữu cơ hoặc các vi sinh vật, thủy sinh vật có kích thước thông thường từ 0,1 – 10 m. Độ đục làm giảm khả năng truyền sáng của nước, ảnh hưởng tới quá trình quang hợp.1 đơn vị độ đục là sự cản quang gây ra bởi 1 mg SiO2 hòa trong 1 lít nước cất. Độ đục được đo bằng máy đo độ đục (đục kế – turbidimeter). Đơn vị đo độ đục theo các máy do Mỹ sản xuất là NTU (Nephelometric Turbidity Unit). Thang đo độ đục Theo tiêu chuẩn Việt Nam (TCVN), độ đục được xác định bằng chiều sâu lớp nước thấy được (gọi là độ trong) mà ở độ sâu đó người ta vẫn đọc được hàng chữ tiêu chuẩn. Độ đục càng thấp chiều sâu của lớp nước còn thấy được càng lớn. Nước được gọi là trong khi mức độ nhìn sâu lớn hơn 1 m (hay độ đục nhỏ hơn 10 NTU). Theo qui định của TCVN, độ đục của nước sinh hoạt phải lớn hơn 30cm. 2.5 Tổng hàm lượng các chất rắn (TS) Chất rắn trong nước thải bao gồm các chất rắn lơ lửng, chất rắn có khả năng lắng, các hạt keo và chất rắn hòa tan. Tổng các chất rắn (Total solid, TS) trong nước thải là phần còn lại sau khi đã cho nước thải bay hơi hoàn toàn ở nhiệt độ từ 103 ¸ 105oC. Các chất bay hơi ở nhiệt độ này không được coi là chất rắn. Tổng các chất rắn được biểu thị bằng đơn vị mg/L. Tổng các chất rắn có thể chia ra làm hai thành phần: chất rắn lơ lửng (có thể lọc được) và chất rắn hòa tan (không lọc được). Chất rắn lơ lửng là các hạt nhỏ (hữu cơ hoặc vô cơ) trong nước thải. Khi vận tốc của dòng chảy bị giảm xuống (do nó chảy vào các hồ chứa lớn) phần lớn các chất rắn lơ lửng sẽ bị lắng xuống đáy hồ; những hạt không lắng được sẽ tạo thành độ đục (turbidity) của nước. Các chất lơ lửng hữu cơ sẽ tiêu thụ oxy để phân hủy làm giảm DO của nguồn nước. Các cặn lắng sẽ làm đầy các bể chứa làm giảm thể tích hữu dụng của các bể này. Để xác định hàm lượng các chất rắn lơ lửng phải tiến hành phân tích chúng bằng cách lọc qua giấy lọc bằng sợ thủy tinh Whatmann 934AH và 948H (Whatmann GF/C) có kích thước các lổ khoảng 1,2 micrometter (μm) hoặc của Đức loại A/E. Lưu ý là các giấy lọc cấu tạo bằng Polycarbonate cũng có thể sử dụng được, tuy nhiên các số liệu có thể chênh lệch do cấu trúc của các loại giấy này khác nhau. Các chất rắn lơ lửng bị giữ lại ở giấy lọc. Đem giấy lọc này sấy khô tuyệt đối ở nhiệt độ 105oC. Hàm lượng chất rắn lơ lửng sẽ được tính bằng công thức: trong đó TSS: tổng các chất rắn lơ lửng (mg/L) A: trọng lượng của giấy lọc và các chất rắn lơ lửng sau khi sấy khô tuyệt đối (mg) B: trọng lượng ban đầu của giấy lọc (mg) V: thể tích mẫu nước thải qua lọc (L) Hàm lượng chất rắn lơ lửng phụ thuộc chủ yếu vào lượng nước sử dụng hàng ngày của một người. Lượng nước tiêu thụ càng lớn thì hàm lượng các chất rắn lơ lửng nói riêng và các chất gây ô nhiễm nói chung càng nhỏ và ngược lại. Tùy theo kích thước hạt, trọng lượng riêng của chúng, tốc độ dòng chảy và các tác nhân hóa học mà các chất lơ lửng có thể lắng xuống đáy, nổi lên mặt nước hoặc ở trạng thái lơ lửng. Để xác định hàm lượng các chất rắn có khả năng lắng (settable solid) ngưới ta dùng một dụng cụ thủy tinh gọi là nón Imhoff có chia vạch thể tích. Cho 1 lít nước thải vào nón Imhoff để cho lắng tự nhiên trong vòng 45 phút, sau đó khuấy nhẹ sát thành nón rồi để cho lắng tiếp trong vòng 15 phút. Sau đó đọc thể tích chất lơ lửng lắng được bằng các vạch chia bên ngoài. Hàm lượng chất rắn lơ lửng lắng được biểu thị bằng đơn vị mL/L. Chỉ tiêu chất rắn có khả năng lắng biểu diễn gần đúng lượng bùn có thể loại bỏ được bằng bể lắng sơ cấp. Ngoài các chất lắng được, trong nước thải còn chứa các tạp chất nổi (floating solid) có trọng lượng riêng nhỏ hơn trọng lượng riêng nước. Khi lắng các chất này nổi lên bề mặt công trình. Theo các tính toán của Sở KHCN & MT Cần Thơ lượng chất rắn lơ lửng tổng cộng do một người ở khu vực Cần Thơ thải ra trong một ngày đêm là 200 g. Các chất rắn hòa tan (không lọc được bao gồm các hạt keo và các chất hòa tan. Các hạt keo có kích thước từ 0,001 ¸ 1 mm, các hạt keo này không thể loại bỏ bằng phương pháp lắng cơ học. Các chất hòa tan có thể là phân tử hoặc ion của chất hữu cơ hay vô cơ. Để xác định hàm lượng hữu cơ của các chất rắn lơ lửng người ta sử dụng chỉ tiêu VSS (volatile suspended solid) bằng cách đem hóa tro các chất rắn ở 550 ± 50oC trong 1 giờ. Phần bay hơi là các chất hữu cơ (VSS), phần còn lại sau khi hóa tro là các chất vô cơ FSS (Fixed suspended solid). Lưu ý hầu hết các muối vô cơ đều không bị phân hủy ở nhiệt độ dưới 825oC, chỉ trừ magnesium carbonate bị phân hủy thành MgO và CO2 ở nhiệt độ 350oC. Chỉ tiêu VSS của nước thải thường được xác định để biết rõ khả năng phân hủy sinh học của nó. 2.6 Tổng hàm lượng các chất lơ lửng (SS) Các chất rắn lơ lửng (các chất huyền phù) là những chất rắn không tan trong nước. Hàm lượng các chất lơ lửng (SS : Suspended Solids) là lượng khô của phần chất rắn còn lại trên giấy lọc sợi thủy tinh khi lọc 1 lít nước mẫu qua phễu lọc rồi sấy khô ở 105oC cho tới khi khối lượng không đổi. Đơn vị tính là mg/L.  2.7 Tổng hàm lượng chất rắn hòa tan (DS) Tổng chất rắn hoà tan - Total Dissolved Solids (TDS) là tổng số các ion mang điện tích, bao gồm khoáng chất, muối hoặc kim loại tồn tại trong một khối lượng nước nhất định, thường được biểu thị bằng hàm số mi/L hoặc ppm (phân ngìn). TDS thường được lấy làm cơ sở ban đầu để xác định mức độ sạch/ tinh khiết của nguồn nước. Chất rắn hoà tan đang nói đến ở đây tồn tại dưới dạng các ion âm và ion dương. Do nước luôn có tính hoà tan rất cao nên nó thường có xu hướng lấy các ion từ các vật mà nó tiếp xúc. Ví dụ, khi chảy ngầm trong lòng nói đá, nước sẽ lấy các ion Can-xi, các khoáng chất. Khi chảy trong đường ống, nước sẽ lấy các ion kim loại trên bề mặt đường ống, như sắt, đồng, chì (ống nhựa) Theo các quy định hiện hành của WHO, US EPA, và cả Việt Nam, TDS không được vượt quá 500 đối với nước tinh khiết và không vượt quá 1000 đối với nước sinh hoạt TDS càng nhỏ chứng tỏ nước càng tinh khiết. Một số ứng dụng trong ngành sản xuất điện tử yêu cầu TDS không vượt quá 5. Tuy nhiên, điều ngược lại không phải luôn đúng. Nguồn nước có TDS cao chưa chắc đã không an toàn, có thể do nó chứa nhiều ion có lợi. Các loại nước khoáng thường không bị giới hạn về TDS. Khi đo thấy chỉ số TDS cao, cần tiếp tục phân tích mẫu nước để xác định thành phần các ion chủ yếu và đối chiếu với các ứng dụng thực tế để quyết định có cần giảm TDS hay không. Ví dụ đối với nước dùng cho nồi hơi, nước cho máy giặt công nghiệp phải không có các ion can-xi, ma-giê, tránh tình trạng nổ lò hơi hoặc giảm tuổi tho máy giặt... Nếu TDS cao do nhiều ion can-xi, magiê, bắt buộc phải loại bỏ hết ... Đối với nước khoáng, cũng cần xác định thành phần khoáng để có biện pháp lựa chọn giữ lại hoặc giảm bớt. Khi biết thành phần chính của TDS sẽ có thể áp những phương pháp thích hợp: Trao đổi ion Khử ion Thẩm thấu ngược Chưng cất 2.8 Tổng hàm lượng các chất dễ bay hơi (VS) Để đánh giá hàm lượng các chất hữu cơ có trong mẫu nước, người ta còn sử dụng các khái niệm tổng hàm lượng các chất không tan dễ bay hơi (VSS: Volatile Suspended Solids), tổng hàm lượng các chất hòa tan dễ bay hơi (VDS: Volatile Dissolved Solids).Hàm lượng các chất rắn lơ lửng dễ bay hơi VSS là lượng mất đi khi nung lượng chất rắn huyền phù (SS) ở 5500C cho đến khi khối lượng không đổi (thường được qui định trong một khoảng thời gian nhất định). Hàm lượng các chất rắn hòa tan dễ bay hơi VDS là lượng mất đi khi nung lượng chất rắn hòa tan (DS) ở 5500C cho đến khi khối lượng không đổi (thường được qui định trong một khoảng thời gian nhất định). Chương 3 CÁC CHỈ TIÊU HÓA HỌC 3.1 Độ kiềm toàn phần Độ kiềm toàn phần (Alkalinity) là tổng hàm lượng các ion HCO3-, CO32-, OH- có trong nước. Độ kiềm trong nước tự