Tác dụng và hiệu quả khử trùng của các dạng chlorine

Các nguồn chlorine thương mại phổ biến là chlorine (Cl2), hypochlorite canxi [Ca(OCl)2] và hypochlorite natri (NaOCl). Chlorine có thể tan 7160mg/L trong nước 20oC và nó phản ứng để tạo ra HOCl và HCl, HOCl tiếp tục ion hóa tạo ra ion OCl:

Cl2 + H2O = HOCl + HCl
HOCl  = OCl- + H+

Hypochlorite canxi và hypochlorite natri hòa tan trong nước cũng tạo ra OCl-. Sự hiện diện của các dạng chlorine phụ thuộc vào pH của nước (xem hình trên), dạng Cl2 không hiện diện khi pH lớn hơn 2, HOCl là dạng phổ biến nhất khi pH nằm trong khoảng 1-7,48, HOCl=OCl- khi pH = 7,48 và OCl- thì cao hơn HOCl khi pH trên 7,48. Mức độ nhạy cảm của vi sinh vật đối với các dạng chlorine phụ thuộc rất lớn vào tốc độ khuếch tán vào trong tế bào, HOCl có hiệu quả khử trùng mạnh hơn OCl- khoảng 100 lần do HOCl có kích thước phân tử nhỏ và trung hòa điện tích nên dễ dàng khuếch tán vào tế bào hơn so với OCl-. Do đó, chlorine chỉ có hiệu quả khử trùng cao khi pH nhỏ hơn 6. Không nên dùng chlorine khi pH lớn hơn 7,48 và không được bón vôi trước khi khử trùng nước. Các bào tử của vi sinh vật có khả năng chịu đựng chlorine ở nồng độ cao so với tế bào sinh dưỡng bởi vì chlorine khó khuếch tán qua vỏ của bào tử.

Cơ chế tác dụng của chlorine trong khử trùng là HOCl phản ứng với hệ enzyme oxy hóa glucose và các hoạt động trao đổi chất, kết quả gây chết tế bào. Phản ứng này có liên quan đến sự oxy hóa của HOCl đối với enzyme có chứa gốc HS-. Đa số virus đều không có enzyme chứa gố HS- nên chlorine hầu như khôngcó tác dụng diệt hay bất hoạt virus (trừ một số trường hợp cụ thể được chỉ định).

Để diệt vi sinh vật nước ngọt có thể dùng 1,5 mg/L của Cl (tương đương 6 mg/L của Ca(OCl)2 70%). Trong môi trường mặn lợ do độ pH thường khá cao nên khử trùng với nồng độ 5-7 mg/L của Cl (tương đương 20-30 mg/L của Ca(OCl)2 70%).

Tác dụng oxy hóa của chlorine

Chlorine (Cl2, NaOCl, Ca(OCl)2) còn có tác dụng oxy hóa các ion khử vô cơ (Fe2+, Mn2+, NO2- và H2S) và hợp chất hữu cơ. Các phản ứng oxy hóa này thường chuyển hóa các chất độc thành các chất không độc. Cl2, HOCl, và OCl- cũng bị khử thành dạng Cl-, ít độc. Để oxy hóa 1mg/L H2S, Fe2+, Mn2+ và NO2- cần dùng lần lượt là 8,5 mg/L, 0,6 mg/L, 1,3 mg/L và 1,5 mg/L của Cl. Do đó, sự hiện diện của hợp chất hữu cơ và khử vô cơ trong nước làm tăng liều lượng chlorine khi khử trùng.

Những tác hại khi khử trùng nước bằng chlorine

Chlorine tự do (Cl2, HOCl và OCl-) tồn lưu trong nước sẽ gây độc đối với tôm cá và các loài thủy sinh vật. Nồng độ chlorine tự do tối đa cho phép đối với thủy sinh vật là 0,01 mg/L. Ở nồng độ 0,1 mg/L, chlorine tự do có thể gây chết hầu hết phiêu sinh vật biển và nồng độ chlorine tự do 0,37 mg/L có thể gây chết cá. Do đó, sau khi khử trùng nên khử chlorine hoặc sục khí mạnh trong 3-5 ngày trước khi thả cá. Có thể khử chlorine sau khi khử trùng bằng Na2S2O3, để loại bỏ 1 mg/L Cl cần dùng 6,99 mg/L Na2S2O3.

C12 + 2Na2S2O3·5H2O → Na2S4O6 + 2NaCl + 10H2O

Trong môi trường giàu muối dinh dưỡng, ROCL phản ứng với NH3 hình thành các hợp chất chloramine (NH2Cl, NHCl2 hoặc NCl3), các hợp chất này bền, có thời gian lưu tồn lâu và cũng độc đối với sinh vật. Các hợp chất chloramine có tác dụng giống như NO2-, chúng phản ứng với Hemoglobine tạo thành Methemoglobine gây ra chứng bệnh máu màu nâu và làm giảm khả năng vận chuyển oxy của máu (cá bị nổi đầu). Do đó, không nên dùng chlorine để diệt tảo và diệt khuẩn cho ao nuôi, chlorine sẽ làm giảm sinh trưởng và tỉ lệ sống của cá.

Trong môi trường giàu xác hữu cơ, HOCl sẽ phản ứng với CH4 và các nguyên tố khác có trong nước để hình thành các hợp chất Trihalomethan (CHCl3, CHCl2Br, CHClBr2, ...). Trihalomethan (THMs) là các hợp chất độc với thủy sinh vật và con người, chúng được xem là tác nhân gây bệnh ung thư ở người và động vật. Trihalomethan rất bền, chúng có thể tích tụ trong cơ thể động vật và truyền từ sinh vật này sang sinh vật khác trong chuỗi dinh dưỡng. Giới hạn của EPA (Hoa Kỳ) về hàn lượng THMs trong nguồn nước sau xử lý chlorine phải nhỏ hơn 80
µg/L.

Như vậy, chlorine có hiệu quả tốt để diệt khuẩn các nhóm sinh vật kích thước nhỏ, đối với bào tử của vi sinh vật và virus thì hiệu quả xử lý không cao. Chỉ nên dùng chlorine để khử trùng nguồn nước cấp vào đầu vụ nuôi. Không nên xử lý chlorine khi trong nước ao giàu muối dinh dưỡng và chất hữu cơ vào giữa và cuối vụ nuôi.