THIẾT BỊ VÀ HÓA CHẤT MÔI TRƯỜNG NGÀNH NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI

Ngày 03 tháng 07 năm 2009

Tại sao cần đo Ammonia tự do cuối cùng?

Nước nguồn -> nước đã xử lý-> nước được phân phối
Có rất nhiều khó khăn trong việc cung cấp nước uống được đạt chất lượng cao. Thành phần và chất lượng của nguồn nước thô ảnh hưởng đến kỹ thuật và quy trình xử lý được ứng dụng để sản xuất nước có thể đưa vào hệ thống phân phối mà vẫn duy trì được chất lượng tại vòi nước sử dụng.

Nước nguồn


Nước nguồn được chia làm ba loại, nước bề mặt, nước ngầm và kết hợp giữa hai loại. Nước bề mặt là nước từ hồ, đầm chứa nước và các sông suối. Nó được phơi bày trực tiếp với thời tiết, thực vật, động vật và các tác động của con người, mầm bệnh và nhiều ảnh hưởng tự nhiên và nhân tạo khác. Nước bề mặt có thể tinh khiết như nước trên núi hay bị nhiễm bẩn như nước sông ngòi. Nước ngầm là nước có thể lấy từ các giếng và không chịu tác động trực tiếp với các yếu tố của tự nhiên và con người nhưng có thể bị tác động bởi ngành công nghiệp hay nông nghiệp. Nước ngầm dưới sự ảnh hưởng của nước bề mặt là sự kết hợp của cả hai loại và là nước ngầm mà bị trộn lẫn với nước bề mặt để xử lý hay nước ngầm chịu tác động trực tiếp bởi nguồn nước mặt gần đó. Tại Mỹ, các điều luật nằm trong Chương trình bảo vệ nguồn nước, Kế hoạch bảo vệ lưu vực sông, Chương trình bảo vệ giếng đầu nguồn và Chương trình thoát nước mưa đều tập trung vào mục tiêu duy trì và cải thiện chất lượng nước đầu nguồn.

Nước đã xử lý
Nước đã xử lý là nước được sản xuất từ quá trình xử lý nước uống. Mục tiêu là sản xuất ra nước an toàn về mặt sinh hóa học cho người sử dụng. Các quy trình xử lý được áp dụng dựa vào sự phân loại nước nguồn, chất lượng và tổng số dân cư phục vụ cũng như quan tâm đến các yêu cầu của luật định mà gắn liền với việc phân loại nước nguồn và số lượng dân cư phục vụ. Các luật lệ tác động trực tiếp đến các quy trình xử lý Stage1 và Stage 2 của điều luật về khử trùng và phẩm phụ diệt khuẩn (D/DBP Rule) , luật nước ngầm (Ground Water Rule), LT1 và LT2 của Luật nâng cao xử lý nước bề mặt lâm thời (Interim Enhanced Surface Water Treatment Rules), luật tái sinh nước rửa bể lọc, và nhiều điều luật quy định trực tiếp chất ô nhiễm trong đạo luật nước uống an toàn (Safe Drinking Water Act). Chlorine được biết đến như là một chất diệt khuẩn trong nhiều thập kỉ qua. Một vài xu hướng sử dụng chất diệt khuẩn mới cũng đang được áp dụng để giảm lượng chất phẩm phụ diệt khuẩn được phát hiện trong nước xử lý bằng chlorine. Chloramines, ozone, chlorine dioxide, UV, chất oxy hóa hỗn hợp và các loại hệ thống màng lọc đang được sử dụng để thay thế Chlorine. Những chất diệt khuẩn và hệ thống màng này đang được sử dụng riêng rẽ hoặc kết hợp với nhau với mức độ thành công khác nhau. Chloramines hay sự chloramine hóa ngày nay được sử dụng như chất diệt khuẩn thay thế chlorine rộng rãi nhất.

Nước được phân phối
Nước được phân phối là nước đã được xử lý sau khi đi ra khỏi hệ thống xử lý nước. Nó gồm toàn bộ mạng lưới phân phối như là các đường ống, bể chứa, bể nâng áp, hệ thống liên tiếp và các thiết bị xử lý tại điểm sử dụng. Nước được phân phối này phải chứa một lượng dư chất oxy hóa ít 0.2 mg/L-Cl2 khi ra khỏi nhà máy phải duy trì được một lượng dư trong suốt toàn bộ hệ thống phân phối. Nước ra khỏi hệ thống xử lý thông thường đạt độ tinh khiết cao nhất nhưng chất lượng nước giảm có thể và sẽ xảy ra trước khi nước tới được cuối nguồn sử dụng. Quá trình nitrat hóa và sự phát triển màng sinh học, các nối ngang và đường ống phân phối bị vỡ hay hư hỏng đều góp phần làm sụt giảm chất lượng nước. Ở Mỹ, các điều luật như Luật Chì và Đồng (Lead and Copper Rule), luật Coliform Tổng (Total Coliform Rule) và Luật D/DBPs tất cả đều gắn với quy định chất lượng nước trong hệ thống phân phối.

Tóm lược
Nước được phân phối hay nước tại vòi sử dụng là chất lượng nước nào được đánh giá cơ bản trên. Chất lượng nước cuối cùng là sản phẩm phức hợp của chất lượng nước nguồn, hiệu quả của việc xử lý để nước có chất lượng tốt nhất sau đó duy trì chất lượng trong hệ thống phân phối cho đến cuối nguồn sử dụng. Chloramines và sự chloramine hóa đã được thay thể đáng kể trong việc xử lý nước để đáp ứng yêu cầu tăng chất lượng nước. Hiệu quả của chloramines là để tạo ra và duy trì nước chất lượng cao. Hiệu quả của quá trình này sẽ được trình bày chi tiết hơn dưới đây.

Quá trình Chloramine và sự tạo thành các chloramine
Nước bề mặt có chứa các vật chất hữu cơ tự nhiên có thể phản ứng với clo để sinh ra các phẩm phụ diệt khuẩn gọi tắt là DBPs. Với sự xuất hiện ngày càng nhiều DBPs trong nước uống, đạo luật D/DBP được ban hành để kiểm soát lượng DBPs cho phép trong các loại nước uống. Để đáp ứng các yêu cầu của luật quy định nhiều trang thiết bị nước được tìm kiếm phù hợp với chính sách xử lý thay thế
Quá trình Chloramine hóa được sử dụng thành công tại nhiều nhà máy ở Mỹ và đã trở thành lựa chọn hợp lý để tuân thủ các luật định mới. Quá trình chloramine hóa sinh ra DBPs ở mức thấp hơn, cho lượng chất diệt khuẩn dư ổn định hơn trong hệ thống phân phối và có thể được thực hiện với chính trang thiết bị hiện có mà không tăng chi phí.

Các Chloramine được tạo thành từ phản ứng giữa clo và ammonia. Sản phẩm tạo thành được ưu tiên hơn là monochloramine (NH2Cl) nhưng dichloramine và trichloramine sẽ được tạo thành phụ thuộc vào tỉ lệ giữa chlorine và ammonia cho vào. Thông thường tỉ lệ 5: 1 được cho vào để tạo thành monochloramine; tuy nhiên thực tế hầu hết sử dụng tỉ lệ 4.5:1 hay 4.7:1. Cho vào quá nhiều chlorine tạo thành dichloramine sẽ gây ra vấn đề về mùi và vị; cho quá ít chlorine thì ammonia sẽ dư thừa trong nước. Cho ammonia hay chlorine quá mức là sự lãng phí tiền bạc đối với người quản lý. Ammonia quá nhiều trong nước đã xử lý cũng ảnh hưởng dến các bệnh nhân bị bệnh về thận, các bể nuôi cá và cấp nguồn thức ăn cho quá trình nitrat hóa và mảng bám sinh học trong hệ thống phân phối phát triển. Sự phát triển trở lại này tiêu tốn lượng khử khuẩn dư monochloramine dư, sinh ra thêm ammonia làm thúc đẩy nhanh chu kì quá trình nitrat hóa và sẽ dẫn đến sự thiếu hụt chất diệt khuẩn trong hệ thống. Quá trình tạo thành các chloramine theo lý thuyết thì đơn giản. Cho đúng tỷ lệ chlorine với nitrogen sẽ cho ra sản phẩm theo mong muốn. Nhưng trong thực tế thì phức tạp hơn. Các nước nguồn có pH khác nhau với nhu cầu lượng ammonia và chlorine khác nhau. Các yếu tố này tất cả tác động đến tỉ lệ chlorine với nitrogen. Chất lượng nước bị thay đổi nên cần có một công cụ phân tích hiệu quả giúp kiểm soát và tối ưu quá trình chloramine hóa.
Nhiều nơi sử dụng giá trị DPD Chlorine tổng để quan trắc nồng độ chloramine. DPD Chlorine tổng không phân biệt thành phần monochloramine và dichloramine nên kết quả có được cũng không có thể tối ưu được nồng độ monochloramine một cách hiệu quả. Hach Company gần đây đã phát triển loại thuốc thử MonoChlor F đặc biệt dùng để quan trắc nồng độ monochloramine. Việc xác định ammonia là rất khó khăn bởi vì bị cản trở trực tiếp từ monochloramine trong phản ứng tạo màu với ammonia và phương pháp phân tích sử dụng ISE hay IC không có hiệu quả về ứng dụng và thời gian trong kiểm soát quy trình liên tục. Do đó cần có một phương pháp để xác định được nồng độ ammonia tự do (ammonia không liên kết với chlorine) ở mức thấp khi có sự hiện diện của monochloramine để giúp tối ưu quá trình chloramine hóa, đặc biệt đối với người vận hành lần đầu tiên phải thực hiện quy trình chloramine hóa. Để giúp hiểu hơn quá trình này và tại sao phương pháp đo ammonia tự do là cần thiết, chúng ta cần xem lại đường chuyển đổi chlorine và hiểu các giới hạn phân tích của các phương pháp hiện tại.





Hình 1:
Đường cong cho biết monochloramine và dichloramine (và vết trichloramine) chỉ tồn tại trước điểm ngắt (breakpoint); sau điểm ngắt chỉ còn chlorine tự do tồn tại. Nồng độ monochloramine tăng tới mức tối đa hay đạt đỉnh đường cong sau khi có lượng chlorine bổ sung vào, chuyển đổi monochloramine thành dichloramine và tổng lượng dư thực sự giảm xuống điểm gần zero tại thời điểm chỉ có chlorine tự do hiện diện. Monochloramine và dichloramine tạo một phân khúc gọi là chlorine dư kết hợp và được xác định bởi thuốc thử DPD Total Chlorine mà không phân biệt các thành phần trong đó. Sau điểm ngắt, chỉ có chlorine tự do tồn tại và được xác định một cách đặc biệt bởi thuốc thử DPD Free Chlorine hoặc có thể bao gồm trong kết quả thí nghiệm với DPD Total Chlorine không phân biệt loại chlorine kết hợp.


Hình 2
Khi điểm ngắt trên đường cong có sự hiện diện của ammonia chứng tỏ trước khi đạt đến mức đối đa, lượng chlorine kết hợp tổng cộng chỉ có ammonia tự do và chlorine kết hợp (monochloramine) có thể tồn tại. Một khi tất cả ammonia tự do phản ứng với chlorine để tạo thành monochloramine thì mới đạt tới đỉnh đường cong. Sự bổ sung thêm chlorine sau đó chỉ sinh ra monochloramine và dichloramine. Sau điểm ngắt chỉ có chlorine tự do có thể tồn tại.




Hình 3
Vấn đề của những người vận hành nhà máy trong việc tối ưu hóa quá trình tạo thành monochloramine được mô tả trong hình 3. Khi người vận hành sử dụng thuốc thử DPD Total Chlorine để kiểm soát quá trình người đó không thể biết được chính xác quá trình đang xảy ra ở điểm nào trên đường cong. Anh ta chỉ có thể biết được theo lý thuyết giá trị chlorine kết hợp 1.0 mg/L nhưng không thể chỉ ra được là ở vị trí nào trong 3 pha của sự chloramine hóa. Bây giờ giả định rằng anh ta cần có giá trị chlorine dư 2.0 mg/L. Anh ta cần bổ sung chlorine hay ammonia ? Làm thế nào anh ta giữ cho giá trị ammonia là tối thiểu và nồng độ monochloramine đạt tối đa ? Một thí nghiệm đo ammonia so màu tiêu chuẩn có thể cho sai số lớn vì bị cản trở bởi monochloramine và có thể không có giá trị để xác định đúng hướng. Kết quả đo với thuốc thử DPD Total Chlorine không chỉ định được quy trình đang diễn ra ở đâu trên đường cong. Giá trị ammonia tự do sẽ cung cấp thêm thông tin về quá trình. Phương pháp đo ammonia tự do khi kết hợp với kết quả đo monochloramine bằng thuốc thử MonoChlor F sẽ cho các thông tin cần thiết để người vận hành có thể tối đa lượng monochloramine sinh ra và làm tối thiểu lượng dư ammonia tự do cũng như giảm vấn đề bổ sung quá mức chlorine và ammonia.

Sự hiểu biết và tối ưu quá trình chloramine trong công nghiệp nước tiếp tục tiến triển. Phân tích ammonia tự do là công cụ có sẵn để hỗ trợ thêm trong sự hiểu biết này. Ban đầu, quá trình chloramine hóa tập trung vào làm sao để sinh ra chloramine mà không quan tâm đến lượng ammonia tự do quá mức đi vào hệ thống. Bây giờ chúng ta đã biết ammonia tự do cần được giảm thấp nhất mức có thể để không chỉ giảm chi phí mà còn giúp giảm các vấn đề về quá trình nitrat hóa có thể phát triển trong hệ thống phân phối. Sự nitrat hóa có thể có các tác động bất lợi khác nhau cho chất lượng nước, bao gồm thất thoát tổng chlorine và ammonia dư và làm tăng nồng độ sinh vật dị dưỡng (heterotrophic plate count-HPC). Ammonia quá mức khuyến khích sự phát triển của vi khuẩn nitrit hóa, loại vi khuẩn chuyển đổi ammonia thành nitrit và sau đó là nitrat. Các nitrit trung gian được tạo thành nhanh chóng làm tăng sự phân hủy chloramine để trả lại ammonia tự do. Nếu quá trình nitrat được phép tiếp tục, nồng độ chlorine dư có thể bằng 0. Tổng chlorine, monochloramine, ammonia tự do và lượng nitrit cần được quan trắc trong hệ thống phân phối để dự báo và nhận biết các điều kiện có thể gây ra sự nitrat hóa.

Không có nhận xét nào: