Bài giảng hóa kỹ thuật môi trường

i MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH SÁCH HÌNH iv DANH SÁCH BẢNG v CÁC TỪ VIẾT TẮT vi GIỚI THIỆU CHUNG vii CHƯƠNG 1 1 TỔNG QUAN VỀ TÍNH CHẤT HÓA HỌC CỦA NƯỚC THẢI VÀ KHÍ THẢI 1 1 Tổng quan về tính chất hóa học của nước thải 1 1.1 Sự ô nhiễm nước 1 1.2 Phân loại và các đặc tính của nước thải 1 1.3 Một số các thông số hóa học quan trọng của nước thải 3 1.4 Các đặ c tính hóa học của nước thải 4 1.5 Các tác nhân độc hại và các hợp chất liên quan về mặt sinh thái 7 1.6 Nước thải sinh hoạt 8 1.7 Nước thải công nghiệp 10 2 Tổng quan về tính chất hóa học của khí thải 10 CHƯƠNG 2 14 ĐẶC ĐIỂM DI CHUYỂN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG TỰ NHIÊN 14 1 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự di chuyển các nguyên tố trong môi trường tự nhiên 14 1.1 Thế ion 14 1.2 Thế oxi hóa khử của nguyên t ố (E o ) 14 1.3 Độ hòa tan của hợp chất 15 1.4 Clac và clac tập trung 15 1.5 Dạng tồn tại các nguyên tố trong tự nhiên 15 2 Dạng di chuyển các nguyên tố hóa học trong môi trường tự nhiên 16 2.1 Khái niệm 16 2.2 Cường độ di chuyển các nguyên tố hóa học trong môi trường tự nhiên 16 2.3 Các dạng di chuyển của nguyên tố trong môi trường tự nhiên 17 3 Đặc điểm tập trung, phân tán các nguyên tố hóa học 19 3.1 Sự tập trung các nguyên tố trong môi trường tự nhiên 19 3.2 Phân tán các nguyên tố trong môi trường tự nhiên 19 3.3 Tính thố ng nhất và mâu thuẩn của các tập trung và phân tán các nguyên tố hóa học 20 4 Phân loại nguyên tố theo đặc điểm di chuyển 20 5 Di chuyển các nguyên tố do hoạt động kỹ thuật của con người 21 CHƯƠNG 3 21 XỬ LÝ CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC 21 1 Trung hòa nước thải 22 1.1 Trộn các loại nước thải có độ pH khác nhau để đạt được giá trị pH gần trung tính 22 1.2 Cho nước thải có pH axit chảy qua nền đá vôi 23 1.3 Tr ộn nước thải có pH axit với dung dịch vôi 23 1.4 Cho thêm lượng chính xác NaOH hoặc Na 2 CO 3 vào nước thải có pH axit 23 ii 1.5 Thổi khí thải (từ các lò đốt) qua nước có pH kiềm 24 1.6 Cho nén CO 2 vào nước thải có pH kiềm 25 1.7 Cho axit sunfuric vào nước thải có pH kiềm 25 2 Quá trình keo tụ 25 2.1 Khái niệm 25 2.2 Cấu tạo của hạt keo 28 2.3 Các phương pháp keo tụ 28 2.4 Các cơ chế của quá trình keo tụ tạo bông 30 2.5 Các bước thực hiện trong quá trình keo tụ 34 3 Khử trùng bằng phương pháp hóa học 34 3.1 Khử trùng bằng clo 34 3.2 Khử trùng bằng Ozon 40 3.3 Các phương pháp hóa học khác 41 4 Làm mềm nước 41 4.1 Làm mềm nước bằng vôi Ca(OH) 2 42 4.2 Làm mềm nước bằng vôi kết hợp với sođa 43 4.3 Làm mềm nước bằng trinatriphotphat (Na 3 PO 4 ) 44 4.4 Các biện pháp đẩy nhanh quá trình làm mềm nước 45 4.5 Làm mềm nước bằng phương pháp nhiệt 45 5 Khử sắt 45 5.1. Các phương pháp khử sắt trong xử lý nước cấp 45 5.2 Các biện pháp khử sắt bằng quá trình oxi hóa 47 5.3 Khử sắt bằng hóa chất 48 6 Khử mangan 49 6.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình khử mangan 49 6.2 Các phương pháp khử Mangan 50 7 Sử dụng hóa chất để loại bỏ photpho trong nước thải 51 8 Kết tủa các kim loại nặ ng 54 8.1 Asen 55 8.2 Bari 55 8.3 Cadimi 56 8.4 Crom 57 8.5 Đồng 58 8.6 Florit 59 8.7 Chì 60 8.8 Thủy ngân 60 8.9 Niken 61 8.10 Bạc 61 8.11 Kẽm 62 CHƯƠNG 4 64 XỬ LÝ KHÍ THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP THỤ 64 1 Cơ sở lý thuyết của quá trình hấp thụ 64 2 Hấp thụ SO 2 66 2.1 Hấp thụ bằng nước 66 2.2 Xử lý khí SO 2 bằng đá vôi (CaCO 3 ) hoặc vôi nung (CaO) 67 2.3 Xử lý khí SO 2 bằng amoniac 67 2.4 Xử lý SO 2 bằng magie oxit (MgO) 68 2.5 Xử lý SO 2 bằng kẽm oxit ZnO 69 2.6 Hấp thụ bằng muối natri 69 iii 2.7 Hấp thụ bằng hỗn hợp muối nóng chảy 70 2.8 Xử lý SO 2 bằng các chất hấp thụ hữu cơ 70 3 Hấp thụ H 2 S 70 3.1 Hấp thụ H 2 S bằng phương pháp cacbonat 70 3.2 Hấp thụ H 2 S bằng phương pháp photphat 71 3.3 Hấp thụ H 2 S bằng phương pháp kiềm – asen 71 3.4 Hấp thụ H 2 S bằng phương pháp sođa – sắt 71 3.5 Hấp thụ H 2 S bằng phương pháp hydroquinon – kiềm 72 4 Hấp thụ CS 2 , COS và mercaptan (RSH) 72 5 Hấp thụ các oxit nitơ 72 5.1 Hấp thụ bằng nước 73 5.2 Hấp thụ bằng kiềm 73 5.3 Hấp thụ chọn lọc 74 5.4 Phương pháp hấp thụ đồng thời SO 2 và NO x 75 6 Hấp thụ Halogen và các hợp chất của chúng 75 6.1 Xử lý các hợp chất chứa flo 75 6.2 Xử lý clo và clorua hydro 76 6.3 Xử lý brom và hợp chất của nó 77 7 Hấp thụ CO x 78 7.1 Xử lý oxit carbon 78 7.2 Xử lý dioxit cacbon 78 TÀI LIỆU THAM KHẢO 80 iv DANH SÁCH HÌNH Hình 3.2: Mô tả hiệu quả của cơ chế hấp phụ - trung hòa điện tích các ion trái dấu 32 Hình 3.3: Quan hệ giữa thành phần HOCl và ClO - và giá trị pH của môi trường 35 Hình 3.4: Quan hệ của các thành phần Cl 2 , HOCl và ClO - phụ thuộc vào giá trị pH 35 Hình 3.5: Biểu đồ tương quan giữa lượng clo vào hấp thụ và lượng clo dư khi trong nước không có amoniac hoặc muối amon 37 Hình 3.6: Biểu đồ tương quan giữa lượng clo cho vào hấp thụ và lượng clo dư khi trong nước có amoniac hoặc muối amon 37 Hình 3.7: Các kiểu xử lý photpho bằng hóa chất 53 v DANH SÁCH BẢNG Bảng 1.1: Thành phần hóa học đặc trưng của nước thải và nguồn phát sinh 3 Bảng 1.2: Các thành phần quan trọng trong nước thải 4 Bảng 1.3: Các chất gây ô nhiễm nguy hiểm trong nước thải công nghiệp, nông nghiệp và thương mại 6 Bảng 1.4: Tải trọng chất thải trung bình một ngày tính theo đầu người 8 Bảng 1.5: Thành phần nước thải sinh hoạt phân tích theo phương pháp của APHA * 9 Bảng 1.6: Tính chất đặc trưng của nước thải một số ngành công nghiệp 10 Bảng 1.7: Nguồn sinh ra CFC trên thế giới (%, năm 1985) 11 Bảng 1.8: Thành phần và nguồn gốc của một số loại bụi 11 Bảng 2.1: Sự di chuyển của các nguyên tố hóa học trong môi trường tự nhiên 17 Bảng 3.1: Độ kiềm của một số hóa chất được sử dụng trong quá trình trung hòa 24 Bảng 3.2: Các hóa chất thường được sử d ụng để trung hòa nước thải 26 Bảng 3.3: Tác dụng của quá trình keo tụ trong xử lý nước cấp 27 Bảng 3.4: Các hóa chất thường sử dụng trong quá trình keo tụ 33 Bảng 3.5: Mức độ phân ly của HOCl phụ thuộc vào pH ở 20 o C 36 Bảng 3.6: Hàm lượng clo dư tối thiểu để diệt trùng hoàn toàn 39 Bảng 3.7: Các số liệu về độ hòa tan của ozon theo nhiệt độ 40 Bảng 3.8: Nồng độ của một số ion kim loại nặng có khả năng tiêu diệt vi trùng và rêu tảo 41 Bảng 3.9: Liều lượng phèn nhôm sử dụng và hiệu suất khử photpho của nó 52 Bảng 3.10: Lưu lượng nạp nước thải cho bể lắng trong trường hợp có sử dụng hóa chất trợ lắng 52 Bảng 3.11: Hiệu quả quá trình kết tủa kim loại với muối cacbamat 55 Bảng 3.12: Kết quả quá trình xử lý Cadimi bằng cách cho kết tủa dưới dạng hydroxit 56 Bảng 3.13: Hiệu quả của quá trình xử lý crom 58 Bảng 3.14: Hiệu quả xử lý đồng với các loại nguồn thải và hóa chất khác nhau 59 Bảng 3.15: Hiệu suất xử lý florua bằng các phương pháp khác nhau 60 Bảng 3.16: Hiệu quả của mộ t số biện pháp xử lý thủy ngân 60 Bảng 3.17: Hiệu quả các biện pháp xử lý Niken 61 Bảng 3.18: Hiệu quả quá trình kết tủa kẽm dưới dạng hydroxit 62 Bảng 3.19: Nồng độ kim loại trong nước thải đầu ra của các quá trình xử lý kim loại 63 Bảng 4.1: Các khí độc cần khử và các chất hấo thụ tương ứng 65 Bảng 4.2: Lượng nước lý thuyết tính bằng m 3 cần để hấp thụ 1 tấn SO 2 66 Bảng 4.3: Hoạt tính của các dung dịch kiềm 74 vi CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Chú thích Ag Bạc As Asen Ba Bari BOD Biochemical Oxygen Demand C 10 H 10 Cl 8 Toxaphen C 12 H 8 OCl 6 Endrin C 6 H 6 Benzen C 6 H 6 Cl 6 Lindan Ca Canxi COD Chemical Oxygen Demand Cr Crom DDT Dicloro-Diphenyl-Tricloroetan DO Disolved Oxygen Hg Thủy ngân Me Kim loại PAH Polycyclic Aromatic Hydrocacbon Pb Chì ppb Phần tỷ ppm Phần triệu Q Nhiệt lượng Se Selen THM Trihalometan TN Tổng Nitơ TP Tổng Photpho TSS Tổng chất rắn lơ lửng vii GIỚI THIỆU CHUNG Tài liệu giảng dạy Hóa kỹ thuật môi trường được viết cho sinh viên ngành Kỹ thuật môi trường. Mục đích của tài liêu là cung cấp các kiến thức về thành phần tính chất hóa học của nước thải, khí thải, chất thải rắn và chất thải độc hại, đặc điểm di chuyển của các nguyên tố hóa học trong môi trường tự nhiên cũng như các biện pháp xử lý nước thải, khí thải bằng phương pháp hóa học. Hóa kỹ thuật môi trường là nền tảng giúp sinh viên trang bị kiến thức nền để học tốt các môn chuyên ngành về thiết kế các hệ thống xử lý nước thải ở các học kỳ sau. Trong tài liệu giảng dạy này không đề cập đến các biện pháp xử lý chất thải rắn và chất thải nguy hại để tránh trùng lấp nội dung với môn học Quản lý và x ử lý chất thải rắn. Ngoài những phương pháp hóa học dùng trong xử lý các chất ô nhiễm trong nước và không khí còn có các phương pháp khác như vật lý và sinh học. Các nội dung này sẽ được trình bày trong các môn học khác. 1 CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÍNH CHẤT HÓA HỌC CỦA NƯỚC THẢI VÀ KHÍ THẢI 1 Tổng quan về tính chất hóa học của nước thải 1.1 Sự ô nhiễm nước Nước tự nhiên là nước được hình thành cả số lượng và chất lượng dưới sự ảnh hưởng của 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 nguồn nước. Các khuynh hướng thay đổi chất lượng nước dưới ảnh hưởng các ho ạt động của con người bao gồm: - Giảm độ pH của nước ngọt do ô nhiễm bởi H 2 SO 4 , HNO 3 từ khí quyển, nước thải công nghiệp, tăng hàm lượng SO 3 2- và NO 3 - trong nước. - Tăng hàm lượng các ion Ca, Mg, Si 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 các nhóm anion PO 4 3- , NO 3 - , NO 2 - - Tăng hàm lượng các muối trong nước bề mặt và nước ngầm do chúng đi vào môi trường nước từ nước thải, khí quyển và chất thải rắn - Tăng hàm lượng chất hữu cơ trước hết là các chất khó bị phân hủy sinh học (các chất hoạt động bề mặt, thuốc trừ sâu ) - Giảm nồng độ oxi hòa tan trong nước. Tăng khả năng nguy hiểm củ a ô nhiễm nước tự nhiên do các nguyên tố phóng xạ. Các chỉ tiêu quan trọng cần được xem xét trong cấp nước là pH, độ trong, độ cứng, hàm lượng sắt, mangan và chỉ số ecoli. Các tính chất đặc trưng của nước thải công nghiệp bao gồm pH, hàm lượng chất rắn, nhu cầu oxi sinh hóa BOD, nhu cầu oxi hóa học COD, các dạng nitơ, photpho, dầu mỡ, mùi, màu, các kim loại nặng Việc thải nước thải chỉ qua xử lý bằng phương pháp thông thườ ng đã đẩy nhanh quá trình phú dưỡng do sự phát triển bùng nổ của tảo và các thực vật khác, làm giảm chất lượng nước, cản trở việc sử dụng lại nguồn nước và các hoạt động nghỉ ngơi giải trí. 1.2 Phân loại và các đặc tính của nước thải Thông thường nước thải được phân loại theo nguồn phát sinh. Đây cũng là cơ sở cho việc lựa chọn phương pháp và công nghệ xử lý. Nước thải được phân làm các dạng dưới đây: Nước thải sinh hoạt: nước thải từ các khu dân cư, khu hoạt động thương mại, công sở, trường học và các cơ sở tuơng tự khác. Nước thải công nghiệp (nước thải sản xuất): là nước thải từ các nhà máy đang hoạt động, có cả nước thải sinh hoạt trong đó nhưng nước thải công nghiệp là chủ y ếu. Nước thấm qua: đây là nước mưa thấm vào hệ thống cống bằng nhiều hình thức khác nhau qua các khớp nối, các ống có khuyết tật hoặc thành hố ga hay hố chôn người. 2 Nước thải tự nhiên: nước mưa được xem là nước thải tự nhiên. Ở những thành phố lớn, nước thải tự nhiên được thu gom theo một hệ thống thoát nước riêng. Nước thải đô thị: là tổng hợp tất cả các loại nước thải kể trên Theo quan điểm quản lý môi trường, các nguồn gây ô nhiễm nước còn được phân thành 2 loại: nguồn xác định và nguồn không xác định. Nguồn xác định bao gồm nước thải đô thị và nước thải công nghiệp, các cửa xả nước mưa và tất cả các nguồn thải vào nguồn tiếp nhận nước có tổ chức qua hệ thống cống và kênh thải. Các nguồn thải không xác định bao gồm nước rửa trôi trên bề mặt đất, nước mưa và các nguồn phân tán khác. Sự phân loại này được sử dụng trong điề u chỉnh, kiểm soát ô nhiễm. Các nguồn xác định thường có thể định lượng và kiểm soát trước khi thải, ngược lại các nguồn không xác định thường rất khó quản lý. Nguồn ô nhiễm không xác định thường gây ra các vấn đề sau: - Xói mòn đất và vận chuyển sa lắng dẫn đến hậu quả là thay đổi chỗ ở và gây ảnh hưởng xấu đến các loài thủy sinh vật, lắp đầy các dòng sông, hồ chứa, gây khó khă n, tăng chi phí cho việc xử lý nước và giảm chất lượng nước cho mục đích sử dụng. - Các chất dinh dưỡng như nitơ, photpho giải phóng từ phân bón, chất thải động vật kích thích sự phát triển của thực vật và vi khuẩn trong nước dẫn đến hiện tượng phú dưỡng. - Tích tụ các kim loại nặng như kẽm, đồng, thủy ngân từ các chất được sử dụ ng trong bảo vệ thực vật, sơn, hàn chì và nhiều quá trình khác. - Các hóa chất độc hại: chủ yếu là thuốc bảo vệ thực vật - Ngoài ra, nước chảy trôi trên bề mặt đất qua các khu vực chăn nuôi gia súc có thể chứa lượng lớn chất thải động vật sẽ làm tăng nồng độ các chất hữu cơ và chất rắn lơ lửng, gây ô nhiễm môi trường nước. 3 1.3 Một số các thông số hóa học quan trọng của nước thải Bảng 1.1: Thành phần hóa học đặc trưng của nước thải và nguồn phát sinh Thành phần hóa học Nguồn phát sinh Hữu cơ Cacbohydrat Các chất thải sinh hoạt, thương mại và sản xuất Mỡ, dầu, dầu nhờn Các chất thải sinh hoạt, thương mại và sản xuất Thuốc trừ sâu Chất thải nông nghiệp Phenol Chất thải nông nghiệp Protein Các chất thải sinh hoạt và thương mại Các chất hoạt động bề mặt Các chất thải sinh hoạt và sản xuất Các chất khác Phân rã tự nhiên của cac chất hữu cơ Vô cơ Độ kiềm Nước thải sinh hoạt, nước cấp sinh hoạt, quá trình thấm của nước ngầm Clorua Nước thải sinh hoạt, nước cấp sinh hoạt, quá trình thấm của nước ngầm, các chất làm mềm nước Các kim loại nặng Chất thải công nghiệp Nitơ Nước thải sinh hoạt và công nghiệp pH Nước thải công nghiệp Photpho Nước thải sinh hoạt và công nghiệp Lưu huỳnh Nước th ải sinh hoạt, nước cấp sinh hoạt và công nghiệp Các chất độc Các chất thải công nghiệp Các khí: H 2 S, CH 4 , O 2 Phân hủy các chất thải sinh hoạt, sự thấm của nước bề mặt