Đề tài Các phương pháp xử lý nước

A.KHÁI QUÁT VỀ NƯỚC & CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ I/ VAI TRÒ & TÁC DỤNG CỦA NƯỚC TRONG ĐỜI SỐNG & SẢN XUẤT THỰC PHẨM - Nước có vai trò quan trọng đối với sự sống. Nước chiếm 60%-80% cơ thể người & là hợp phần phong phú trong các thực phẩm ở trạng thái tự nhiên. diệp lục - Nước tham gia vào phản ứng quang hợp tạo nên các chất hữu cơ 6CO2 + 6H2O ® C6H12O6 + 6O2 - Trong cơ thể người & động vật nhờ nó mà các phản ứng thuỷ phân mới tiến hành được. - Nước là nguyên liệu cần thiết đối với công nghiệp hóa học & công nghiệp thực phẩm. Nước được dùng nhào rửa nguyên liệu, vận chuyển & xử lý nguyên liệu chế tạo sản phẩm & xử lý sản phẩm lần cuối. Nước còn dùng để liên kết các nguyên liệu & các chất trong sản phẩm. - Nước là thành phần cơ bản của một số sản phẩm như bia, nước giải khát.. - Nước tham gia vào phản ứng hóa học & trở thành phần của sản phẩm phản ứng điều chế acid SO3 + H2O ® H2SO4 phản ứng vôi tôi CaO + H2O ® Ca(OH)2 phản ứng điều chế rượu CH2 - CH2 + H2O ® C2H5OH - Nước làm tăng cường quá trình sinh học như hô hấp, nảy mầm, lên men… - Nước làm tăng chất lượng & tăng giá trị cảm quan của thực phẩm, các tính chất cảm quan như độ bóng, độ mịn, dai, dẻo & vẻ đẹp ở nhiều sản phẩm thực phẩm phụ thuộc vào sự có mặt của nước. II/ ĐẶC ĐIỂM, THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT CỦA NƯỚC NGẦM Nước cung cấp cho hoạt động của con người được khai thác chủ yếu từ hai nguồn chính: nước ngầm & nước mặt. Mỗi nguồn nước có đặc trưng về thành phần hóa học riêng. Nước ngầm thường được dùng như nguồn cung cấp chính cho các quá trình chế biến thực phẩm do nó có những đặc điểm sau: Nguồn nước ngầm ít chịu tác động của con người, chất lượng nước thường tốt hơn chất lượng nước bề mặt Trong nước ngầm không có các hạt keo hay các hạt cặn lơ lửng Chỉ tiêu vi sinh vật thấp hơn nước bề mặt Nước ngầm không chứa rong tảo (thứ dễ gây ô nhiễm nguồn nước) Bảng -Những điểm khác giữa nước ngầm & nước bề mặt Thông số Nước bề mặt Nước ngầm Nhiệt độ Thay đổi theo mùa Tương đối ổn định Hàm lượng chất rắn lơ lửng Thường cao & thay đổi theo mùa Thấp hoặc hầu như không thay đổi Chất khoáng hòa tan Thay đổi theo chất lượng nước mưa Ít thay đổi, cao hơn nước bề mặt ở cùng một vùng Hàm lượng sắt (Fe2+), mangan(Mn2+) Rất thấp trừ dưới đáy hồ Thường xuyên có Khí CO2 hòa tan Rất hấp hoặc gần bằng không Xuất hiện ở nồng độ cao Khí O2 hòa tan Thường gần bão hòa Thường không tồn tại Khí NH3 Xuất hiện ở nguồn nước nhiễm bẩn Thường có SiO2 Có ở nồng độ trung bình Thường có ở nồng độ cao Nitrat Thường thấp Thường ở nồng độ cao do phân bón hóa chất Các vi sinh vật Vi trùng (nhiều loại gây bệnh), virus các loại & tảo Các vi trùng do sắt gây ra thường xuất hiện III/CÁC THÔNG SỐ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC &TIÊU CHUẨN CHẤT LƯỢNG NƯỚC Các chỉ tiêu vật lý Độ đục Nước có độ đục cao làm cho khả năng truyền ánh sáng qua nước giảm Có nhiều phương pháp xác định độ đục. Vd: JTU(Jackson Turbidity Unit), FTU(thang Nephelmeter) Tiêu chuẩn Việt Nam, độ đục được xác định bằng chiều sâu lớp nước thấy được Độ màu Nước nguyên chất không màu Nước có màu là do các chất hòa tan, chủ yếu là chất hữu cơ nguồn gốc đất đá, thực vật sống trong nước hoặc đã phân hủy… Độ cứng Đại lượng biểu thị hàm lượng ion Ca2+,Mg2+ trong. Có ba loại độ cứng: toàn phần, tạm thời, vĩnh cửu Tác hại: ion Ca2+,Mg2+ kết hợp với acid béo tạo ra các hợp chất khó hòa tan Nước mềm: < 50 mg CaCO3/l Nước thường: thường chứa đến 150 mg CaCO3/l Nước cứng: chứa đến 300mgCaCO3/l Hàm lượng chất cặn Tổng hàm lượng cặn lơ lửng TTS Cặn lơ lửng SS Chất rắn hòa tan DS=TSS-SS Chất rắn bay hơi VS Mùi vị nước Có ba nhóm chất gây mùi vị Nguồn gốc vô cơ: NaCl, MgSO4(gây vị mặn), muối đồng có vị tanh, mùi clo, mùi trứng thối H2S Nguồn gốc hữu cơ: dầu mỡ, phenol Nguồn gốc sinh hóa: hoạt động của vi khuẩn, rong tảo Độ phóng xạ: Nước nhiễm xạ chủ yếu là nước thải Các chỉ tiêu hóa học Hàm lượng oxy hòa tan DO(Dissolued oxygen) Phụ thuộc vào nhiều yếu tố: áp suất, nhiệt độ, đặc tính của nguồn nước(vi sinh,hóa học, thuỷ sinh) Oxy hòa tan không tác dụng với nước Độ hoà tan tăng khi áp suất tăng, độ hòa tan giảm khi nhiệt độ tăng Nhu cầu oxy hóa học COD(Chemical Oxygen Demand) Là lượng oxy cần thiết dể oxy hóa các hợp chất hữu cơ trong nước, tạo thành CO2,H2O Dùng đánh giá mức độ nhiễm bẩn của nguồn nước Nhu cầu oxy sinh học BOD(Biologycal Oxygen Demand) Là lượng oxy cần thiết để vi khuẩn phân huỷ các chất hữu cơ trong điều kiện hiếu khí Là chỉ tiêu dùng để đánh giá mức độ nhiễm bẩn của nguồn nước Khí H2S: làm cho nước có mùi thối Các hợp chất của nitơ: Dựa theo mức độ có mặt các hợp chất nitơ mà ta đánh giá mức ô nhiễm nguồn nước Các hợp chất của axit cacboxylic Độ ổn định của nước phụ thuộc vào trạng thái cân bằng giữa các dạng ion của axit pH: có ý nghĩa quan trọng trong các quá trình lý hóa Sắt: hàm lượng sắt cao hơn 0,5g/l có mùi tanh khó chịu, làm vàng quần áo Các hợp chất của axit silic :sự tồn tại phụ thuộc vào giá trị pH Các hợp chất clorua: >250mg/l có vị mặn Các hợp chất sunfat: >250mg/l gây tổn hại sức khỏe con người Các hợp chất phosphat: do nhiễm bẩn phân rác Hợp chất florua: ở giếng nước sâu chứa 2-2,5mg/l dạng CaF2 & MgF2. Thường xuyên dùng nước có hàm lượng florua >1,3mg/l hoặc <0,7mg/l gây ra bệnh loại men răng Bảng-Các tác hại do hóa chất trong nước gây ra Hóa chất Tác hại Asen Clo độc cho người, các loài thuỷ sinh. Cho phản ứng tạo tricloetan là chất độc hại, nguy hiểm cho cá & thuỷ sinh Canxi Làm cứng nước, gây bám cặn trong ống dẫn thiết bị, làm hư hỏng quần áo,không tốt cho cá, thuỷ sinh Nitơ, NH3,NH4+ Kích thích quá trình phì dưỡng trong nước, làm phát triển các tạp chất trong nước, độc cho thuỷ sinh Nitrat Độc cho trẻ em,kích thích quá trình phì dưỡng, làm tăng tạp chất trong nước Oxy hòa tan Nồng độ thấp có hại cho cá, thiếu oxy khử được mùi trong nước Phenol Gây mùi vị trong nước uống, độc cho thuỷ sinh Lưu huỳnh Gây mùi khó chịu trong nước, độc cho thuỷ sinh Sunfat Nước có vị mặn Phosphat Tạo điều kiện cho quá trình phì dưỡng Các chỉ tiêu vi sinh a. Vi trùng Vi trùng trong nước gây bệnh: lỵ, thương hàn, dịch tả, bại liệt… Việc xác định sự có mặt của vi trùng gây bệnh thường rất khó. Người ta dựa vào sự tồn tại của E.Coli để xác định, do nó khả năng tồn tại cao hơn các loài vi khuẩn khác b. Các loại rong tảo Rong tảo phát triển trong nước làm nhiễm bẩn nguồn nước, làm nước có màu xanh { Đối với nước sinh hoạt, nước chế biến thực phẩm thông thường các nước trong cộng đồng châu Âu quy định 66 chỉ tiêu xếp vào 6 nhóm: cảm quan(4 chỉ tiêu), hóa lý(15 chỉ tiêu), chỉ tiêu cần phải được khống chế về nồng độ(24 chỉ tiêu), độc tố(13 chỉ tiêu), vi sinh(6 chỉ tiêu), chỉ tiêu cần phải có: pH, oxy hoà tan(4 chỉ tiêu) Bảng chỉ tiêu đối với nước của các nước EU, Mỹ, WHO, Việt Nam Thông số Đơn vị VN EU USA WHO Màu Độ đục pH Độ dẫn Cl SO4 Ca Mg Na K Al Cặn khô Nitrat Nitrit Amoni Nitơ seldahl Độ oxy hóa (KMnO4) H2S Phenol Bor Fe Mn Cu Zn P F Ba Ag As Be Cd CN Cr Hg Ni Pb Sb Se Va mg/lPt/Co NTU - ms/cm 200C mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg NO3/l mg NO2/l mg NH4/l mg N/l mg O2/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg P2O5/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l _ 1.5 6.5-8.5 _ 300 250 75 50 _ _ 0.2 1000 5 0.1 3.0 _ 2 _ _ _ 0.3 0.1 0.1 5.0 2500 _ _ _ _ _ _ _ _ 10 10 100 _ _ _ 20 4 6.5-8.5 400 250 250 100 50 150 12 0.2 1500 50 0.1 0.5 1 5 _ 0.5 1000 0.2 0.05 0.01 0.01 5000 1.5 0.1 10 50 _ 5 50 50 1 50 50 10 10 _ 15 2 6.5-8.5 _ 250 250 _ _ _ _ _ _ 45 3.3 _ _ _ _ _ _ 0.3 0.05 1 5 _ 2 2 0 50 4 5 200 100 2 100 15 6 50 _ 15 5 _ _ 250 250 _ _ 200 _ 0.2 1000 50 3 1.5 _ _ 0.05 _ 300 0.3 0.5 2 3 _ 1.5 0.7 _ 100 _ 3 70 50 1 20 100 5 10 _ Tiêu chuẩn nước dùng trong công nghiệp thực phẩm Chỉ tiêu vật lý Tiêu chuẩn Mùi vị không Độ trong(ống Dienert) 100ml Màu sắc(thang màu Coban) 5o Chỉ tiêu hóa học pH 6-7,8 Độ cặn cố định(đốt ở 600oC) 75-150mg/l Độ cứng toàn phần(độ Đức) <15o Độ cứng vĩnh viễn 7o CaO 50-100mg/l MgO 50mg/l Fe2O3 0,3mg/l MnO 0,2mg/l BO43- 1,2-2,5mg/l SO42- 0,5mg/l NH4+ 0,1-0,3mg/l NO2- không có NO3- không có Pb 0,1mg/l As 0,05mg/l Cu 2,00mg/l Zn 5,00mg/l F 0,3-0,5mg/l Chỉ tiêu vi sinh vật Tổng số vi sinh vật hiếu khí <100con/ml Chỉ số Coli <20con Chuẩn số Coli(1) >50 Vi sinh vật gây bệnh không có (1)chỉ số Coli:Số con vi khuẩn coli trong một lít nước, chuẩn số coli: lượng ml nước có 1 vi khuẩn coli B- PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC I. PHƯƠNG PHÁP CHUNG Rất ít các nguồn nước trong tự nhiên đáp ứng được chất lượng cho một mục tiêu cụ thể nào đó. Mỗi nguồn nước có đặc trưng về thành phần hoá học riêng, không nguồn nào giống nguồn nào. Mỗi mục tiêu sử dụng đòi hỏi chất lượng khác nhau. Vì vậy chọn lựa một hay tổ hợp các phương pháp xử lý nước liên quan đến nhiều yếu tố.Những yếu tố đó gồm: Đặc trưng tạp chất của nguồn nước. Chất lượng nước được xử lý phù hợp với mục tiêu sử dụng. Khả năng về thiết bị. Tính linh hoạt của thiết bị khi nước thay đổi chất lượng. Yếu tố chất thải. Giá thành xây dựng và giá thành tiêu hao. Một số phương pháp chính trong kỹ thuật xử lý nước gồm: sục khí, keo tụ, lọc, lắng, tuyển nổi, hấp phụ, trao đổi ion, kết tủa, màng, oxy hóa hóa học, khử trùng. Hầu hết các phương pháp xử lý nước có mục tiêu là loại bỏ thành phần tạp chất trong nước hoặc biến đổi chúng thành dạng dễ chấp nhận hơn hoặc dễ tách hơn. Tạp chất dạng khí hoà tan (CO2, H2S, metan). Các chất gây mùi vị, hợp chất hữu cơ dễ bay hơi có thể loại bỏ bằng phương pháp sục khí. Chất không tan được loại bỏ theo phương pháp lọc, lắng, gạn, tuyển nổi và để thúc đẩy nhanh quá trình người ta kết hợp với phương pháp keo tụ. Các hợp chất tan có nhiều dạng: hữu cơ, vô cơ và các ion. Để loại bỏ chúng có thể áp dụng nhiều phương pháp và tổ hợp các phương pháp khác nhau: hấp phụ, trao đổi ion, kết tủa, oxy hoá, màng. Để đảm bảo an toàn về mặt vi sinh người ta phải tiến hành khử trùng, chủ yếu là với hoá chất. Khử trùng bằng hoá chất là phương pháp oxy hoá hoá học với tác nhân oxy hoá chủ yếu là clo và ozon Các phương pháp xử lý nước: Sục khí: Nước, đặc biệt là nước ngầm, thường chứa các khí hoà tan: oxy, nitơ, dioxit carbon, hydro sunfua. Trừ oxy, nitơ, trong một số trường hợp đặc biệt là CO2, sự có mặt của các khí tan trong nước là cần được loại bỏ. Độ tan của các khí trong nước khác nhau và giảm khi nhiệt độ tăng. Sục khí, làm thoáng khí là phương pháp xử lý nước trong đó người ta tạo điều kiện để nước tiếp xúc với không khí nhằm mục đích: Tăng nồng độ oxy tan trong nước Giảm lượng dioxit carbon tự do Loại bỏ H2S, metan, các chất hữu cơ bay hơi, các chất gây mùi, vị khó chịu. Độ tan của oxy, nitơ trong nước không cao, của oxy thường gấp 2 lần của nitơ trong khoảng nhiệt độ khá rộng Làm trong nước: Tách chất rắn không hoà tan ra khỏi nước là một quá trình quan trọng trong công nghệ xử lý nước. Chất rắn không tan, còn gọi là chất huyền phù gây đục có thể tồn tại sẵn trong nguồn nước. Hai phương pháp chủ yếu để loại bỏ các chất gây đục trong công nghệ xử lý nước là sa lắng và lọc. Hiệu suất của quá trình lắng và lọc tăng nhiều khi làm các hạt huyền phù tạo thành các tập hợp lớn hơn. Keo tụ chính là quá trình tạo ra các tập hợp lớn (dạng bông) từ các hạt huyền phù nhỏ nên có thể coi nó là giai đoạn đầu cần thực hiện trước khi lọc hay lắng. Keo tụ Keo tụ được hiểu là quá trình hình thành các tập hợp lớn từ các hạt huyền phù có kích thước nhỏ hơn, bằng cách đưa vào nước một hay nhiều loại hoá chất thích hợp. Trong thực tiễn công nghệ, người ta dùng muối nhôm (Al3+), muối sắt (Fe2+, Fe3+), polyaluminum chloride (PAC) cùng một số chất trợ keo tụ: oxit silic hoạt tính, polyme, bentonit, canxi carbonat. Chất gây đục trong nước có nguồn gốc vô cơ (kỵ nước) và hữu cơ (ưa nước).Chúng có độ bền (không dễ bị sa lắng) là do chuyển động nhiệt và khi lại gần thì chúng đẩy lẫn nhau do các hạt huyền phù (kỵ nước)có lớp vỏ chứa điện tích hoặc lớp vỏ hydrat đối với hạt huyền phù ưa nước. Muốn để chúng co cụm lại, tạo ra các tập hợp hạt lớn cần phải khử tính bền của chúng và tạo điều kiện cho chúng kết nối được với nhau. Để phá tính bền có thể làm giảm độ dày của lớp khuếch tán hay trung hoà (làm mất) lớp điện tích đó (cơ chế nén lớp điện kép, hấp phụ trung hoà) Đưa polyme vào hệ hay tạo ra kết tủa quét nhằm tạo điều kiện cho chúng kết nối với nhau. b. Sa lắng Sa lắng là phương pháp tách chất rắn dạng huyền phù ra khỏi nước do tác dụng của lực hấp dẫn, đã được con người sử dụng từ lâu để làm trong nước. Sa lắng là quá trình chìm xuống của các hạt huyền phù trong môi trường nước và được chia thành bốn kiểu mô tả khoảng nồng độ và tính chất keo tụ của hệ chất sa lắng Kiểu 1(Lắng riêng rẽ) : Sa lắng của các hạt huyền phù, từng hạt riêng rẽ không phụ thuộc vào các hạt khác nhau trong quá trình lắng.Nồng độ các chất huyền phù thấp. Giữa chúng không xảy ra quá trình keo tụ để tạo thành tập hợp lớn hơn.Tốc độ lắng của từng hạt, xuất phát từ không, sẽ tăng dần đến khi lực cản của nước ngang bằng trọng lực hữu hiệu của hạt.Sau đó hạt lắng với tốc độ không đổi gọi là tốc độ lắng ổn định. Tốc độ lắng ổn định phụ thuộc vào nhiều yếu tố của hạt huyền phù và môi trường lắng. Kiểu 2 (Lắng kèm hiện tượng keo tụ) : Trong quá trình sa lắng với nồng độ thấp, các hạt huyền phù riêng rẽ kết hợp với nhau thành các hạt lớn hơn do hiện tượng keo tụ. Tốc độ lắng của các hạt lớn hình thành nhanh hơn hạt ban đầu. Kiểu 3 (Lắng vùng) :Trong hệ huyền phù có nồng độ cao, đủ gây ra tương tác lẫn nhau giữa các hạt chất rắn.Các hạt huyền phù tạo thành tập hợp lớn thì chúng sẽ lắng, lôi cuốn, tạo ra các lớp nước trong và chứa huyền phù rõ rệt. Ban đầu các hạt huyền phù có sự phân bố khá đều trong chất lỏng, chúng tạo thành tập hợp lắng xuống tạo nên 2 vùng, vùng phía trên trong, vùng dưới đục,tốc độ lắng của vùng phụ thuộc vào rất nhiều yếu tố của hệ với tốc độ tương đối nhanh, ổn định.Kiểu lắng này còn có tên gọi là lắng bị cản. Kiểu 4 (Lắng nén) :Lắng nén xảy ra khi các hạt huyền phù đã rơi xuống đến đáy bể và chúng kết khối với nhau với mật độ đặc.Nén có thể thực hiện do tăng khối lượng của khối huyền phù do luôn được bổ sung các hạt sa lắng tiếp tục lên nó. c. Kỹ thuật lọc Lọc là phương pháp loại bỏ chất huyền phù ra khỏi nước.Chất huyền phù có thể tồn tại sẵn trong môi trường nước hoặc hình thành trong quá trình xử lý.Có nhiều cách phân loại dạng lọc :lọc sâu qua tầng chứa cát, than anthraxit (hoặc kết hợp) hoặc lọc qua lớp lót (chất lọc mịn như bột diatomit, perlit được phủ lên trên một tấm giá đỡ và nước được lọc qua đó, các chất rắn bị giữ lại trên lớp mỏng đó) Quá trình lọc cũng có thể phân chia theo thuỷ lực : lọc tĩnh và lọc áp suất. Lọc tĩnh thực hiện được nhờ trọng lực của cột nước trong thiết bị mở, nước chảy từ trên xuống dưới. Lọc áp suất là dùng áp suất làm động lực cho dòng chảy không phụ thuộc vào hướng của dòng, chỉ phụ thuộc vào chiều của áp suất, dòng chảy từ nơi có áp suất cao tới nơi có áp suất thấp. Quá trình lọc cũng có thể phân loại theo tốc độ lọc : lọc nhanh, lọc chậm Phân chia quá trình lọc theo cơ chế có lọc sâu hay lọc bề mặt.Lọc sâu là trong quá trình lọc các chất bẩn giữ lại trong cột lọc, chúng được phân bố đều suốt chiều cao của cột lọc, còn lọc bề mặt là chất bẩn chỉ tích tụ lại trên bề mặt của lớp lọc. Loại bỏ một số tạp chất vô cơ tan Tạp chất vô cơ tan trong nước khá phong phú và có đặc trưng khá phổ biến là chúng tích điện dạng dương hoặc âm.Do bản chất của từng loại, chúng có thể tồn tại ở trạng thái đơn giản như : Na+, K+, Ca2+, Mg2+, Cl-, Br-, F-, Fe2+, Mn2+, dạng phức tạp khá ổn định như SO42-, HCO3-, PO43-, [Fe(CN)6]4-, CrO42- hoặc dạng phức chất khó xác định :Fe-humat, Mn-humat. Có những hợp chất tồn tại đồng thời nhiều dạng trong thế cân bằng phụ thuộc vào điều kiện ngoại cảnh như NH3--NH4+, H2S- HS--S2-, hoặc H2CO3-HCO3-CO32-, H3PO4-HPO42--PO43-. Xử lý các tạp chất vô cơ là nhằm mục đích loại bỏ nó ra khỏi nước hoặc chuyển hoá chúng thành dạng ít độc, dễ chấp nhận hơn cho người sử dụng hoặc phù hợp với mục tiêu sử dụng nước. Loại bỏ tạp chất vô cơ thường được tiến hành trực tiếp như trao đổi ion, sục khí, hay tìm cách biến chúng về dạng ít tan rồi tách ra khỏi nước bằng các biện pháp thích hợp như lắng, lọc hay keo tụ. a. Khử độ cứng của nước : Độ cứng của nước chủ yếu là do sự có mặt của ion Ca2+ và Mg2+.Hai tạp chất trên không gây độc cho sức khỏe nhưng gây hại cho các thiết bị : đóng cặn trong nồi hơi, ống dẫn nước, ảnh hưởng đến chất lượng đồ uống, các quá trình lên men. Loại bỏ canxi, magie trong nước sử dụng vào mục đích công nghiệp chủ yếu theo 2 phương pháp :kết tủa và trao đổi ion. Khử cứng theo phương pháp kết tủa Phương pháp loại trừ Ca2+, Mg2+ ra khỏi nước dựa trên cơ sở tính tan thấp của CaCO3 và Mg(OH)2 và có thể tách ra bằng các biện pháp lắng, lọc. Độ cứng của nước gây bởi các ion kim loại đa hoá trị, các ion kim loại có hoá trị cao hơn lại dễ bị thuỷ phân, chuyển thành dạng hydroxit nên độ cứng của nước chủ yếu là do các cation Ca2+ và Mg2+. Các anion đi kèm theo chúng là HCO3-, SO42-, Cl-, NO3-, SiO32-.Ngoài canxi và magie, các nguyên tố khác như Sr2+, Fe2+, Mn2+ cũng gây tính cứng của nước nhưng do hàm lượng thấp nên sự đóng góp của chúng là không đáng kể. Khử cứng theo phương pháp vôi –sôđa là nhằm làm tăng pH của môi trường (vôi) và ion CO32- từ sôđa. Các phản ứng hoá học chính xảy ra trong quá trình khử cứng bao gồm : H2CO3 + Ca(OH)2 ® CaCO3 + 2H2O Ca2+ + 2HCO3- + Ca(OH)2 ® 2CaCO3 + 2H2O Ca2+ + ( SO42- + Cl-) + Na2CO3 ® CaCO3 + 2Na+ + (SO42- + Cl-) Mg2+ + 2HCO3- + 2Ca(OH)2 ® 2CaCO3 + Mg(OH)2 + 2H2O Mg2+ + (SO42- + Cl-) + Ca(OH)2 ® Mg(OH)2 + Ca2+ + (SO42- + Cl-) Canxi carbonat hình thành trong quá trình kết tủa có thể sử dụng làm chất trợ keo tụ. Để thực hiện, quá trình kết tủa cần được tiến hành trước quá trình keo tụ. Khử cứng theo phương pháp trao đổi ion Nguyên tắc hoạt động của quá trình khử cứng là dùng cationit dạng natri, ion natri của nhựa sẽ trao đổi với Ca2+, Mg2+ trong nước. Kết quả là ion Ca2+, Mg2+ trong nước giảm, ion Na+ trong nước tăng theo tỉ lượng của Ca2+, Mg2+. Do tính chọn lọc của các ion hoá trị hai cao hơn của ion Na+ trong nhựa nên sự trao đổi giữa chúng xảy ra thuận lợi ngay ở vùng nồng độ Ca2+, Mg2+ thấp. Dùng cationit dạng H+ cũng có thể trao đổi được với ion Ca2+, Mg2+ với tốc độ nhanh hơn và chọn lọc so với cation dạng Na+. b. Loại bỏ sắt, mangan Sắt, mangan trong nước ngầm là đối tượng hay gặp ở nhiều vùng trên lãnh thổ Việt Nam. Để loại bỏ mangan và sắt có thể sử dụng nhiều phương pháp đơn lẻ hay phối hợp: loại bỏ trực tiếp bằng kỹ thuật trao đổi ion, oxy hóa chúng về dạng khó tan Mn(IV), Fe(III) hoặc phương pháp vi sinh vật. Phương pháp trao đổi ion ít được sử dụng trong thực tiễn do độ chọn lọc cao, giai đoạn tái sinh khó thực hiện và chất trao đổi ion dễ mất hoạt tính. Phương pháp oxy hoá: Fe2+, Mn2+ được chuyển hoá về dạng Fe3+ và Mn4+ thông qua phản ứng với một chất oxy hóa.Chất oxy hóa hay sử dụng ozon, clo và hợp chất của nó, KMnO4, H2O2, oxy cũng như một số loại chất rắn có tính oxy hóa như MnO2, Fe2O3, Mg2O2. Fe3+ + e- ® Fe2+ MnO2 + 4H+ + e- ®Mn2+ + 2H2O c. Loại bỏ flo trong nước Flo là thành phần cần thiết trong nước sinh hoạt với nồng độ tối ưu là 0,4-1,0mg/l. Sự có mặt của nó thúc đẩy quá trình tạo men răng và chống sâu răng. Nếu nồng độ cao sẽ làm phá huỷ men răng, gây rụng răng, dòn xương và ảnh hưởng đến bệnh thần kinh. Dạng tồn tại chủ yếu của flo trong nước là ion florua F-. Một số kỹ thuật có thể sử dụng để loại bỏ flo: Kết tủa với canxi photphat: 3Ca3(PO4)2 + NaF + Ca(HCO3)2 ® [Ca9(PO4)6Ca]F2 + 2NaHCO3 Hấp phụ trên Mg(OH)2 Hấp phụ trên Al(OH)3 Trao đổi ion d. Loại bỏ amoniac Amoniac là tạp chất dễ gặp trong nước ngầm. Xử lý amoniac trong nước có thể tiến hành theo phương pháp hoá học, cơ học hay sinh học. Phương pháp cơ học được áp dụng trên nguyên tắc giải hấp phụ amoniac. Phương pháp oxy hóa : một số chất oxy hoá khử như clo, clodioxit, ozon, cloamin, kali permanganat đều có thể oxy hóa amoniac thành nitrit, nitrat và thành dạng khí nitơ. e. Loại bỏ nitrit Nitrit hình thành chủ yếu do quá trình vi sinh nhưng một phần cũng do quá trình hoá học và quang hoá. Nitrit có thể xem là hợp chất trung gian của quá trình oxy hoá amoniac thành nitrat. Quá trình oxy hoá nitrit thành nitrat có thể thực hiện bằng phương pháp hoá học : NO2- + 2OH- ® NO3- +H2O + e- f. Loại bỏ photphat Trong môi trường nước, photphat dạng hoà tan chủ yếu là orthophotphat nên việc loại bỏ chúng có thể thực hiện bằng cách là biến chúng thành dạng kết tủa. Khi sử dụng Fe3+, Al3+ làm chất kết tủa ngoài hợp chất sắt, nhôm photphat khó tan hình thành còn xảy ra đồng thời quá trình hấp phụ photphat và quá trình keo tụ trên hydroxit sắt, nhôm hình thành do phản ứng thuỷ phân. Khử trùng Nước là môi trường sinh sống và lan truyền của nhiều loại vi sinh vật, trong đó có nhiều loại gây hại cho sức khoẻ của con người hay là vật truyền nhiễm bệnh tật. Ngoài các chỉ tiêu về thành phần hoá học của nước, chỉ tiêu vi sinh cũng đặc biệt quan trọng nhất là đối với nước dùng trong thực phẩm.Nước có độ an toàn về mặt vi sinh là nước không chứa hoặc có chứa vi sinh gây bệnh ở dạng không hoạt động. Có 2 phương thức để thực hiện : Loại bỏ vi sinh ra khỏi môi trường nước Giết chết hoặc vô hiệu hoá các chủng loại vi sinh vật gây bệnh. Các phương pháp trên cũng có thể phân loại theo bản chất của quá trình : hoá học, vật lý, hay hoá lý. Khử trùng bằng phương pháp hoá học : Tuy có nhiều hợp chất hoá học được sử dụng để khử trùng nhưng trong công nghệ xử lý nước chủ yếu dùng clo và ozon, các hoá chất khác được sử dụng rất hạn chế. Khử trùng bằng clo Clo hay hợp chất của nó có tính năng khử trùng là do khả năng oxy hoá,tức là khả năng nhận điện tử của nó, quá trình khử clo có hoá trị +1 xuống clo có hoá trị -1 Trong nước tồn tại nhiều tạp chất có thể bị oxy hoá hay phản ứng với clo : các chất vô cơ Fe2+, H2S, NO2-, Mn2+, NH3, các chất hữu cơ có bản chất khác nhau. Để có tác dụng khử trùng, lượng clo dư được quy định đối với nước sinh hoạt là 0.4-0.8mg/l sau khi hoà trộn với nước là 30 phút. Trong các dạng chất khử trùng của clo, axit hypoclorơ HOCl có tác dụng cao nhất do khả năng khuếch tán nhanh, dễ thấm qua màng tế bào. Clo dioxit được sử dụng để khử trùng, khử mùi và vị. Khác với clo, hiệu quả diệt trùng của nó không phụ thuộc vào pH. Clo dioxit là một chất oxy hoá mạnh, nó không phản ứng với amoniac và phần lớn chất hữu cơ trong nước, nó cũng có khả năng oxy hoá một số chất vô cơ : H2S, Fe2+, Mn2+. Khử trùng bằng ozon O3 là một khí có màu xanh nhạt, mùi hắc có thể nhận biết rất rõ ngay cả ở nồng độ dưới 1mg/l trong không khí. Ngoài tác dụng diệt trùng ozon còn có khả năng : oxy hoá sắt, mangan tan, loại bỏ màu, mùi vị của nước ; keo tụ các chất hữu cơ tan ; oxy hoá hợp chất vô cơ : xyanua, sunfua, nitrit ; làm trong nước, loại bỏ chất vô cơ gây đục. Sử dụng ozon còn có lợi thế không tạo ra các sản phẩm phụ hữu cơ độc hại, nó có thể oxy hoá nhiều chất hữu cơ tới dạng sản phẩm cuối như CO2, H2O. Chúng không gây mùi khó chịu khi dùng ở liều lượng cao. Khử trùng bằng hydro peroxit Sản phẩm hydro peroxit lưu hành dạng thương phẩm là dung dịch 30-50% H2O2. H2O2 là một chất oxy hoá khá mạnh, có tác dụng diệt khuẩn nhưng hiệu suất khử trùng thấp, dễ phân huỷ ở nhiệt độ cao và trong nguồn nước bẩn nên H2O2 chỉ được sử dụng làm chất oxy hoá trong công nghệ xử lý nước. Khử trùng với kali permanganat KMnO4 có thể đưa vào nước trực tiếp từ dạng rắn hay từ dung dịch 1-2%. Nó là chất oxy hoá mạnh, có thể sử dụng để phân huỷ các chất hữu cơ gây mùi, vị trong nước cũng như oxy hoá sắt, mangan, và hạn chế sự phát triển rong, tảo.Khả năng khử trùng của kali permanganat phụ thuộc rất lớn vào pH, tại pH= 5.9 nó có tính năng khử trùng cao nhất, pH tăng khả năng khử trùng giảm.Thời gian khử trùng dài 12-24 giờ Khử trùng bằng phương pháp vật lý : Phương pháp chiếu tia cực tím Phương pháp chiếu tia cực tím (UV, ultraviolet) ngày càng được quan tâm vì không phải đưa thêm các hoá chất vào nước.Khi tiếp xúc với tia cực tím, các axit nucleic của cơ thể vi sinh vật bị biến đổi theo chiều hướng bất lợi. Vùng ánh sáng có tác dụng diệt khuẩn cao nhất là vùng có bước sóng 200-280 nm, đó là vùng tia cực tím được axit nucleic hấp thụ mạnh nhất và chịu biến đổi sâu sắc.Khi các tế bào hấp thụ tia cực tím và bị phân huỷ chúng sẽ mất khả năng phát triển và sinh sôi Yều tố ảnh hưởng mạnh nhất đến hiệu suất khử trùng là độ trong của nước. Các chất huyền phù, chất lơ lửng trong nước làm giảm độ truyền tia cực tím của nước.Chỉ khi nước có độ truyền qua trên 80% thì quá trình khử trùng mới có hiệu quả vì khi ánh sáng gặp các hạt lơ lửng nó sẽ bị phân tán làm giảm quãng đường truyền của nó trong nước. Dòng nước trong khoang chiếu tia cần được khuấy trộn đều để một số vi khuẩn tiếp xúc với tia cực tím.Sử dụng phương pháp khử trùng bằng tia cực tím có các lợi thế sau : - Vị và thành phần khoáng của nước không thay đổi , không tạo thành các hợp chất hữu cơ Clo. Độ an toàn trong hoạt động cao không cần sử dụng hóa chất phụ.Thời gian khử trùng ngắn.Không có nguy cơ vượt quá liều lượng. - Không xảy ra hiện tượng ô nhiễm do hoá chất, không gây ăn mòn thiết bị,thao tác đơn giản Nhưng phương pháp này cũng có một số nhược điểm như : - Nước có độ truyền ánh sáng thấp hơn 80% có hiệu suất khử trùng thấp - Nhiệt dộ cao hơn 25oC làm giảm tính năng khử của tia UV - Nước đã được khử trùng có thể nhiễm khuẩn trở lại - Tạp chất hữu cơ và một số muối tan hấp thụ UV làm giảm hiệu suất khử trùng - Nước chứa Nitrat khi khử trùng bằng tia cực tím có khả năng sinh ra Nitrit Ngoài phương pháp này còn một số phương pháp vật lý khác như lọc cát chậm, keo tụ, đun sôi cũng được sử dụng để khử hay loại bỏ vi sinh vật có hại Khử trùng bằng phương pháp hoá lý : Phương pháp oxy hóa anôt là phương pháp điện hoá, trong quá trình điện phân sinh ra các chất oxy hoá mạnh từ các chất tan có sẵn trong nước.Nước cần khử trùng được dẫn qua một bình điện phân.Khử trùng được tiến hành nhờ vào 2 hiệu ứng xảy ra trong quá trình : khử trùng trực tiếp do dòng điện khử trùng gián tiếp bởi các chất oxy hóa mạnh sinh ra do điện phân Trong quá trình điện phân sinh ra oxy nguyên tử có tính năng oxy hóa cao,nó phân hủy các chất hữu cơ của cơ thể vi sinh.Vì oxy nguyên tử có thời gian sống rất ngắn nên khoàng tác dụng của nó rất hẹp chỉ trong vùng không gian hẹp bao quanh cực anôt.Do vậy chỉ một số lượng nhỏ vi sinh bị tiêu diệt.Một số chất gây mùi ,vị trong nước cũng bị oxy hoá. Loại bỏ chất hữu cơ Tạp chất hữu cơ trong nước rất đa dạng,có nguồn gốc tự nhiên cũng như nhân tạo.Tạp chất hữu cơ trong nước tuy có nồng độ thấp, ít khi vượt quá 10mg/l trong nuớc tự nhiên nhưng chủng loại thì vô cùng phong phú, rất khó nhận dạng và định lượng từng cấu tử. Để loại bỏ chất hữu cơ trong nước có thể sử dụng một số phương pháp : sục khí, oxy hoá ( vi sinh, hoá học, quang hoá) và hấp phụ trên than hoạt tính.Hấp phụ trên than hoạt tính là phương pháp được sử dụng rộng rãi ở quy mô công nghiệp hiện nay. Than hoạt tính được sử dụng để loại bỏ chất hữu cơ trong nước do tính tương đồng về tính chất không phân cực của bề mặt than với chất hữu cơ trong môi trường có tính phân cực cao của nước. Trong công nghệ xử lý nước, than hoạt tính được dùng theo 2 phương thức là dạng bột và dạng hạt. Dạng than bột được khuấy trộn với nước, sau đó lọc tách than ra khỏi nước, than hạt được sắp xếp trong cột lọc và cho nước cần xử lý chảy qua. Than hoạt tính là một chất khử có thể sử dụng để loại bỏ một số chất oxy hoá như clo, axit hypocloric, cloamin, ozon, penmanganat, đóng vai trò xúc tác cho 1 số phản ứng oxy hoá chất hữu cơ. II. PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC TRONG CÔNG NGHỆ SẢN XUẤT NƯỚC GIẢI KHÁT  Xuất phát từ nhu cầu và yêu cầu cao của nước về chất lượng và số lượng nên hầu hết các nhà máy sản xuất nước giải khát đều sử dụng nguồn nước giếng khoan. Chất lượng nước sản xuất nước giải khát có yêu cầu : + Nước trong suốt, không màu, không mùi vị lạ. + Đảm bảo tiêu chuẩn vi sinh. + Là loại nước mềm, hàm lượng các muối, kim loại phải thoả mãn tối thiểu yêu cầu sau : Chỉ tiêu Hàm lượng yêu cầu Độ cứng chung (mg/l) Hàm lượng Clo Axit sunfuric Hàm lượng Asen Hàm lượng Chì Hàm lượng Flo Hàm lượng Kẽm Hàm lượng Đồng Hàm lượng Sắt Độ oxy hoá £ 1.5 £ 0.5 £ 80 £ 0.05 £ 0.1 £ 3 £ 5 £ 3 £ 0.3 £ 2 Mục đích của xử lý nước : làm sạch, làm mềm nước gồm các công đoạn: 1. Lắng: Sử dụng các phương pháp và thiết bị đơn giản, thông thường để tăng hiệu quả của lắng có thể sử dụng thêm phèn, nhôm, sắt Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 = 3CaSO4 + 2 Al(OH)3¯ + 6CO2 Al2(SO4)3 + 3Mg(HCO3)2 = 3MgSO4 + 2Al(OH)3¯ + 6 CO2 2. Lọc : chủ yếu tách cát , bẩn, cát hạt rắn khác vi sinh vật . Trong bã lọc có thể cho thêm vào cát với kích thước trên lớn dưới nhỏ. 3. Khử khuẩn : lắng , lọc để có thể loại được từ 80%-85% sinh vật. Để hạn chế triệt để phần vi sinh vật còn lại cần phải tiến hành công đoạn khử khuẩn bằng cách sử dụng các loại hợp chất.Thường sử dụng là Cl2, HClO, Ca(ClO)2, O3…dùng tia phóng xạ .Đơn giản và thường dùng nhất hiện nay là dung dịch Clorin Cl2 4. Làm mềm nước : Mục đích : loại hoàn toàn hoặc một phần các muối Mg2+ và Ca2+ có trong nước.Có thể sử dụng các phương pháp sau : Phương pháp hóa học : trao đổi ion và phương pháp trung hòa bằng axit hoặc làm kết tủa ion Mg2+, Ca2+ + Trung hòa Canxi va Magie bằng axit Để đạt mục đích này dùng axit lactic để chuyển hóa các muối của Ca , Mg thàng muối lactat tương ứng. Ca(HCO3)2 + 2CH3CHOHCOOH = (CH3CHOHCOO)2Ca + 2H2O + 2 CO2 Mg(HCO3)2 + 2CH3CHOHCOOH = (CH3CHOHCOO)2Mg + 2H2O + 2CO2 Độ cứng Cacbonat của nước đã chuyển thành độ cứng Lactat-một loại độ cứng không gây ảnh hưỏng đến tiến trình công nghệ và chất lượng sản phẩm Sử dụng axit Lactic ngoài mụch đích khử độ cứng của nước còn có mục đích khác là làm giảm pH của dịch Maltose để tăng cường hoạt lực của hệ enzim thủy phân ở trong đó. + Làm mềm bằng phương pháp kết tủa ion Ca2+,Mg2+ Sử dụng vôi tôi để làm mềm độ cứng tạm thời : Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 = 2CaCO3 ¯ + 2 H2O 2Ca(OH)2 + Mg(HCO3)2 = 2CaCO3 ¯ + Mg(OH)2¯ + 2H2O Lọc bỏ CaCO3 và lấy nước Khử độ cứng toàn phần, độ cứng vĩnh cữu Ca(OH)2 + Na2CO3 + MgSO4 = Mg(OH)2 + CaCO3¯ + Na2SO4 Na2CO3 + MgSO4 = MgCO3¯ + Na2SO4 CaSO4 + Na2CO3 = CaCO3¯ + Na2SO4 CaCl2 + Na2CO3 = CaCO3 ¯ + 2NaCl + Làm mềm nước bắng phương pháp trao đổi ion Nguyên tắc: thay thế một số ion của muối ở trong nước bằng một ion khác.Vật liệu mang ion sẽ thay thế ion của muối ở trong nước gọi là ionit.Nếu thay thế cation thì gọi là cationit , thay thế anion gọi là anionit.Anionit được dùng để loại bỏ axit và gốc axit.Cationit được dùng để loại bỏ các ion gây nên độ cứng. Ví dụ : Na-cationit Na2-P + A(HCO3)2 = A-P + Na2CO3 Na2-P + ASO4 = A-P + Na2SO4 Na2-P + ACl2 = A-P + 2NaCl Cation(A: Canxi , Magie ) bị giữ lại trên bề mặt nhưng lúc này nó lại mang tính axit và để khử axit bằng việc trao đồi anion ( OH-anioit) OH-P + HCl = Cl-P +H2O OH-P + H2SO4 = SO4-P + H2O Sau thời gian làm việc hoạt tính của các ionit giảm ta phải hoạt hoá lại.Khi này cho dung dịch NaCl hay axit thích hợp đi ngược lại đề rửa các ion đã bị bám giữ trên mặt hạt ionit. Khử mùi vị của nước : Mùi vị tạo ra do sự nhiễm bẩn của môi truờng tồn tại dạng các muối, có thể sử dụng các phương pháp : Hóa chất : sử dụng Cl2, KMnO4 2H2S + 5Cl2 + 4H2O = 2S + H2SO4 + 10HCl 3H2S + 2KMnO4 = 3S + 2MnO2 + K2O + 3H2O Mùi vị của hợp chất thơm có thể khử bằng KMnO4 hoặc than hoạt tính với liều lượng : KMnO4 0.1 – 0.25 mg/l nước Than hoạt tính 0.06 – 0.12 m3/1m3 nước/giờ Sơ đồ công nghệ xử lý nước giếng khoan Trao đổi ion Lọc than Tiệt trùng Nước giếng Lắng trong 1 Lọc qua cát 1 tcát 1 Bể chứa Lắng trong 2 Lọc qua cát 2 Lọc qua than Bể chứa (sâu ³ 200m) (a) (b) vôi clo phèn vôi clo (a) : áp dụng đối với nguồn nước có độ cứng thấp, ít vi sinh vật (b) : áp dụng cho nguồn nước có độ cứng cao, nhiều vi sinh vật Quy định chất lượng nước sau các giai đoạn xử lý : chỉ tiêu kiểm nghiệm Yêu cầu qua lọc cát 1 Yêu cầu qua lọc cát 2 pH nồng dộ Clo (ppm) độ cứng tạm thời 8.4 – 9.8 vết _ 9.5 - 10.2 18 - 20 £ 85 Nếu nuớc ở giai đoạn 1 không đạt tiêu chuẩn cơ lượng mà đưa vào rửa chai thì sẽ tạo cặn hay sự có mặt của vi khuẩn, vi sinh vật khác làm ảnh hưởng đến chất lượng nứơc giải khát bị đục hay sản phẩm bị chua Nếu nước đã xử lý mà không đạt tiêu chuẩn thì sẽ giảm năng suất nấu đường (do chưa đạt độ cứng ) hoặc tạo ra các kết tủa khác làm cản trở quá trình lọc Nếu nước qua giai đoạn 2 mà vẫn chưa đạt được tiêu chuẩn vi sinh khi đưa vào pha chế sẽ tạo điều kiện cho vi sinh vật phát triển. Tài liệu tham khảo : Quá trình xử lý nước cấp sinh hoạt và công nghiệp ( Nguyễn Thị Thu Thuỷ ) Cơ sở hoá học và kỹ thuật xử lý nước ( Lê Văn Cát ) Công nghệ sản xuất Malt và Bia (Hoàng Đình Hoà) Kỹ thuật sản xuất đồ hộp, rau quả (Nguyễn Văn Tiếp - Quách Đình - Ngô Mỹ Văn) Luận Văn : Tìm hiểu chất lượng nước giải khát và phương pháp kiểm nghiệm (CBHD : Nguyễn Chúc SV  : Võ Thị Minh Thiện)