1. Khử trùng và Tiệt trùng – Hai khái niệm khác biệt

Khử trùng (Disinfection) là công đoạn cuối cùng và quan trọng nhất trong quy trình xử lý nước thải, nhằm tiêu diệt các vi sinh vật gây bệnh như Thương hàn, Dịch tả, Lỵ, Viêm gan,....
Khử trùng không loại bỏ hoàn toàn vi sinh vật mà chỉ giảm chúng xuống mức an toàn.
Ngược lại, Tiệt trùng (Sterilization) là quá trình loại bỏ hoàn toàn mọi vi sinh vật, bao gồm cả bào tử – điều này thường chỉ áp dụng trong lĩnh vực y tế hoặc phòng thí nghiệm.

Trong các tác nhân khử trùng, Chlorine (Cl₂) và các hợp chất của nó là lựa chọn phổ biến nhất, nhờ hiệu quả tiêu diệt vi khuẩn đạt 98–99% và khả năng duy trì dư lượng khử trùng ổn định trong hệ thống phân phối nước.
 

2. Cơ chế Thủy phân Chlorine và Hình thành HOCl/OCl⁻

2.1. Thủy phân Chlorine trong nước

Chlorine được sử dụng ở dạng khí Cl₂ hoặc muối Ca(OCl)₂, NaOCl. Khi hòa tan trong nước, Cl₂ thủy phân theo phản ứng:

Cl2​+H2​O→HOCl+H++Cl−

Sản phẩm tạo thành là Axit Hypochlorous (HOCl) – dạng chlorine tự do có hoạt tính mạnh nhất.

2.2. Cân bằng HOCl và OCl⁻ (Chlorine tự do hữu dụng)

HOCl tiếp tục phân ly:

HOCl⇌OCl−+H+

Hai dạng HOCl và OCl⁻ được gọi chung là chlorine tự do hữu dụng.
Tuy nhiên, HOCl có khả năng khử trùng mạnh hơn OCl⁻ từ 80–300 lần, do là phân tử trung hòa, dễ xuyên qua màng tế bào vi khuẩn.

👉 Ảnh hưởng của pH:

• Ở pH < 7,5, HOCl chiếm ưu thế → hiệu quả khử trùng cao.
• Khi pH > 7,5, cân bằng chuyển sang OCl⁻ → hiệu quả giảm.
  => Giữ pH từ 7–8 là tối ưu để duy trì tỷ lệ HOCl cao.

3. Phản ứng Chlorine với Ammonia và Hiện tượng Breakpoint Chlorination

3.1. Hình thành Chloramine (Chlorine kết hợp)

Trong nước thải có chứa Amoni (NH₄⁺), chlorine phản ứng để tạo ra các hợp chất chloramine:

NH4+​+HOCl→NH2​Cl+H2​O+H+(Monochloramine)

NH2​Cl+HOCl→NHCl2​+H2​O(Dichloramine)

NHCl2​+HOCl→NCl3​+H2​O(Nitrogen Trichloride)

• Monochloramine (NH₂Cl) là dạng khử trùng mong muốn, ổn định và ít gây mùi.
• Dichloramine (NHCl₂) và Nitrogen Trichloride (NCl₃) dễ bay hơi, gây mùi khó chịu, cần hạn chế hình thành.

3.2. Tối ưu hóa pH và Tỷ lệ Chlorine – Ammonia

4. Động học Phản ứng Breakpoint Chlorination

Breakpoint Chlorination mô tả quá trình chlorine phản ứng tuần tự với các tạp chất trong nước thải. Đồ thị biểu diễn thường chia làm 3 giai đoạn chính:

1. Vùng a–b (Nhu cầu chlorine):
   Chlorine phản ứng với các chất khử như H₂S, Fe²⁺, NO₂⁻, chưa có chlorine dư.
2. Vùng b–c (Hình thành chloramine):
   Chlorine bắt đầu kết hợp với ammonia tạo chloramine – đây là vùng khử trùng hiệu quả.
3. Vùng c–d (Oxy hóa chloramine):
   Khi ammonia đã phản ứng hết, lượng chlorine thêm vào sẽ oxy hóa chloramine tạo N₂, NO₃⁻, NCl₃, làm giảm dư lượng chlorine tạm thời.
4. Sau điểm d (Breakpoint):
   Khi vượt qua điểm này, lượng chlorine thêm vào sẽ duy trì chlorine tự do (HOCl, OCl⁻) trong nước – đảm bảo khử trùng triệt để.

👉 Ý nghĩa kỹ thuật:
Xác định đúng điểm breakpoint giúp kỹ sư tính toán liều lượng chlorine tối ưu để vừa khử ammonia, vừa đảm bảo chlorine dư tự do cần thiết cho khử trùng.

5. Rủi ro Hóa học và Ảnh hưởng Sức khỏe

5.1. Phản ứng tạo mùi và chất độc hại

• Phenol + Cl₂ → Chlorophenol → Gây mùi, vị khó chịu.
• Chất mùn hữu cơ (Humic acid) + Cl₂ → Trihalomethane (THMs), trong đó có Chloroform (CHCl₃) – chất gây ung thư.

5.2. Dư lượng Chloramine cần thiết

Trong thực tế vận hành nước thải sinh hoạt:

• Dư lượng chloramine 0,5 mg/L sau 15 phút tiếp xúc được xem là đủ để khử trùng hiệu quả.
• Đây được gọi là lượng chlorine cần thiết (Required Chlorine Dose).

6. Kết luận

• Chlorine hóa nước thải là phương pháp khử trùng hiệu quả, loại bỏ 98–99% vi khuẩn gây bệnh.
• Hiệu suất khử trùng phụ thuộc mạnh vào tỷ lệ HOCl/OCl⁻, được kiểm soát bằng pH (7–8).
• Tối ưu tỉ lệ Cl₂:NH₄⁺–N = 5:1 giúp hình thành monochloramine ổn định, tránh tạo NCl₃ gây mùi.
• Mặc dù có nguy cơ tạo CHCl₃ (chloroform), nhưng chlorine vẫn là lựa chọn ưu tiên nhờ hiệu quả cao, dễ kiểm soát và kinh tế.