TÍNH TOÁN LIỀU LƯỢNG CLO TRONG KHỬ TRÙNG VÀ XỬ LÝ NƯỚC

1. Cơ chế hóa học của quá trình khử trùng

Khi clo hoặc hợp chất giải phóng clo được đưa vào nước, chúng tạo thành axit hypoclorơ và ion hypoclorit:

Trong đó:

• $HOCl$: axit hypoclorơ, thường được xem là dạng clo hoạt tính có hiệu lực khử trùng cao;

• $OC{l}^{-}$: ion hypoclorit, có khả năng khử trùng thấp hơn $HOCl$;

• $C{l}_2$: clo phân tử hòa tan trong nước.

Tỷ lệ giữa $HOCl$ và $OC{l}^{-}$ phụ thuộc chủ yếu vào pH và nhiệt độ của nước. Ở pH thấp hơn, cân bằng hóa học dịch chuyển theo hướng tạo $HOCl$. Khi pH tăng, lượng $OC{l}^{-}$ tăng lên và hiệu quả khử trùng thường giảm nếu các điều kiện khác không thay đổi.

Axit hypoclorơ có thể xuyên qua thành tế bào vi sinh vật và oxy hóa các nhóm chức quan trọng trong protein, enzyme, màng tế bào và vật chất di truyền. Quá trình này làm mất khả năng trao đổi chất, sinh trưởng và sinh sản của vi khuẩn, virus, nấm cũng như một số dạng vi sinh vật khác.

2. Ý nghĩa của pha clo

Trong hình, liều clo điển hình được minh họa là:

Tuy nhiên, về kỹ thuật xử lý nước, cần phân biệt rõ các khái niệm sau:

• Liều clo đưa vào, hay chlorine dose: tổng lượng clo được châm vào dòng nước;

• Nhu cầu clo, hay chlorine demand: lượng clo bị tiêu hao do phản ứng với chất hữu cơ, amoni, nitrit, sulfide, sắt, mangan và các chất khử khác;

• Clo dư, hay residual chlorine: lượng clo còn lại sau thời gian tiếp xúc;

• Clo dư tự do, hay free residual chlorine: chủ yếu gồm $HOCl$ và $OC{l}^{-}$;

• Clo dư kết hợp, hay combined residual chlorine: chủ yếu là các chloramine hình thành khi clo phản ứng với amoni hoặc các hợp chất chứa nitơ.

Quan hệ cân bằng cơ bản có thể biểu diễn như sau:

Vì vậy, không thể xác định liều châm chỉ dựa trên lưu lượng. Cần đánh giá thêm chất lượng nước, đặc biệt là COD, TOC, amoni, nitrit, sulfide, pH, độ đục và hàm lượng chất rắn lơ lửng.

3. Thời gian tiếp xúc và giá trị $CT$

Hình ảnh nêu thời gian tiếp xúc tối thiểu là khoảng 30 phút. Trong thực tế, hiệu quả khử trùng không phụ thuộc riêng vào nồng độ clo hoặc riêng vào thời gian, mà thường được đánh giá thông qua tích số:

Trong đó:

• $C$: nồng độ chất khử trùng còn lại, thường tính bằng mg/L;

• $t$: thời gian tiếp xúc hữu hiệu, tính bằng phút;

• $CT$: tích số nồng độ–thời gian, tính bằng mg·phút/L.

Ví dụ, nếu clo dư tự do là 1 mg/L và thời gian tiếp xúc hữu hiệu là 30 phút:

Tuy nhiên, thời gian tiếp xúc danh nghĩa của bể không phải lúc nào cũng là thời gian tiếp xúc thực tế. Hiện tượng dòng chảy tắt, ngắn mạch thủy lực, khuấy trộn không hoàn toàn và phân bố vận tốc không đồng đều có thể làm giảm thời gian tiếp xúc hữu hiệu. Do đó, thiết kế bể tiếp xúc cần quan tâm đến hệ số phân bố thủy lực, thể tích hữu ích, vách hướng dòng và điều kiện khuấy trộn.

4. Vai trò của pH

Hình ảnh chỉ ra khoảng pH hiệu quả 6,5–8,0. Đây là khoảng có ý nghĩa thực tiễn, nhưng hiệu suất khử trùng phải được đánh giá dựa trên tỷ phần $HOCl$, không chỉ dựa trên pH đơn lẻ.

Cân bằng phân ly của axit hypoclorơ được mô tả bởi:

Khi pH tăng, cân bằng chuyển dịch về phía $OC{l}^{-}$. Vì $HOCl$ có tính oxy hóa và khả năng xuyên màng tế bào mạnh hơn, hiệu quả khử trùng của cùng một nồng độ clo tổng có thể giảm khi pH tăng. Do đó, trong vận hành cần kiểm soát đồng thời:

• pH;

• nhiệt độ;

• clo dư tự do;

• thời gian tiếp xúc;

• độ đục;

• hàm lượng chất hữu cơ;

• amoni và nitrit.

Nếu nước có độ đục cao hoặc chứa nhiều chất rắn lơ lửng, vi sinh vật có thể được bảo vệ bên trong bông cặn. Vì vậy, khử trùng bằng clo nên được thực hiện sau các công đoạn keo tụ, tạo bông, lắng và lọc đạt yêu cầu.

5. Phân tích công thức tính liều

Hình ảnh sử dụng công thức:

Trong đó:

• $D$: khối lượng clo tương đương cần châm, tính bằng kg/ngày;

• $C$: nồng độ clo cần đạt, tính bằng mg/L;

• $Q$: lưu lượng nước, tính bằng m³/ngày.

Với:

ta có:

Kết quả 10 kg/ngày chỉ đúng trong trường hợp $1$ mg/L là liều clo hoạt tính hoặc clo tương đương cần bổ sung. Nếu sử dụng hóa chất thương mại có hàm lượng clo hữu hiệu khác nhau, phải hiệu chỉnh theo nồng độ hoạt chất.

Ví dụ, với một hóa chất chứa 70% clo hữu hiệu:

Do đó, cần phân biệt:

Đây là điểm đặc biệt quan trọng khi tính toán bơm định lượng, dung dịch pha hóa chất và chi phí vận hành.

6. Clo trong xử lý nước thải

Trong xử lý nước thải, clo có thể được sử dụng để:

• Khử vi sinh vật gây bệnh trước khi xả thải;

• Kiểm soát vi khuẩn dạng sợi trong một số hệ thống;

• Khử mùi do sulfide và các hợp chất có tính khử;

• Oxy hóa một phần amoni, nitrit, sắt và mangan;

• Hỗ trợ kiểm soát màng sinh học trong hệ thống phân phối hoặc tái sử dụng nước.

Tuy nhiên, việc châm clo vào nước thải có tải lượng hữu cơ cao thường làm tăng chlorine demand. Clo có thể phản ứng với các chất hữu cơ tự nhiên để hình thành sản phẩm phụ khử trùng, trong đó đáng chú ý là trihalomethane và các hợp chất hữu cơ chứa clo. Khi nước thải chứa amoni, clo có thể tạo chloramine:

Sau đó có thể hình thành dichloramine và trichloramine tùy thuộc vào tỷ lệ clo–nitơ, pH, nhiệt độ và thời gian phản ứng. Chloramine có khả năng khử trùng nhưng thường chậm hơn clo tự do, đồng thời có thể gây mùi và ảnh hưởng đến chất lượng nước tái sử dụng.

Vì vậy, trong nhiều hệ thống nước thải, sau khử trùng bằng clo cần bố trí công đoạn khử clo, thường sử dụng natri bisulfite, natri metabisulfite, sulfur dioxide hoặc than hoạt tính, tùy yêu cầu công nghệ.

7. Các yếu tố cần kiểm soát khi vận hành

Một hệ thống châm clo an toàn và ổn định cần kiểm soát theo nguyên tắc vận hành dựa trên dữ liệu đo thực tế:

1. Xác định liều clo ban đầu bằng thí nghiệm chlorine demand hoặc kiểm tra tại hiện trường.

2. Đo clo dư tự do tại đầu ra bể tiếp xúc và tại các điểm xa trong mạng lưới.

3. Theo dõi pH, nhiệt độ, độ đục, COD hoặc TOC, amoni và nitrit.

4. Hiệu chỉnh liều châm theo biến động lưu lượng và chất lượng nước.

5. Kiểm tra thời gian tiếp xúc hữu hiệu, không chỉ sử dụng thể tích bể chia cho lưu lượng.

6. Bảo đảm hóa chất được pha trộn đồng đều, tránh phân tầng nồng độ trong bể.

7. Kiểm soát nguy cơ ăn mòn đối với đường ống, bơm, van và thiết bị đo.

8. Thiết lập cảnh báo khi clo dư thấp, clo dư quá cao, mất tín hiệu lưu lượng hoặc sự cố bơm định lượng.

8. An toàn hóa chất

Clo khí, sodium hypochlorite và calcium hypochlorite đều là các hóa chất oxy hóa và phải được quản lý theo SDS, quy trình vận hành chuẩn và đánh giá rủi ro tại nơi làm việc.

Không được trộn hypochlorite với acid vì có thể giải phóng khí clo độc:

Cũng không nên để hypochlorite tiếp xúc với chất khử, vật liệu hữu cơ, amoni hoặc các hóa chất không tương thích. Khu vực lưu trữ và châm hóa chất cần có:

• Thông gió phù hợp;

• Khay hoặc bồn chứa sự cố tràn;

• Thiết bị bảo hộ cá nhân;

• Thiết bị rửa mắt và tắm khẩn cấp;

• Cảm biến hoặc cảnh báo rò rỉ clo đối với hệ thống sử dụng clo khí;

• Quy trình ứng phó sự cố và kế hoạch sơ tán.

Kết luận chuyên môn

Hình ảnh truyền tải đúng thông điệp rằng chlorination là một công đoạn cốt lõi để tạo ra nước an toàn về mặt vi sinh. Tuy nhiên, trong kỹ thuật môi trường, liều clo không thể được lựa chọn một cách cố định chỉ từ lưu lượng hoặc một giá trị clo dư mục tiêu. Thiết kế và vận hành phải dựa trên mối quan hệ giữa chlorine demand, clo dư, pH, nhiệt độ, thời gian tiếp xúc, giá trị $CT$, đặc tính thủy lực và nguy cơ hình thành sản phẩm phụ khử trùng.

Về mặt hóa học, mục tiêu không phải là châm càng nhiều clo càng tốt, mà là cung cấp đủ clo hoạt tính tại đúng điều kiện pH, thời gian và chất lượng nước, đồng thời hạn chế clo dư quá mức, chloramine, sản phẩm phụ hữu cơ chứa clo và tác động độc tính đối với nguồn tiếp nhận.