PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Khử trùng (disinfection) khác với tiệt trùng (sterilization), quá trình tiệt trùng sẽ tiêu diệt hoàn toàn các vi sinh vật còn quá trình khử trùng thì không tiêu diệt hết các vi sinh vật.

Quá trình khử trùng dùng để tiêu diệt các vi khuẩn, virus, amoeb gây ra các bệnh thương hàn, phó thương hàn, lỵ, dịch tả, sởi, viêm gan…

Các biện pháp khử trùng bao gồm sử dụng hóa chất, sử dụng các quá trình cơ lý, sử dụng các bức xạ. Trong phần này chúng ta chỉ bàn đến việc khử trùng bằng các hóa chất.
Các hóa chất thường sử dụng cho quá trình khử trùng là chlorine và các hợp chất của nó, bromine, ozone, phenol và các phenolic, cồn, kim loại nặng và các hợp chất của nó, xà bông và bột giặt, oxy già, các loại kiềm và axít.

2. So sánh hiệu quả khử trùng của các phương pháp

Phương pháp	Hiệu quả (%)
Lọc thô	0 ¸ 5
Lọc tinh	10 ¸ 20
Bể lắng cát	10 ¸ 25
Bể lắng sơ hoặc thứ cấp cơ học	25 ¸ 75
Bể lắng sơ hoặc thứ cấp có thêm hóa chất trợ lắng	40 ¸ 80
Bể lọc sinh học nhỏ giọt	90 ¸ 95
Bể bùn hoạt tính	90 ¸ 98
Chlorine hóa nước thải sau xử lý	98 ¸ 99

Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991

Cl2 hòa tan rất mạnh trong nước (7160 mg/L ở 20oC và 1 atm). Khi hòa tan trong nước nó tạo thành hypochlorous acide

Cl2 + H2O——> HOCl + H++ Cl-

Với hàm lượng Cl2 thấp hơn 1000 mg/L và pH > 3 phản ứng thủy phân trên diễn ra hoàn toàn. Hypochlorous acide sau đó bị ion hóa thành hypochlorite ion.

HOCL ——>OCl- + H+

HOCl và OCl- được coi là lượng chlor tự do hữu dụng. Các dạng khác như calcium hypochlorite cũng được sử dụng

Ca(OCl)2 Ca2+ + 2OCl-

Hypochlorous acide sẽ tác dụng với ammonia để tạo nên monochloroamine, dichloramine và nitrogen trichloride

NH4+ + HOCl NH2Cl + H2O + H+ NH2Cl + HOCl NHCl2 + H2O NHCl2 + HOCl NCl3 + H2O

Việc sinh ra các sản phẩm trên tùy thuộc vào pH, nhiệt độ, thời gian tiếp xúc và tỉ lệ ban đầu + giữa chlorine và ammonia (Cl2 : NH4 – N).+
Trong khoảng pH từ 7 8 và tỉ lệ Cl2 : NH4 -N = 5 : 1 tất cả chlorine tự do hữu dụng sẽ chuyển thành monochloramine trong vòng 1+ phút trở lại, nếu tỉ lệ Cl2 : NH4 – N lớn hơn 5 : 1 thì sẽ có một ít dichloramine được tạo nên.
Khi pH < 6, một lượng lớn nitrogen trichloride được tạo thành, đây là một chất khí có mùi hôi do đó cần quản lý tốt pH để tránh xảy ra trường hợp này. Chloramine được gọi là hợp chất chlor hữu dụng. Trong nước chloramine bị thủy phân yếu để tạo nên hypoclorous acide. Hiệu suất khử trùng của chloramine tùy thuộc vào lượng hypochlorous acide được tạo nên.
Khi cho chlorine vào nước thải có chứa các chất khử (H2S, NO2-, Fe2+, Mn2+…) amonia và các amine hữu cơ đường biểu diễn dư lượng chlorine sau các phản ứng được biểu diễn trong hình

3. Dư lượng chlorine trong quá trình sử dụng chlorine để khử trùng

Đầu tiên khi cho chlorine vào nước thải nó sẽ phản ứng hết với các chất khử do đó không có chlorine thừa (a – b):
H2S + Cl2 2HCl + S
Chlorine còn tác dụng với phenol tạo nên mono-, di- hoặc trichlorophenol tạo mùi và vị của nước. Nó còn tác dụng với mùn trong nước tạo thành các hợp chất chlor trong đó có chloroform CHCl3 là chất gây ung thư.
Cho tới liều lượng b nó đã thỏa mãn nhu cầu về chlor đối với các chất khử, do đó nếu tiếp tục cho thêm chlor vào nó sẽ tạo nên chloramine, chloramine tạo nên một phần dư lượng ở dạng hợp chất chlor hữu dụng. Khi tất cả ammonia và các amine hữu cơ trong nước thải phản ứng hết với chlorine (c) việc tiếp tục cho thêm chlorine vào sẽ tạo nên phản ứng oxy hóa chloramine quá trình này sẽ làm giảm dư lượng chlor (c – d) và tạo nên N2, NO3 và NCl3. Việc giảm dư lượng chlorine là kết quả của quá trình khử các nguyên tử chlorine đến mức oxy hóa thấp nhất (chloride).
Sau khi đã kết thúc quá trình oxy hóa các chloramine nếu tiếp tục cho chlor vào nước thải thì sẽ tạo nên dư lượng chlor tự do hữu dụng do đó đường biểu diễn từ điểm d sẽ đi lên. Điểm d được coi như là “điểm dừng” của đồ thị. Việc xác định điểm dừng để xác định liều lượng chlorine cần sử dụng cho quá trình xử lý ammonia và khử trùng nước thải (cần thiết phải có dư lượng chlor tự do hữu dụng để bảo đảm cho quá trình khử trùng). Tuy nhiên việc áp dụng điểm dừng để xác định liều lượng chlorine đòi hỏi kỹ thuật cao cho nên ít được ứng dụng.
Để đơn giản hóa vấn đề trong việc xử lý nước thải sinh hoạt người ta xác định dư lượng hợp chất chlor hữu dụng sau 15 phút tiếp xúc giữa nước thải và chlorine nếu đạt nồng độ 0,5 mg/L thì liều lượng chlorine sử dụng là đủ và người ta gọi đó là lượng chlorine cần thiết.
Để hoàn thành công đoạn xử lý nước thải bằng chlorine nước thải và dung dịch chlor (phân phối qua ống châm lổ, hoặc suốt chiếu ngang của bể trộn) được cho vào bể trộn trang bị một máy khuấy vận tốc cao, thời gian lưu tồn của nước thải và dung dịch chlorine trong bể trộn không ngắn hơn 30 giây. Sau đó nước thải đã trộn lẫn với dung dịch chlorine được cho chảy qua bể tiếp xúc được chia thành những kênh dài và hẹp theo đường gấp khúc.
Thời gian tiếp xúc giữa chlorine và nước thải từ 15 45 phút, ít nhất phải giữ được 15 phút ở tải đỉnh. Bể tiếp xúc chlorine thường được thiết kế theo kiểu plug-flow (ngoằn ngoèo). Tỉ lệ dài : rộng từ 10 : 1 đến 40 : 1. Vận tốc tối thiểu của nước thải phải từ 2 4,5 m/phút để tránh lắng bùn trong bể.