PHẦN MỘT – XỬ LÍ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI CHƯƠNG 1. CÁC PHƯƠNG PHÁP TIỀN XỬ LÝ pdf

PHẦN MỘT – XỬ LÍ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI CHƯƠNG CÁC PHƯƠNG PHÁP TIỀN XỬ LÝ Chương trình bày nguyên lí đơn vị xử lí sử dụng ngun lí vật lí hố học theo trình tự gần từ nước thô vào tới khỏi hệ xử lí Về nguyên tắc nhà máy xử lý nước (nước thải) trước nhận nước phải có hố thu (hố tiếp nhận nước/nước thải) Đây cấu xây dựng đơn có chức nhận/gom nước để nước bắt đầu qua đơn vị xử lí nên gần khơng có u cầu đặc biệt công nghệ Các yêu cầu kĩ thuật xem TCXDVN 51:2008 (nâng cấp 1984) tài liệu giảng dạy Trường ĐHXD HN (Trần Hiếu Nhuệ, Lâm Minh Triết, 1974.) Sau hố thu nước qua đơn vị xử lí song chắn rác Chắn rác DANH MỤC MỘT SỐ HÃNG CUNG CẤP CHÍNH Chắn rác American Well Works; BIF Sanitrol, a unit of General Signal; Chain Belt Co.; Envirex Inc., a Rexnord Co.; FMC Corp Materials Handling Div.; Hycor Corp.; Keene Corp., Water Pollution Control; Lakeside Equipment Corp.; Link Belt Co.; LYCO; Walker Process Corp.; Welker Equipment Co.; Wemco Nghiền rác Chicago Pump Co.; Clow Corporation; Infilco; Worthington Pump Corp.; Yeomans Đây đơn vị xử lí đầu tiên, tiếp sau với hệ công suất lớn lắng cát bể điều hòa Chức chắn rác: Loại bỏ rác thơ (khe thơng thủy tính cm), chống tắc cho hệ thống phía sau Cũng dùng máy lọc tinh với khe hở cỡ mm Lượng chất rắn tách từ nước thải sinh hoạt thành phố lọc tinh thường mức 0,28 đến 0,99 m 3/ngày tính cho 3785 m3/ngày (0,0074 đến 0,026% thể tích nước thải vào) hay - 20% tổng SS nước thải, phụ thuộc vào kích thước khe thơng nước Chắn rác thường lắp đặt đầu vào hệ xử lí Chức là: tách loại rác, vật nổi, bảo vệ thiết bị khí, giảm thiểu trục trặc kĩ thuật rác gây tắc bơm, kẹt van, tắc đường ống Các thiết bị chắn rác hoạt động rây tách rác thô, rác thu gom thu gom ứng xử chất thải rắn, ví dụ thải bỏ cách chơn lấp đốt, nghiền nhỏ đưa vào dịng thải Vị trí: số Hình XX Sơ đồ nhà máy xử lí nước thải sinh hoạt (cơng nghệ BHT cổ điển) Một số kĩ thuật chắn rác: Ta phân biệt: • Chắn rác thơ (khe hở thơng thủy, kích thước 2,4 – 15,2 cm (VN: – 20cm) /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/vty1394180421-doc-13941804217478/vty1394180421.doc • Chắn rác tính: khe hở nhỏ CR thơ, hệ thủ cơng thơ hệ khí • Máy lọc (dùng lưới lọc lọc xẻ rãnh mặt sàng/rây) kích thước khe thơng thủy tới mm Chắn rác thô thường chấn song chế tạo từ kim loại hình trụ vng, chữ nhật xếp song song, khe hở thường 5,1 tới 15,2 cm Chúng có chức tách loại rác thô, thường đặt trước lọc rác tinh nghiền rác Chắn rác lọc rác lắp đặt vng góc với dịng nước phổ biến tạo góc với mặt nước để tăng thiết diện làm việc Chúng lắp đặt trước thiết bị khí bơm nước thải, lắng cát, điều hòa, lắng sơ cấp Khi sử dụng chắn rác, nghiền rác hai cần có đường chảy tắt trường hợp vệ sinh tắc dịng (Hình 1) Hình Chắn rác làm thủ cơng có nhánh chảy vịng Hai thống số thiết kế quan trọng hệ tốc độ đầu vào, đầu tổn thất áp Kênh lắp đặt chắn rác cần có vách lái dịng phân bố dòng chảy Sau chắn rác kênh phải hạ thấp 7,62 – 15,24cm so với đáy đường dẫn vào để bù tổn thất áp (Hình 1) Diện tích chắn rác tính sở diện tích khe ngập nước, tổng diện tích khe hở cho nước chảy qua khơng nhỏ 150 - 250% mặt cắt dịng nước thải vào Khe hở Thuỷ lực Một mặt khe hở phải đủ nhỏ để tách rác, nhiên lại phải đủ lớn để phân, giấy vệ sinh qua Bảng liệt kê kích thước khe hở thường gặp Tốc độ nước qua khe nhỏ, khả tách rác lớn Bảng Các kích thước khe hở chắn rác thường gặp Loại chắn rác a) Chắn rác Khe hở, cm 5,1-15,2 Ghi Thường = 7,6 cm b1) Chắn rác làm thủ công 2,4-4,4 b2) Chắn rác làm giới 1,4-2,5 Thường = 1,9 cm c) Lọc tinh 0,24-0,48 Đôi nhỏ 0,24 cm Máy nghiền 1-1,9 Khe hở phụ thuộc tải thuỷ lực Rác tích luỹ gây mùi, tăng tổn thất áp nên cần thu gom thường xuyên Thu gom thực thủ cơng máy cào (lược) Theo tiêu chuẩn Mỹ (The Ten states’ standards (Great Lakes-Upper Mississippi River Board of State Sanitary Engineers 1968)) tốc độ nước chảy trung bình qua song chắn rác vệ sinh thủ công phải vào khoảng fps (0,3048 m/s), tốc độ tối đa (khi trời mưa) qua chắn rác làm khí khơng vượt q 2.5 fps (0,762 m/s) Tốc độ phải tính theo hình chiếu đứng khe chắn rác Các tài liệu VN chấp nhận khe hở lớn Tốc độ nước vào qua khe chắn rác tính sở TCVN (chọn giá trị thấp), từ tính bề rộng độ sâu kênh dẫn phù hợp /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/vty1394180421-doc-13941804217478/vty1394180421.doc Tổn thất áp qua chắn rác phụ thuộc vào cấu tạo hoạt động cấu chắn rác Công thức tính tổn thất áp sau: H= V − v2 × 2g 0,7 H = 0,0222(V2v2) (1) Trong đó: H = tổn thất áp, ft (1feet = 0,3048m) V = tốc độ chảy qua chắn rác, fps (feet/s) v = tốc độ nước vào, fps g = gia tốc trọng trường, (g = 9,81 m/s2 = 32,2 ft/s2) Cơng thức tính theo hệ US (ft), sau kết phải chuyển sang SI (m) Rõ ràng tốc độ nước vào V lớn H cao Giới hạn V Việt Nam cao Mỹ (0,6–1 m/s) Đối với cấu làm thủ công giá trị tổn thất áp tối thiểu cho phép 0,615 m, tối đa nhỏ 0,75 m Rác mắc vào song chắn cản dòng chảy, tăng tổn thất áp, tăng mực nước kênh dẫn vào Ngồi rác tích luỹ lâu thối rữa, gây mùi nên cần dọn thường xuyên Khi dọn rác nước chảy nhanh kéo theo rác gây cố cho hệ thống phía sau Vì vậy, độ dốc dòng vào trước chắn rác thấp (để giảm tốc độ dòng) tốt Các loại chắn rác CHẮN RÁC THỦ CÔNG Những hệ nhỏ thường trang bị chắn rác thủ công Thường chắn rác thủ cơng đặt thành góc nghiêng 30°-45° so với phương nằm ngang, diện tích thơng thuỷ tăng 40 - 100% so với đặt thẳng đứng 90 o, dễ vớt dọn rác hơn, thông thuỷ tốt Khoảng thông thuỷ hai chắn rác phải vào khoảng 2,4 đến 8,255 cm, tần suất thu gom rác, làm cao tốt, thường – lần/ngày Trong trường hợp khơng chảy kịp cho nước chảy qua nhánh vịng (Hình 1) có chắn rác rộng (8 – 10 cm) CHẮN RÁC CƠ KHÍ Chắn rác khí gọi chắn rác khí cào rác Các nhà máy trung bình lớn sử dụng hệ chắn rác khí, nhà máy nước thải nhỏ có rác đặc trưng khó tách chắn rác tiêu chuẩn sử dụng loại chắn rác khí Khe hở /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/vty1394180421-doc-13941804217478/vty1394180421.doc Hình Chắn rác làm mặt sau cấu cào (lược) khí chắn rác thường nằm khoảng 1,6 đến 2,5 cm Do kích thước khe thông thuỷ nhỏ nên người ta coi chắn rác tinh Thuật ngữ “tinh” tương đối, nhiều nhà máy nước thải công nghiệp phải sử dụng khe chắn rác vài mm nhiều cặn cặn khó tách chắn rác thơng thường /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/vty1394180421-doc-13941804217478/vty1394180421.doc Hình 3, Chắn rác khí thu gom rác Hệ chắn rác khí làm từ phía trước từ phía sau Cơ cấu cào rác thường có dạng “lược” chải qua khe hở chắn rác để kéo rác ra, thời gian thực chu kì “chải” từ vài giây tới 60 phút Các chắn rác khí thường chế tạo sẵn có nhiều dạng Trong chắn rác khí thường bố trí cấu nhận rác tự động (Hình 2-4) Cơ cấu chắn rác phối hợp với cấu lắng cát thu gom rác tự động (Hình 4) LỌC RÁC “TINH” Do lọc rác tách khoảng 10 – 20% so với 60% lắng cấp nên người ta bỏ qua đơn vị xử lí Tuy nhiên cơng nghiệp lọc tinh ứng dụng rộng rãi, ví dụ công nghiệp thực phẩm, len, dệt nhuộm Trong số nhà máy, lọc tinh dùng thay lọc cát để xử lí SS trước xả mơi trường Lọc tinh thường lắp trước đơn vị xử lí sinh học Thường diện tích thơng thuỷ lọc tinh 0,186 m2/3785 m3/ngày hay 20.300 m3/ngày/m2 nước thải sinh hoạt 0,280 m2/3785 m3/ngày hay 13.500 m3/ngày/m2 nước thải hỗn hợp Lọc tinh thường lắp trước lọc nhỏ giọt để ngăn ngừa tượng tắc vòi phun /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/vty1394180421-doc-13941804217478/vty1394180421.doc Thiết kế làm mặt sàng lọc tinh Do lỗ thoát nhỏ nên rây lọc tinh phải thường xuyên làm Có thể làm chổi, quét tự động, tia nước khí từ mặt sau Hiệu làm phụ thuộc vào kích thước lỗ cho nước qua Kích thước lỗ thường chọn sau: Mặt sàng có kích thước lỗ 0,8 – 2,4 mm Nếu dùng chổi để làm mặt sàng làm thép Nếu dùng lưới đan kích thước lỗ thường vào khoảng mm Vải lọc có kích thước lỗ nhỏ Trống lọc Hình Trống quay lọc rác nhận nước vào từ phía Trống lọc cấu tách rác cách lọc qua tang trống làm lưới thép không gỉ thép đục lỗ Nếu lưới đan thường dùng loại lưới No.12 đến No.20 mesh (kích thước lỗ 1,68 – 0,84 mm) Khi trống quay quanh trục phần ngập nước (Hình 5) Chắn rác kiểu trống quay nhận nước Trong loại chắn rác nước thải vào trống theo hướng song song với trục quay Nước thải vào, lọc qua lưới trống lọc, theo hướng vng góc với trục quay (Hình 5) Rác tích tụ bên tang trống lọc gây trở lực làm dâng mức nước bên ngồi, phải dùng tia nước khí nén để rửa, rác bị đẩy rơi vào máng dẫn tự chảy Như vậy, thực tế trống làm việc liên tục tự động Chắn rác kiểu trống quay nhận nước Trong loại chắn rác nước thải vào trống từ ngồi theo hướng vng góc với trục quay Sau lọc qua lưới trống lọc, nước theo song song với trục quay Rác tích tụ bên /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/vty1394180421-doc-13941804217478/vty1394180421.doc ngồi tang trống lọc gây trở lực làm dâng mức nước bên ngồi, phải dùng chổi, tia nước khí nén để rửa cào rác vào máng dẫn tự chảy ngồi Nhược điểm phương pháp lọc rác chi phí nước rửa Đĩa quay thẳng đứng Rác tách cấu đĩa đục lỗ quay, đĩa đục lỗ đặt chắn ngang dòng chảy động quay từ từ (Hình 6) Nước qua, rác đọng lại dao gạt gạt vào máng hay ống nhận rác Hình Đĩa quay chắn rác đặt thẳng Cơ cấu hoạt động hiệu chất rắn có tính bám dính, bầy nhày thường gặp công nghiệp chế biến thực phẩm từ hải sản, giết mổ Tương tự trống quay, người ta dùng bổ xung tia nước để rửa đĩa Kiểu đĩa quay nghiêng Đĩa quay đặt nghiêng 10°-25° so với phương nằm ngang (Hình 7) Đĩa quay thường có khe 1,6 - 0.8 mm cho nước qua Làm thực chổi thép Hình Đĩa quay chắn rác đặt nghiêng /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/vty1394180421-doc-13941804217478/vty1394180421.doc Hệ lắng cát tách-vớt dầu mỡ 2.1 Bể lắng cát, rác dạng hạt Sạn cát có nguồn gốc từ đường dẫn nước thải sinh hoạt, hệ thu gom nước mưa chảy tràn, chất thải công nghiệp, xây dựng, cơng tác bơm, nạo vét bùn Chúng đơn giản cát, sỏi, đá, mảnh vụn kim loại, gốm sứ, cối, chất dẻo Chúng có nguồn gốc nhà bếp mảnh xương, vỏ trứng, loại hạt, củ, Các chất thải phải tách loại để ngăn ngừa khả chúng gây hại thiết bị khí hệ xử lí nhờ bơm, van, hệ thống đường ống Thành phần nhóm vật thể đa dạng, thường chứa 13-63% ẩm, 1-56%là accs chất bay Tỷ khối dao động từ 2,7 gốc vô 1,3 hữu Tỷ khối đổ đống khoảng 1600 kg/m3 (Metcalf and Eddy, Inc 1991) Các nhà máy phải có hệ tách rác loại này, chúng thường đặt trước giếng bơm nghiền rác (nếu có) Các nhà máy xử lí nước thải thường có hệ thống hệ thủ công hệ thống tự động kềm theo đường tắt Có ba loại lắng cát rác dạng hạt, chủ yếu theo cách làm sạch: loại thủ công, loại khí, loại dùng khí tạo lốc xốy (kiểu vortex) Về kĩ thuật lắng chúng lắng đứng, lắng ngang, lắng li tâm Về hình dạng cơng trình chúng có hình khối vng, hộp chữ nhật hình trụ (xem Chương Lắng) Hình XX Lắng cát kiểu lốc xoáy Đối với chất rắn gốc hữu tốc độ nước 0,3m/s Cường độ sục khí thường sử dụng mức 4,6-7,7 L/s 1m dài ngăn lắng tốc độ khí tính theo bề mặt chiếm chỗ ngăn lắng Tốc độ chảy bề mặt phải 0,6-0,8 m/s (WEF 1996a) Thời gian lưu nước = 3−5 phút Tính thể tích phải tính theo Qh tối đa; tỷ lệ sâu : rộng = d:w = (1,5-2,0):1 /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/vty1394180421-doc-13941804217478/vty1394180421.doc Các thông số thiết kế chi tiết tham khảo TCXDVN 51:2008 VÍ DỤ: Tính hệ lắng cát-vật liệu dạng hạt cho nhà máy nước thải sinh hoạt cơng suất 0,438m3/s Tính ngăn lắng cặn thô với thời gian lưu 4,0 phút vào cao điểm (thường = 3-5 min) Lời giải: Bước Tính lưu lượng tối đa Qh Sử dụng hệ số pic 3,0 Qh tối đa = 0,438m3/s x = 1,314m3/s Bước Tính thể tích ngăn lắng Sử dụng ngăn; ngăn có kích thước V = 1,314 m3/s x x 60 s/min : = 137,7m3 Bước Tính kích thước ngăn lắng Chọn bề rộng = m, sử dụng d:w = 1,5:1 d = m x 1,5 = 4,5 m l-chiều dài = V/(d x w) = 137,7 m3/(4,5m x 3m) = 10,2m Đáp số: Kích thước ngăn 3m x 4,5m x 10,2m Bước Tính cường độ cấp khí Sử dụng cường độ 7,7 L/(s.m) Cường độ khí = 7,7 L/(s.m)*10,2m = 0,0785 m3/s /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/vty1394180421-doc-13941804217478/vty1394180421.doc Bước Đánh giá thể tích cặn thu gom Chấp nhận 52,4 mL/m3 thể thích cặn thơ trung bình V cặn thơ = 52,4 mL/m3 x 0,438 m3/s x 86.400 s/d = 1.980.000 mL/d = 1,98 m3/d 2.2 Bể tách vớt dầu mỡ Dầu mỡ vật gây bọt, cản trở q trình hịa tan khí, phân tán sinh khối bể sục khí Có thể lắng đơn giản bể 2-3 ngăn lấy nước ở phía đối diện đầu vào, sau vách ngăn Thời gian lưu nước bể khoảng 30 phút, đủ để dầu mỡ tạo lớp váng Váng dầu gạt hệ gạt khí thủ cơng Hình XX Thiết bị tách dầu mỡ Có thể kết hợp với tuyển (xem Ch.5) /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/vty1394180421-doc-13941804217478/vty1394180421.doc 10 Nồng độ H+ y dung dịch bỏ qua tính đệm đợc tính nh phần đọc thêm ví dụ 2.1 (Chơng Trung hoà) 102 M VËy x tÝnh cho L níc th¶i b»ng: 37x102 g = 370x103 g Lu ý lợng Ca(OH)2 cÇn tÝnh cho L, cho m nớc thải ta có lợng Ca(OH)2 tơng ứng (x103): Với pH = cần lợng Ca(OH)2 = 370 g Tính lợng Ca(OH)2 cần chuẩn bị chi phí Ca(OH) để trung hoà 100 m3 nớc thải a lần lợt bằng: Với pH = cần lợng Ca(OH)2 = 370 g/m3 x 100 m3/h = a = 37000 g/h Theo bảng số liệu độ tan cña Ca(OH) ë 30 oC ta cã 0,153 g/100 g nớc, nghĩa là: Để hoà tan 0,153 gram Ca(OH)2 cần 100 gram hay 0,1 L nớc Vậy để hoà tan a gram Ca(OH)2 Đại lợng b tính bằng: cÇn b L níc [a(g)x0,1(L)]/0,153(g) Nh vËy b(L) tÝnh cho (làm tròn): Với pH = cần [37000(g)x0,1(L)]/0,153(g) = 24.183 L Đáp số có nghĩa để trung hoà dòng nớc thải có giá trị pH đà cho dung dịch Ca(OH)2 bÃo hoà ta cần chuẩn bị thể tích dung dịch (gần tỷ khối dung dịch cho gần 1) 24183 L Điều không thực tế lí do: thể tích dung dịch cần chuẩn bị lớn, kéo theo chi phí bồn diện tích để bồn pha dung dịch Ca(OH) lớn, hai bơm định lợng dung dịch Ca(OH)2 có công suất lớn tăng mạnh chi phí Để tránh điều sử dụng Ca(OH) ngêi ta thêng dïng hun phï kho¶ng 5% thay dung dịch bÃo hoà 3.1.2 Tích số tan Chất rắn dù khó tan không tan nh ta tëng vÉn cã thĨ ph©n li níc theo c©n b»ng tỉng qu¸t nh sau: (Catx+)y(Aniony−)x ⇋ yCatx+ + xAniony− (3.6) Trong x, y giá trị điện tích ion + tơng ứng Cũng nh cân khác cân đợc mô tả số cân K: [Cation ] x[ Anion ] K= [(Cation ) ( Anion ) ] x+ y y− x x+ (3.7) y− y x Trong ®ã dấu [ ] biểu thị hoạt độ ion (mol/L hay M) Do nồng độ chất rắn số quy ớc nên nhân chéo mÉu sè cđa vÕ ph¶i pt (3.6) víi K ta đợc số tích số tan (TT): ( K Cation x + ) ( Anion ) y− y x [ ] [ y = K S = Cation x + Anion y − ] x (3.8) KS chất phân li phụ thuộc vào chất chất rắn, nhiệt độ /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/vty1394180421-doc-13941804217478/vty1394180421.doc 31 Bảng 3.2- TÝch sè tan KS cña mét sè chÊt c«ng nghƯ níc (trÝch tõ phơ lơc 3.2) C«ng thøc (pt ph©n li) pKS (⇋ Al3+ + 3OH−) 1.10−32 4,4.10−9 32,0 (⇋ Al(OH)2+ + OH−) 1.10−23 3,16.10−12 23,0 (⇋ H+ + AlO2−) 1,6.10−13 4.10−7 12,80 Al(OH)3 Al(OH) Nång ®é ion MeZ+, M KS Al(OH)3 AlPO4 5,75.10 Ca3(AsO4)2 −19 7,6.10 −10 18,24 6,8.10−19 Ca(H2PO4)2 8,32 2,15.10−4 10,40 2,7.10−7 CaHPO4 6,9.10−5 4,0.10−11 CaF2 18,7 4,8.10−9 CaCO3 9,1.10−5 5,2.10−4 6,57 −3 −2 1.10 Ca3(PO4)2 2.10−29 − 2+ Ca(OH)2 (⇋ Ca + 2OH ) Ca(OH)2 (⇋ Ca(OH)+ + OH−) CrAsO4 6,3.10 7,1.10−7 28,70 −2 5,26 1,4.10−4 1,18.10−2 3,86 −21 −11 20,11 5,5.10 7,8.10 −6 1,11.10 8,8.10 Cr(OH)3 (⇋ Cr3+ + 3OH−) 6,3.10−31 1,24.10−8 30,20 Cr(OH)3 (⇋ Cr(OH)2+ + OH−) 6,3.10−21 7,9.10−11 20,20 1.10−17 3,1.10−9 17 2,4.10−23 4,8.10−12 22,62 −36 −8 35,12 19,49 CrPO4 (tím) CrPO4 (xanh cây) Cu3(AsO4)2 7,6.10 CuCN 3,2.1020 1,8.1010 −10 −5 CuCO3 2,5.10 (⇋ Cu2+ + 2OH−) Cu(OH)2 2,2.10−20 3,7.10 1,6.10 1,77.10−7 9,6 19,66 2,2.10−13 12,66 CuS 2,5.10−27 26,6 FeAsO4 5,8.10−21 (⇋ Cu(OH)+ + OH−) Cu(OH)2 FeCO3 20,24 −5 10,46 3,0.10−41 4,6.10−7 40,52 −15 −6 15,0 2,2.10−5 9,30 3,47.10 Fe4[Fe(CN)6]3 2+ − 5,9.10 Fe(OH)2 (⇋ Fe + 2OH ) Fe(OH)2 (⇋ Fe(OH) + + OH−) Fe(OH)3 3+ (⇋ Fe + 3OH ) Fe(OH)3 (⇋ Fe(OH)2+ + 2OH−) 2.10−26 1,7.10−9 25,70 Fe(OH)3 (⇋ Fe(OH)2+ + OH−) 4.10−17 6,3.10−9 16,40 FePO4 1,3.10−22 1,1.10−11 21,89 Mg3(AsO4)2 2,1.10−20 4,5.10−5 19,68 −5 −3 − 1.10 −11 5.10−10 3,2.10 −38 MgCO3 2,1.10 MgF2 6,5.10−9 MgNH4PO4 2,5.10 Mg(OH)2 (kÕt tđa míi) 6,0.10−10 −13 6,3.10 1,86.10 4,5.10 −10 1,18.10−3 6,3.10 −5 5,85.10−4 /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/vty1394180421-doc-13941804217478/vty1394180421.doc 37,50 4,67 8,19 12,60 9,22 32 Mg(OH)2 (kết tủa già hoá) 1,8.1011 1,65.104 10,74 − 2+ (⇋ Mg + 2OH ) Mg(OH)2 (⇋ Mg(OH)+ + OH−) Mg3(PO4)2 6,64 2,3.10−7 1.10−13 9,85.10−4 13,0 Mn3(AsO4)2 1,9.10−29 7,06.10−7 28,72 MnCO3 1,8.10−11 4,2.10−6 10,74 Mn(OH)2 Mn(OH)2 − 2+ (⇋ Mn + 2OH ) (⇋ Mn(OH)+ + OH−) 1,9.10 −13 1,5.10−9 Mn(OH)3 1.10 Mn(OH)4 3,62.10 −5 3,9.10−4 1.10−50 NiCO3 1,3.10 Ni(OH)2 (míi kÕt tđa) 8,82 36 −36 −7 12,72 50 3,6.10 −4 6,87 2.10−15 NiS α 14,70 6,3.10−18 Ni(OH)2 (kết tủa già hoá) 7,9.106 1,16.106 17,20 19 10 3,2.10 NiS β 1.10−24 NiS γ −26 2.10 PbCO3 5,7.10 10−12 1,4 10 −13 18,5 24 25,7 7,49.10−14 2+ − Pb(OH)2 (⇋ Pb + 2OH ) Pb(OH)2 (⇋ Pb(OH)+ + OH−) 2,7.10−7 13,13 −20 −7 19,96 1,1.10 1,4.10 13,06 1,3.10−4 7,8 2,5.10−27 PbS 2,95 10−7 1,6.10−8 PbSO4 8,7.10−14 5.10−14 26,6 Hệ cân 3.6 biểu thức TT là: ã Biết TT ta tính đợc nồng độ cation (hoặc anion) đối tợng cần kết tủa d dung dịch cân Đại lợng møc thÊp nhÊt theo lÝ thut mµ ta cã thĨ đạt đợc (thực tế thờng cao hơn) ã Giảm nồng độ ion kim loại cần xử lí cách tăng nồng độ anion dùng để kết tủa, cân theo (pt.3.6) dịch chuyển bên phải TT số, cách nồng độ ion kim loại nớc giảm ứng với nồng độ tăng nồng độ anion dùng để kÕt tđa VÝ dơ 3.2: KS cđa CaCO3 níc 25oC = 4,8.109 (bảng 3.2) HÃy tính nồng độ Ca2+ tèi thiĨu cã níc n»m c©n b»ng víi CaCO3 Trả lời: Theo pt (3.6) ta viết đợc phơng trình mô tả cân phân li nh sau: CaCO3 Ca2+ + CO32 Vậy ta viết đợc: KCaCO3 = [Ca2+][CO32−] V× [Ca2+] = [CO32−] ta cã: KS = [Ca2+]2 Suy [Ca2+] = K CaCO3 = 4,8 × 10 −9 = 6,9 × 10 −5 mol / L = 6,9.10−5 M = 6,9.10−5 (mol/L) x 40 (g/mol) /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/vty1394180421-doc-13941804217478/vty1394180421.doc 33 = 2,76 x 10-2 mg Ca2+/L Lu ý, nồng độ thấp đạt đợc ứng với c©n b»ng 3.6 Trong thùc tÕ c©n b»ng cã thĨ cha đạt, [Ca2+] phân tích đợc lớn đại lợng tính lí thuyết Tính toán quan trọng đánh giá lựa chọn phơng pháp kết tủa hoá chất dùng để kết tủa Ví dụ 3.3: Để xử lí Cr(III) nớc thải nhà máy mạ ngời ta chọn chất gây kết tủa Ca(OH)2 HÃy thử đánh giá nồng độ Cr(III) lại dung dịch có đạt TCVN 5945:1995 (B) không? BiÕt KCr(OH)3 = 6,3.10−31 M4; [Cr3+] ≤ mg/L theo TCVN 5945:1995 (B) Tr¶ lêi: Theo pt (3.6) ta viÕt đợc cân phân li (3.6) nh sau: Cr(OH)3 Cr3+ + 3OH− VËy, = KCr(OH)3 = [Cr3+][OH−]3 TTCr(OH)3 V× theo phơng trình phân li 3[Cr3+] = [OH] ta cã: KS = 27*[Cr3+]4 Suy [Cr3+] = K Cr ( OH ) 27 =4 6,3 × 10 −31 = 1,23.10 −8 mol / L 27 = 1,23.10−8 M = 52 (g/mol) x 1,23.10−8 (mol/L) x 103 (mg/g) = 6,42.10−4 mg/L §èi chiÕu víi TCVN 5945-1995 (B) ta cã: [Cr3+] ≤ mg/L, vËy v«i xư lÝ tèt Cr3+ phơng pháp kết tủa, chí đạt loại A ([Cr3+] ≤ 0,2 mg/L) 3.2 KÕt tđa díi d¹ng hyđroxit cacbonat Đây dạng kết tủa phổ biến công nghệ xử lí nớc, nớc thải Hầu hết dạng nớc thải nhiễm kim loại nặng xử lí phơng pháp kết tủa kim loại dới dạng hyđroxit cácbonat Tác nhân kết tủa chủ yếu hợp chất kiềm, ví dụ Ca(OH)2, Na2CO3 Từ bảng 3.2 ta có 19 hợp chất dạng hyđroxit cacbonat kim loại hay gặp xử lí nớc, nớc thải Từ ta tính lí thuyết nồng độ kim loại cần xử lí đạt đợc kết tủa với hyđroxit hay sôđa Kết tính đợc trình bày bảng 3.3 Tõ b¶ng 3.3 ta cã nhËn xÐt sau: nÕu lấy nồng độ mg/L làm tiêu chí xử lí có 11 phản ứng sử dụng đợc, trong phần lớn trờng hợp hợp chất dạng hyđroxit chiếm u so với cacbonat ion kim loại (so nồng độ kim loại nằm cân với hyđroxit cacbonat tơng ứng) Ví dụ, kết tủa Cu2+ dạng cacbonat để lại dung dịch mg/L, hyđroxit để lại 1,8.102 mg/L, nhỏ 50 lần Bảng 3.3- Tích số tan KS số hợp chất thờng gặp công nghệ nớc nồng độ kim loại tơng ứng No Công thức (pt phân li) Al(OH)3 (⇋ Al3+ + 3OH−) KS 1.10−32 Nång ®é MeZ+, M Nång ®é MeZ+, mg/L 4,4.10-9 1,19.10−4 /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/vty1394180421-doc-13941804217478/vty1394180421.doc 34 CaCO3 Ca(OH)2 Cr(OH)3 Cu(OH)2 FeCO3 Fe(OH)2 Fe(OH)3 10 MgCO3 11 12 − (⇋ Cr3+ + 3OH ) 6,9.10−5 2,76 5,5.10−6 (⇋ Ca2+ + 2OH−) CuCO3 4,8.10−9 1,1.10−2 440 6,3.10 −31 1,23.10 −8 6,42.10−4 2,5.10−10 1,6.10−5 1,024 2,2.10−20 1,77.10−7 1,13.10−2 3,47.10−11 5,9.10−5 3,3 (⇋ Fe2+ + 2OH−) 1.10–15 6,4.10–6 0,36 (⇋ Fe3+ + 3OH–) 3,2.10–38 1,86.10–10 1,04.10–5 2,1.10–5 4,5.10–3 108 Mg(OH)2 (kÕt tđa míi) 6,0.10–10 5,3.104 12,72 Mg(OH)2 (kết tủa già hoá) 1,8.1011 1,65.104 3,96 1,8.10–11 4,2.10–6 0,23 1,9.10–13 3,62.10–5 1,99 1,3.10–7 3,6.10–4 21,2 (⇋ Cu2+ + 2OH−) (⇋ Mg2+ + 2OH–) 13 MnCO3 14 Mn(OH)2 15 NiCO3 16 Ni(OH)2 (míi kÕt tđa) 17 Ni(OH)2 (kết tủa già hoá) 18 PbCO3 19 Pb(OH)2 ( Mn2+ + 2OH–) –6 2.10 4,7.10–1 6,3.10–18 1,16.10–6 6,8.10–2 7,49.10–14 2,7.10–7 5,6.10–2 1,1.10–20 1,4.10–7 2,9.10–2 (⇋ Pb2+ + 2OH–) –15 7,94.10 Tuy nhiên, áp dụng số liệu cần lu ý: số liệu dung dịch c©n b»ng, níc cÊt Trong thùc tÕ thêng nång độ kim loại lại nớc lớn ảnh hởng nhiệt độ, phản ứng cha tới cân bằng, đặc biệt pH yếu tố tạo phức làm tăng độ tan phân li kết tủa Mặt khác, nồng độ khoáng hoà tan lại ảnh hởng tích cực đến kết tủa Để có số liệu thực cần thử nghiệm với điều kiện gần thực tế nhất, số liệu mang tính định hớng để lựa chọn tác nhân kết tủa Ngoài ra, cần tham khảo thêm tài liệu chuyên ngành 3.3 Kết tủa dới dạng sunphua Các cation, đặc biệt ion kim loại nặng, kết tđa rÊt tèt víi sunphua (S 2−) B¶ng 3.2 cho thấy sunphua kim loại có TT nhỏ, thờng nhỏ nhiều lần so với kết tủa hyđroxit hay cacbonat, nhiên cần lu ý pH kết tủa Ví dụ, chì cacbonat, sulphát có TT tơng ứng møc 10-14, 10-8 th× ch× sulphua cã tÝch tan tíi 10 -27 Đại lợng KS đạt giá trị bảng chủ yếu môi trờng pH kiềm trung tính Nếu pH axit trừ ion kim loại nặng kết tủa, ion kim loại nh Fe, Mn dễ hoà tan trở lại Phơng pháp áp dụng tốt cho mục đích tách kim loại chọn lọc, định lợng hoá phân tích kĩ nghệ (kết tủa Ag), nhiên hầu mùi độ độc tác nhân sunphua tan nên hầu nh không áp dụng xư lÝ níc, níc th¶i 3.4 KÕt tđa díi dạng phức chất Về nguyên tắc số ion kim loại chí anion độc hại kÕt tđa díi d¹ng phøc chÊt VÝ dơ 3.4 /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/vty1394180421-doc-13941804217478/vty1394180421.doc 35 Để xử lí CN nớc thải mạ điện ta chuyển hoá chúng dạng phức pherri-phero-cyanua: Fe4[Fe(CN)6]3 HÃy chứng minh tính khả thi không khả thi phơng án Trả lời: Phơng trình phản øng: Fe2+ + 6CN– ⇋ [Fe(CN)6]4– 4Fe3+ + 3[Fe(CN)6]4– ⇋ Fe4[Fe(CN)6]3 Trong hợp chất CN bị liên kết dới dạng ion phức [Fe(II)(CN)6]4 bền, nồng độ ion phức (không phải nồng độ ion CN cần xử lÝ) tÝnh tõ TT (K Fe4[Fe(CN)6]3 = 3,0.10–41 M7) ViÕt phơng trình phân li phức: Fe4[Fe(CN)6]3 4Fe3+ + 3[Fe(CN)6]4 Đặt nồng độ Fe4[Fe(CN)6]3 = a, ta có [Fe3+] = 4a nồng độ [Fe(CN)6]4 = 3a Ta có: KFe4[Fe(CN)6]3 = [Fe3+]4 [[Fe(CN)6]4–]3 = (4a)4(3a)3 = 256.27.a7 VËy a = [Fe(CN)6]4– = 3a × 10 −41 27 * 256 = 4,6.107 *3 = 1,38.10-6 M Mặt khác nồng độ CN đợc tính từ số không bền phức [Fe(CN) 6]4 (K[Fe(CN)6]4 = 1024 M7) Từ tính đợc nồng độ CN Nồng độ [Fe(CN)6]4 = 1,38.10-6 M [ Fe ][CN ] = [ Fe ]6 [ Fe ] = 2+ K [Fe(CN)6]4– 2+ [Fe ] = 10 = = [CN-] 7 –24 M − [ Fe( CN ) ] 4− K × [ Fe( CN ) ] 46656 2+ 2+ [ Fe( CN ) ] 4− 4− 10 −24 × 1,38.10 −6 = 1,60.10 −5 M 46656 = 6* [Fe2+] = 9,6.10-5 M Chun vỊ mg/L: [CN–] = 9,6.10-5 (mol/L) x 26 (g/mol) x 103 (mg/g) = 2,496 mg/L Đại lợng cha đạt TCVN 5945-1995 (B) CN (0,1 mg/L) nên dùng phơng pháp kết tủa để xử lí cyanua 3.5 Đồng kÕt tđa Mét sè cation, vÝ dơ NH4+ rÊt khã kết tủa, nhiên có mặt cation khác, vÝ dơ Mn2+, nhÊt lµ Mg2+ vµ PO43– ë pH dễ dàng đồng kết tủa dới dạng phức NH4Me(II)PO4 Phơng trình phản ứng: NH4+ + Me2+ + PO43- ⇋ NH4Me(II)PO4↓ /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/vty1394180421-doc-13941804217478/vty1394180421.doc 36 VÝ dơ, ®Ĩ xư lÝ amôni cách kết tủa dới dạng NH4MgPO4 ta cần bæ sung Mg 2+, PO43– ë pH ≥ 9, TT NH4MgPO4 2,5.1013 M3, nồng độ thành phần đạt đợc cách kết tủa là: [NH4+] = [Mg2+] = [PO43] = 6,3.105 M Đại lợng ứng với nồng độ: [NH4+] = 6,3.105 (mol/L) x 18(g NH4+/mol) x 1000(mg/g) = 1,1 mg/L = 6,3.10–5(mol/L)x14(gN-am«ni/mol)x1000(mg/g) = 0,9 mgN/L [Mg2+] = 6,3.10–5 (mol/L) x 24(g Mg/mol) x 1000(mg/g) = 1,5 mg/L [PO4–3] = 6,3.10–5 (mol/L) x 95(g PO4–3/mol) x 1000(mg/g) = mg/L = 6,3.10–5 (mol/L)x35(g P-PO4–3/mol)x1000(mg/g) = 2,2 mgP/L 3.6 øng dơng 3.6.1 Xư lÝ độ cứng phơng pháp vôi sôđa Trong hoá nớc độ cứng nói lên khả gây kết tủa với xà phòng, nghĩa nồng độ ion hoá trị hai trở lên Ví dụ, ion Ca2+ phản ứng với xà phòng: Me2+ + (Xà phòng)Na+ Ca(Xà phòng)2 + Na+ (3.9) Kết giặt quần áo muối Ca, Mg với xà phòng mặt giảm độ tạo bọt khả tẩy vết bẩn xà phòng Na, mặt khác kết tủa muối Ca, Mg bám chặt vào quần áo tạo vết không mong muốn Trong thực tế ion hoá trị ba trở lên nh Al(III), Fe(III) thuỷ phân nhanh nên chủ yếu độ cứng đợc gây ion Ca2+ Mg2+ Trong số muối khoáng hoà tan muối Ca 2+, Mg2+ dạng bicacbonat, clorua, sunphát (và mức độ gặp muối silicát HSiO3) đem lại cho nớc tính chất đặc biệt độ cứng Canxi magiê tồn nớc dạng chính: dạng muối bicacbonat Ca(HCO3)2 muối axit mạnh nh CaSO4, CaCl2 Ngời ta phân biệt hai loại độ cứng: độ cứng tạm thời (độ cứng bicabonat) độ cứng vĩnh cửu (độ cứng cacbonat) Độ cứng tạm thời độ cứng muối bicacbonat Ca Mg tạo thành Gọi độ cứng tạm thời làm thoáng tốt nhiệt độ cao, muối bicacbonat không tan kết tủa dới dạng cacbonat theo phơng trình: Ca(HCO3)2 CaCO3 + CO2 + H2O (3.10) Đây nguyên nhân nớc cứng gây tợng đóng cặn đờng ống, dụng cụ, thiết bị tiếp xúc với nớc, nớc nóng Kết hợp với cặn chứa sắt, magan, silic, cặn đờng ống thờng có màu trắng tới vàng gạch nâu Độ cứng vĩnh cửu độ cứng muối Ca Mg mà anion cacbonat tạo nên (thờng muối sunphat, clorua) Những muối bền nhiệt nên đun nóng không bị kết tủa Để đặc trng cho độ cứng ngời ta biểu thị thông qua đại lợng nồng độ Ca Mg cách sau đây: Bằng mili đơng lợng gam (Ca + Mg)/1 lít nớc = mđlg/L; mđlg/L = 20,04 mg Ca/1 L 12,16 mg Mg/L Bằng độ Đức : dH = 10 mg CaO/1 lÝt níc /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/vty1394180421-doc-13941804217478/vty1394180421.doc 37 B»ng ®é Anh : ®é Anh = 10 mg CaCO3/0,7 lít nớc Bằng độ Pháp : độ Pháp = 10 mg CaCO3/1 lÝt níc B»ng ®é Mü : ®é Mü = mg CaCO3/1 lÝt níc Mối liên hệ đơn vị đo độ cứng cho bảng 3.4 Bảng 3.4 - Bảng chuyển đổi đơn vị đo độ cứng Đơn vị đo độ cứng Độ cứng mđlg/L Đức Pháp Anh Mỹ 1mđlg/L 2,8040 5,0050 3,5110 50,045 độ Đức 0,3566 1,7848 1,2521 17,848 độ Pháp 0,1998 0,5603 0,7015 10,000 ®é Anh 0,2848 0,7887 1,4255 14,255 ®é Mü 0,0199 0,0560 0,1000 0,0702 Th«ng thêng níc tự nhiên, nớc ngầm, có độ cứng 150 mg CaCO 3/L Phân loại nớc theo độ cứng đợc thể bảng 3.5 Bảng 3.5- Phân loại nớc theo độ cứng [3] Khoảng độ cứng, mg CaCO3/L Loại nớc ữ 75 (50) mềm (50) 75 ữ 100 cứng 100 ữ 300 Cứng > 300 cứng Để nhanh chóng tính đợc loại độ cứng, nớc cấp độ cứng nồng độ ion thờng đợc quy mg CaCO3/L Khi nồng độ chất nớc tự nhiên, nớc ngầm, đợc biểu diễn dới dạng đồ thị cột ngang cho thể đợc hai dạng độ cứng thờng dùng (hình 3.1) Tính nồng độ ion quy đơn vị mg CaCO3/L: VÝ dô 1: cã a mg/L Ca2+ (M =40), tÝnh x = sè mg CaCO3/L (MCaCO3 = 100): Vậy ta có quan hệ tam xuất đơn thuận: 40 mg Ca2+ tạo thành 100 mg CaCO3 Vậy: a mg Ca2+ tạo thành x = (100.a/40) mg CaCO3 Ví dụ 2: cã a mg/L Mg2+ (M =24), tÝnh x = số mg Mg đơn vị CaCO 3/L Ta có: 40 mg Ca2+ tạo thành 100 mg CaCO3 Phản ứng 40 mg Ca2+ với CO32 tơng đơng với phản øng gi÷a 24 mg Mg 2+ víi CO32− VËy ta có quan hệ tam xuất đơn thuận: 24 mg Mg2+ tơng đơng với 100 mg CaCO3 a mg Mg2+ tạo thµnh x = (100.a/24) mg CaCO3 VÝ dơ 3: cã a mg/L Na+ (M = 23), tÝnh x = sè mg Na đơn vị CaCO3/L Ta có: /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/vty1394180421-doc-13941804217478/vty1394180421.doc 38 40 mg Ca2+ tạo thành 100 mg CaCO3 Phản ứng 40 mg Ca 2+ với CO32 tơng đơng với phản ứng 46 mg Na + với CO32 Vậy ta có quan hệ tam xuất đơn thuận: 46 mg Na+ tơng đơng với 100 mg CaCO3 a mg Na+/L tạo thành x = (100.a/46) mg/L CaCO3 Ví dụ 4: cã a mg/L Cl– (M = 35,5), tÝnh x = số mg Cl đơn vị CaCO3/L Ta có: 40 mg Ca2+ tạo thành 100 mg CaCO3 Phản ứng 40 mg Ca 2+ với CO32 tạo thành 100 mg CaCO3 tơng đơng với phản ứng 40 mg Ca2+ víi 2.35,5 mg Cl– VËy ta cã quan hƯ tam xuất đơn thuận: 2.35,5 mg Cl tơng đơng với 100 mg CaCO3 a mg/L Cl tạo thành x = (100.a/2.35,5) mg/L CaCO3 VÝ dô 5: cã a mg/L SO42− (M = 96), tính x = số mg SO42 đơn vị CaCO3/L Ta có: 40 mg Ca2+ tạo thành 100 mg CaCO3 Ph¶n øng cđa 40 mg Ca 2+ víi CO32 tạo thành 100 mg CaCO3 tơng đơng với phản øng gi÷a 40 mg Ca2+ víi 96 mg SO42− VËy có quan hệ tam xuất đơn thuận: 96 mg SO42 tơng đơng với 100 mg CaCO3 a mg/L SO42 tạo thành x = (100.a/96) mg/L CaCO3 ta đa công thức tổng quát trờng hợp này: x = a( 100 ) EW EW lợng ion tơng đơng với 100 mg CaCO3 Ví dụ 3.5: Kết phân tích mẫu nớc cho bảng HÃy dựng đồ thị dạng ngang để thể nồng độ thành phần ion với đơn vị mg CaCO 3/L hai dạng độ cứng Loại ion Ca Nồng ®é, mg/L mg CaCO3/L 2+ 103 257,5 2+ 5,5 22,6 16 35 Mg Na+ Tæng cation HCO3− 315 255 209 SO 49 51 Cl− 37 52 2− Tæng anion /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/vty1394180421-doc-13941804217478/vty1394180421.doc 312 39 Hình 5.1 Biểu diễn nồng độ đơn vị mg CaCO3/L Lời giải: Tính chuyển nồng độ ion thành đơn vị mg CaCO 3/L ta có bảng Dựng đồ thị hình 5.1 trục hoành giá trị nồng độ ion biểu diễn đơn vị mg CaCO3/L Thanh ngang biểu diễn nồng độ cation, ngang dới biểu diễn nồng độ anion, tất dùng đơn vị mg CaCO3/L Ta thÊy tỉng nång ®é cation = 315 mg CaCO 3/L; ®ã tỉng nång ®é anion = 312 mg CaCO3/L Độ chênh lệch mg/L sai số phân tích, không đáng kể Trong 315 mg/L nång ®é cation ta cã tỉng nång ®é (Ca + Mg) tøc tỉng ®é cøng b»ng 280 mg/L Trong nồng độ bicarbonat = 209 mg/L, phần độ cứng tạm thời hay độ cứng bicarbonat, phần lại = 280 209 = 71 mg/L độ cứng không carbonat hay độ cứng vĩnh cửu Nh cần phân tích ion chính, chuyển nồng độ tất ion sang nồng độ CaCO3 tơng đơng dới dạng mg CaCO3/L, vẽ đồ thị nồng độ ion dạng ngang ta có hai loại độ cứng Làm mềm trình giảm độ cøng níc sinh ho¹t xng møc 75 – 120 mg/L Đối với số trình sản xuất, ví dụ nớc cấp nồi hơi, nớc nấu bia, nớc nhuộm vải, nớc công nghiệp điện tử yêu cầu làm mềm cao Làm mềm phơng pháp kết tủa hoá học trình kết tủa vôi sôđa Nguyên lí trình làm mềm chuyển dịch cân hệ đệm carbonat cđa níc tù nhiªn: CO2(k) ⇋ CO2 + H2O ⇋ H2CO3 ⇋ H+ + HCO3− ⇋ 2H+ + CO32− (1) Độ cứng loại trừ nhờ phản ứng: Ca2+ + CO32− ⇋ CaCO3(r)↓ vµ: (2) Mg2+ + 2OH− ⇋ Mg(OH)2(r) (3) Từ bảng 3.2 tra TT MgCO3 Mg(OH)2 ta thÊy: TTMgCO3 = 2,1.10−5 M2 lín h¬n nhiỊu so víi TTMg(OH)2 (kÕt tđa míi) = 6,0.10−10 M3 nghÜa khả kết tủa Mg dới dạng Mg(OH)2 lớn Để CaCO3 kết tủa tốt theo pt (2) cần dịch cân (1) phía phải để tạo nhiều CO32 hơn, nghĩa cần thêm OH, thực tế điều đạt đợc cách thêm /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/vty1394180421-doc-13941804217478/vty1394180421.doc 40 Ca(OH)2 để nâng pH lên khoảng 10,3 Nếu nớc độ kiềm HCO3 không đủ để kết tủa Ca2+ cần thêm đủ Na2CO3 tính theo nồng độ Ca2+ Để kết tủa tốt Mg(OH)2 cần bổ sung thêm ion OH, thực tế pH cần đạt 11 Trong trình làm mềm vôi sôđa phản ứng lần lợt xảy nh sau: Trung hoµ cacbonic tù vµ axit cacbonic (H 2CO3): Đây bớc dịch chuyển cân b»ng (1) b»ng c¸ch bỉ xung ion OH — díi dạng huyền phù vôi CO2 + Ca(OH)2 CaCO3(r) + H2O Kết tủa độ cứng bicarbonat canxi: Để kết tủa Ca(HCO3) cần tiếp tục dịch chuyển cân (1) để chuyển hoá HCO3 thành CO32, pH cần nâng tới 10,3 ta có: Ca2+ + 2HCO3 + Ca(OH)2 ⇋ 2CaCO3(r)↓ + 2H2O KÕt tđa ®é cứng bicarbonat magiê: Song song với phản ứng trên, trờng hợp độ cứng Mg bicarbonat vôi ph¶n øng nh sau: Mg2+ + 2HCO3— + Ca(OH)2 ⇋ MgCO3 + CaCO3(r)↓ + 2H2O Lu ý: ®é cøng Mg(HCO3)2 không thay đổi nh đà nêu MgCO3 tan tốt, Mg2+ dung dịch Nếu bổ xung thêm Ca(OH)2 tới pH11 xảy phản ứng kÕt tđa Mg2+ díi d¹ng Mg(OH)2: Mg2+ + CO32—+ Ca(OH)2 Mg(OH)2(r) + CaCO3(r) Kết tủa độ cứng không carbonat (®é cøng vÜnh cưu) canxi: Sau ®é cứng tạm thời (do canxi bicarbonat) kết tủa hết, để kết tủa phần canxi lại cần bổ xung sôđa Ca2+ + Na2CO3 ⇋ CaCO3(r)↓ + 2Na+ KÕt tña độ cứng không carbonat (độ cứng vĩnh cửu) magiê: Để kết tủa tốt Mg2+ cần thêm đồng thời vôi sôđa để kết tủa tối đa Mg 2+ dới d¹ng kÕt tđa Mg(OH)2: Mg2+ + Ca(OH)2 ⇋ Mg(OH)2(r)↓ + Ca2+ Phản ứng không thay đổi độ cứng Mg 2+ đợc thay Ca2+, cha nói đến lợng vôi d, thêm sôđa kết tủa Ca2+ hình thành Ca2+ từ vôi d: Ca2+ + Na2CO3 CaCO3(r) + 2Na+ Phơng pháp vôi sôđa loại trừ hoàn toàn độ cứng khả tan định sản phẩm kết tủa CaCO Mg(OH)2 Tối đa đạt đợc độ cứng canxi 30 mg CaCO3/L magiê 10 CaCO3/L Nếu nớc mềm xà phòng trở nên nhớt, yếu tố kinh tế nên với ph ơng pháp ngời ta thêng chØ xư lÝ tíi ®é cøng tỉng ë møc 75 ữ 120 mg CaCO3/L Để phản ứng xảy hoàn toàn thờng lợng Ca(OH)2 phải d so với lí thuyết khoảng 20 mg/L tính theo CaCO3 tơng đơng /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/vty1394180421-doc-13941804217478/vty1394180421.doc 41 Đối với Mg2+ để đóng cặn thiết bị đun nấu nồng độ Mg 2+ phải lín h¬n 40 mg CaCO3/L Do xư lÝ Mg tèn Ca nên ngời ta thờng xử lí phần Mg d 40 mg CaCO3/L Để xử lí Mg 20 mg CaCO 3/L lợng vôi d nh đà nêu đủ Nếu lợng magie cần xử lí nằm khoảng 20 ữ 40 mg CaCO3/L cần tính thêm lợng Ca(OH)2 tơng đơng Nếu cần xử lí lợng magiê 40 mg CaCO3/L cần tăng lợng Ca(OH)2 d lên 40 mg CaCO3/L Ví dụ 3.6: Tính nhu cầu vôi sôđa để làm mềm nớc có thành phần nh sau tới độ cứng 80 mg CaCO3/L: Thành phÇn níc (mg/L): Ca2+: Mg2+: Na+: 95,20 13,44 25,76 CO2: 19,36 HCO3–: SO42–: Cl– : 241,46 53,77 67,81 Lêi gi¶i: Bớc đầu cần chuyển nồng độ ion từ mg/L thành lợng CaCO3 tơng đơng nh ví dụ vừa qua Nồng độ, mg/L mg CaCO3/L 2+ Loại ion 95,20 238,00 Mg2+ 13,44 55,37 25,76 56,16 Ca Na + Tæng cation 349,53 CO2 19,36 44,14 HCO3— 241,46 198,00 53,77 55,92 67,81 95,61 SO4 Cl Tổng anion 349,53 Dựng đồ thị dạng ngang, phần CO2 xếp lên đầu Hình 5.2 Biểu diễn nồng độ đơn vị mg CaCO3/L [2] (Nồng độ CO2 tính riêng) Từ đồ thị ta kết luận nh sau: CO2 không gây độ cứng nhng tiêu thụ kiềm Độ cứng tổng 293,37 mg CaCO3/L /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/vty1394180421-doc-13941804217478/vty1394180421.doc 42 Độ cứng tạm thời (carbonat) 198,00 mg CaCO 3/L Độ cứng không carbonat 293,37 198,00 = 95,37 mg CaCO3/L Tính nhu cầu vôi: Nhu cầu vôi để thực chức sau: Trung hoà CO2 cần = 44,14 mg CaCO3/L Phản ứng với HCO3 cần = 198,00 mg CaCO3/L Phản ứng với Mg2+ cần = Mg2+ 40 = Lợng vôi d = Tổng lợng vôi = 15,37 mg CaCO3/L 20,00 mg CaCO3/L 277,51 mg CaCO3/L Tính độ cứng không carbonat (KC) cần xử lí hay lợng sôđa cần có: Độ cứng KC cần ®Ĩ l¹i = ®é cøng tỉng dù kiÕn (80 mg/L) độ cứng carbonat lại độ tan kết tủa yếu tố khác = 80 40 = 40 mg/L Độ cứng KC cần xử lí = độ cứng KC ban đầu (95,37) độ cứng KC để lại (40) = 55,37 mg/L.Nh lợng sôđa cần thêm = 55,37 mg CaCO3/L Tổng kết lại ta có sơ đồ lựa chọn phơng án xử lí độ cứng nh hình 3.3: Hình 5.3 Sơ đồ sử dụng phơng pháp vôi sôđa [3] 3.6.2 Xử lí phốt phát phơng pháp kết tủa Nguyên lí xử lí P phơng pháp kết tủa tơng tác P hoà tan với hoá chất để tạo sản phẩm kết tủa Kết tủa chứa P sau đợc tách loại khỏi nớc /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/vty1394180421-doc-13941804217478/vty1394180421.doc 43 nhờ trình lắng, lọc, hai nớc phát triển phơng pháp kết tủa P đợc ¸p dơng cho c¶ xư lÝ níc cÊp lÉn xư lí nớc thải Nồng độ phốt tổng đầu ra, CTP, eff., tÝnh theo: CTP, eff = CSP, eff + XeffmPX ®ã: (3.11) CSP, eff = nång ®é P hoà tan đầu (chủ yếu pà Pphốt phát), mg/L Xeff = nồng độ cặn lơ lửng đầu ra, mg/L mPX = phần P cặn khô đầu ra, mg P/mg SS Đối với xử lí nớc thải X sinh khèi vi sinh, m PX thêng chiÕm 20–25 mg P/g cặn cháy đợc (VSSsinh khối, 22,5%) Đối với P kết tủa muối vô m PX møc 4–10% tuú chÊt kÕt tña Pt 3.11 cho phÐp ta dự báo nồng độ P đầu Ví dụ nÕu mPX b»ng 50 mg P/g SS th× víi nång độ SS đầu 20 mg/L (TCVN 5945 1995 nớc thải loại A) ta không đạt đợc nồng độ P đầu dới mg P/L Các hoá chất thờng dùng để kết tủa P là: Phèn nhôm Muối sắt Vôi Cơ sở khoa học để sử dụng hoá chất là: chúng tạo muối phốt phát khó tan (xem phụ lục bảng độ tan, tích tan); hoá chất có sẵn, phổ biến ngành nớc, giá thấp; chúng không độc P hoà tan níc cịng nh níc th¶i chđ u n»m ë dạng phốt phát (PO 43), thành phần kết tủa phèt ph¸t víi c¸c ho¸ chÊt sư dơng khã x¸c định xác Sau chất có khả hình thành kết tủa (bảng 3.6) Bảng 3.6 Thành phần có kết tủa phốt phát Tác nhân kết tủa P Al(III) Thành phần kết tủa Alr(H2PO4)(OH)3r1 hyđroxy phốt phát nhôm Al(OH)3 Fe(II) Fe3(PO4)2 Fe(OH)2/hoặc Fe(III) Fer(H2PO4)(OH)3r1 hyđroxy phốt phát sắt ba Fe(OH)3 Ca(II) Ca3(PO4)2 tricanxi phốt phát Ca5(OH)(PO4)2 hyđroxyapatit CaHPO4 canxi hyđro phốt phát CaCO3 Trong thực tế thành phần kết tủa phức tạp ion khác cã níc cịng cã thĨ ®ång kÕt tđa (Mg 2+, sulphát, cacbonat ) Ngoài song song với trình kết tủa P có trình hấp phụ P lên kết tủa có nớc Để trình thực đơc tốt ta cần lu ý thông số công nghệ sau: ã Định dạng rõ yêu cầu nồng độ P đầu ã Xác định liều lợng hoá chất ã Lu ý pH trình /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/vty1394180421-doc-13941804217478/vty1394180421.doc 44 Ta xem xét yếu tố sở hoá chất cụ thể Muối sắt (II) Nguồn muối sắt(II) phổ biến rẻ dung dịch axit xử lí bề mặt kim loại, th ờng FeSO4, nồng độ Fe(II) tới 100 g/L, ta gặp FeCl Ngoài thị trờng có phèn sắt FeSO4.xH2O (nhân dân gọi phèn xanh phèn sắt) Cần lu ý, nguồn sắt chứa lợng định kim loại nặng độc hại khác Đối víi mi Fe(II) pH kÕt tđa phèt ph¸t tèi u 8, nồng độ phốt phát dung dịch lµ díi 0,4 mg P/L NÕu lƯch khái pH8 nång độ phốt phát d cao: pH = lµ mg P/L, ë pH = lµ 3,5 mg P/L Thời gian cần để phản ứng hoàn toµn lµ h ë pH8 Tû lƯ mol Fe : PO 43– = : 1, mỈc dï vËy Fe(II) kết tủa không hoàn toàn Trong trờng hợp nớc thiếu ôxy Fe thành phần kết tủa đợc cho Fe3(PO4)2.8H2Ovivianite Nếu nớc đủ ôxy Fe(II) nhanh chóng bị ôxy hoá thành Fe(III), hiệu kết tủa tốt so với Fe(II) Hiệu kết tủa phụ thuộc vào khả lắng cặn hình thành thành phần hữu nớc ảnh hởng đến phản ứng nh khả lắng cặn phốt phát Muối Fe(III) phèn nhôm Đây hai chất keo tụ điển hình, hoá trị 3+ Chúng có tính chất gần nên đợc xem xét đồng thời Thông thờng Fe(III) đợc sử dụng dới dạng FeCl3 Fe2(SO4)3, Việt Nam cha phổ biến lắm, nhôm dới dạng Al2(SO4)3.18H2O Ngoài nhôm phổ biến thị trờng dới dạng PAC, nớc có nhôm aluminat Khi sử dụng d Fe(III) Al(III) để kết tủa phốt phát bên cạnh muối phốt phát kết tủa ta có kết tủa hyđroxit tơng ứng hạt polime sắt, nhôm tơng ứng (xem thêm chơng XX Keo tụ) Để tính lợng phốt phát (CP,d) d ta phải sử dụng cân có nớc xử lí (bảng 3.7) Bảng 3.7 Các phản ứng Al(III) Fe(III) kÕt tđa PO 43– [4–8] H»ng sè c©n b»ng Ph¶n øng Al(III) 3+ Fe(III) Me + 3H2O ⇋ Me(OH)3(r) pKMeOH = 9,1 –0,5 rMe3+ + H2PO4– + (3r–1) OH– pKr = 25,8 67,1 ⇋ Me(H2PO4)(OH)3r–1(r) r= 0,8 1,6 Me3+ + H2PO4– ⇋ Me(H2PO4)2+ 3+ 2– Me + HPO4 ⇋ MeHPO H3PO4 ⇋ H2PO4– + H+ H2PO ⇋ HPO + – 2– 2– 3– pKMP1 = pKMP2 = –21,3 –12,1 pK1 = 2,1 +H pK2 = 7,2 + pK3 = 12,3 HPO4 ⇋ PO + H + C¸ch tÝnh nh sau: TÝnh nång ®é [Me3+] tõ TT cđa hyđroxit kim loại (pt.1, bảng 3.7): lg[Me3+] = pKMeOH 3pH (3.12) TÝnh [H2PO4–] tõ TT cđa phèt ph¸t kim loại (pt 2, bảng 3.7): lg[H2PO4] = pKS – rlg[Me3+] + (3r – 1)(pKH2O – pH) /storage2/vhost/convert.store123doc.com/data_temp/document/vty1394180421-doc-13941804217478/vty1394180421.doc (3.13) 45 ... từ nâng cao độ ổn định hiệu suất xử lí dây chuyền xử lý Như bể điều hịa phải trữ đủ nước nước vào có lưu lượng thấp để hệ thống sau có nước, trữ nước lưu lượng vào lớn Để tính thể tích bể điều... có sơ đồ lựa chọn phơng án xử lí độ cứng nh hình 3.3: Hình 5.3 Sơ đồ sử dụng phơng pháp vôi sôđa [3] 3.6.2 Xử lí phốt phát phơng pháp kết tủa Nguyên lí xử lí P phơng pháp kết tủa tơng tác P hoà... = 25,8 67,1 ⇋ Me(H2PO4)(OH)3r–1(r) r= 0,8 1,6 Me3+ + H2PO 4– ⇋ Me(H2PO4)2+ 3+ 2– Me + HPO4 ⇋ MeHPO H3PO4 ⇋ H2PO 4– + H+ H2PO ⇋ HPO + – 2– 2– 3– pKMP1 = pKMP2 = –2 1,3 –1 2,1 pK1 = 2,1 +H pK2 = 7,2