Tài liệu Các thông số đánh giá chất lượng nước

Các thông số đánh giá chất

lượng nước

1

Các chỉ tiêu điều khiển

Các chỉ tiêu quan trọng ảnh hưởng

đến các chỉ tiêu chất lượng nước

khác bao gồm:

– pH

– Thế oxi hóa – khử (pE)

– Độ acid - Độ kiềm

– Nhiệt độ

– Tổng chất rắn hòa tan hoặc độ dẫn điện

Các chỉ tiêu khác

• DO (Dissolved Oxygen) - Oxy hòa tan

• BOD (Biological Oxygen Demand) - Nhu cầu oxi sinh

hóa

• COD (Chemical Oxygen Demand) - Nhu cầu oxi hóa

học

• Nitơ: Amonia (NH₃), Nitrite (NO₂^-) và Nitrate (NO₃^-)

• Sulfide

• Phosphorus

• Kim loại

• Độ cứng

pH

• pH: là chỉ số biểu diễn nồng độ của ion hydro

• Cấp nước: pH ảnh hưởng đến

– Qt keo tụ hóa học

– Qt khử trùng

– Làm mềm, kiểm soát tính ăn mòn của nước

• Xử lý nước thải

– pH tối ưu cho qt xử lý sinh học

– Qt keo tụ nước thải

– Làm khô bùn, qt OXH

Đo hoạt độ ion hydro

• Thiết bị: điện cực hydro

H₂O → H⁺+ OH^-

• Hằng số phân ly

[H ⁺][OH ⁻]

K =

[H₂O]

• Do [H₂O] rất lớn và giảm rất ít do bị phân ly

→ K_n= [H⁺][OH^-]

• Đối với nước tinh khiết, ở 20⁰C thì

[H⁺][OH^-] =10^-14

pH

• pH thấp (acid)

– Kim loại có khuynh hướng hòa tan

– Cyanide và sulfide thì độc hơn cho cá

– Ammonia ít độc hơn cho cá

•

pH cao (base)

– KL có khuynh hướng kết tủa dưới dạng hydroxides

và oxides. Tuy nhiên, nếu pH trở nên quá cao,

một số kết tủa bắt đầu hòa tan trở lại do sự hình

thành của các hydroxyde complexes

– Cyanide và sulfide thì độc hơn cho cá

– Ammonia ít độc hơn cho cá

Độ hòa tan của một số KL kết tủa dạng hydroxides theo pH

pH (tt)

HCN

(độc)

H₂S

(độc)

NH₄⁺

↔

H⁺+ CN^-

(ít độc)

2H⁺+ S^2-

(ít độc)

NH₃+ H⁺

(NH₃+ H₂O ↔ NH₄⁺+ OH^-)

(ít độc)

(độc)

pH thấp

pH cao

pH (tt)

• Nước sông tự nhiên không ô nhiễm:

pH = 6.5 - 8.5

• Nước ngầm tự nhiên không ô nhiễm:

pH = 6.0 - 8.5

• Nước mưa sạch: pH ~ 5.7 do CO₂hòa tan

• Mưa acid: pH ≤ 2

• Nước cấp: pH = 6 - 9

Độ acid – Độ kiềm: Xem bài Hóa học môi

trường nước

Nhiệt độ

Ảnh hưởng của nhiệt độ

• Độ hòa tan của khí

• Phân hủy sinh học của các chất hữu cơ trong

nước và bùn lắng tăng khi nhiệt độ tăng Æ

tiêu thụ nhiều DO hơn

• Hoạt động trao đổi chất của cá và thực vật

phụ thuộc vào nhiệt độ

Nhiệt độ (tt)

• Cân bằng của phản ứng hóa học phụ thuộc

vào nhiệt độ

Pt Arrhenius:

E_a

k = Ae⁻

RT

• E_a: Năng lượng hoạt hóa

• R: Hằng số khí

• T: nhiệt độ

• A : Hằng số

• Giá trị A và E_aphụ thuộc vào từng phản ứng riêng biệt

• VD: Cân bằng của phản ứng phân ly HCN,

+

H₂S, NH₄→ thay đổi với nhiệt độ → độc tính

thay đổi

Hàm lượng chất rắn trong nước

Mẫu

TDS

TSS

TS = TVS + TFS

TVS = VSS + VDS

TFS = FSS + FDS

TSS = VSS + FSS

TDS = VDS + FDS

VSS

FSS

VDS

TFS

FDS

TVS

TS

Hàm lượng chất rắn trong nước (tt)

•

TSS (Total Suspended Solid)

: Tổng chất rắn lơ lửng

VSS (Volatile Suspended Solid) : Chất rắn lơ lửng bay hơi

FSS (Fixed Suspended Solid) : Chất rắn lơ lửng không bay hơi

TDS (Total Dissolved Solid)

: Tổng chất rắn hòa tan

VDS (Volatile Dissolved Solid) : Chất rắn hòa tan bay hơi

FDS (Fixed Dissolved Solid)

TFS (Total Fixed Solid)

TVS (Total Volatile Solid)

TS (Total Solid)

: Chất rắn hòa tan không bay hơi

: Tổng chất rắn không bay hơi

: Tổng chất rắn bay hơi

: Tổng chất rắn

Hàm lượng chất rắn trong nước (tt)

• Tổng lượng chất rắn (TS)

– Là trọng lượng khô (mg) của phần còn lại sau khi cho bay

hơi mẫu, sấy khô ở 103⁰C đến khối lượng không đổi

• Tổng chất rắn lơ lửng (TSS)

– Lọc mẫu, sấy khô phần trên giấy lọc đến khối lượng không

đổi ở 103 – 105⁰C

• Tổng chất rắn hòa tan (TDS) = TS – TSS

• Hàm lượng chất rắn bay hơi (VSS)

– Là trọng lượng mất đi sau khi nung

• Chất rắn lơ lửng không bay hơi (FSS)

FSS = TSS - VSS

Tổng chất rắn lơ lửng (TSS)

& Tổng chất rắn hòa tan (TDS)

• Gọi là chất rắn có thể lọc được

• Gồm: chất hữu cơ, khoáng chất, oxit kim loại,

sulfides, tảo, vi khuẩn,…

• TSS góp phần vào độ đục của nước, giảm lượng ánh

sáng truyền qua cần thiết cho quang hợp, giảm mỹ

quan của nước

• Có thể loại bỏ bằng keo tụ tạo bông, lọc

• Gọi là chất rắn không thể lọc

• Gồm: muốn carbonat, bicarbonat, chloride,

sulfate, phosphate và nitrate

• Có thể loại bỏ bằng pp trao đổi ion, kết tủa, lọc

ngược

TDS và độ mặn

• Đều chỉ thị các muối hòa tan.

• Bảng so sánh định lượng giữa 2 đại lượng

TDS (mg/L)

1.000-3.000

3.000-10.000

10.000-35.000

>35.000

Độ mặn

Ít mặn

Mặn trung bình

Rất mặn

Nước biển

TDS và độ dẫn điện riêng (ĐDĐR)

• Đơn vị của ĐDĐR: µSiemens/cm (µS/cm)

• TDS có thể xác định từ ĐDĐR

– Nước biển (NaCl)

TDS(mg/L) ≅ 0.5 × ĐDĐR(µS/cm)

– Nước ngầm (Carbonate và sulfate)

TDS (mg/L) ≅ (0.55 → 0.7)× ĐDĐR(µS/cm)

• Nếu tỷ lệ (TDS/ ĐDĐR) không đổi, phân tích TDS

(phức tạp) có thể được thay thế bằng đo độ dẫn điện

riêng (đơn giản)

Các thông số chất lượng

nước quan trọng khác

DO. BOD, COD, …

18

Oxi hòa tan - DO (Dissolved Oxygen)

DO và chất lượng nước

Chất lượng nước

Tốt

DO (mg/L)

> 8.0

Hơi ô nhiễm

6.5-8.0

4.5-6.5

4.0-4.5

< 4.0

Ô nhiễm trung bình

Ô nhiễm nặng

Ô nhiễm rất nặng

Lưu ý

Nồng độ oxi hòa tan bão hòa trong nước theo t⁰

0^oC : 14.7 mg/L,

25^oC : 8.3 mg/L

35^oC : 7.0 mg/L

DO (tt)

• Giá trị DO phụ thuộc vào

– Quá trình quang hợp của các loài thủy sinh

– Sự chuyển hóa oxi khí quyển thông qua bề mặt

nước

– Nhiệt độ

– Độ mặn

– Áp suất riêng phần trên bề mặt nước

– Sự khuấy trộn trên bề mặt nước

Ý nghĩa môi trường của DO

• DO → xem sự thay đổi sinh học được thực

hiện bằng sinh vật hiếu khí hay kị khí

• Đo DO → duy trì đk tăng trưởng và sinh sản

của sinh vật thủy sinh

• Đo DO → xác định BOD

• Các công trình xử lý hiếu khí: đo DO

– Cung cấp đủ lượng không khí (kiểm soát tốc độ

thổi khí,…)

– Tránh sử dụng quá mức kk và năng lượng

• Oxy hòa tan → ăn mòn thiết bị

Xác định DO (pp Winker)

Nguyên tắc

Dựa trên sự OXH Mn²⁺→ Mn⁴⁺do oxy hòa tan trong

nước

Phương pháp Winker: Dùng MnSO₄trong dd NaOH+NaI

– Không có oxy

Mn²⁺+ 2OH^-→ Mn(OH)₂↓trắng

– Có oxy

(1)

(2)

Mn²⁺+ 2OH^-+ 1/2 O₂→ MnO₂↓nâu + H₂O

Mn⁴⁺có khả năng khử I^-thành I₂tự do trong môi

trường axit

MnO₂+ 2I^-+ 4H⁺→ Mn²⁺+ I₂+ 2H₂O

2Na₂S₂O₃+ I₂→ Na₂S₄O₆+ 2NaI

(3)

(4)

Chất chỉ thị: tinh bột

Xác định DO (tt)

A.N.8000

DO(mg /l) =

V₁−V

Trong đó:

V₁

V

: thể tích chai chứa mẫu (ml)

: thể tích của MnSO₄và của KI (ml)

: thể tích dung dịch chuẩn độ (Na₂S₂O₃) (ml)

: nồng độ đương lượng của dd chuẩn độ (N)

A

N

8000 : Hệ số chuyển đổi kết quả sang mg O₂/l

•

Yếu tố ảnh hưởng:

-

- Nitrit (NO₂): loại bỏ bằng Natri azide

- Các chất lơ lửng và màu: loại bỏ bằng cách lọc

Xác định DO – ví dụ 1

• Để xác định chỉ số DO của nước hồ theo pp

Winker, người ta lấy 100ml nước cho vào

bình BOD, thêm vào 1ml dd MnSO₄và 1ml dd

KI. Cho thêm 1ml dd H₂SO_4đđđể hòa tan

hoàn toàn kết tủa, cho thêm vài giọt tinh bột.

Tiến hành chuẩn độ bằng dd Na₂S₂O₃0,01N

đến hết màu xanh.

• Tính thể tích dd Na₂S₂O₃0,01N đã dùng. Biết

DO = 4mg/l.

Xác định DO – ví dụ 2

• Sử dụng pp Winker để xác định giá trị DO của

nước hồ có chiều dài 1000m, chiều rộng

1000m và chiều sâu 2m, người ta lấy 200ml

nước hồ đó vào bình BOD. Cho thêm vào 2ml

dd MnSO₄và 2ml dd KI. Cho thêm 2ml H₂SO₄

đặc để hòa tan hoàn toàn kết tủa tạo thành.

Sau đó chuẩn độ bằng dung dịch Na₂S₂O₃

0,025N hết 2,9ml với chất chỉ thị là hồ tinh

bột đến hết màu xanh.

– Tính chỉ số DO của nước hồ trên

– Muốn tăng chỉ số DO của nước hồ lên 6mg/l, cần

phải sục thêm bao nhiêu kg Oxi vào nước hồ đó?

Nhu cầu oxi sinh hóa - BOD

• BOD: là lượng oxy cần thiết để VSV OXH các chất hữu

cơ có khả năng phân hủy sinh học trong đk hiếu khí

• BOD → đánh giá mức độ ô nhiễm

→ khả năng tự làm sạch của nguồn nước

Chú ý khi xác định BOD

• Mẫu tránh tiếp xúc với kk

• Mẫu nước ô nhiễm nặng → pha loãng

• Điều kiện mt phải được duy trì thích hợp (pH, t⁰, loại

bỏ các chất độc hại,…)

• Bổ sung dinh dưỡng: N, P,…

• ủ 5 ngày: loại trừ a/h qt OXH amonia do

BOD₅

Nitrosomonas và Nitrobacter

Động lực học của phản ứng BOD

dL

= k^'L

• Phản ứng bậc 1:

−

dt

¾

L: nồng độ CHC có khả năng OXH sinh học

t: thời gian phản ứng

k^’: hằng số tốc độ phản ứng

y = L₀(1−10^−kt)

• BOD tại thời điểm t:

lnC₁/C₂

• Xác định k:

k =

t₂−t₁

¾

C₁và C₂: giá trị DO tại thời điểm t₁và t₂

L₀: giá trị BOD tối đa/cực đại

Bản chất phản ứng BOD (tt)

Chất hữu cơ OXH

Chất hữu cơ còn lại

-dC/dt = k^’C

Thời gian (ngày)

Bản chất phản ứng BOD (tt)

(b)

• BOD₅: 70 –80% chất hữu cơ bị OXH

• GĐ 1: OXH các hợp chất Hydrocacbon

NOD

^{CxHy + (x + y/2) O}₂→ xCO₂+ y/2 H₂O

• GĐ 2: OXH các hợp chất Nitơ

(a)

Giá trị L

BOD₅

2NH₃+ 3O₂→ 2NO₂^-+ 2 H⁺+ 2H₂O

• DO₀– DO₅: là lượng oxy mà VSV sử

dụng để OXH các hợp chất hữu cơ

BOD₅= f x (DO₀– DO₅)

f: hệ số pha loãng

Thời gian (ngày)

Tính giá trị BOD

• BOD tổng (L) khác với BOD tính theo lý thuyết

C₆H₁₂O₆+ 6O₂→ 6CO₂+ 6H₂O

• OXH 1 mol glucose cần 192g O₂

• Nếu [C₆H₁₂O₆] = 300mg/L

¾

BOD_lt= 320mg/L

¾

BOD thực tế đo được = 250 – 285mg/L → không

phải tất cả glucose được chuyển thành CO₂và H₂O

• Một phần chất hữu cơ được chuyển vào mô tế

bào để duy trì sự sinh trưởng và phát triển

của VSV

Ứng dụng số liệu BOD

• Đánh giá tính chất nước thải sinh hoạt và

nước thải công nghiệp

• Chỉ tiêu duy nhất xác định lượng chất hữu cơ

có khả năng phân hủy sinh học

• Đánh giá khả năng tự làm sạch của nguồn

nước

• Cơ sở chọn pp xử lý

• Cơ sở xác định kích thước thiết bị xử lý và

hiệu quả xử lý

Tính giá trị BOD – ví dụ

• Khi 1l mẫu nước được lấy để phân tích chỉ số

BOD, 1 con côn trùng nặng 50mg tình cờ rớt

vào trong mẫu. Giá trị DO ban đầu là 7mg/l.

Giả sử:

– Công thức cấu tạo của côn trùng là CH₂O

– 15% khối lượng của côn trùng có khả năng phân

hủy sinh học

– VSV có trong mẫu sẽ chuyển hóa/phân hủy côn

trùng

• Nếu thí nghiệm được tiến hành sau khi côn

trùng được chuyển hóa hoàn toàn, giá trị DO

xác định được là bao nhiêu?

Giải

• Giá trị BOD là bao nhiêu?

Nhu cầu oxy hóa học - COD

• Là lượng oxy cần thiết để OXH các chất

hữu cơ thành CO₂và H₂O dưới tác dụng

của các chất OXH mạnh

• COD không cho biết phần chất hữu cơ

có/không có khả năng phân hủy sinh

học

• COD không cho biết tốc độ phân hủy

sinh học

• Ưu điểm chính của phân tích COD

– Nhanh (2,5 – 3 giờ)

COD (tt)

• COD > BOD

– Nhiều chất hữu cơ (lignin) khó bị OXH

sinh học nhưng có thể bị OXH hóa học

– Một số chất vô cơ có thể bị OXH bởi

dichromate ⇒ tăng COD

– Một số chất hữu cơ có tính độc đối với

VSV ⇒ ảnh hưởng đến giá trị BOD

• Xác định COD của dung dịch nước thải

gồm 250mL n-propanol 72mg/L và

50mL aceton 100mg/L

Giải

Xác định COD

Nguyên tắc

2-

• Hỗn hợp Cr₂O₇+ H₂SO₄sẽ phân hủy hầu hết

các chất hữu cơ thành CO₂và H₂O

C_xH_yO_z+ Cr₂O₇+ H⁺→ CO₂+ H₂O + Cr³⁺

2-

• Lượng Cr₂O₇dư được chuẩn độ bằng dd

muối Mohr (FeSO4.(NH₄)2SO₄.6H₂O)

Cr⁶⁺+ Fe²⁺→ Fe³⁺+ Cr³⁺

• Chất chỉ thị:dd ferroin

• Fe²⁺vừa dư → dung dịch có màu nâu đỏ

Xác định COD (tt)

(A− B).N.8000

COD =

V

• A : thể tích dd muối Mohr tiêu hao khi chuẩn

độ đối chứng (mẫu trắng) (ml)

• B : thể tích dd muối Mohr tiêu hao khi chuẩn

độ mẫu (ml)

• N : nồng độ đương lượng của muối Mohr khi

chuẩn độ mẫu

• 8000: hệ số chuyển đổi kết quả sang mg O₂/l

Xác định COD – ví dụ

• Để xác định chỉ số COD của nước thải từ nhà

máy X, người ta lấy 100ml nước cho vào bình

thí nghiệm. Thể tích dd muối Mohr 0,3N dùng

để chuẩn độ mẫu và mẫu trắng lần lượt là

20ml và 30ml.

• Xác định chỉ số COD của mẫu nước thải trên.

Hợp chất chứa Nitơ

Proteins

sp phân rã

h/c chứa

Nitơ

tự do

NH₃,

Muối amoni

NO₂^-

NO₃^-

Hợp chất chứa Nitơ (tt)

N

(mg/l)

N hữu cơ

N-Nitrat

N-amonia

N-Nitrit

Ngày