MỤC LỤC MỞ ĐẦU 3 CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT XỬ LÝ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI BẬC CAO 4 1 1 CÁC KỸ THUẬT CAO TRONG XỬ LÝ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢII 4 1 2 ĐỐI TƯỢNG VÀ SỰ CẦN THIẾT CỦA CÁC KỸ THUẬT XỬ LÝ NƯỚC[.]
MỤC LỤC MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT XỬ LÝ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI BẬC CAO 1.1 1.2 CÁC KỸ THUẬT CAO TRONG XỬ LÝ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢII ĐỐI TƯỢNG VÀ SỰ CẦN THIẾT CỦA CÁC KỸ THUẬT XỬ LÝ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI BẬC CAO CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT MÀNG 2.1 KỸ THUẬT LỌC MICRO (MICROFITRATION – MF) [12] 2.2 KỸ THUẬT LỌC ULTRA (ULTRFILTRATION – UF) 2.2.1 Giới thiệu màng 2.2.2 Một số đặc điểm kỹ thuật Ultrafiltration 2.2.3 Nguyên lý hoạt động màng lọc Ultrafiltration 2.2.4 Ứng dụng kỹ thuật lọc ultra .9 2.3 KỸ THUẬT LỌC NANO (NANOFILTRATION –NF) 10 2.3.1 Cơ sở lý luận khoa học công nghệ nano 10 2.3.2 Chế tạo vật liệu nano 11 2.3.2.1 Phương pháp từ xuống(top-down) 11 2.3.2.2 Phương pháp từ lên (bottom – up) 11 2.3.3 Ứng dụng công nghệ nano vào công nghệ lọc nước .12 2.4 KỸ THUẬT THẨM THẤU NGƯỢC (REVERSE OSMOSIS – RO) [3] .13 2.4.1 Hiện tượng thẩm thấu .13 2.4.2 Kỹ thuật thẩm thấu ngược .14 2.4.3 Những điều cần lưu ý sử dụng kỹ thuật thẩm thấu ngược 14 2.4.4 Ứng dụng kỹ thuật RO 15 2.5 KỸ THUẬT ĐIỆN THẨM TÁCH ED (ELECTRO DIALYSIS) [3] 15 2.5.1 Cơ sở kỹ thuật điện thẩm tách 15 2.5.2 Cấu tạo tính chất màng trao đổi ion 16 2.5.3 Ứng dụng điều cần lưu ý sử dụng ED .16 2.5.4 Kỹ thuật điện thẩm tách đảo chiều EDR (Electro Dialysis Reversal) 17 CHƯƠNG 3: KỸ THUẬT OXI HÓA TĂNG CƯỜNG .18 3.1 CÁC KỸ THUẬT OXY HĨA NÂNG CAO KHƠNG NHỜ TÁC NHÂN ÁNH SÁNG (ADVANCED NON PHOTOCHEMICAL OXIDATION PROCESSES-ANPOS) [1] 20 3.1.1 Quá trình Fenton .20 3.1.1.1 Quá trình Fenton đồng thể 21 3.1.1.2 Quá trình Fenton dị thể 24 3.1.1.3 Q trình Fenton điện hóa 26 3.1.2 Các trình oxi hóa nâng cao sở ozon: Peroxon catazon 27 3.1.2.1 Quá trình Peroxon (O3/ H2O2 ) 27 3.1.2.2 Quá trình Catazon (O3/Cat) 29 3.1.2.2.1 Quá trình Catazon đồng thể 29 3.1.2.2.2 Quá trình Catazon dị thể 30 3.1.3 Q trình oxi hóa điện hóa .31 3.2 CÁC KỸ THUẬT OXI HÓA NÂNG CAO NHỜ TÁC NHÂN ÁNH SÁNG 31 3.2.1 Quá trình quang Fenton 31 3.2.2 Các kỹ thuật quang xúc tác bán dẫn .33 3.2.2.1 Giới thiệu vật liệu bán dẫn xúc tác quang hóa 33 3.2.2.2 Tính chất xúc tác quang hóa TiO2 36 3.2.2.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến trình quang xúc tác nano TiO2 39 3.2.2.3.1 Sự tái kết hợp lỗ trống electron quang sinh 39 3.2.2.3.2 pH dung dịch .41 3.2.2.3.3 Nhiệt độ .41 3.2.2.3.4 Các tinh thể kim loại gắn xúc tác 41 3.2.2.3.5 Pha tạp (doping) ion kim loại vào tinh thể TiO2 .42 3.2.2.3.6 Các chất diệt gốc hydroxyl .42 KẾT LUẬN .43 TÀI LIỆU THAM KHẢO .44 MỞ ĐẦU Hiện nay, vấn đề nhiễm mơi trường nói chung đặc biệt nhiễm mơi trường nước nói riêng mối quan tâm toàn nhân loại Nước nhân tố quan trọng định sống Trái Đất Cùng với tăng dân số kéo theo nhu cầu sử dụng nước tăng Theo thống kê tổ chức y tế giới có khoảng 1/3 dân cư giới thiếu nước để sinh hoạt có nhiều nguồn nước bị nhiễm nước thải chưa xử lý nhà máy công nghiệp, nước thải sinh hoạt, nước thải nông nghiệp (thuốc trừ sâu, thuốc bảo vệ thực vật….), nước rị rỉ từ bãi chơn lấp chất thải rắn… Ở Việt Nam, nhiều khu, cụm, điểm công nghiệp nước chưa đáp ứng tiêu chuẩn mơi trường theo quy định Thực trạng làm cho môi trường sinh thái số địa phương bị ô nhiễm nghiêm trọng đặc biệt cộng đồng dân cư lân cận với khu công nghiệp Cùng với đời ạt khu, cụm, điểm công nghiệp, làng nghề thủ công truyền thống có phục hồi phát triển mạnh mẽ Việc phát triển làng nghề có vai trị quan trọng phát triển kinh tế - xã hội giải việc làm địa phương Tuy nhiên, hậu môi trường hoạt động sản xuất làng nghề đưa lại ngày nghiêm trọng Hình thức đơn vị sản xuất làng nghề đa dạng, gia đình, hợp tác xã doanh nghiệp Tuy nhiên, sản xuất mang tính tự phát, sử dụng cơng nghệ thủ công lạc hậu, chắp vá, mặt sản xuất chật chội, việc đầu tư xây dựng hệ thống xử lý nước thải quan tâm, ý thức bảo vệ mơi trường sinh thái người dân làng nghề cịn nên tình trạng nhiễm mơi trường làng nghề ngày trầm trọng Vì vậy, yêu cầu đặt cho nhà khoa học công nghệ phải nghiên cứu kỹ thuật cao xử lý triệt để chất ô nhiễm môi trường Do đó, chúng tơi chọn đề tài: “Kỹ thuật xử lý nước nước thải bậc cao(Advanced Wastewater Treatment technologies)” CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU CHUNG VỀ KỸ THUẬT XỬ LÝ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI BẬC CAO 1.1 Các kỹ thuật cao xử lý nước nước thải Những kỹ thuật cao xuất thập kỷ gần đưa vào thực tế để xử lý nước nước thải Công nghệ xử lý nước thải bậc cao định nghĩa là: “Bất kỳ trình thiết kế để tạo nước thải có chất lượng cao nước thải bình thường đạt trình xử lý thứ cấp bao gồm cơng đoạn khơng có xử lý thứ cấp” Nổi bật kỹ thuật lọc màng, kỹ thuật khử trùng xạ tử ngoại, kỹ thuật phân hủy khống hóa chất nhiễm hữu q trình oxy hóa nâng cao 1.2 Đối tượng cần thiết kỹ thuật xử lý nước nước thải bậc cao Hóa chất bảo vệ thực vật bao gồm thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, thuốc trừ nấm hóa chất độc hại, bền vững khó phân hủy mơi trường Với nước sản xuất nơng nghiệp nước ta, lượng hóa chất bảo vệ ngày tăng, nên lượng hóa chất bảo vệ thực vật tan nước, ngấm xuống đất thâm nhập vào nguồn nước mặt, sơng ngịi, ao hồ, lan truyền vào mạch nước ngầm tích lũy ngày nhiều Nước thải dệt nhuộm tổng hợp nước thải phát sinh từ tất công đoạn hồ sợi, nấu tẩy, tẩy trắng, làm bóng sợi, nhuộm in hồn tất Theo phân tích chun gia, trung bình nhà máy dệt nhuộm sử dụng lượng nước đáng kể, đó, lượng nước sử dụng công đoạn sản xuất chiếm 72,3%, chủ yếu cơng đoạn nhuộm hồn tất sản phẩm Xét hai yếu tố lượng nước thải thành phần chất ô nhiễm nước thải, ngành dệt nhuộm đánh giá ô nhiễm số ngành công nghiệp Các chất ô nhiễm chủ yếu có nước thải dệt nhuộm hợp chất hữu khó phân hủy, thuốc nhuộm, chất hoạt động bề mặt, hợp chất halogen hữu (AOX- Adsorbable Organohalogens), muối trung tính làm tăng tổng hàm lượng chất rắn, nhiệt độ cao (thấp 40°C) pH nước thải cao lượng kiềm nước thải lớn Trong số chất nhiễm có nước thải dệt nhuộm, thuốc nhuộm thành phần khó xử lý nhất, đặc biệt thuốc nhuộm azo không tan – loại thuốc nhuộm sử dụng phổ biến nay, chiếm 60-70% thị phần Thông thường, chất màu có thuốc nhuộm khơng bám dính hết vào sợi vải trình nhuộm mà lại lượng dư định tồn nước thải Lượng thuốc nhuộm dư sau công đoạn nhuộm lên đến 50% tổng lượng thuốc nhuộm sử dụng ban đầu Đây nguyên nhân làm cho nước thải dệt nhuộm có độ màu cao nồng độ chất ô nhiễm lớn Nước thiên nhiên, ngồi việc có mặt có chất gây nhiễm kể trên, ln có mặt chất gây ô nhiễm có tự nhiên như: acid humic, chất hữu thiên nhiên, protein, lipit….Các thành phần nước thiên nhiên thay đổi theo mùa, theo vùng lãnh thổ Các chất hữu thiên nhiên có phản ứng với clo sử dụng xử lý nguồn nước mặt nước ngầm để cung cấp cho sinh hoạt nhu cầu khác sống Kết bên cạnh thu nước sạch, tạo thêm nước sau xử lý có sản phẩm phụ khác, chủ yếu chất hữu chứa clo trihalometan (THM) bao gồm: triclorometan (cloroform), dibromoclorometan, bromodiclorometan tribromometan (bromoform) Các chất vào thể gây hại cho sức khỏe người Theo dự báo nhà khoa học nước, đến năm 2030 giới thiếu nước cho dân cư hành tinh, thách thức đặt cho nhà khoa học công nghệ phải tìm cơng nghệ hữu hiệu xử lý triệt để chất ô nhiễm nước, đặc biệt chất hữu khó phân hủy để thu lại nước từ nguồn thải khác Trước yêu cầu thách thức nói đặt cho ngành xử lý nước nước thải Những phương pháp sinh học, vật lý, hóa lý chí phương pháp hóa học áp dụng cho q trình oxi hóa thơng thường tồn thời gian dài công nghệ xử lý nước, nước thải truyền thống cho thấy không đủ sức giải u cầu địi hỏi Vì cần kỹ thuật cao cho xử lý nước nước thải CHƯƠNG 2: KỸ THUẬT MÀNG Kỹ thuật lọc màng định nghĩa tổng quát kỹ thuật sử dụng màng bán thấm (semipermeable membrane) để thực trình phân chia dịng nước đầu vào thành hai phần: phần nước thấm qua màng phần bị chặn lại, không qua màng Phần nước thấm qua màng nước sạch, phần bị cản lại không qua màng phần chứa chất ô nhiễm cần xử lý Màng lọc rào cản chọn lọc, cho vật qua không cho vật khác qua Sự khác kỹ thuật lọc màng kỹ thuật lọc truyền thống chỗ, với công nghệ lọc truyền thống, vật liệu thường xếp thành lớp với độ dày định, nước thẳng góc với lớp vật liệu lọc chất bị chặn lại giữ lớp vật liệu lọc, đến lúc đó, trở lực lớp vật liệu lọc tăng bị lấp đầy chất bị cản này, trình lọc bị dừng lại Trong đó, với kỹ thuật lọc màng, chất bị chặn lại giữ bề mặt màng lọc sau dòng nước chạy ngang bề mặt quét đi, bề mặt tự làm trình lọc liên tục Kỹ thuật lọc truyền thống gọi kỹ thuật lọc dòng nước theo chiều thẳng vng góc với vật liệu lọc (perpendicular flow), kỹ thuật lọc màng cịn gọi cơng nghệ lọc dòng nước theo chiều dọc màng lọc (crossflow) Màng lọc bán thấm thành phần định quan trọng kỹ thuật lọc màng Tùy theo kích thước hình học lỗ xốp màng bán thấm tách khỏi nước phần tử có kích thước khác nahu mức độ phân tử ion, kể chất hịa tan hay khơng hịa tan, chất vô hữu cơ, vi khuẩn virut Các kỹ thuật lọc màng phổ biến bao gồm: - Kỹ thuật lọc micro (Microfitration – MF) Kỹ thuật lọc ultra (Ultrfiltration – UF) Kỹ thuật lọc nano (Nanofiltration – NF) Kỹ thuật thẩm thấu ngược (Reverse osmosis – RO) Kỹ thuật điện thẩm tách ((Electro Dialysis – ED) 2.1 Kỹ thuật lọc micro (Microfitration – MF) [12] Kỹ thuật lọc micro (MF) q trình để tách vật liệu có kích thước dạng keo lớn từ dung dịch Kỹ thuật thường áp dụng cách sử dụng màng Màng lọc Micro thường phân loại theo kích thước lỗ lọc, theo quy ước có đường kính lỗ nằm khoảng 0,1 đến 10μm Màng vi lọc nói chung đủ xốp để vượt qua phân tử có dung dịch phân tử lớn Như vậy, màng vi lọc sử dụng để khử trùng dung dịch có kích thước lỗ 0,3μm đường kính vi khuẩn nhỏ Pseudomonas diminuta Những điểm cần thiết cho việc lọc màng micro có hiệu quả: - Kích thước lỗ đồng - Mật độ lỗ - Độ mỏng lớp hoạt động lớp lỗ có đường kính tối thiểu Tất màng MF phân loại thành: "tortuous-pore" or "capillarypore" Cấu trúc "capillarypore" phân biệt thơng qua mao mạch hình trụ thẳng, "tortuous-pore" cấu trúc giống miếng bọt biển với mạng lưới lỗ liên kết quanh co với Các màng "tortuous-pore" phổ biến bao gồm màng cellulose điển hình hầu hết tất polyme khác Màng "capillarypore" sản xuất thương mại NUclepore Corp Poretics Corp Chúng polyme có sẵn polycarbonate màng polyester Các màng polyme chiếm thị yếu thị trường lĩnh vực vi lọc Các công ty kinh doanh kỹ thuật vi lọc giới bán màng polyme với số lượng nhiều màng làm vật liệu vô Nylon, polysulfone, poJyvinylidene florua polymer sử dụng, Polypropylene sử dụng rộng rãi trình lọc Micro Một số màng vi lọc màng gốm dựa nhơm (Alcoa-Ceraver), màng hình thành q trình oxi hóa anot nhôm (Anotec), màng carbon (GFT) Thủy tinh sử dụng loại vật liệu màng Zirconium oxide chất để gửi vào ống carbon xốp Màng kim loại thiêu kết từ thép không gỉ, bạc, vàng, bạch kim, niken, đĩa ống Ứng dụng kỹ thuật MF xử lý nước: Ưu điểm lớn kỹ thuật lọc micro khử trùng mà khơng cần đến clo Một nghiên cứu gần ÚC màng vi lọc loại bỏ vi rút từ bề mặt chất ô nhiễm Mặc dù vi rút nhỏ nhiều so với kích thước lỗ mao quản, nghiên cứu tìm vi rút hấp thụ hạt đất sét đủ lớn để loại bỏ màng lọc Tuy nhiên, có lo ngại chất lượng sau xử lý nên việc ứng dụng kỹ thuật nghiên cứu 2.2 Kỹ thuật lọc ultra (Ultrfiltration – UF) 2.2.1 Giới thiệu màng UltraFiltration(UF) kỹ thuật lọc dùng màng áp suất thấp để loại bỏ phân tử có kích thuớc lớn khỏi nguồn nước Dưới áp suất không 2,5 bars, nước, muối khoáng phân tử/ ion nhỏ lỗ lọc (0.1- 0.005 micron) “chui” qua màng dễ dàng Các phân tử có lớn hơn, loại virus, vi khuẩn bị giữ lại xả thải Màng lọc UltraFiltration làm thành ống nhỏ, đường kính ngồi 1,6mm Một lọc bó hàng ngàn ống nhỏ nên diện tích lọc lớn, giúp tăng lưu lượng nước lên nhiều lần Màng lọc rửa ngược có tuổi thọ cao, từ – năm 2.2.2 Một số đặc điểm kỹ thuật Ultrafiltration Quá trình lọc diễn nhiệt độ bình thường áp suất thấp nên tiêu thụ điện năng, cắt giảm chi phí hoạt động đáng kể Kích thuớc hệ thống gọn nhỏ, cấu trúc đơn giản nên không tốn mặt lắp đặt Quy trình vận hành đơn giản, không cần nhiều nhân công Cấu trúc vật liệu màng lọc đồng sử dụng phương pháp lọc học nên khơng làm biến đổi tính chất hóa học nguồn nước Vật liệu màng lọc không xâm nhập vào nguồn nước, đảm bảo độ tinh khiết suốt quy trình xử lý Hình 1: Quy trình lọc màng UF 2.2.3 Nguyên lý hoạt động màng lọc Ultrafiltration Từ vào trong: Lớp lọc nằm bên ngồi màng Dịng nước có chất nhiễm đẩy vào từ bên ngồi màng lọc Nước sau lọc thu bên màng lọc Từ ngoài: Lớp lọc nằm bên màng Dịng nước có chất nhiễm châm vào từ bên màng lọc Nước sau lọc thu bên ngồi màng lọc Hình 2: Ngun lý hoạt động màng UF 2.2.4 Ứng dụng kỹ thuật lọc ultra * Lọc nước biển, nước muối (thủy sản, hóa chất) Để làm nước biển mà giữ nồng độ muối, Màng UF thay cho tồn quy trình phức tạp nhiều cơng đoạn: Nước biển -> Khử trùng -> Lọc thô -> Lọc cát -> Than hoạt tính -> Nước biển * Lọc nước ép trái cây, nước trà xanh Để loại bỏ thành phần khơng có lợi nuớc ép trái cây, người ta thường dùng men sinh học hóa chất để làm kết tủa chúng gạn lấy phần nước giảm độ đục xuống 2.0 NTU Ứng dụng công nghệ màng giảm tối đa lượng enzyme hóa chất, bảo đảm tính “thiên nhiên” trái cải thiện độ rõ rệt, độ đục lúc cịn 0,4 – 0,6 NTU Ngồi ra, tuổi thọ nước ép tăng đáng kể toàn vi khuẩn, virus bị màng UF loại bỏ *Thu hồi dầu/ mỡ xử lý nước thải Rất nhiều ngành công nghiệp sử dụng dầu để làm mát, bôi trơn thường phải thải bỏ sau thời gian Với màng UF, ta dễ dàng tách dầu từ nguồn nước thải Kích thước phân tử dầu đủ nhỏ để chui qua lỗ lọc sức căng bề mặt lại cản trở việc (khi màng lọc bị ướt) Sau dùng màng UF, nước thải chưa tới 10ppm dầu, phù hợp với quy định Đặc biệt, có tới 30~60% lượng dầu thu hồi để tái sử dụng * Màng UF bảo vệ màng RO Lọc bảo vệ cho màng RO hiệu nhiều so với phương pháp truyền thống, nước sau lọc màng UF gần tinh khiết, khơng cịn vi khuẩn, cặn siêu nhỏ Màng RO lúc làm việc mơi trường có tuổi thọ cao 2.3 Kỹ thuật lọc nano (Nanofiltration –NF) 2.3.1 Cơ sở lý luận khoa học công nghệ nano Công nghệ nano dựa định luật sau: - Tính chất lượng tử: Vật liệu vĩ mơ chứa nhiều ngun tử, µm3 có khoảng 1012 nguyên tử, hiệu ứng lượng tử trung bình hóa ngun tử bỏ qua thăng giáng ngẫu nhiên Nhưng cấu trúc nano có ngun tử tính chất lượng tử thể rõ ràng hơn, ví dụ chấm lượng tử (quantum dot) coi đại nguyên tử với mức lượng giống nguyên tử - Hiệu ứng bề mặt: Vật liệu có kích thước nm, số nguyên tử nằm bề mặt chiếm tỉ lệ đáng kể so với tổng số nguyên tử, hiệu ứng có liên quan đến bề mặt (hiệu ứng bề mặt) trở nên quan trọng làm cho tính chất vật liệu có kích thước nanomet khác biệt so với vật liệu dạng khối - Kích thước tới hạn: Các vật liệu có giới hạn kích thước, vật liệu mà nhỏ giới hạn tính chất hồn tồn bị thay đổi Người ta gọi “kích thước tới hạn” Ví dụ, điện trở kim loại tn theo định luật Ohm kích thước bình thường mà ta thấy hàng ngày Nếu ta giảm kích thước kim loại xuống nhỏ “quãng đường tự trung bình” điện tử kim loại (thường từ vài nm đến vài trăm nm) định luật Ohm khơng cịn nữa, lúc điện trở vật có kích thước nano tn theo “quy tắc lượng tử” Tóm lại, kích thuớc vật chất trở nên nhỏ tới kích thuớc 13, điện tử khơng cịn di chuyển chất dẫn điện “một dịng sơng”, mà biểu dạng “sóng” Kích thuớc nhỏ dẫn đến tượng lượng tử tạo cho vật chất có thêm đặc tính Ví dụ, chấm lượng tử hạt vật chất có kich thuớc nhỏ tới 10