Bài giảng các xét nghiệm nước thải

MỤC TIÊU: Sau khi học xong bài này, sinh viên có khả năng: 1. Trình bày được các chỉ số cơ bản để đánh giá chất lượng một mẫu nước thải 2. Thao tác được cách lấy mẫu nước để xét nghiệm nước thải 3. Trình bày được nguyên tắc định lượng và xét nghiệm được các chỉ số DO, BOD trong mẫu nước thải 4. Nhận định kết quả xét nghiệm và đánh giá được chất lượng mẫu nước thải. NỘI DUNG 1. Các chỉ số cơ bản để đánh giá chất lượng nước thải: Oxy hoà tan trong nước DO (Disolve oxygen) DO là lượng oxy hoà tan trong nước cần thiết cho sự hô hấp của các sinh vật trong nước và quá trình tự làm sạch của nguồn nước. DO được tạo ra từ sự hoà tan oxy trong khí quyển và quang hợp của tảo. Nồng độ DO trong nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố như nhiệt độ, áp suất khí quyển, tốc độ dòng chảy và đặc biệt là sự có mặt của các chất hữu cơ và các vi sinh vật trong nước. DO là chỉ số quan trọng để đánh giá sự ô nhiễm nước. Nhu cầu oxy sinh hoá BOD (Biochemical Oxygen Demand) BOD là lượng oxy cần thiết để vi sinh vật oxy hoá các chất hữu cơ. BOD biểu thị lượng các chất hữu cơ trong nước có thể phân huỷ bằng vi sinh vật. BOD cũng là thông số cơ bản để đánh giá mức độ ô nhiễm nguồn nước. Nhu cầu oxy hoá hoá học COD (Chemical Oxygen Demand) Là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hoá hoá học các hợp chất hữu cơ có trong nước. Đây là một phép đo lượng oxy tương đương của các chất hữu cơ có trong nước thải bị oxy hoá bởi một chất có khả năng oxy hoá mạnh như K2Cr2O7, Mn III. Chỉ số COD biểu thị cả lượng chất hữu cơ không thể oxy hoá bằng vi sinh vật, do đó giá trị COD bao giờ cũng cao hơn giá trị BOD. COD cũngnhư BOD là thông số cơ bản để đánh giá mức độ ô nhiễm nguồn nước. 2. Cách lấy mẫu để xét nghiệm nước thải 2.1. Dụng cụ lấy mẫu 2.1.1. Bình chứa mẫu. Yêu cầu phải chống được sự mất mát chất do hấp thụ, bay hơi và ô nhiễm bởi các chất lạ. Tuỳ theo các chất cần được xét nghiệm để chọn bình thích hợp. Hai loại bình được sử dụng là bình thuỷ tinh và bình nhựa PET. 2.1.2. Thiết bị lấy mẫu Dùng thiết bị thủ công, hoặc các thiết bị lấy mẫu tự động. Thiết bị lấy mẫu thủ công Thiết bị thủ công đơn giản nhất là xô, muôi, hoặc bình rộng miệng buộc vào một cái cán có độ dài thích hợp. Thể tích không được nhỏ hơn 100ml. Khi lấy mẫu thủ công dùng để chuẩn bị mẫu tổ hợp thì thể tích của xô, muôi, bình phải chính xác đến 5%. Lấy mẫu thủ công cũng có thể dùng bình Rettner hoặc Kemmerer, bình này là một ống có dung tích từ 13 lít và hai đầu đều có nắp, hoặc các thiết bị lấy mẫu khác có nguyên lý tương tự. Thiết bị lấy mẫu thủ công phải làm bằng vật liệu trơ, không gây ảnh hưởng đến phân tích sau này. Trước khi lấy mẫu, thiết bị phải được làm sạch bằng chất tẩy rửa và nước. Khi lấy mẫu, thiết bị lấy mẫu có thể được tráng bằng chính nước cần lấy ngay trước khi lấy mẫu để giảm khả năng gây ô nhiễm mẫu. Nếu lấy mẫu để phân tích các chất tẩy rửa thì phải tráng bình rất kỹ sau khi rửa. Chú ý không được tráng bình bằng nước cần lấy khi điều đó ảnh hưởng đến phân tích sau này. Thiết bị lấy mẫu tự động Nhiều thiết bị bán trên thị trường cho phép tự động lấy mẫu liên tục hoặc mẫu hàng loạt. Chúng thường dễ mang và có thể dùng lấy mẫu cho mọi loại nước thải. Thường có 2 loại lấy mẫu tự động: lấy mẫu theo thời gian và lấy mẫu theo dòng chảy, nhưng cũng có loại máy gộp cả 2 chức năng đó. 2.2. Cách lấy mẫu. 2.2.1. Lấy mẫu ở cống, rãnh và hố ga Địa điểm lấy mẫu được chọn cần phải đại diện cho dòng nước thải cần kiểm tra và mục tiêu nghiên cứu. Trước khi lấy mẫu cần dọn sạch địa điểm đã chọn để loại bỏ cặn, bùn, các lớp vi khuẩn ở trên thành. Chú ý bảo đảm những điều kiện kiện lấy mẫu đồng đều. Cần chọn địa điểm có dòng xoáy mạnh để đảm bảo pha trộn tốt vì các hệ thống nước thải thường được thiết kế chung cho cả nước thải, nước mưa, nước thải sinh hoạt. Nếu như không có điều kiện chảy rối thì tự tạo bằng cách thu hẹp dòng chảy bằng vách ngăn. Điểm lấy mẫu phải ở chỗ hạ lưu của chỗ thu hẹp và theo quy tắc phải cách chỗ thu hẹp ít nhất một khoảng 3 lần đường kính ống nước thải. Cần phải tuân theo quy tắc, điểm lấy mẫu phải nằm ở chiều sâu 13 dưới bề mặt nước. 2.2.2. Các trạm xử lý nước thải Khi chọn địa điểm lấy mẫu ở trạm xử lý nước thải, cần luôn ghi nhớ mục tiêu của chương trình lấy mẫu: Những mục tiêu điển hình là: Kiểm tra hiệu quả của trạm xử lý về tổng thể: Các mẫu cần lấy ở đầu vào chính và đầu ra chính. Kiểm tra hiệu quả xử lý của từng công đoạn hoặc một nhóm công đoạn: Các mẫu cần lấy ở đầu vào và đầu ra của bộ phận cần kiểm tra Khi lấy mẫu nước thải cần hết sức chú ý khắc phục hoặc giảm thiểu sự không đồng đều thường có mặt do các chất rắn lơ lửng gây ra. Sự phân tầng do nhiệt ở các dòng thải công nghiệp cũng thường thấy, và trong những trường hợp đó phải dùng các biện pháp tăng cường khuấy trộn dòng chảy trước khi lấy mẫu. 2.2.3. Lấy mẫu trên bề mặt nước Có khi cần lấy mẫu lớp nước trên bề mặt bằng cách hớt để thu thập thông tin về các chất nổi và nhũ hoá. Trường hợp này cần dùng bình miệng rộng. 2.3. Số mẫu và thời gian lấy mẫu Có nghĩa là số mẫu cần lấy, độ dài của chu kỳ lấy mẫu và thời điểm khi mẫu cần được lấy: 2.3.1. Số mẫu Phân tích nước thải dựa trên các mẫu lấy ở những khoảng thời gian đều đặn trong một chu kỳ nào đó (chu kỳ kiểm tra). Số mẫu cần lấy trong mỗi chu kỳ kiểm tra phải dựa trên cơ sở kỹ thuật thống kê. 2.3.2. Thời gian lấy mẫu: Nói chung khi lấy mẫu nước cống và nước thải, cần chú ý những nguyên nhân thay đổi chất lượng sau; Thay đổi hàng ngày (nghĩa thay đổi trong thời gian của ngày) Thay đổi giữa các ngày trong tuần lễ Thay đổi giữa các tuần lễ Thay đổi giữa các tháng và các mùa Xu hướng Từ đó xác định thời gian lấy mẫu. Ví dụ, nếu thay đổi hàng ngày và giữa các ngày không có hoặc rất nhỏ, thời gian lấy mẫu trong ngày hoặc ngày lấy mẫu trong tuần không quan trọng. Lấy mẫu có thể bất cứ thời gian nào trong ngày hoặc ngày nào trong tuần. Nhưng lấy mẫu để phát hiện xu hướng cần có kế hoạch thận trọng. Ví dụ khi phát hiện xu hướng trên cơ sở hàng tháng thì nên lấy mẫu ở cùng ngày trong tuần. Điều đó giúp loại được những thay đổi hàng ngày ra khỏi độ biến động của số liệu sẽ cho phép xác định xu hướng một cách chính xác hơn. 2.4. Bảo quản, vận chuyển và lưu giữ mẫu Phụ thuộc vào yêu cầu xét nghiệm của từng chỉ số. Mẫu phân tích trong ngày phải được bảo quản lạnh. Các loại khác có thể cho thêm hoá chất để bảo quản và lưu giữ mẫu. Bảo quản mẫu theo TCVN 5993. 2.5. An toàn lấy mẫu. Đảm bảo các quy tắc an toàn để tránh nguy cơ nhiễm bệnh do vi khuẩn gây bệnh và một số nguy cơ khác. 3. Xác định pH. Giá trị pH là một trong những yếu tố quan trọng nhất để xác định chất lượng nước về mặt hoá học. Việc xử lý nước thải luôn phải dựa vào giá trị pH để làm trung hoà, làm mềm nước, làm kết tủa, đông tụ, khử trùng và kiểm tra độ ăn mòn. Phương pháp xác định. Phương pháp điện thế: Dùng máy đo pH với điện cực thuỷ tinh 3.1. Nguyên tắc. Phương pháp điện thế xác định pH với điện cực pH dựa trên sự đo hiệu điện thế xuất hiện trên bề mặt phân cách màng điện cực và dung dịch. Dùng điện cực pH có thể đo chính xác nồng độ ion H+, loại bỏ những hạn chế mà phương pháp đo màu không khắc phục được. Độ chính xác của phương pháp phụ thuộc vào chất lượng của điện cực pH và độ chính xác của máy đo pH. Các kết quả xác định còn phụ thuộc vào nhiệt độ của dung dịch. Các máy đo pH hiện nay phần lớn có bộ phận hiệu chỉnh đưa nhiệt độ của dung dịch về 20OC. Khi đo dung dịch có pH >10 không nên dùng điện cực thuỷ tinh mà phải dùng loại điện cực khác. Trên thị trường hiện nay có bán một số loại máy đo pH với khoảng thang đo rộng (014). 3.2. Dụng cụ và hoá chất Máy đo pH với điện cực pH Các dung dịch đệm: Thường dùng các dung dịch đệm bán sẵn kèm theo máy như các loại đệm có pH = 4.01, pH = 7.00. Tuy nhiên cũng cần chuẩn bị sẵn một số dung dịch đệm để dùng khi cần thiết. Dung dịch đệm có pH = 4.00: Hoà tan 10.211 g Kali hydrophtalat (KHC8H4O4) tinh khiết (đã được sấy ở 1100C và để nguội trong bình hút ẩm) trong nước cất mới đun sôi. Để nguội đến 200C thêm nước cất vừa đủ 1000ml. Dung dịch có pH = 6.88: Hoà tan 3,40g KH2PO4 và 3.55g Na2HPO4 tinh khiết (đã được sấy ở 1100C và để nguội trong bình hút ẩm) trong nước cất mới đun sôi. Để nguội đến 200C thêm nước cất vừa đủ 1000ml. 3.3. Tiến hành xác định. Chuẩn hoá máy: Bật máy, để ổn định. Rửa sạch điện cực bằng bình tia nước cất, dùng giấy mềm thấm nhẹ đầu điện cực. Sau đó dùng các dung dịch đệm có pH biết trước để chuẩn hoá máy theo hướng dẫn sử dụng máy. Sau khi chuẩn hoá máy, rửa sạch lại điện cực và tiến hành đo. Đo mẫu: Cho dung dịch mẫu cần đo vào cốc, nhúng ngập khoảng 13 bầu thuỷ tinh của điện cực. Dung dịch mẫu phải có cùng nhiệt độ với dung dịch đệm lúc chuẩn hoá máy. Bật máy, lắc nhẹ mẫu nước hoặc dùng máy khuấy từ. Máy sẽ tự động dừng khi kết quả ổn định. Đọc trị số pH. 4. Định lượng oxy hòa tan trong nước (OD) 4.1. Nguyên tắc. Thêm dung dịch kiềm chứa Iodua và MnCl2 vào mẫu nước sẽ thu được kết tủa trắng Mangan Hydroxit. Kết tủa này lập tức bị oxy hoà tan trong nước oxy hoá thành hợp chất Mangan có mức oxy hoá cao hơn màu nâu. Trong môi trường axit, hợp chất này có khả năng oxy hoá Iodua để tạo ra Iode. Iode sinh ra được chuẩn độ bằng dung dịch Natri thiosunfat chuẩn. Từ đó tính được hàm lượng Oxy hoà tan trong mẫu nước. 4.2. Các yếu tố cản trở và cách khắc phục: Nếu mẫu nước chứa nhiều chất lơ lửng, cần phải loại bỏ bằng nhôm hiđroxit trước khi cố định oxi. Cách làm như sau: Dùng xi phông lấy mẫu nước đầy vào chai nút mài nhám dung tích 1 lít. Dùng pipet thêm vào chai 10ml dung dịch muối kép nhôm KAl (SO4).12.H2O 10% và 2 ml amoniac NH3 đậm đặc. Đậy chai không có bọt khí. Lắc lộn chai khoảng 1phút rồi để lắng trong ở nơi xa nguồn nhiệt và không có ánh sáng mặt trời rọi trực tiếp. Sau khoảng 10 phút dùng xi phông chuyển phần nước bên trên kết tủa vào đầy cổ chai cố định oxi. Nồng độ Fe (III) lớn hơn 1mgl có ảnh hưởng đến phép xác định. Ảnh hưởng cản trở của Fe (III) được loại trừ bằng cách thêm 1ml dung dịch Kali florua KF 40% vào mẫu đã cố định oxi trước khi acid hoá. Sau khi acid hoá mẫu cần chuẩn độ nhanh hỗn hợp. Nitrit khi nồng độ lớn hơn 0,05 mgl ngăn cản phép xác định. Khắc phục ảnh hưởng cản trở của nitrit bằng cách thêm vào chai mẫu đã cố định oxi trước khi acid hoá vài giọt dung dịch natri nitrua NaN3 5%. Loại bỏ ảnh hưởng cản trở của các chất khử như H2S, Fe(II) ... bằng Natri hypoclorit trước khi thêm các thuốc thử để cố định oxi. 4.3. Dụng cụ và thuốc thử 4.3.1. Dụng cụ: Chai thuỷ tinh nút mài, dung tích 100300 ml, cần xhính xác đến 0,1ml Pipet chia độ các loại 4.3.2. Thuốc thử Các thuốc thử phải được pha chế từ các loại hoá chất tinh khiết và nước cất hai lần. Các dung dịch cố định oxi: Dung dịch A: Hoà tan 425 g MnCl2. 4H2O trong một lít nước. Dung dịch B: Hoà tan 150 g KI trong 200 ml nước. Hoà tan 500g NaOH trong 500ml nước. Trộn lẫn 2 dung dịch thu được rồi pha loãng thành 1 lít. Dung dịch HCl 2:1. Dung dịch hồ tinh bột 0,5%. Pha chế hàng ngày để sử dụng. Dung dịch K2Cr2O7 dung dịch 0,02N. Dung dịch Natri thisunfat Na2S2O3 dung dịch 0,02N. 4.4. Cách lấy mẫu. Mẫu lấy để xác định Oxy hoà tan phải đại diện cho môi trường nước cần nghiên cứu, không được sục bọt khí. Cần phân tích ngay sau khi lấy mẫu. Nếu không có điều kiện phân tích ngay phải thực hiện tại chỗ bước cố định Oxy. 4.5. Cách tiến hành. 4.5.1. Cố định oxi Dùng xi phông chuyển nước mẫu vào đầy chai cố định oxi sao cho tránh sục bọt, đầu xi phông để sát đáy chai, trong khi chai đầy dần thì từ từ rút lên và tiếp tục cho chảy tràn khoảng 100ml. Dùng pipet thêm vào chai 1ml dung dịch A. Dùng pipet khác thêm vào chai 1 ml dung dịch B. Đậy nút sao cho không có bọt khí. Lắc lộn chai nhiều lần rồi để yên cho kết tủa lắng xuống. Bảo quản chai trong chỗ mát và tối cho đến khi phân tích tiếp. 4.5.2. Thêm 5 ml dung dịch HCl 2:1. Phần chất lỏng trong suốt bên trên tràn ra ngoài không ảnh hưởng đến kết quả phân tích. Đậy nút chai vào lắc lộn vòng chai nhiều lần cho đến khi hoà tan hết kết tủa. Chuyển toàn bộ dung dịch trong chai vào bình nón dung tích 500 ml, tráng chai bằng một ít nước cất rồi tập trung cả vào bình nón. Chuẩn độ bằng dung dịch Natri thiosunfat tới màu vàng nhạt. Thêm 1ml hồ tinh bột và tiếp tục chuẩn độ đến mất màu. Có thể lấy chính xác 50 ml dung dịch đã acid hoá trong chai chuyển vào bình nón dung tích 250ml để chuẩn độ. Các thủ tục chuẩn độ tương tự như trên.