Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý nước thải nhuộm bằng khoáng Diatomit và phèn nhôm

ầu oxy sinh học BOD 3. Nhu cầu oxy hóa học COD 4. Độ cứng 5. pH III.3. Các chỉ tiêu vi sinh Chương II: Các phương pháp xử lý nước thải I. Giới thiệu chung II. Phân loại các quá trình và phương pháp xử lý nước thải II.1. Phần loại II.2. Các phương pháp xử lý II.2.1. Các phương pháp cơ học II.2.1.1. Song chắn và lưới lọc II.2.1.2. Điều hòa lưu lượng II.2.1.3. Lắng II.2.1.4. Lọc II.2.1.5. Tách các hạt rắn lơ lửng dưới tác dụng của lực ly tâm và lực nén II.2.2. Các phương pháp hóa lý II.2.2.1. Đông tụ và keo tụ II.2.2.2. Tuyển nổi II.2.2.3. Hấp phụ II.2.2.4. Trao đổi ion II.2.2.5. Các phương pháp điện hóa II.2.3. Các phương pháp hóa học II.2.3.1. Phương pháp trung hòa II.2.3.2. Phương pháp oxy hóa khử II.2.4 Các phương pháp sinh học Phần II: Thực nghiệm Chương I: Các phương pháp thực nghiệm kiểm tra chất lượng nước 1. Xác định nhu cầu oxy hóa học 2. Xác định độ màu coban 3. Xác định pH 4. Xác định độ dẫn điện 5. Xác định hàm lượng kim loại nặng 5.1. Xác định hàm lượng Niken 5.2. Xác định hàm lượng Mangan Chương II. Các phương pháp xử lý nước thải 1. Phương pháp keo tụ bằng phèn nhôm (Al2(SO4)3.K2SO4) 1.1. Cơ sở của phương pháp 1.2. Tiến hành và kết quả thảo luận 1.2.1. Ảnh hưởng của pH 1.2.2. Ảnh hưởng của lượng chất keo tụ 1.2.3. Ảnh hưởng của thời gian phản ứng tpư 1.2.4. Ảnh hưởng của thời gian tạo bông tb (khuấy nhẹ) 1.2.5. Ảnh hưởng của lượng chất trợ keo tụ Polyacrylamit 1.2.6. Thảo luận kết quả 2. Phương pháp hấp phụ dùng khoáng Diatomit 2.1. Biến tính khoáng 2.2. Sử dụng khoáng DA5 xử lý nước thải 3. Sử dụng than hoạt tính trong xử lý kim loại nặng 3.1. Biện pháp biến tính than 3.2. Hấp phụ trao đổi ion Niken trong nước 3.2.1. Cơ sở của phương pháp 3.2.2. Thực nghiệm và kết quả a. Khảo sát ảnh hưởng của thời gian hấp phụ đến độ hấp phụ b. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ Niken đến khả năng hấp phụ Kết luận Tài liệu tham khảo MỞ ĐẦU Hiện nay công nghiệp dệt may là ngành công nghiệp góp phần đáng kể trong tỉ trọng nền kinh tế nước ta, tuy nhiên nước thải do nó thải ra môi trường chưa qua xử lý (hoặc đã xử lý sơ bộ) cũng góp phần đáng kể vào sự ô nhiễm môi trường. Chúng chưa một lượng lớn các chất hữu cơ (các chất màu chứa nhân thơm rất khó phân hủy) mà chủ yếu là các chất hoạt động bề mặt, tồn tại ở dạng huyền phù và dung dịch keo bền. Có rất nhiều phương pháp để xử lý nước thải dạng này như: các phương pháp hóa lý (bao gồm đông tụ và keo tụ, hấp phụ, điện phân,…); phương pháp hóa học (phương pháp oxy hóa và khử); phương pháp sinh học. Tùy thuộc vào đặc tính của từng loại mà mỗi phương pháp có ưu điểm và nhược điểm riêng, tuy nhiên phương pháp thông dụng nhất hiện nay thường được sử dụng là các biện pháp hóa lý keo tụ hay hấp phụ, nó cho phép loại bỏ hầu hết các tạp chất có trong nước thải. Đó cũng là nội dung nghiên cứu của bản đồ án này: “Nghiên cứu các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình xử lý nước thải nhuộm bằng khoáng diatomit và phèn nhôm”. Em xin chân thành cảm ơn thầy Trần Văn Niêm, cô Trần Thị Thanh Thủy đã hết sức chỉ bảo, hướng dẫn cùng các thầy cô trong bộ môn Hóa Lý, bộ môn Hóa phân tích đã tạo điều kiện và giúp đỡ để em có thể hoàn thành bản đồ án này. Sinh viên Nguyễn Đăng Hải PHẦN I: TỔNG QUAN CHƯƠNG I NƯỚC, NƯỚC THẢI VÀ CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC VÀ SỰ Ô NHIỄM NƯỚC. Nước Nước là nguồn tài nguyên thiên nhiên phong phú nhất trên trái đất, theo các nhà khoa học thì khoảng 75% diện tích bề mặt của trái đất được bao phủ bởi nước. Trong đó 97,5% nước ở trong các đại dương, 2,4% trong đất liền và nhỏ hơn 0,001% trong không khí. Nhưng có một nghịch lý là chỉ 1% lượng nước trên trái đất có thể uống được, 2% ở dạng băng. Ta biết 50-90% trọng lượng cơ thể sinh vật là nước, còn máu trong động vật và nhựa cây thì chủ yếu là nước. Trong cơ thể người trưởng thành bao gồm xấp xỉ 55-60% nước, trong đó não gồm có 70%, da và máu là 82%, còn phổi là gần 90% nước. Nó còn là môi trường sống cho các sinh vật sống dưới nước. Nước được tạo thành từ hai khí là hydro và oxy. Hai nguyên tử hydro liên kết với một nguyên tử oxy bằng một liên kết cộng hóa trị. Công thức hóa học của nó là H2O. Do có tính phân cực nên nước đóng vai trò là dung môi cho hầu hết các loại dung dịch. Ngoài ra, do có nhiệt dung riêng lớn (4200 j/mol.K) nên nó đóng vai trò hết sức quan trọng trong điều hòa khí hậu của trái đất. Qua đó, ta có thể thấy nước có vị trí như thế nào trong sự phát triển của sinh vật trên trái đất. Vậy mà, cùng với sự phát triển của kinh tế, xã hội cả nhân loại đang phải đối mặt với những chất thải do chính họ thải ra, dẫn đến tình trạng ô nhiễm môi trường nói chung và ô nhiễm nước nói riêng. Tình trạng ô nhiễm nước Nước tự nhiên là nước được hình thành cả số lượng và chất lượng dưới ảnh hưởng của các quá trình tự nhiên, không có tác động của nhân sinh. Do tác động của nhân sinh, nước tự nhiên bị nhiễm bẩn bởi các chất khác nhau dẫn đến kết quả là làm ảnh hưởng đến chất lượng của nó. Các khuynh hướng thay đổi chất lượng của nước dưới ảnh hưởng của các hoạt động của con người bao gồm: Giảm độ pH của nước ngọt do ô nhiễm bởi H2SO4, HNO3 từ khí quyển và nước thải công nghiệp, tăng hàm lượng SO42- và NO3- trong nước. Tăng hàm lượng các ion Ca2+, Mg2+… trong nước ngầm và nước sông do nước mưa hòa tan, phong hóa các quặng cacbonat. Tăng hàm lượng các ion kim loại nặng trong nước tự nhiên, trước hết là Pb, Cd, Hg, As, Zn và cả các anion PO43-, NO3-, NO2-, … Tăng hàm lượng các muối trong nước bề mặt và nước ngầm do chúng đi vào môi trường nước cùng nước thải, từ khí quyển và từ các chất thải rắn. Tăng hàm lượng các hợp chất hữu cơ, trước hết là các chất khó bị phân hủy sinh học (Các chât hoạt động bề mặt, thuốc trừ sâu…). Giảm nồng độ oxy hòa tan trong nước tự nhiên do các quá trình oxy hóa liên quan tới quá trình phì dưỡng (eutrophication) các nguồn chứa nước và khoáng hóa các hợp chất hữu cơ… Giảm độ trong của nước. Tăng khả năng nguy hiểm của ô nhiễm nước tự nhiên do các nguyên tố phóng xạ. Các tính chất đặc trưng của nước thải bao gồm: pH, hàm lượng chất rắn, nhu cầu oxy sinh hóa BOD (Biochemical Oxygen Demand) hoặc nhu cầu oxy hóa học COD (Chemical Oxygen Demand), các dạng nitơ, photpho, dầu mỡ, mùi, màu, các kim loại nặng trong nước thải công nghiệp…[1] NƯỚC THẢI Phân loại nước thải Nước thải được định nghĩa là chất lỏng được thải ra sau quá trình sử dụng của con người và đã bị thây đổi tính chất ban đầu của chúng. Thông thường nước thải được phân loại theo nguồn gốc phát sinh ra chúng. Đó cũng là cơ sở cho việc lựa chọn công nghệ xử lý. Theo cách phân loại này ta có các loại nước thải sau đây: Nước thải sinh hoạt: là nước thải từ các khu dân cư, khu vực hoạt động thương mại, công sở, trường học và các cơ sở tương tự khác. Nước thải công nghiệp: là nước thải từ các nhà máy đang hoạt động, có cả nước thải sinh hoạt nhưng trong đó nước thải công nghiệp là chủ yếu. Nước thấm qua: là nước mưa thấm vào hệ thống cống bằng nhiều cách khác nhau qua các khớp nối, các ống có khuyết tật hoặc thành các hố ga hay hố người. Nước thải đô thị: là thuật ngữ chung chỉ chất lỏng trong hệ thống cống thoát nước của một thành phố. Đó là hỗn hợp của các loại nước thải trên.[1] Các tính chất đặc trưng của nước thải Để thiết kế, lựa chọn công nghệ xử lý nước thải hợp lý ta cần thiết phải hiểu các tính chất vật lý, thành phần hóa học và sinh học cùng nguồn gốc phát sinh của chúng được liệt kê trong bảng sau: Bảng 1.2. Các tính chất vật lý, hóa học và sinh học đặc trưng của nước thải và nguồn gốc của chúng [1] Tính chất Nguồn gôc phát sinh Các tính chất vật lý: Màu Mùi Chất rắn Nhiệt độ - Chất thải sinh hoạt và công nghiệp, sự phân rã tự nhiên chất hữu cơ - Sự thối rữa chất thải và các chất thải công nghiệp - Cấp nước cho sinh hoạt, các chất thải sinh hoạt và sản xuất, sói mòn đất, dòng thấm, chảy vào hệ thống cống. - Các chất thải sinh hoạt và sản xuất Thành phần hóa học Nguồn gốc hữu cơ: Cacbonhydrat Mỡ, dầu, dầu nhờn Thuốc trừ sâu Phenol Protein Các chất hoạt động bề mặt Các chất khác Nguồn gốc vô cơ: Độ kiềm Clorua Các kim loại nặng Nitơ pH Phôtpho Lưu huỳnh Các chất độc Các khí: H2S CH4 O2 Các chất thải sinh hoạt, thương mại và sản xuất Các chất thải sinh hoạt, thương mại và sản xuất Chất thải nông nghiệp Chất thải công nghiệp Các chất thải sinh hoạt và thương mại Các chất thải sinh hoạt và sản xuất Phân rã tự nhiên các chất hữu cơ Nước thải sinh hoạt, cấp nước sinh hoạt, quá trình thấm của nước ngầm Cấp nước sinh hoạt, các chất thải sinh hoạt, quá trình thấm của nước ngầm, các chất làm mềm nước Các chất thải công nghiệp Các chất thải sinh hoạt và nông nghiệp Các chất thải công nghiệp Các chất thải sinh hoạt và công nghiệp Cấp nước sinh hoạt, nước thải sinh hoạt và công nghiệp Các chất thải công nghiệp Phân hủy các chất thải sinh hoạt Phân hủy các chất thải sinh hoạt Cấp nước sinh hoạt, sự thấm của nước bề mặt Thành phần sinh học Các động vật Thực vật Sinh vật nguyên sinh Virút Các dòng nước hở và nhà máy xử lý Các dòng nước hở và nhà máy xử lý Các chất thải sinh hoạt và nhà máy xử lý Các chất thải sinh hoạt Trong bản đồ án này, nước thải được chọn để xử lý là nước thải của khâu nhuộm vải trong công nghiệp đệt nhuộm. Do đó, ta phải biết ở khâu này mục đích là tạo màu sắc khác nhau cho vải. Để nhuộm vải người ta thường sử dụng chủ yếu các loại thuốc huộm tổng hợp cùng với các hóa chất trợ nhuộm để tạo sự gắn màu của vải. Phần thuốc nhuộm dư không gắn vào, đi vào nước thải phụ thuộc vào nhiều yếu tố như công nghệ nhuộm, loại vải cần nhuộm, độ màu yêu cầu, … Nước thải nhuộm phân tán sử dụng trong nhuộm các loại vải polyeste, polyamit sau khi nhuộm có từ 8 đến 20 % chất màu không gắn vào sợi sẽ được thải ra cùng với nước. Thêm vào đó, để tăng hiệu quả quá trình nhuộm, người ta đưa vào các chất trợ nhuộm như: các loại axit H2SO4, CH3COOH, các muối sunfat natri, muối amon, các chất cầm màu như syntephix, tinofix… Vì những lý do trên mà nước thải trong công đoạn này thường có độ màu, BOD, COD, TS cao. Dưới đây ta sẽ tìm hiểu các chỉ tiêu dùng để dánh giá chất lượng nước.[1] CÁC CHỈ TIÊU ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC [2, 3] III.1. Các chỉ tiêu vật lý Nhiệt độ Nhiệt độ nước là đại lượng phụ thuộc vào điều kiện môi trường và khí hậu. Nhiệt độ có ảnh hưởng không nhỏ đến quá trình xử lý nước và như cầu tiêu thụ. Nước mặt thường có nhiệt độ thay đổi theo môi trường, còn nước thải thì phụ thuộc vào nguồn phát sinh ra nó. Độ đục Nước tinh khiết trong suốt không màu, có khả năng cho ánh sáng truyền qua, khi có các tạp chất huyền phù, cặn rắn lơ lửng, các vi sinh vật và cả các hóa chất hòa tan thì khả năng truyền ánh sáng của nước giảm đi. Dựa vào đó người ta xác định độ đục của nước. Nước có độ đục cao tức là có nhiều tạp chất chứa trong đó và do vậy khả năng truyền ánh sáng qua nước giảm. Đơn vị đo độ đục thường dùng là mg SiO2/l, NTU, FTU; trong đó đơn vị NTU và FTU là tương đương nhau. Độ màu Nước nguyên chất không có màu, khi nước chứa một các hòa tan thì nó trở nên có màu. Thí dụ, các hợp chất sắt hòa tan làm cho nước có màu nâu đỏ, các chất mùn humic làm cho nước có màu vàng, các loài thủy sinh tạo cho nước có màu xanh lá cây… Nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp thường tạo ra màu xám hoặc màu đen cho nguồn nước. Đơn vị đo độ màu thường dùng là độ theo thanh màu platin – coban. Nước thiên nhiên thường có độ màu thấp hơn 200 độ (Pt Co). Độ màu biểu kiến trong nước do các tạp chất lơ lửng trong nước tạo ra và dễ dàng loại bỏ bằng phương pháp lọc. Trong khi đó, để loại bỏ màu thực của nước (do các chất hòa tan tạo ra) phải dùng các biện pháp hóa lý kết hợp. Độ phóng xạ Nước nhiễm phóng xạ do sự phân hủy phóng xạ trong nước thường có nguồn gốc từ các nguồn nước thải. Phóng xạ gây nguy hiểm cho sự sống nên độ phóng xạ trong nước thường được xem như là một trong những chỉ tiêu quan trọng về chất lượng nước. Hàm lượng chất thải rắn trong nước Hàm lượng chất rắn trong nước gồm có chất rắn vô cơ (các muối hòa tan, chất rắn không hòa tan như huyền phù, đất cát…), chất rắn hữu cơ (gồm các vi sinh vật, vi khuẩn, động vật nguyên sinh, tảo và các chất vô cơ rắn hữu cơ vô sinh như phân, rác, chất thải công nghiệp…). Trong xử lý nước người ta đưa ra các khái niệm sau: Tổng hàm lượng cặn lơ lửng TSS (Total Suspended Solid) là trọng lượng khô tính bằng miligam của phần còn lại sau khi bay hơi 1 lít mẫu nước trên nồi cách thủy rồi sấy khô ở 103oC tới khi có trọng lượng không đổi, đơn vị là mg/l. Cặn lơ lửng SS (Suspended Solid), phần trọng lượng khô tính bằng miligam của phần còn lại trên giấy lọc khi lọc 2 lít mẫu nước qua phễu, sấy khô ở 103oC – 105oC tới khi có trọng lượng không đổi, đơn vị là mg/l. Chất rắn hòa tan DS (Dissolved Solid) bằng hiệu giữa tổng hàm lượng cặn lơ lửng TSS và cặn lơ lửng SS: DS = TSS - SS Chất rắn bay hơi VS (Volatile Solid) là phần mất đi khi nung ở 550oC trong một thời gian nhất định. Phần mất đi là chất rắn bay hơi, phần còn lại là chất rắn không bay hơi. Mùi, vị của nước Các chất khí và các chất hòa tan trong nước làm cho nước có mùi vị. Nước thiên nhiên có thể có mùi đất, mùi tanh, mùi thối hoặc mùi đặc trưng của các hóa chất hòa tan trong nó như mùi Clo, mùi khí NH3, mùi sunfua hydrô… Nước có thể có vị mặn, ngọt, chát … tùy theo thành phần và hàm lượng các muối hòa tan trong nước. Các chất gây mùi vị trong nước có thể chia thành ba nhóm: Các chất gây mùi có nguồn gốc vô cơ như NaCl, MgSO4 gây vị mặn, muối đồng gây mùi tanh, các chất gây tính kiềm tính axit của nước, mùi clo do Cl2, ClO2 hoặc mùi trứng thối của H2S. Các chất gây mùi có nguồn gốc hữu cơ trong chất thải công nghiệp, chất thải mạ, dầu mỡ, phênol… Các chất gây mùi từ các quá trình sinh hóa, các hoạt động của vi khuẩn, rong tảo như CH3-S-CH3 cho mùi tanh cá, C12H22O, C12H18O2 cho mùi tanh bùn… Độ dẫn điện Nước có tính dẫn điện kém. Nước tinh khiết ở 20oC có độ dẫn điện là 4,2 μS/cm (tương ứng điện trở 23,8 MΩ/cm). Độ dẫn điện của nước tăng theo hàm lượng các chất khoáng, các chất điện li hòa tan trong nước, và dao động theo nhiệt độ. Thông số này thường dùng để đánh giá tổng hàm lượng chất khoáng hòa tan trong nước. III. 2. Các chỉ tiêu hóa học Hàm lượng oxy hòa tan DO (Dissolved Oxygen ) Một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của nước là hàm lượng oxy hòa tan, vì không thể thiếu được đối với tất cả các vi sinh vật sống trên cạn cũng như dưới nước. Oxy là chất khí khó hòa tan trong nước, không tác dụng với nước về mặt hóa học. Độ hòa tan của nó phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ và các đặc tính của nước (các thành phần hóa học, vi sinh, thủy sinh sống trong nước…). Nồng độ của nó khoảng 8 ÷ 15 mg/l ở nhiệt độ bình thường. Để xác định hàm lượng oxy hòa tan trong nước nguồn cũng như nước thải, người ta thường dùng phương pháp iôt (hay còn gọi là phương pháp Winkler).[1] Nhu cầu ôxy sinh học BOD (Biological Oxygen Demand) Nhu cầu sinh hóa oxy BOD là lượng oxy cần thiết để vi sinh vật phân huỷ các chất hữu cơ trong một đơn vị thể tích nước nhất định (1000 ml) trong một đơn vị thời gian nhất định, trong điều kiện nhiệt độ là 20oC và không có ánh sáng. Để xác định lượng oxy đó cần phải cung cấp cho nước thải một lượng oxy thừa đủ cho quá trình phân huỷ các chất hữu cơ do các vi sinh vật (quá trình đó có thể là: 5; 10; 15; 20 ngày tùy theo yêu cầu nghiên cứu). [TCVN 4566 – 88] Lượng oxy trong nước giảm đi so với ngày đầu cho biết số mg oxy mà các vi sinh vật đã tiêu thụ. Trong môi trường nước, khi quá trình ôxy hóa sinh học xảy ra thì các vi khuẩn sử dụng ôxy hòa tan. Phản ứng xảy ra như sau: Vi khuẩn Chất hữu cơ + O2 CO2 + H2O Vận tốc của quá trình ôxy hóa nói trên phụ thuộc vào số vi khuẩn có trong nước và nhiệt độ của nước. BOD cũng là một chỉ tiêu dùng để dánh giá mức độ nhiễm bẩn của nước. BOD có thể được xác định bằng phương pháp hóa học khi sử dụng kali permaganat, xanh metylen, xác định từ COD. Hoặc cũng có thể dùng phương pháp sinh học, dùng chai BOD hay phương pháp hô hấp. Vì quá trình ôxy hóa hoàn toàn các hợp chất hữu cơ đòi hỏi phải tốn nhiều thời gian nên người ta thường dùng chỉ tiêu BOD5 – là lượng oxy tiêu thụ sau 5 ngày. Nhu cầu oxy hóa học COD (Chemical Oxygen Demand) COD là lượng ôxy cần thiết để ôxy hóa hết các hợp chất hữu cơ có trong nước, tạo thành CO2 và H2O. COD là một đại lượng dùng để đánh giá sơ bộ mức độ ô nhiễm của nguồn nước. Phương pháp phổ biến nhất để xác định COD là phương pháp kali bicromat. Cơ chế của nó diễn ra theo phương trình phản ứng sau: Các chất hữu cơ + Cr2O72- + H+ CO2 + H2O + 2Cr3+ Lượng dư Cr2O72- được chuẩn độ bằng dung dịch muối Mo (Fe(NH)4(SO4)2) và sử dụng dung dịch ferroin làm chất chỉ thị. Điểm kết thúc chuẩn độ là điểm khi dung dịch chuyển từ màu xanh lam sang màu nâu đỏ nhạt theo phản ứng sau: 6Fe2+ + Cr2O72- + 14H+ 6Fe3+ + 2Cr3+ + 7H2O Hàm lượng COD được tính theo công thức: , mg/l trong đó: A – thể tích dung dịch muối Mo tiêu tốn cho chuẩn độ dung dịch trắng, ml B – thể tích dung dịch muối Mo tiêu tốn cho chuẩn độ dung dịch mẫu, ml N – nồng độ đương lượng của dung dịch muối Mo 8000 là hệ số chuyển đổi kết quả sang mg O2/l Chỉ số COD biểu thị cả lượng các chất hữu cơ không thể bị oxy hóa bằng vi sinh vật, do đó nó có giá trị cao hơn BOD. Phép phân tích COD có ưu điểm là cho kết quả nhanh (hết khoảng 3 giờ) nên đã khắc phục được nhược điểm của phép đo BOD.[1] Độ cứng của nước Độ cứng của nước là đại lượng biểu thị hàm lượng các ion canxi, magiê có trong nước. Trong xử lý nước thường phân biệt ba loại độ cứng: độ cứng toàn phần, độ cứng tạm thời và độ cứng vĩnh cửu. Nước có độ cứng cao có tác hại không tốt trong sinh hoạt cũng như trong công nghiệp. Khi tính theo hàm lượng CaCO3 trong nước, người ta có thể chia ra làm ba loại: nước mềm có chứa nhỏ hơn 50 mg CaCO3/l nước thường có chứa đến 150 mg CaCO3/l nước cứng có chứa trên 300 mg CaCO3/l. Độ pH Độ pH là đại lượng có giá trị được định nghĩa theo phương trình sau: pH = -lg[H+] Tính chất của nước được xác định theo các giá trị khác nhau của pH. Khi pH = 7, nước có tính trung tính; khi pH > 7, nước có tính kiềm; khi pH < 7 nước có tính axit. pH có thể xác định bằng giấy quỳ hoặc bằng các máy đo pH (pH mét) điện cực hydro hoặc cực thủy tinh. III.3 Chỉ tiêu vi sinh Nước thiên nhiên có nhiều loại vi trùng, siêu vi trùng, rong, tảo và các loài thủy sinh khác. Tùy theo tính chất, các loại vi sinh trong nước được chia thành hai nhóm: nhóm vi sinh vật có hại và nhóm vi sinh vật vô hại. Nhóm vi sinh vật có hại bao gồm các vi trùng gây bệnh, các loại rong rêu, tảo, nhóm này cần phải loại bỏ khỏi nước trước khi sử dụng. CHƯƠNG II CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI GIỚI THIỆU CHUNG Quá trình xử lý nước thải là một quy trình công nghệ bao gồm nhiều công đoạn nhỏ, mỗi công đoạn chỉ có thể xử lý được một phần tạp chất nhất định. Do đó chúng ta phải tìm hiểu sơ bộ về các công đoạn và phương pháp xử lý trong một dây chuyền cơ bản. Và các phương pháp mà bản đồ án này nghiên cứu sẽ được đề cập chi tiết. PHÂN LOẠI CÁC QUÁ TRÌNH VÀ PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI PHÂN LOẠI QUÁ TRÌNH Nước thải chứa rất nhiều tạp chất có bản chất khác nhau. Vì vậy, mục đích của xử lý nước thải là khử các tạp chất đó sao cho nước thải sau khi xử lý đạt tiêu chuẩn chất lượng ở mức chấp nhận được theo các chỉ tiêu đã đặt ra. Các tiêu chuẩn chất lượng đó tủy thuộc vào mục đích: nước thải sẽ được sử dụng hay thải vào các nguồn tiếp nhận. Để đạt được mục đích trên, trong công nghệ xử lý nước thải đã dùng nhiều quá trình khác nhau (như minh họa trên hình 2.1). Hình 2.2 trình bày sơ đồ nguyên lý công nghệ thường dùng xử lý nước thải. Theo chất lượng nước đạt được, các quá trình xử lý được nhóm thành các công đọan: xử lý câp I, xử lý câp II, xử lý câp III. Xử lý cấp I: gồm các quá trình xử lý sơ bộ và lắng, bắt đầu từ song (hoặc lưới) chắn và kết thúc sau lắng cấp I. Công đoạn này có nhiệm vụ khử các vật rắn nổi có kích thước lớn và các tạp chất rắn có thể lắng ra khỏi nước thải để bảo vệ bơm và đường ống. Hầu hết các chất rắn lơ lửng lắng cấp I. Ở đây thường gồm các quá trình lọc qua song (hoặc lưới) chắn, lắng, tuyển nổi, tách dầu mỡ và trung hòa. Xử lý cấp II: gồm các quá trình sinh học (đôi khi cả quá trinh hóa học) có tác dụng khử hầu hết các tạp chất hữu cơ hòa tan có thể phân hủy theo con đường sinh học, nghĩa là khử BOD. Đó là quá trình: hoạt hóa bùn, lọc sinh học hay oxy hóa sinh học trong các hồ (hồ sinh học) và phân hủy yếm khí. Tất cả các chất thải hữu cơ về dạng ổn định và năng lượng thấp. Xử lý cấp III: thường gồm các quá trình: vi lọc, kết tủa hóa học và đông tụ, hấp phụ bằng than hoạt tính, trao đổi ion, thẩm thấu ngược, điện thẩm tích, các quá trình khử các chất dinh dưỡng, clo hóa và ozôn hóa. Bùn sơ cấp Nước thải vào Dòng ra Cl2 Xử lý cấp II Xử lý cấp III Xử lý cấp I Lắng cát 3 5 7 9 4 8 6 Xử lý sơ bộ 1 2 Tạp chất Cát sỏi Bùn hoạt tính Bùn thải Hình 1.2 Sơ đồ nguyên lý và các mức độ xử lý nước thải 1. Thanh hoặc lưới chắn; 2. Bể lắng cát; 3. Bể lắng cấp I; 4. Xử lý cấp II (hoạt hóa bùn hoặc lọc sinh học); 5. Bể lắng câps II; 6. Bể tiếp xúc clo; 7. Bể lắng làm đặc bùn; 8. Bể tiêu hủy bùn yếm khí; 9. Thiết bị tách nước (lọc khung bẳn hoặc lọc băng tải…) CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ CÁC PHƯƠNG PHÁP CƠ HỌC Nước thải công nhiệp cũng như nước thải sinh hoạt thường chứa các chất tan và không tan ở dạng hạt lơ lửng. Các tạp chất lơ lửng có thể ở dạng rắn và lỏng, chúng tạo với nước thành hẹ huyền phù. Tùy thuộc vào khích thước hạt, các hệ được chia thành ba nhóm như minh họa ở hình 2.3 Chất rắn tan Chất rắn keo Chất rắn lơ lửng 10 10-2 10-5 10-8 10-4 10-7 10-3 10-6 10-2 10-5 10-1 10-4 1 10-3 100 10-1 Kích thước hạt, μm Khử bằng đông tụ Lắng được Kích thước hạt, mm Hình 1.3 Phân loại chất thải rắn trong nước thải Để tách các hạt lơ lửng ra khỏi nước thải, thường người ta sử dụng các quá trình thủy cơ (gián đọan hoặc liên tục): lọc qua song chắn hoặc lưới, lắng dưới tác dụng của lực hút trọng trường hoặc lực ly tâm và lọc. Việc lựa chọn phương pháp xử lý tùy thuộc vào kích thước hạt, tính chất hóa lý, nồng độ hạt lơ lửng, lưu lượng nước thải và mức độ làm sạch cần thiết. Song chắn và lưới lọc Song chắn Nước thải đưa tới công trình làm sạch trước hết được đi qua các song chắn rác. Tại song chắn, các tạp vật như giẻ, rác, vỏ đồ hộp, các mẩu đá, gỗ và các vật thải khác được giữ lại. Lưới lọc Để khử các chất lơ lửng có kích thước nhỏ hoặc các sản phẩm có giá trị, thường sử dụng lưới lọc hình tang trống. Lưới có kích thước lỗ từ 0,5 đến 1mm. Khi tang trống quay, thường với vận tốc 0,1 đến 0,5 m/s, nước thải được lọc qua bề mặt trong hay ngoài, tùy thuộc vào sự bố trí đường dẫn nước thải vào. Các vật thải được cào ra khỏi mặt lưới bằng hệ thống cào. Điều hòa lưu lượng Điều hòa lưu lượng dùng để duy trì dòng thải vào gần như không đổi, khắc phục những vấn đề vận hành do sự dao dộng lưu lượng nước thải gây ra và nâng cao hiệu suất của các quá trình ở cuối dây truyền xử lý. Lắng Đây là quá trình mà dưới tác dụng của trọng lực mà các hat rắn bị chìm xuống đáy và được tách ra khỏi dòng nước thải. Các thiết bị lắng được sử dụng rất rộng rãi trong các dây truyền xử lý nước thải đó là các bể lắng, việc chọn lựa sử dụng và cơ sở lý thuyết của quá trình lắng có thể tìm thấy trong các tài liệu liên quan. Lọc Được ứng dụng để tách các tạp chất phân tán có kích thước nhỏ khỏi nước thải mà các bể lắng không thể loại bỏ được. Quá trình lọc được thực hiện bằng các cho chất lỏng đi qua vách ngăn xốp, khi đó các pha phân tán sẽ bị giữ lại Tách các hạt rắn lơ lửng dưới tác dụng của lực ly tâm và lực nén Khi chất lỏng chuyển động tròn trong các xyclon thủy lực, lực ly tâm tác dụng nên các hạt rắn làm văng chúng ra thành và rơi xuống phía dưới còn dòng chất lỏng đi ra khỏi xyclon ở phía trên. Nhờ đó ta có thể tách được các hạt ở pha phân tán ra khỏi dòng nước thải. CÁC PHƯƠNG PHÁP HÓA LÝ Đây là những phương pháp được dùng khá phổ biến, phương pháp này có thể giảm 80 ÷ 90 % số lượng các huyền phù tạp chất, đảm bảo thích ứng với sự thay đổi đột ngột độ nhiễm bẩn của nước thải. Đông tụ và keo tụ [1] Tạp chất trong nước thải thường đa dạng về chủng loại và kích thước, quá trình lắng chỉ có thể tách được các hạt rắn huyền phù nhưng không thể tách được các chất gây nhiễm bẩn ở dạng keo và hòa tan vì chúng là những hạt rắn có kích thước quá nhỏ. Để tách các hạt rắn đó một cách hiệu quả bằng phương pháp lắng cần tăng kích thước của chúng nhờ sự tác động tương hỗ giữa các hạt phân tán liên kết thành tập hợp các hạt, nhằm làm tăng vận tốc lắng của chúng. Việc khử các hạt keo rắn bằng lắng trọng lực đòi hỏi trước hết cần trung hòa điện tích của chúng, tiếp theo là liên kết chúng với nhau. Quá trình trung hòa điện tích gọi là quá trình đông tụ, còn quá trình tạo thành các bông lớn hơn từ các hạt nhỏ gọi là quá trình keo tụ. Trong công nghệ xử lý nước, người ta thường cho phèn vào nước để làm mất tính ổn định của hệ keo thiên nhiên đồng thời tạo ra hệ keo mới có khả năng kết hợp thành những bông cặn lớn, lắng nhanh, có hoạt tính bề mặt cao, khi lắng hấp phụ và kéo theo cặn làm bẩn nước, cũng như các chất hữu cơ gây mùi, vị của nước. Theo thành phần cấu tạo người ta chia chúng thành hai loại: keo kỵ nước là loại chống lại các phân tử nước và keo háo nước là loại hấp thụ các phân tử nước như vi khuẩn, vi rút… trong đó keo kỵ nước đóng vai trò chủ yếu trong công nghệ xử lý nước thải. Các cặn lơ lửng trong nước có thể tích điện âm hoặc dương. Khi thế cân bằng điện động của nước bị phá vỡ, các thành phần mang điện này sẽ kết hợp hoặc dính kết với nhau bằng lực liên kết phân tử và điện từ, tạo thành tổ hợp các phân tử, nguyên tử hoặc ion tự do, gọi là các bông keo. Cơ chế của quá trình đông tụ được giải thích như sau: Những hạt rắn lơ lửng mang điện tích âm trong nước sẽ hút các điện tích trái dấu. Một số các ion trái dấu đó hút chặt vào các hạt đến mức chúng chuyển động cùng các hạt rắn, do đó tạo thành một mặt trượt. Xung quanh lớp ion trái dấu bên trong này là lớp ion bên ngoài mà hầu hết là các ion trái dấu, chúng bị bám vào một cách lỏng lẻo và có thể dễ dàng bị trượt ra. Khi các hạt rắn mang điện tích âm chuyển động qua lớp chất lỏng thì các hạt tích điện âm đó giảm bởi các ion mang điện dương ở lớp bên trong. Hiệu số điện năng giữa các lớp cố định và lớp chuyển động gọi là thế zeta (ξ) hay thế điện động. Mục tiêu của đông tụ là giảm thế zeta sao cho các hạt rắn không đẩy lẫn nhau bằng cách thêm các ion điện tích dương vào dung dịch. Như vậy trong đông tụ diễn ra quá trình phá vỡ ổn định trạng thái keo của các hạt nhờ trung hòa điện tích. Hiệu quả đông tụ phụ thuộc vào nồng độ và điện tích của ion chất đông tụ đưa vào. Nồng độ và điện tích càng cao thì hiệu quả đông tụ càng lớn. Quá trình thủy phân các chất đông tụ tạo thành bông keo xảy ra như sau: Me3+ + H2O Me(OH)2+ + H+ (1.1) Me(OH)2+ + H2O Me(OH)2+ + H+ (1.2) Me(OH)2+ + H2O Me(OH)3 + H+ (1.3) Me3+ + 3H2O Me(OH)3 + 3H+ (1.4) Các chất đông tụ thường dùng là các muối sắt, nhôm hoặc hỗn hợp của chúng. Trong thực tế thường sử dụng các chất sau: Al2(SO4).18H2O, NaAlO2, Al2(OH)5Cl, KAl(SO4)2.12H2O, NH4Al(SO4)2.12H2O, Fe2(SO4)3.2H2O, FeSO4.7H2O, FeCl3. Dùng phèn nhôm: Khi cho phèn nhôm vào nước, chúng phân li thành các ion Al3+, sau đó các ion này bị thủy phân thành Al(OH)3: Al3+ + 3H2O Al(OH)3↓ + 3H+ (1.5) Trong phản ứng này, ngoài Al(OH)3 được tạo thành là nhân tố chính quyết định đến hiệu quả keo tụ, còn giải phóng ra các ion H+. Các ion này sẽ được khử bằng độ kiềm tự nhiên của nước (được đánh giá bằng HCO3-). Trường hợp độ kiềm tự nhiên của nước thấp, không đủ trung hòa ion H+ thì cần phải kiềm hóa nước. Chất thường dùng để kiềm hóa là CaO, Na2CO3 hoặc NaOH. Độ pH của nước có ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình thủy phân. Khi pH 7,5 sẽ làm cho nồng độ Al(OH)3 ít đi và hiệu quả keo tụ bị hạn chế. Thông thường phèn nhôm đạt hiệu quả keo tụ lớn nhất khi nước có pH = 5,5 – 7,5. Yếu tố nhiệt độ cũng có ảnh hưởng đến quá trình keo tụ. Nhiệt độ của nước càng cao, tốc độ keo tụ xảy ra càng nhanh, khi đó cần giảm lượng phèn cho vào nước. Nhiệt độ của nước thích hợp khi dùng phèn nhôm vào khoảng 20 – 40oC, tốt nhất là 35 – 40oC. Ngoài ra còn có một số tác nhân khác cũng ảnh hưởng đến quá trình keo tụ như: các ion có trong nước, các hợp chất hữu cơ, liều lượng phèn, điều kiện khuấy trộn, môi trường phản ứng… Dùng phèn sắt: phèn sắt được chia thành 2 loại: phèn sắt (II) và phèn sắt (III). Phèn sắt (II) khi cho vào nước bị phân li thành Fe2+ và bị thủy phân thành Fe(OH)2 theo phương trình: Fe2+ + 2H2O Fe(OH)2 + 2H+ (1.6) Fe(OH)2 vừa tạo ra vẫn có khả năng tan trong nước, khi trong nước có oxy hoà tan: 4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O 4 Fe(OH)3 (1.7) Quá trình oxy hóa trên chỉ diễn ra tốt khi nước có pH = 8 ÷ 9 và nước phải có độ kiềm cao. Phèn sắt (III) khi cho vào nước bị phân li thành Fe3+ và bị thủy phân thành Fe(OH)3: Fe3+ + 3H2O Fe(OH)3 + 3H+ (1.8) Vì phèn sắt (III) không bị oxy hóa nên không cần nâng cao độ pH như sắt (II). Phản ứng thủy phân xảy ra khi pH > 3,5 và quá trình kết tủa sẽ hình thành nhanh chóng khi pH = 5,5 ÷ 6,5. Để tăng cường quá trình tạo thành bông keo hydroxit Al và Fe với mục đích tăng tốc độ lắng, người ta tiến hành keo tụ bằng cách cho thêm vào nước thải các hợp chất cao phân tử gọi là chất trợ đông tụ. Các chất này có tác dụng làm hạ thấp liều lượng chất đông tụ, giảm thời gian quá trình đông tụ và nâng cao tốc độ lắng của các bông keo. Các chất trợ keo tụ thường được sử dụng là: tinh bột, dextrin (C6H10O5)m, các ete, xenlulo, dioxit silic hoạt tính (xSiO2.yH2O), polyacrylamit… Để phản ứng diễn ra hoàn toàn và tiết kiệm phải khuấy trộn đều hóa chất với nước thải. Quá trình làm sạch nước thải bằng đông tụ và keo tụ gồm các giai đoạn: định lượng, khuấy trộn hóa chất với nước thải, tạo thành bông keo va lắng bông keo. Theo như sơ đồ sau: Nước sạch 1 2 4 Nước Chất đông tụ Nước thải 3 Chất lắng Hình 1.4 Sơ đồ thiết bị làm sạch nước thải bằng dông tụ Bể chứa chuẩn bị dung dịch Thiết bị định lượng Bể khuấy trộn Bể tạo bông Bể lắng trong Tuyển nổi [1] Phương ._.