Giới thiệu
Sự diệt khuẩn bằng chloramines là quá trình tạo thành các chloramines vô cơ trong nước để giảm nồng độ vi sinh trong giới hạn cho phép. Các chloramines gồm có - monochloramine (NH2Cl), dichloramine (NHCl2), và nitrogen trichloride (NCl3) – hình thành khi clo và ammonia được kết hợp trong nước. Thông thường, nước đã xử lý có chứa ammonia được khử khuẩn bằng cách bổ sung chlorine vào trước khi thải ra môi trường hoặc đi vào hệ thống phân phối. Trong những năm gần đây, nhiều nhà máy nước cấp đã chuyển đổi phương thức khử khuẩn nước bằng quá trình chloramines hóa để sản xuất nước có thể uống trực tiếp tại vòi nước. Gần 20% các nhà máy nước cấp ở Mỹ hiện đang sử dụng chloramines như chất diệt khuẩn tồn dư trong nước. Đối với chloramines hóa nước thì monochloramine là chất diệt khuẩn ưu tiên hơn và tránh sự tạo thành dichloramine và nitrogen trichloride, do sẽ tiêu tốn nhiều chlorine và sự hiện diện của hai hợp chất này sẽ sinh ra mùi và vị khó chịu. Trong nước thải đã được xử lý, bất kì hợp chất nito hữu cơ hiện diện sẽ tạo thành chloramines hữu cơ trong quá trình chloramin hóa. Các chloramines hữu cơ này, như một phân lớp, có tính khử khuẩn yếu hơn so với chloramines vô cơ. Chlorine được châm quá mức và sự khuấy trộn trong hiệu quả có thể dẫn đến việc sinh ra nhiều chloramines hữu cơ hơn, do đó cũng làm mất tác dụng giảm toàn bộ hoạt động của mầm vi sinh gây bệnh.
Các vấn đề thường gặp khi sử dụng quá trình chloramines hóa theo phương pháp truyền thống.
Có hai phương pháp cơ bản để điều khiển quá trình khử khuẩn nước: duy trì lượng chất diệt khuẩn dư và sử dụng điện thế oxy hóa khử (ORP).
Trong phương pháp kiểm soát lượng tồn dư, các phương pháp phân tích được thực hiện bằng tay ( tại phòng thí nghiệm hay xét nghiệm tại hiện trường) hoặc phân tích tự động (sử dụng máy phân tích quy trình). Tất cả các phương pháp được sử dụng đều dựa trên nguyên lý đo lượng iot hóa. Cả Chloramine hữu cơ và vô cơ đều sẽ oxy hóa iot- I- ( có trong thuốc thử) thành ion I3- theo phản ứng sau:
NH2Cl (monochloramine) + 3I- + H2O + H+ → NH4OH + Cl- + I3- (tri-iodide)
OrgNH-Cl (organic chloramines) +3I- + H+ → OrgNH2 (organic amine) + Cl- + I3-
Sản phẩm oxy hóa sinh ra là ion tri-iodide có thể xác định trực tiếp bằng phương pháp so màu (sử dụng phép so màu DPD), phương pháp điện hóa ( sử dụng chuẩn độ điện hóa) hay bằng chuẩn độ trực tiếp ( với thuốc thử thiosulfate). Các phương pháp iot hóa hiện đang sử dụng để kiểm soát lượng dư thì không xác định riêng biệt được chất diệt khuẩn ưu tiên, monochloramine.
Trong nước thải được xử lý với chlorine, sự hiện diện của các hợp chất nito hữu cơ, mangan và nitrit sẽ làm tăng thêm việc duy trì lượng chất diệt khuẩn dư, do đó có thể làm vượt mức hiệu quả diệt khuẩn ước tính. Đối với nước cấp xử lý với quá trình chloramines hóa, các phương pháp để duy trì lượng dư truyền thống không cung cấp đủ thông tin để nắm bắt được diễn tiến của quá trình tại các điểm ngắt. Nếu kết quả thu nhận được là 3.0 mg/L thì người vận hành không thể biết monochloramine đang ở mức nào, hỗn hợp các chloramines, hay chlorine tự do tồn tại hay không (xem Hình 1)
Gần đây, cách xác định dựa vào ORP trở nên phổ biến trong kiểm soát khử khuẩn nước thải. ORP được dựa trên nguyên lý điện thế oxy hóa có được từ lượng tồn dư để tiêu diệt vi khuẩn, không phải dựa vào nồng độ của chúng. Trong thực tế, giá trị ORP cài đặt ( đơn vị đo là mV) được duy trì qua một controller ORP. Như mô tả trong hình 2, ORP có thể phân rõ cho biết điện thế khác nhau giữa các dung dịch chỉ có monochloramine, dichloramine và các chloramines hữu cơ ở các mức thường thấy trong đầu ra nước thải xử lý có bổ sung chlorine. Do đó, khi kiểm soát lượng dư, các chloramines hữu cơ cũng sẽ được nhận biết thông qua giá trị ORP.
Phương pháp phân tích dành riêng cho Monochloramine vô cơ
Các nhà hóa học của Hach đã nghiên cứu phát triển một phương pháp nhận diện riêng biệt monochloramine có trong nước. Phương pháp này cơ bản dựa vào chất indophenol cổ điển dùng nhận biết ammonia. Chất này được cải tiến để tăng tính đặc biệt của phương pháp trong của các xác định các monochloramine vô cơ với sự có mặt của các chloramines hữu cơ. Ngoài ra, phương pháp cũng được nghiên cứu thêm để có thể tăng thời gian phát triển màu và tăng độ chính xác của thí nghiệm. Phương pháp mới có hai mức đo 0 – 4.00 mg/L Cl2, dùng trong nước cấp được kiểm soát bằng quá trình chloramines hóa và thang đo cao hơn 0 – 10.0 mg/L Cl2, được ứng dụng cho kiểm soát nước thải có xử lý chlorine.
Đối với thang đo thấp hơn, thuốc thử dùng loại bột kết hợp (Monochlor F) với kết quả thu được trong vòng 4 phút. Đối với thang đo cao hơn, cần thêm một loại thuốc thử bổ sung được đóng gói trong ống TNT (Test ‘N Tube). Phương pháp mới này cho thấy việc xác định monochloramin không bị cản trở nếu có mặt các amin vô cơ và hữu cơ, dichloramines, chlorine tự do, chloramines hữu cơ, nitrit và mangan trong nước. Các dụng cụ cầm tay có thể thực hiện phân tích monochloramine dư ngay tại điểm lấy mẫu. Máy phân tích liên tục (APA6000 Ammonia/Monochloramine) điều khiển tự động quá trình chloramines hóa dựa vào các hóa chất được tăng cường.
Ứng dụng thực tế trong kiểm soát Monochloramine
Tại một quận có yêu cầu sử dụng nước khổng lồ ở phía bờ Tây nước Mỹ, nhà máy xử lý nước cấp đã sử dụng Monochlor F kiểm soát sự thay đổi của quá trình chloramines hóa để duy trì hiệu suất khử khuẩn nước uống và giới hạn lượng ammonia ra khỏi hệ thống sau khi xử lý. Việc thí nghiệm kép tại hiện trường giúp nhà máy duy trì được mức monochlorine thích hợp trong suốt hệ thống phân phối trong khi vẫn có thể giảm tối thiểu nguy cơ xảy ra quá trình nitrat hóa trên đường ống. Một nhà máy xử lý nước thải trong vùng phải tiếp nhận đến 80% tải lượng thải từ một nhà máy đóng gói thịt. Trong trường hợp này nhà máy sẽ gặp khó khăn trong việc đáp ứng yêu cầu xả thải chỉ tiêu fecal coliforms sau khi xử lý theo quy định, ngay cả khi việc phân tích chỉ thị cho thấy lượng chlorine dư trong dòng ra cuối cùng đạt yêu cầu. Một nghiên cứu quá trình chlorine hóa của nước đã xử lý cho thấy có chứa lượng chloramines hữu cơ tồn tại trong phân tích chlorine mỗi giờ. Hình 3 miêu tả sự khác biệt rõ rệt giữa các phương pháp sử dụng iot (DPD và chuẩn độ điện hóa) và kết quả với phương pháp Monochlor F tại các điểm ngắt trong quá trình. Thí nghiệm sử dụng Monochlor F cho biết riêng biệt chất khử khuẩn mạnh, monochloramine, không bị nhiễu bởi các chloramines hữu cơ hiện diện.
Kết luận
Khuynh hướng kiểm soát chloramines mới sử dụng hóa chất Monochlor F đem lại nhiều lợi ích cho việc khử khuẩn trong cả nước uống và nước thải. Nó cho phép các nhà vận hành xử lý nước uống tối ưu lượng monochloramine mà không để sinh ra lượng dichloramine không mong muốn. Phương pháp cho phép người vận hành quan trắc một cách chính xác quá trình chloramines hóa mà không bị ảnh hưởng bởi các chất gây nhiễu như chloramines hữu cơ, nitrit hay mangan. Nhờ vào việc kiểm soát này mà các nhà máy cũng sẽ đáp ứng các yêu cầu mức vi sinh giới hạn. Nó cũng hỗ trợ các thiết bị xử lý trong việc kiểm soát lượng chlorine và ammonia bổ sung để tiết kiệm chi phí.
Sự diệt khuẩn bằng chloramines là quá trình tạo thành các chloramines vô cơ trong nước để giảm nồng độ vi sinh trong giới hạn cho phép. Các chloramines gồm có - monochloramine (NH2Cl), dichloramine (NHCl2), và nitrogen trichloride (NCl3) – hình thành khi clo và ammonia được kết hợp trong nước. Thông thường, nước đã xử lý có chứa ammonia được khử khuẩn bằng cách bổ sung chlorine vào trước khi thải ra môi trường hoặc đi vào hệ thống phân phối. Trong những năm gần đây, nhiều nhà máy nước cấp đã chuyển đổi phương thức khử khuẩn nước bằng quá trình chloramines hóa để sản xuất nước có thể uống trực tiếp tại vòi nước. Gần 20% các nhà máy nước cấp ở Mỹ hiện đang sử dụng chloramines như chất diệt khuẩn tồn dư trong nước. Đối với chloramines hóa nước thì monochloramine là chất diệt khuẩn ưu tiên hơn và tránh sự tạo thành dichloramine và nitrogen trichloride, do sẽ tiêu tốn nhiều chlorine và sự hiện diện của hai hợp chất này sẽ sinh ra mùi và vị khó chịu. Trong nước thải đã được xử lý, bất kì hợp chất nito hữu cơ hiện diện sẽ tạo thành chloramines hữu cơ trong quá trình chloramin hóa. Các chloramines hữu cơ này, như một phân lớp, có tính khử khuẩn yếu hơn so với chloramines vô cơ. Chlorine được châm quá mức và sự khuấy trộn trong hiệu quả có thể dẫn đến việc sinh ra nhiều chloramines hữu cơ hơn, do đó cũng làm mất tác dụng giảm toàn bộ hoạt động của mầm vi sinh gây bệnh.
Các vấn đề thường gặp khi sử dụng quá trình chloramines hóa theo phương pháp truyền thống.
Có hai phương pháp cơ bản để điều khiển quá trình khử khuẩn nước: duy trì lượng chất diệt khuẩn dư và sử dụng điện thế oxy hóa khử (ORP).
Trong phương pháp kiểm soát lượng tồn dư, các phương pháp phân tích được thực hiện bằng tay ( tại phòng thí nghiệm hay xét nghiệm tại hiện trường) hoặc phân tích tự động (sử dụng máy phân tích quy trình). Tất cả các phương pháp được sử dụng đều dựa trên nguyên lý đo lượng iot hóa. Cả Chloramine hữu cơ và vô cơ đều sẽ oxy hóa iot- I- ( có trong thuốc thử) thành ion I3- theo phản ứng sau:
NH2Cl (monochloramine) + 3I- + H2O + H+ → NH4OH + Cl- + I3- (tri-iodide)
OrgNH-Cl (organic chloramines) +3I- + H+ → OrgNH2 (organic amine) + Cl- + I3-
Sản phẩm oxy hóa sinh ra là ion tri-iodide có thể xác định trực tiếp bằng phương pháp so màu (sử dụng phép so màu DPD), phương pháp điện hóa ( sử dụng chuẩn độ điện hóa) hay bằng chuẩn độ trực tiếp ( với thuốc thử thiosulfate). Các phương pháp iot hóa hiện đang sử dụng để kiểm soát lượng dư thì không xác định riêng biệt được chất diệt khuẩn ưu tiên, monochloramine.
Trong nước thải được xử lý với chlorine, sự hiện diện của các hợp chất nito hữu cơ, mangan và nitrit sẽ làm tăng thêm việc duy trì lượng chất diệt khuẩn dư, do đó có thể làm vượt mức hiệu quả diệt khuẩn ước tính. Đối với nước cấp xử lý với quá trình chloramines hóa, các phương pháp để duy trì lượng dư truyền thống không cung cấp đủ thông tin để nắm bắt được diễn tiến của quá trình tại các điểm ngắt. Nếu kết quả thu nhận được là 3.0 mg/L thì người vận hành không thể biết monochloramine đang ở mức nào, hỗn hợp các chloramines, hay chlorine tự do tồn tại hay không (xem Hình 1)
Gần đây, cách xác định dựa vào ORP trở nên phổ biến trong kiểm soát khử khuẩn nước thải. ORP được dựa trên nguyên lý điện thế oxy hóa có được từ lượng tồn dư để tiêu diệt vi khuẩn, không phải dựa vào nồng độ của chúng. Trong thực tế, giá trị ORP cài đặt ( đơn vị đo là mV) được duy trì qua một controller ORP. Như mô tả trong hình 2, ORP có thể phân rõ cho biết điện thế khác nhau giữa các dung dịch chỉ có monochloramine, dichloramine và các chloramines hữu cơ ở các mức thường thấy trong đầu ra nước thải xử lý có bổ sung chlorine. Do đó, khi kiểm soát lượng dư, các chloramines hữu cơ cũng sẽ được nhận biết thông qua giá trị ORP.
Phương pháp phân tích dành riêng cho Monochloramine vô cơ
Các nhà hóa học của Hach đã nghiên cứu phát triển một phương pháp nhận diện riêng biệt monochloramine có trong nước. Phương pháp này cơ bản dựa vào chất indophenol cổ điển dùng nhận biết ammonia. Chất này được cải tiến để tăng tính đặc biệt của phương pháp trong của các xác định các monochloramine vô cơ với sự có mặt của các chloramines hữu cơ. Ngoài ra, phương pháp cũng được nghiên cứu thêm để có thể tăng thời gian phát triển màu và tăng độ chính xác của thí nghiệm. Phương pháp mới có hai mức đo 0 – 4.00 mg/L Cl2, dùng trong nước cấp được kiểm soát bằng quá trình chloramines hóa và thang đo cao hơn 0 – 10.0 mg/L Cl2, được ứng dụng cho kiểm soát nước thải có xử lý chlorine.
Đối với thang đo thấp hơn, thuốc thử dùng loại bột kết hợp (Monochlor F) với kết quả thu được trong vòng 4 phút. Đối với thang đo cao hơn, cần thêm một loại thuốc thử bổ sung được đóng gói trong ống TNT (Test ‘N Tube). Phương pháp mới này cho thấy việc xác định monochloramin không bị cản trở nếu có mặt các amin vô cơ và hữu cơ, dichloramines, chlorine tự do, chloramines hữu cơ, nitrit và mangan trong nước. Các dụng cụ cầm tay có thể thực hiện phân tích monochloramine dư ngay tại điểm lấy mẫu. Máy phân tích liên tục (APA6000 Ammonia/Monochloramine) điều khiển tự động quá trình chloramines hóa dựa vào các hóa chất được tăng cường.
Ứng dụng thực tế trong kiểm soát Monochloramine
Tại một quận có yêu cầu sử dụng nước khổng lồ ở phía bờ Tây nước Mỹ, nhà máy xử lý nước cấp đã sử dụng Monochlor F kiểm soát sự thay đổi của quá trình chloramines hóa để duy trì hiệu suất khử khuẩn nước uống và giới hạn lượng ammonia ra khỏi hệ thống sau khi xử lý. Việc thí nghiệm kép tại hiện trường giúp nhà máy duy trì được mức monochlorine thích hợp trong suốt hệ thống phân phối trong khi vẫn có thể giảm tối thiểu nguy cơ xảy ra quá trình nitrat hóa trên đường ống. Một nhà máy xử lý nước thải trong vùng phải tiếp nhận đến 80% tải lượng thải từ một nhà máy đóng gói thịt. Trong trường hợp này nhà máy sẽ gặp khó khăn trong việc đáp ứng yêu cầu xả thải chỉ tiêu fecal coliforms sau khi xử lý theo quy định, ngay cả khi việc phân tích chỉ thị cho thấy lượng chlorine dư trong dòng ra cuối cùng đạt yêu cầu. Một nghiên cứu quá trình chlorine hóa của nước đã xử lý cho thấy có chứa lượng chloramines hữu cơ tồn tại trong phân tích chlorine mỗi giờ. Hình 3 miêu tả sự khác biệt rõ rệt giữa các phương pháp sử dụng iot (DPD và chuẩn độ điện hóa) và kết quả với phương pháp Monochlor F tại các điểm ngắt trong quá trình. Thí nghiệm sử dụng Monochlor F cho biết riêng biệt chất khử khuẩn mạnh, monochloramine, không bị nhiễu bởi các chloramines hữu cơ hiện diện.
Kết luận
Khuynh hướng kiểm soát chloramines mới sử dụng hóa chất Monochlor F đem lại nhiều lợi ích cho việc khử khuẩn trong cả nước uống và nước thải. Nó cho phép các nhà vận hành xử lý nước uống tối ưu lượng monochloramine mà không để sinh ra lượng dichloramine không mong muốn. Phương pháp cho phép người vận hành quan trắc một cách chính xác quá trình chloramines hóa mà không bị ảnh hưởng bởi các chất gây nhiễu như chloramines hữu cơ, nitrit hay mangan. Nhờ vào việc kiểm soát này mà các nhà máy cũng sẽ đáp ứng các yêu cầu mức vi sinh giới hạn. Nó cũng hỗ trợ các thiết bị xử lý trong việc kiểm soát lượng chlorine và ammonia bổ sung để tiết kiệm chi phí.
