Hóa chất xử lý nước: Hướng dẫn đầy đủ về lọc nước an toàn

Hóa chất xử lý nước thiết yếu và ứng dụng của chúng

Xử lý nước dựa vào các hóa chất cụ thể để loại bỏ chất gây ô nhiễm, tiêu diệt mầm bệnh và đảm bảo tiêu dùng an toàn. Các loại chính bao gồm chất khử trùng (clo, cloramin, ozon), chất đông tụ (phèn, clorua sắt), chất điều chỉnh độ pH (vôi, xút) và chất trợ lọc (than hoạt tính, polyme) . Việc lựa chọn hóa chất phù hợp phụ thuộc vào chất lượng nguồn nước, mục tiêu xử lý và các yêu cầu pháp lý.

Hệ thống nước thành phố thường sử dụng các phương pháp tiếp cận đa rào cản kết hợp một số phương pháp xử lý hóa học, trong khi các ứng dụng dân dụng có thể chỉ yêu cầu khử trùng cơ bản. Hiểu rõ chức năng của từng hóa chất, tỷ lệ liều lượng thích hợp và các cân nhắc về an toàn sẽ đảm bảo lọc nước hiệu quả mà không tạo ra những rủi ro mới cho sức khỏe.

Hóa chất khử trùng để kiểm soát mầm bệnh

Chất khử trùng gốc clo

Clo vẫn là chất khử trùng nước được sử dụng rộng rãi nhất trên toàn cầu, có ba dạng chính: clo khí (Cl₂), natri hypoclorit (chất tẩy lỏng) và canxi hypoclorit (bột). Nồng độ clo hiệu dụng dao động từ 0,2 đến 1,0 mg/L đối với nước uống , với thời gian tiếp xúc 30 phút đảm bảo loại bỏ 99,9% mầm bệnh.

Dung dịch natri hypoclorit (nồng độ 5-15%) xử lý an toàn hơn khí clo và tạo ra kết quả khử trùng giống hệt nhau. Đối với một bể bơi 10.000 gallon, khoảng 3-4 ounce natri hypoclorit 12,5% duy trì mức clo thích hợp . Tuy nhiên, clo tạo ra các sản phẩm phụ khử trùng (DBP) như trihalomethanes khi phản ứng với chất hữu cơ, khiến một số cơ sở phải tìm kiếm các giải pháp thay thế.

Chloramine và chất khử trùng thay thế

Chloramine (được hình thành bằng cách kết hợp clo với amoniac) mang lại khả năng bảo vệ dư lượng lâu dài hơn trong hệ thống phân phối và tạo ra ít sản phẩm phụ khử trùng hơn so với chỉ sử dụng clo . Hơn 30% các công ty cung cấp nước ở Hoa Kỳ hiện sử dụng chloramine làm chất khử trùng thứ cấp, mặc dù nó yêu cầu tỷ lệ amoniac và clo cẩn thận (thường là 1:4 đến 1:5) để tránh các vấn đề về mùi vị.

Ozone (O₃) mang lại khả năng oxy hóa vượt trội và không để lại dư lượng hóa chất, khiến nó trở nên lý tưởng để sản xuất nước đóng chai. Bức xạ tia cực tím giúp khử trùng không cần hóa chất nhưng cần phải lọc trước và không có tác dụng bảo vệ còn sót lại. Mỗi phương pháp phù hợp với các ứng dụng khác nhau dựa trên chất lượng nước, quy mô xử lý và các yêu cầu quy định.

Tác nhân đông tụ và keo tụ

Chất đông máu sơ cấp

Chất keo tụ trung hòa điện tích của các hạt lơ lửng, cho phép chúng kết tụ lại với nhau để loại bỏ dễ dàng hơn. Nhôm sunfat (phèn chua) là chất đông tụ phổ biến nhất, với liều lượng điển hình là 10-50 mg/L tùy theo độ đục . Sắt clorua và sắt sunfat hoạt động hiệu quả trong phạm vi pH rộng hơn (4-11) so với phạm vi tối ưu của phèn là 6-8.

Chất keo tụ polyme

Các polyme tổng hợp tăng cường sự hình thành khối và tốc độ lắng khi được thêm vào sau các chất keo tụ sơ cấp. Các polyme cation hoạt động tốt nhất với các hạt tích điện âm, trong khi các polyme anion phù hợp với các chất gây ô nhiễm tích điện dương. Liều polymer thường dao động từ 0,1 đến 2,0 mg/L , thấp hơn đáng kể so với chất keo tụ sơ cấp, giảm chi phí hóa chất và thể tích bùn tới 30%.

Điều chỉnh pH và kiểm soát độ kiềm

Duy trì mức độ pH thích hợp (thường là 6,5-8,5 đối với nước uống) đảm bảo hiệu quả xử lý hóa học và ngăn ngừa ăn mòn đường ống. Vôi (canxi hydroxit) và tro soda (natri cacbonat) làm tăng độ pH trong nước có tính axit, trong khi axit sulfuric hoặc carbon dioxide làm giảm độ pH trong điều kiện kiềm. Nước ăn mòn có độ pH dưới 6,5 có thể làm trôi chì từ đường ống, ảnh hưởng tới 10 triệu ngôi nhà ở Mỹ .

Caustic soda (natri hydroxit) giúp điều chỉnh độ pH nhanh chóng nhưng cần xử lý cẩn thận do tính chất ăn mòn của nó. Để làm mềm nước cứng, liều lượng vôi được thực hiện theo công thức: lượng vôi cần thiết (mg/L) = 1,4 × độ cứng tổng cộng (mg/L tính theo CaCO₃) . Hệ thống kiểm soát pH tự động duy trì mức tối ưu trong phạm vi ±0,1 đơn vị pH, điều này cần thiết để đảm bảo hiệu suất xử lý ổn định.

Than hoạt tính và phương tiện hấp phụ

Than hoạt tính loại bỏ các hợp chất hữu cơ, clo, mùi vị và mùi thông qua quá trình hấp phụ. Lớp than hoạt tính dạng hạt (GAC) có tuổi thọ từ 6-24 tháng trước khi cần thay thế, trong khi than hoạt tính dạng bột (PAC) cung cấp liều lượng linh hoạt cho các vấn đề về mùi và vị theo mùa. GAC có thể loại bỏ hơn 90% clo và các chất ô nhiễm hữu cơ khi có kích thước phù hợp , với thời gian tiếp xúc thông thường là 10-20 phút.

Việc lựa chọn carbon phụ thuộc vào các chất gây ô nhiễm mục tiêu: carbon vỏ dừa vượt trội trong việc loại bỏ các phân tử nhỏ hơn như clo, trong khi carbon từ than xử lý các hợp chất hữu cơ lớn hơn hiệu quả hơn. Các phương tiện chuyên dụng như nhựa trao đổi ion nhắm vào các ion cụ thể (nitrat, asen, độ cứng), cần tái sinh bằng dung dịch muối hoặc axit cứ sau 300-3.000 thể tích giường.

Hóa chất xử lý chuyên dụng

Chất ức chế ăn mòn và cặn

Các hợp chất orthophosphate và polyphosphate ngăn ngừa sự ăn mòn đường ống và cặn khoáng. Kẽm orthophosphate tạo ra các màng bảo vệ bên trong đường ống, làm giảm sự rò rỉ chì và đồng bằng cách 50-90% trong hệ thống phân phối . Tỷ lệ định lượng điển hình là 0,5-3,0 mg/L để kiểm soát ăn mòn cân bằng phốt phát nhằm tránh thải phốt phát quá mức.

Hóa chất florua

Axit fluorosilicic, natri florua và natri fluorosilicate bổ sung florua để ngăn ngừa sâu răng. CDC khuyến nghị Nồng độ florua 0,7 mg/L đối với hệ thống nước cộng đồng, giảm từ mức 0,7-1,2 mg/L trước đó để giảm thiểu nguy cơ nhiễm fluor trong khi vẫn duy trì lợi ích nha khoa. Hơn 73% hệ thống nước cộng đồng của Hoa Kỳ phục vụ 211 triệu người bổ sung fluoride.

Thuốc diệt tảo và chất oxy hóa

Đồng sunfat kiểm soát tảo trong các hồ chứa ở nồng độ 0,1-1,0 mg/L, mặc dù những lo ngại về môi trường đã hạn chế việc sử dụng nó. Kali permanganat oxy hóa sắt, mangan và hydro sunfua đồng thời khử trùng. Quá trình oxy hóa nâng cao sử dụng hydrogen peroxide kết hợp với tia cực tím hoặc ozone tiêu diệt hiệu quả dược phẩm và các chất gây rối loạn nội tiết ở mức độ tối thiểu. tỷ lệ loại bỏ vượt quá 95% .

Tiêu chí và cân nhắc lựa chọn hóa chất

Việc lựa chọn hóa chất xử lý nước thích hợp đòi hỏi phải phân tích chất lượng nước nguồn thông qua thử nghiệm toàn diện. Các thông số chính bao gồm độ đục, pH, độ kiềm, độ cứng, sắt, mangan, tổng chất rắn hòa tan và hàm lượng vi sinh vật. A kiểm tra bình mô phỏng các quy trình xử lý, xác định loại và liều lượng chất keo tụ tối ưu trước khi triển khai trên quy mô toàn diện.

Các yếu tố kinh tế ảnh hưởng đáng kể đến việc lựa chọn hóa chất:

• Chi phí hóa chất trên mỗi pound hoặc gallon, bao gồm cả vận chuyển và lưu kho
• Hiệu quả định lượng (hóa chất thực tế cần thiết so với yêu cầu lý thuyết)
• Chi phí xử lý và tiêu hủy bùn từ quá trình đông tụ
• Yêu cầu về thiết bị để lưu trữ, cấp liệu và giám sát hóa chất
• Chi phí tuân thủ quy định và yêu cầu báo cáo

Đánh giá tác động môi trường bao gồm việc hình thành sản phẩm phụ, giới hạn giấy phép xả thải và ảnh hưởng lâu dài đến hệ sinh thái. Các cơ sở ngày càng ưa chuộng các hóa chất giúp giảm thiểu việc tạo ra bùn và tránh các chất gây ô nhiễm dai dẳng trong cặn xử lý.

Giao thức xử lý và lưu trữ an toàn

Yêu cầu lưu trữ

Hóa chất xử lý nước đòi hỏi điều kiện bảo quản cụ thể để duy trì hiệu quả và ngăn ngừa các mối nguy hiểm. Khí clo đòi hỏi các tòa nhà riêng biệt, thông gió với hệ thống phát hiện rò rỉ và máy lọc khẩn cấp. Hóa chất lỏng cần ngăn chặn thứ cấp 110% thể tích bể lớn nhất để ngăn chặn sự thải ra môi trường trong quá trình tràn hoặc hỏng bể chứa.

Kiểm soát nhiệt độ giúp kéo dài thời hạn sử dụng của hóa chất: natri hypochlorite phân hủy nhanh hơn 50% ở 90°F so với 70°F, mất 2-4% clo khả dụng hàng tháng trong điều kiện ấm áp. Việc luân chuyển hàng tồn kho phù hợp theo nguyên tắc nhập trước xuất trước (FIFO) sẽ ngăn ngừa việc sử dụng các hóa chất bị phân hủy làm ảnh hưởng đến hiệu quả xử lý.

Thiết bị bảo hộ cá nhân và an toàn

Người vận hành phải mặc PPE thích hợp khi xử lý hóa chất đậm đặc:

• Găng tay chống hóa chất (nitril, cao su tổng hợp hoặc PVC tùy theo hóa chất)
• Kính bảo hộ hoặc tấm che mặt để bảo vệ khỏi tia bắn
• Tạp dề hoặc bộ quần áo chống axit để xử lý chất ăn mòn
• Bảo vệ hô hấp khi làm việc với khí clo hoặc hóa chất dễ bay hơi
• Trạm rửa mắt khẩn cấp cách khu vực xử lý hóa chất 10 giây

Không bao giờ trộn hóa chất mà không có quy trình thích hợp—kết hợp clo với axit sẽ tạo ra khí clo chết người, đồng thời trộn clo với amoniac mà không có tỷ lệ thích hợp sẽ tạo ra hơi cloramin độc hại. Bảng dữ liệu an toàn (SDS) phải luôn có thể truy cập được đối với tất cả các hóa chất, nêu chi tiết các mối nguy hiểm, quy trình sơ cứu và ứng phó sự cố tràn.

Giám sát và kiểm soát liều lượng

Liều lượng hóa chất chính xác ngăn ngừa việc xử lý dưới mức (loại bỏ mầm bệnh không đủ) và xử lý quá mức (vi phạm quy định, vấn đề về mùi vị, lãng phí hóa chất). Các cơ sở hiện đại sử dụng hệ thống tự động với cảm biến thời gian thực đo dư lượng clo, độ pH, độ đục và tốc độ dòng chảy. Hệ thống định lượng theo tỷ lệ tự động điều chỉnh tốc độ cấp hóa chất dựa trên lưu lượng nước , duy trì điều trị nhất quán mặc dù nhu cầu có biến động.

Hiệu chuẩn thường xuyên đảm bảo độ chính xác của phép đo: máy phân tích clo yêu cầu xác minh hàng tuần bằng cách sử dụng chất chuẩn đo màu DPD, trong khi đầu dò pH cần hiệu chuẩn hàng tháng bằng dung dịch đệm. Người vận hành nên tiến hành kiểm tra bình hàng quý để xác minh liều lượng chất keo tụ tối ưu, vì chất lượng nước thô thay đổi theo mùa tùy theo lượng mưa, nhiệt độ và các hoạt động lưu vực.

Các điểm giám sát quan trọng bao gồm:

1. Đặc tính nước thô trước khi bổ sung hóa chất
2. Điểm phun hóa chất để xác minh pha trộn thích hợp
3. Các mẫu sau xử lý xác nhận đã đáp ứng các thông số mục tiêu
4. Mẫu hệ thống phân phối đảm bảo duy trì bảo vệ dư lượng

Tuân thủ quy định và tài liệu

Đạo luật Nước uống An toàn (SDWA) thiết lập Mức độ Ô nhiễm Tối đa (MCL) và các yêu cầu về kỹ thuật xử lý quy định việc sử dụng hóa chất. Hệ thống nước công cộng phải duy trì dư lượng chất khử trùng có thể phát hiện được trong 95% mẫu phân phối hàng tháng , với dư lượng clo thường nằm trong khoảng 0,2-2,0 mg/L tại vòi của khách hàng.

Chứng nhận NSF/ANSI Standard 60 đảm bảo hóa chất xử lý nước không tạo ra các chất gây ô nhiễm có hại. Chỉ những hóa chất được NSF chứng nhận mới được tiếp xúc với nước uống vì các sản phẩm không được chứng nhận có thể chứa tạp chất vượt quá giới hạn cho phép về sức khỏe. Người vận hành phải ghi lại việc giao hóa chất, sử dụng hàng ngày và duy trì nhật ký xử lý để kiểm tra theo quy định và báo cáo tuân thủ.

Quy tắc sản phẩm phụ khử trùng giới hạn tổng lượng trihalomethanes ở mức 80 g/L và axit haloacetic 60 g/L như đang chạy trung bình hàng năm. Các hệ thống vượt quá các giới hạn này phải sửa đổi quy trình xử lý, có khả năng chuyển từ clo sang chloramine, điều chỉnh quá trình đông tụ để loại bỏ tiền chất hữu cơ hoặc lắp đặt bộ lọc GAC. Các hành vi vi phạm cần phải thông báo công khai trong khung thời gian quy định và kế hoạch hành động khắc phục được gửi tới các cơ quan quản lý.

Công nghệ mới nổi và xu hướng tương lai

Các quy trình oxy hóa nâng cao (AOP) kết hợp tia UV với hydro peroxide hoặc ozone sẽ phá hủy các chất gây ô nhiễm mà các hóa chất thông thường không thể loại bỏ được. Các hệ thống này xử lý hiệu quả các chất gây ô nhiễm mới xuất hiện như PFAS (các chất per- và polyfluoroalkyl) ở mức tỷ lệ loại bỏ vượt quá 99% đối với một số hợp chất , mặc dù chi phí vốn vẫn cao gấp 2-3 lần so với phương pháp xử lý thông thường.

Khử trùng bằng điện hóa tạo ra chất oxy hóa tại chỗ từ dung dịch muối, loại bỏ việc vận chuyển và lưu trữ hóa chất nguy hiểm. Các hệ thống oxy hóa hỗn hợp tạo ra clo, ozon và hydro peroxide đồng thời, đạt được hiệu quả khử trùng với sự hình thành DBP giảm. Các hệ thống quy mô nhỏ phục vụ 100-5.000 người được hưởng lợi nhiều nhất từ ​​việc tạo ra tại chỗ, giảm chi phí vận hành từ 20-40% so với hóa chất được giao.

Các sáng kiến ​​hóa học xanh tập trung vào việc giảm sử dụng hóa chất thông qua các chuỗi xử lý được tối ưu hóa và các quy trình thay thế. Lọc màng (siêu lọc, lọc nano, thẩm thấu ngược) cung cấp các rào cản vật lý loại bỏ mầm bệnh và chất gây ô nhiễm mà không cần bổ sung hóa chất, mặc dù cần bơm nhiều năng lượng và làm sạch bằng hóa chất định kỳ. Các hệ thống lai kết hợp màng với quá trình tiền xử lý hóa học tối thiểu đại diện cho tương lai của việc xử lý nước bền vững, giảm tiêu thụ hóa chất trong khi vẫn đáp ứng các tiêu chuẩn chất lượng nước ngày càng nghiêm ngặt.