Vi sinh vật là những sinh vật đơn bào có kích thước nhỏ, không quan sát được bằng mắt thường mà phải sử dụng kính hiển vi. Thuật ngữ vi sinh vật không tương đương với bất kỳ đơn vị phân loại nào trong phân loại khoa học. Nó bao gồm cả virus, vi khuẩn, archaea, vi nấm, vi tảo, động vật nguyên sinh.v.v.

Tấm lắng lamen - đệm vi sinh - chụp lọc nước

---------------------------------

Vào bài

 

Giới thiệu

 

Khử trùng là gì?

 

Trước khi việc xử lý nước trở nên phổ biến, các loại dịch bệnh trong nước đã lây lan một cách nhanh chóng trong các cộng đồng dân cư, và đã giết hoặc gây bệnh cho hàng trăm ngàn người. Những căn bệnh này chủ yếu là do các vi sinh vật gây ra.

 

Mục đích chủ yếu của việc xử lý nước là để đảm bảo rằng nước cung cấp cho người dùng là an toàn và không chứa bất kỳ vi sinh vật gây bệnh nào. Cách tốt nhất để  đảm bảo nước uống không chứa vi sinh vật gây bệnh là ngăn chặn các vi sinh vật xâm nhập vào nước ngay tại mạch nước đầu nguồn. Tuy nhiên, việc này là rất khó khăn đối với nguồn nước mặt được cung cấp bởi một lưu vực đầu nguồn rộng lớn, vì vậy, hầu hết các nhà máy chọn việc loại bỏ hoặc diệt các vi sinh trong nước hơn là chọn cách bảo vệ lưu vực nước đầu nguồn.

 

Các vi sinh được loại bỏ ra khỏi nước thông qua quá trình hóa lý. Chúng ta nhớ trong các quá trình xử lý đã được thảo luận trước đây, quá trình lắng và lọc có thể loại bỏ hầu hết các vi khuẩn và vi sinh vật khác ra khỏi nước bằng phương tiện vật lý. Việc chứa và trữ nước cũng có thể diệt một phần các tác nhân gây bệnh trong nước.

 

Trong bài này, chúng ta tập trung vào việc khử trùng nước. Đây là quá trình tiêu diệt hoặc vô hiệu hóa các vi khuẩn gây bệnh trong nước một cách có chọn lọc, thông thường là bằng phương pháp hóa học. Khử trùng không giống với diệt trùng là tiêu diệt hoàn toàn tất cả các vi khuẩn tìm thấy trong nước, điều này rất tốn kém và không cần thiết. Khử trùng chỉ diệt các vi khuẩn có hại và các tác nhân gây bệnh trong nước, trong khi diệt trùng thì không.

 

Các yêu cầu xét nghiệm

 

Mục đích của việc khử trùng là để loại bỏ hoặc vô hiệu hóa tất cả các vi khuẩn gây bệnh trong nước. Tuy nhiên, việc xét nghiệm để tìm mỗi cá thể gây bệnh sẽ rất tốn kém và không hiệu quả. Thay vào đó, các nhà máy tập trung  vào ba chỉ số hiệu quả để loại bỏ tác nhân gây bệnh là:

 

• Hai chỉ số đầu tiên đã được đề cập trong các bài học trước là Giardia và các loại virus.
• Chỉ số thứ ba là tổng coliform, thường được sử dụng nhiều nhất để đánh giá hiệu quả khử trùng.

 

Vi khuẩn coliform  thường được tìm thấy trong ruột của các loại động vật máu nóng như con người nhưng cũng có thể tìm thấy trong cây cối, trong đất, trong nước và trong không khí. Tương đối đơn giản để xét nghiệm tìm ra số lượng vi khuẩn coliform trong nước, sự hiện diện của chúng đồng nghĩa với các loại vi khuẩn gây bệnh cũng hiện diện trong nước. Nếu khử trùng loại bỏ tất cả các coliform trong nước thì các nhà máy nước có thể yên tâm rằng các loại vi sinh vật gây bệnh cũng được loại bỏ.

 

Lưu ý rằng, tiêu chuẩn cho việc loại bỏ các Giardia và các loại virus lần lượt là 99.9% và 99.99%. Sau khử trùng, tiêu chuẩn cho tổng coliform trong nước phải bằng 0 cho mỗi một trăm milimet nước lấy mẫu. Nếu trong tháng, lấy mẫu ít hơn 40 lần để xét nghiệm thì chỉ cho phép không quá một mẫu là dương tính với vi khuẩn coliform. Nếu trong tháng lấy mẫu nhiều hơn 40 lần thì chỉ cho phép không quá 5% trong tổng số mẫu có dương tính với vi khuẩn coliform.

 

Khử trùng bằng clo

 

Khử trùng clo là việc cho clo vào nước để thực hiện một số mục đích nhất định. Trong bài này, chúng ta chỉ tập trung vào sử dụng clo cho mục đích khử trùng. Nhưng bạn cũng nên biết rằng clo cũng có thể được sử dụng cho việc kiểm soát mùi vị, loại bỏ sắt và mangan, và cả việc loại bỏ các khí như ammoniac và hydro sunfua trong nước.

 

Khử trùng clo, hiện nay là hình thức phổ biến nhất cho việc khử trùng trong ngành xử lý nước. Tuy nhiên, các hình thức khử trùng khác cũng nên được xem xét, các hình thức này sẽ được thảo luận trong phần cuối của bài này.

 

Tiền xử lý clo và xử lý clo cơ bản

 

Cũng giống như các qui trình xử lý nước khác, clo có thể được dùng cho việc tiền xử lý hoặc là xử lý cơ bản trong nước. Việc xử lý nước thường đề cập đến xử lý cơ bản hoặc kết hợp cả hai.

 

Tiền xử lý là việc châm thêm clo vào nước thô. Clo dư trong quá trình này cũng rất hữu ích trong các giai đoạn tiếp theo như hỗ trợ keo tụ, kiểm soát vấn đề tảo trong bể, làm giảm mùi và kiểm soát hình thành bóng bùn. Ngoài ra, tiền xử lý clo cho phép clo có nhiều thời gian tiếp xúc với nước ngay từ giai đoạn đầu của quá trình xử lý, làm tăng cường tính an toàn trong việc khử trùng nguồn nước bị ô nhiễm nặng.

 

Xử lý clo cơ bản là việc châm clo vào nước sau khi nước đã được xử lý nhưng trước khi nước được phân phối vào hệ thống. Ở giai đoạn này, clo có tác dụng để diệt các vi khuẩn gây bệnh và cung cấp clo dư vào hệ thống phân phối. Xử lý clo cơ bản gần như là việc bắt buộc trong việc xử lý nước, hoặc sử dụng kết hợp với tiền xử lý clo.

 

Mãi đến giữa những năm 1970, các nhà máy xử lý điển hình sử dụng cả tiền xử lý và xử lý clo cơ bản. Tuy nhiên, thời gian clo tiếp xúc dài cho phép clo phản ứng với các chất hữu cơ trong nước và sản sinh ra các chất gây ung thư được gọi là trihalomethanes. Kết quả của sự quan ngại về chất trihalomethanes, tiền xử lý clo trở nên ít phổ biến hơn ở Mỹ. Hiện nay, tiền xử lý clo chỉ được dùng trong các nhà máy nơi mà các trihalomethanes hình thành không phải là vấn đề.

 

Vị trí của khử trùng clo trong xử lý nước

 

Tiền xử lý clo bằng cách châm clo vào nước thô sau khi sàn lọc và trước khi vào bể trộn hóa chất. Ngược lại, xử lý clo cơ bản thường là ở giai đoạn cuối của quá trình xử lý. Sau khi nước qua bộ lọc, nước được châm thêm clo và được bơm vào silo với mục đích cho phép clo có đủ thời gian tiếp xúc để phản ứng. Từ silo này, nước được bơm vào bể chứa nước sạch lớn ngoài trời như hình ảnh bên dưới. Cuối cùng nước được cung cấp cho người tiêu dùng.

Phần 2: Phản ứng hóa học của clo

 

Giới thiệu

 

Khi clo được thêm vào nước, một loạt các quá trình hóa học diễn ra. Clo phản ứng với các hợp chất trong nước và với nước. Kết quả của những phản ứng này (được gọi là dư clo) là có thể giết chết các vi sinh vật trong nước. Trong các phần sau sẽ cho thấy các phản ứng hóa học xảy ra khi châm clo thêm vào nước.

 

Nhu cầu clo

 

Khi clo được cho vào nước, ngay lập tức nó phản ứng với các hợp chất được tìm thấy trong nước. Clo sẽ phản ứng với các hợp chất hữu cơ và hình thành trihalomethanes, và cũng sẽ phản ứng với các chất khử như hydrogen sulfide, các ion sắt, ion mangan, và các ion nitrit.

 

Hãy xem xét một ví dụ sau, trong đó clo phản ứng với hydrogen sulfide trong nước. Hai phản ứng khác nhau có thể xảy ra:

 

Hydro Sulfua + Clo + Oxygen Ion → Sulfur + Nước + Clo Ions

H₂S + Cl₂ + O^2- → S + H₂O + 2Cl^-

 

Hydro Sulfua + Clo + Nước → Acid Sulfuric + Acid Hydrochloric

H₂S + 4Cl₂ + 4 H₂O → H₂SO₄ + 8 HCl

 

Phản ứng đầu tiên, hydro sulfua phản ứng với clo và oxy để tạo ra lưu huỳnh, nước, và các ion clorua. Nguyên tố lưu huỳnh kết tủa ra khỏi nước và có thể gây ra mùi hôi. Phản ứng thứ hai là phản ứng hydro sulfua với clo và nước để tạo ra axit sulfuric và acid hydrochloric.

 

Mỗi phản ứng của clo trong nước sản xuất ra các ion clorua hoặc axit hydrochloric, điều này không có tính khử trùng. Tổng lượng clo được sử dụng để phản ứng với các hợp chất trong nước được gọi là nhu cầu clo. Do vậy , một số lượng đủ của clo phải được thêm vào nước để nhu cầu clo được đáp ứng các phản ứng và còn dư lại một số clo để tiêu diệt các vi sinh vật trong nước.

 

Phản ứng của khí Clo với nước

 

Cùng thời điểm đó, clo vừa phản ứng với hợp chất trong nước và vừa phản ứng với nước. Phản ứng này  phụ thuộc vào cách châm thêm clo vào nước cũng như độ pH trong nước.

 

Clo có thể được châm thêm vào nước ở dạng khí, hypoclorit, hoặc chlorine dioxide. Các loại clo này sẽ tiêu diệt vi khuẩn và một số virus, nhưng chỉ có chlorine dioxide có hiệu quả trong việc tiêu diệt Cryptosporidium, Giardia, protozoans và một số virus. Đầu tiên chúng ta sẽ xem xét khí clo, nó là hình thức tinh khiết nhất của clo, bao gồm hai nguyên tử clo bị ràng buộc với nhau.

 

Khí clo được nén thành chất lỏng và được lưu trữ trong các bình kim loại. Khí clo rất khó để xử lý vì nó là độc hại, nặng, ăn mòn và gây kích thích. Ở nồng độ cao, khí clo thậm chí có thể gây tử vong.

 

Khi khí clo được cho vào nước, phản ứng sau đây xảy ra:

 

Clo + Nước → Axit Hypochlorous  +  Axit Hydrochloric

Cl₂ + H₂O → HOCl + HCl

 

Clo phản ứng với nước và phân hủy thành axit hypochlorous và axit clohydric. Axit hypochlorous có thể bị phân hủy thêm tùy thuộc vào độ pH:

 

Acid Hypochlorous ↔ Hydrogen Ion + Hypochlorite Ion

HOCl ↔ H⁺ + OCl^-

 

Lưu ý: các mũi tên hai chiều có nghĩa là các phản ứng có thể đảo ngược. Axit hypochlorous acid có thể phá vỡ thành một ion hydro và ion hypoclorit, hoặc một ion hydro và ion hypoclorit có thể kết hợp với nhau để tạo thành axit hypochlorous.

 

Nồng độ axit hypochlorous và ion hypochlorite trong nước đã được khử trùng clo sẽ phụ thuộc vào độ pH của nước. Một pH cao sẽ tạo điều kiện hơn cho sự hình thành của các ion hypoclorit , và kết quả là axit hypochlorous có trong nước ít hơn. Đây là một phản ứng quan trọng vì axit hypochlorous là hình thức hiệu quả nhất của clo dư tự do, nghĩa là clo dư có sẵn trong nước để tiêu diệt các vi sinh vật. Ion hypoclorit thì có ít hiệu quả khử trùng. Vì vậy, để khử trùng hiệu quả thì hạ độ pH xuống thấp (với số lượng lớn axit hypochlorous trong nước), ngược lại với độ pH cao (với số lượng lớn của các ion hypoclorit trong nước) thì khử trùng ít hiệu quả.

 

Thuốc tẩy trùng

 

Thay vì sử dụng khí clo, một số nhà máy áp dụng châm clo vào nước bằng hypochlorite, còn được gọi là thuốc tẩy. Hypoclorit ít tinh khiết hơn khí clo, có nghĩa là chúng cũng ít nguy hiểm hơn. Tuy nhiên, chúng có những bất lợi lớn là chúng càng phân hủy mạnh theo thời gian trong bể chứa. Nhiệt độ, ánh sáng, năng lượng và vật chất có thể phá vỡ hypoclorit trước khi chúng kịp phản ứng với các tác nhân gây bệnh trong nước.

 

Có ba loại hypoclorit - Natri hypochlorite, canxi hypochlorite, và thuốc tẩy thương mại:

• Natri hypochlorite (NaOCl) là một dạng chất lỏng, trong đó có đến 12% clo.

• Canxi hypochlorite (Ca (OCl) 2), còn được gọi là HTH, là một chất rắn được pha trộn với nước để tạo thành một giải pháp hypochlorite. Canxi hypochlorite có chứa khoảng từ 65-70% clo.

• Thuốc tẩy thương mại là thuốc tẩy được mua trong một cửa hàng tạp hóa. Nồng độ thuốc tẩy thương mại thay đổi tùy theo thương hiệu – thuốc tẩy Chlorox có 5% là clo, trong khi một số thương hiệu khác là 3,5%.

 

Hypoclorit và chất tẩy cũng làm giống như khí clo. Chúng phản ứng với nước và tạo thành axit hypochlorous khử trùng. Phản ứng của natri hypochlorite và canxi hypochlorite trong nước được thể hiện dưới đây:

 

Canxi hypochlorite  + Nước → Axit Hypochlorous  + Calcium Hydroxide

Ca(OCl)₂ + 2 H₂O → 2 HOCl + Ca(OH)₂

 

Natri hypochlorite + Nước → Axit hypochlorous + Natri Hydroxide

NaOCl + H₂O → HOCl + NaOH

 

Nhìn chung, khử trùng sử dụng khí clo và hypoclorit xảy ra theo cách tương tự. Sự khác biệt nằm ở cách clo được đưa vào nước như thế nào, bảo quản và lưu trữ các hợp chất của clo. Ngoài ra, số lượng từng loại clo vào nước sẽ khác nhau vì mỗi hợp chất có nồng độ clo khác nhau.

 

Chloramines

 

Một số nhà máy lại sử dụng chloramines để khử trùng nước. Để sản xuất chloramines, đầu tiên khí clo hoặc hypochlorite được thêm vào nước để sản xuất axit hypochlorous. Sau đó, amoniac được thêm vào nước để phản ứng với axit hypochlorous và sản xuất ra chloramine.

 

Có ba loại chloramines có thể được hình thành trong nước - monochloramine, dichloramine và trichloramine. Monochloramine được hình thành từ phản ứng của axit hypochlorous với amoniac:

 

Ammoniac + Axit hypochlorous → Monochloramine + Water

NH₃ + HOCl → NH₂Cl + H₂O

 

Sau đó monochloramine có thể phản ứng thêm với axit hypochlorous để tạo thành một dichloramine:

 

Monochloramine + Hypochlorous Acid → Dichloramine + Water

NH₂Cl + HOCl → NHCl₂ + H₂O

 

Cuối cùng, dichloramine có thể phản ứng với axit hypochlorous để tạo thành một trichloramine:

 

Dichloramine + Hypochlorous Acid → Trichloramine + Water

NHCl₂ + HOCl → NCl₃ + H₂O

 

Số lượng các phản ứng này sẽ diễn ra trong bất kỳ tình huống cụ thể nào đều phụ thuộc vào độ pH của nước. Trong hầu hết các trường hợp, cả monochloramines và dichloramines đều được hình thành. Monochloramines và dichloramines cả hai có thể được sử dụng như chất khử trùng, được gọi là Clo dư kết hợp. Điều này trái ngược với dư clo tự do của axit hypochlorous được sử dụng trong các loại khử trùng clo khác.

 

Chloramines thì yếu hơn so với clo, nhưng ổn định hơn, vì vậy chúng thường được sử dụng như chất khử trùng trong đường ống phân phối trong hệ thống xử lý nước. Mặc dù ổn định, nhưng chloramines có thể bị phân hủy bởi vi khuẩn, nhiệt và ánh sáng. Chloramines có hiệu quả trong diệt khuẩn và một số protozoans, nhưng chúng lại không hiệu quả trong việc diệt vi rút.

 

Điểm cân bằng Clo

 

Biểu đồ dưới đây cho thấy những gì xảy ra khi cho clo (hoặc khí clo hoặc hypochlorite) vào nước. Đầu tiên (giữa các điểm 1 và 2), nước phản ứng với các hợp chất trong nước, chẳng hạn như hydrogen sulfide. Các hợp chất phản ứng hết với clo, không có clo dư.

 

Kế tiếp, giữa các điểm 2 và 3, clo phản ứng với chất hữu cơ và ammonia tự nhiên được tìm thấy trong nước. Clo dư kết hợp tạo thành chloramines. Lưu ý rằng nếu chloramines đã được sử dụng như tác nhân khử trùng thì cần nhiều amoniac hơn thêm vào nước để phản ứng hết với clo. Quá trình này dừng lại ở điểm 3. Sử dụng chloramine như là tác nhân khử trùng thì ít tạo thành trihalomethane hơn nhưng lại gặp vấn đề mùi vị.

 

Ngược lại, nếu axit hypochlorous được sử dụng như là dư clo, clo được thêm vào nước tại điểm 3. Giữa điểm 3 và 4, clo sẽ phá vỡ hầu hết các chloramines trong nước dẫn đến giảm clo dư.

 

Cuối cùng, nước đạt đến điểm dừng số 4. Điểm cân bằng mà tại đó nhu cầu clo đã được thỏa mãn hoàn toàn - clo đã phản ứng hết với các tác nhân làm giảm chất hữu cơ và amoniac trong nước. Khi clo được cho thêm vào sau điểm cân bằng clo thì clo tiếp tục phản ứng với nước và tạo thành axit hypochlorous tỷ lệ thuận với số lượng clo thêm. Quá trình này, được gọi là điểm cân bằng clo, là hình thức phổ biến nhất của clo được sử dụng để tạo ra clo dư trong nước.

 

Clo dioxide

Một hình thức khác của clo được sử dụng để khử trùng – đó là Chlorine dioxide. Chlorine dioxide (ClO2) là một hình thức rất hiệu quả vì nó diệt được protozoans, Cryptosporidium, Giardia và cả vi rút mà các hóa chất khác khác không làm được. Ngoài ra, chlorine dioxide sẽ oxy hóa tất cả các loại kim loại và các chất hữu cơ, chuyển đổi các chất hữu cơ thành carbon dioxide và nước. Chlorine dioxide có thể được sử dụng để loại bỏ các hợp chất sunfua và mùi hôi. Khi sử dụng chlorine dioxide, trihalomethanes không được hình thành và quá trình khử trùng bằng clo không bị ảnh hưởng bởi amoniac. Tuy nhiên, chlorine dioxide có hiệu quả khi nước có độ pH cao.

 

Vậy tại sao không dùng chlorine dioxide trong tất cả các hệ thống? Chlorine dioxide phải được tạo ra tại chổ và là một quá trình rất tốn kém đòi hỏi rất nhiều về chuyên môn kỹ thuật. Không giống như khí clo, chlorine dioxide là rất dễ cháy và phải cẩn thận khi xử lý chlorine dioxide.

---------------------------------------

Tấm lắng lamen - lamella