Mục Lục 1 Khái niệm chung 3 1 1 Khái niệm về hợp chất hữu cơ 3 1 2 Nguồn gốc ô nhiễm chất hữu cơ trong nước 3 2 Các phương pháp xử lý chất hữu cơ trong nước 5 2 1 Keo tụ 5 2 2 Hấp phụ 7 2 3 Phương phá[.]
Mục Lục Khái niệm chung 1.1 Khái niệm hợp chất hữu .3 1.2 Nguồn gốc ô nhiễm chất hữu nước Các phương pháp xử lý chất hữu nước 2.1 Keo tụ 2.2 Hấp phụ 2.3 Phương pháp oxy hóa 2.4 Công nghệ lọc màng 10 2.5 Phương pháp sinh học 11 Các yêu cầu chung .12 Danh mục hình vẽ Hình 1:Sơ đồ vận chuyển chất nước qua màng lọc 10 Khái niệm chung 1.1 Khái niệm hợp chất hữu Theo wikipedia, hợp chất hữu (organic compound) lớp lớn hợp chất hóa học mà phân tử chúng có chứa cacbon (trừ CO, CO muối cacbonat, xianua, cacbua, … hợp chất hữu cơ) Các hợp chất hữu có nguồn gốc từ tự nhiên từ phản ứng nhân tạo Phần lớn hợp chất hữu tinh khiết sản xuất nhân tạo; nhiên, thuật ngữ “hữu cơ” sử dụng để miêu tả sản phẩm sản xuất mà khơng có hóa chất nhân tạo Sự phân chia hợp chất hữu hợp chất vô mang tính tùy ý có ngun nhân lịch sử; nhiên, nói chung hợp chất hữu định nghĩa hợp chất có liên kết cacbon-hiđrô, hợp chất vô hợp chất cịn lại Vì axít cacbonic coi hợp chất vơ cơ, axít formic hợp chất hữu cơ, người ta gọi “axít cacbonous” anhydrit nó, cacbon mơnơxít, chất vơ 1.2 Nguồn gốc nhiễm chất hữu nước a Nguyên nhân ô nhiễm từ tự nhiên Nguyên nhân nguồn nước ô nhiễm chất hữu tượng thời tiết mưa, lũ lụt, gió bão,… hoạt động sống sinh vật sống xác chết cối, sinh vật,… chúng chết phân hủy tạo thành chất hữu Một phần ngấm vào lòng đất vào nước ngầm, phần vào nước mặt b Nguyên nhân ô nhiễm từ nhân tạo Từ sinh hoạt Nước thải, rác thải sinh hoạt phát sinh từ hộ gia đình, bệnh viện, khách sạn, quan, trường học,… không xử lý xử lý chưa đạt xả môi trường, ngấm vào nguồn nước ngầm chảy vào nguồn nước mặt Thành phần nước thải sinh hoạt chất hữu dễ bị phân hủy sinh học (cacbohydrat, protein, dầu mỡ), chất dinh dưỡng (photpho, nitơ), chất rắn vi trùng… Từ chất thải công nghiệp Nước thải, rác thải từ sở sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp, giao thông vận tải… nguyên nhân khiến nguồn nước ô nhiễm chất hữu Khác với nước thải sinh hoạt hay nước thải đô thị, nước thải cơng nghiệp khơng có thành phần giống mà phụ thuộc vào ngành sản xuất cơng nghiệp cụ thể Ví dụ: nước thải xí nghiệp chế biến thực phẩm thường chứa lượng lớn chất hữu cơ; nước thải xí nghiệp giầy da ngồi chất hữu cịn có kim loại nặng, sulfua,… Ngồi nguồn gây nhiễm cịn có nguồn gây nhiễm khác từ y tế hay từ hoạt động sản xuất nông, lâm, ngư nghiệp người 1.3 Tác hại sử dụng nước nhiễm chất hữu Tình trạng nguồn nước nhiễm chất hữu phổ biến nước ta, nguồn nước ô nhiễm chất hữu nhận biết phương pháp thông thường Thường để đánh giá mức độ ô nhiễm tạp chất hữu nước sinh hoạt người ta sử dụng số pecmanganat (phương pháp xác định nhu cầu oxy hóa học) nước sinh hoạt Các số chất hữu vượt ngưỡng theo QCVN 01-1:2018/BYT dấu hiệu cho thấy nước bị ô nhiễm chất hữu Nếu sử dụng nguồn nước sinh hoạt nhiễm chất hữu ảnh hưởng lớn đến sức khỏe người như: Các chất hữu tương tác với Clo tạo chất gây ung thư, tương tác với oxy tạo chất độc Nitrit, chất vào thể người gây tượng thiếu oxy máu (methemoglobin), đặc biệt trẻ em nhiễm chất độc thường xanh xao dễ bị đe dọa đến tính mạng, đặc biệt trẻ tháng tuổi, Nitrit kết hợp với axit amin thể tạo thành chất nitrosamine gây ung thư, hàm lượng nitrosamin cao khiến thể không kịp đào thải, tích lũy lâu ngày gan gây tượng nhiễm độc, ung thư gan Nguồn nước có số Pecmanganat cao nhanh chóng tạo rêu, tảo bể chứa, môi trường thuận lợi cho vi sinh vật độc hại phát triển nước Các phương pháp xử lý chất hữu nước 2.1 Keo tụ Keo tụ trình sử dụng rộng rãi xử lý nước, làm ổn định hạt keo tích điện cách thêm hóa chất keo tụ vào nước, tạo cặn cuối loại bỏ chất gây ô nhiễm Chất hữu cao phân tử có độ hịa tan thấp loại bỏ dễ dàng quy trình xử lý nước thơng thường, chất hữu có khối lượng phân tử nhỏ lại khó loại bỏ hơn, chủ yếu chất có tính hút nước tốt khó bị hấp thụ chất keo tụ Tuy nhiên, điều kiện đông tụ cải thiện, tức là, mức độ pH thấp liều lượng cao chất đơng tụ, thay đổi chất thủy phân chất đông tụ dạng hydroxit kim loại, điện tích dương mật độ dịch thủy phân tăng lên Cải tiến điều kiện đông tụ cách hiệu khả thi để nâng cao tỷ lệ loại bỏ chất hữu biết 'đông máu tăng cường' (Wassink cộng sự).Trong trường hợp phân đợt xây dựng, ngăn phân phối nước phải tính tốn thiết kế cho giai đoạn hồn thiện Keo tụ phương pháp áp dụng rộng rãi trình xử lý nước Trong trình lắng học tách hạt chất rắn huyền phù có kích thước lớn (δ > 1.10-2), cịn hạt nhỏ dạng keo lắng Ta tăng kích cỡ hạt nhờ tác dụng tương hỗ hạt phân tán liên kết vào tập hợp hạt để lắng Muốn vậy, trước hết cần trung hồ điện tích chúng, thứ đến liên kết chúng lại với Xử lý nước phương pháp keo tụ cho vào nước loại hoá chất gọi chất keo tụ đủ làm cho hạt nhỏ biến thành hạt lớn lắng xuống Thông thường phương pháp keo tụ tạo xảy qua hai giai đoạn: - Quá trình thủy phân hạt keo, hình thành dung dịch keo - Quá trình trung hoà hấp phụ chọn lọc tạp chất nước lên bề mặt hạt keo Kết trình hình thành bơng cặn có khả lắng xuống Những hạt rắn lơ lửng mang điện tích âm nước (keo sét, protein …) hút ion dương tạo hai lớp điện tích dương bên bên Lớp ion dương bên liên kết lỏng lẻo nên dễ dàng bị trợt Như điện tích âm hạt bị giảm xuống Thế điện động hay zeta bị giảm xuống, tức giảm hàng rào lượng đến giá trị giới hạn, cho hạt rắn không đẩy lẫn cách cho thêm vào ion có điện tích dương để phá vỡ ổn định trạng thái keo hạt nhờ trung hoà điện tích Khả dính kết tạo bơng keo tụ tăng lên điện tích hạt giảm xuống keo tụ tốt điện tích hạt khơng Chính lực tác dụng lẫn hạt mang điện tích khác giữ vai trị chủ yếu keo tụ Lực hút phân tử tăng nhanh giảm khoảng cách hạt tạo nên chuyển động khác tạo trình khuấy trộn Cơ chế trình xử lý nước thải phương pháp keo tụ tạo làm ổn định dung dịch keo có nước biện pháp: - Nén lớp điện tích kép hình thành pha rắn lỏng: giảm điện bề mặt hấp phụ trung hồ điện tích - Hình thành cầu nối hạt keo - Hấp phụ hạt keo vào cặn Để thực phương pháp keo tụ tạo bông, người ta cho vào nước chất phản ứng thích hợp như: phèn nhơm Al2(SO4)3, phèn sắt FeSO4 koặc FeCl3 Các loại phèn đưa vào nước dạng dung dịch hịa tan Q trình keo tụ phụ thuộc vào hai chế trung hồ điện tích hấp phụ tạo cầu nối Vì yếu tố ảnh hưởng đến hai trình gây ảnh hưởng đến trình keo tụ tạo Các yếu tố ảnh hưởng đến trình keo tụ bao gồm: - Độ pH nước - Nhiệt độ nước - Liều lượng chất keo tụ chất trợ keo - Tạp chất nước - Tốc độ khuấy trộn Bản chất trình keo tụ sư dụng hạt keo trái dấu để hút hạt trái dấu có nước tạo thành bơng cặn lớn có khả nặng lắng xuống để loại bỏ cơng trình lắng phía sau Q trình keo tụ khơng có tác dụng loại bỏ hợp chất hữu dạng hòa tan, nên trường hợp chất hữu chủ yếu dạng hịa tan khơng áp dụng phương pháp keo tụ 2.2 Hấp phụ Thuật ngữ hấp phụ dùng để q trình mà vật liệu tập trung bề mặt rắn môi trường chất lỏng mơi trường khí Những vật liệu hấp phụ mà ta thường dùng: - Than hoạt tính: diện tích tiếp xúc với bề mặt nước thải lớn - Nhơm hoạt tính: thường sử dụng để hấp phụ ẩm hoạt động nhiệt độ cao - Silica gel: thường sử dụng để xử lý axit, dạng hạt xốp - Alumin silicat: ứng dụng chủ yếu lúc q trình tách Trong loại than hoạt tính sử dụng phổ biến rộng rãi giá thành rẻ mà khả xử lý nước lại đạt hiệu cao Trong than hoạt tính bao gồm nhiều lỗ li ti có kích thước nhỏ diện tích bề mặt lại lớn nên hấp thụ nhiều tạp chất bị ô nhiễm Cấu trúc lỗ rỗng than hoạt tính: - Đường kính với số từ 10 – 10.000 A - Lỗ rỗng lớn có đường kính > 1.000 A - Lỗ rỗng nhỏ có đường kính > A (vi lỗ) - Diện tích ngồi bề mặt than hoạt tính từ 500 – 1.500 m2/g cacbon Cơ chế hoạt động xử lý nước thải phương pháp hấp phụ Hấp phụ phải chịu tác dụng gồm lực sau: - Lực loại chất tan chất lỏng - Lực loại chất tan vật liệu hấp phụ Khi lực hấp dẫn bề mặt chất cacbon lại cao lực hút chất lỏng lúc q trình hấp phụ diễn Và q trình hấp phụ có hai thành phần sau đây: - Vật liệu hấp phụ: xảy chất rắn chất lỏng - Chất bị hấp phụ: chất khí, chất lỏng chất tan hấp phụ bề mặt Khi xử lý nước phương pháp hấp phụ gồm có giai đoạn: - Giai đoạn 1: vận chuyển chất bị hấp phụ đến cạnh bề mặt chất hấp phụ - Giai đoạn 2: chất hữu bị hấp phụ - Giai đoạn 3: lúc tiến hành chuyển chất hữu vào phía bên vật liệu hấp phụ (than hoạt tính, tro, xỉ, chất tổng hợp,…) Các yếu tố ảnh hưởng đến trình hấp phụ: - Khi diện tích bề mặt tiếp xúc lớn lúc hiệu hấp phụ cao - Những vật liệu hấp phụ bao gồm hạt có kích thước nhỏ để hạn chế việc chất bị hấp phụ xâm nhập vào bên vật liệu hấp phụ - Thời gian bạn tiếp xúc lâu hiệu cao - Cịn q trình lọc nước than hoạt tính lọc lượng nước khoảng định lượng nước nhiều làm ảnh hưởng đến hiệu việc xử lý lúc than khơng cịn khả hấp thụ - Các phân tử ion chất bị hấp phụ thường có mức độ ion hóa nhỏ phân tử trung tính - Những chất ưa nước hấp phụ chậm chất mà kỵ nước 2.3 Phương pháp oxy hóa Trong năm qua, chất oxy hóa hóa học áp dụng rộng rãi cho trình xử lý nước Ở Việt Nam, năm qua, oxy hóa chất hữu có nước nguồn xử lý nước cấp phương pháp sử dụng rộng rãi hầu hết nhà máy nước có hàm lượng chất hữu nước nguồn cao Việc áp dụng clo để oxy hóa hợp chất hữu nước có ưu điểm đơn giản, chi phí thấp cho hiệu tương đối cao Trên giới, clo sử dụng rộng rãi có mối quan tâm hình thành hợp chất sản phẩm phụ Trihalometan (THM) gây ung thư, nhà khoa học tiến hành nghiên cứu phương pháp oxy hóa khác để loại bỏ chất hữu nước Một số chất oxy hóa khác sử dụng từ đó; ví dụ: ozon (O 3) nghiên cứu áp dụng rộng rãi khả loại bỏ vị, mùi, màu số hợp chất khống nước Nó sử dụng để phân hủy chất hữu khử trùng Từ kết nhiều nghiên cứu, thấy O thúc đẩy trình oxy hóa mạnh oxy hóa số thành phần chất hữu trực tiếp Ngoài ra, O phản ứng với nước để tạo gốc OH, chất oxy hóa mạnh phản ứng dễ dàng với chất hữu nước Q trình oxy hóa O3 có hiệu giảm hình thành THM Để giảm ảnh hưởng khơng ổn định q trình oxy hóa O nước uống hệ thống cấp nước, năm gần đây, nhiều học giả tiến hành nhiều nghiên cứu cải tiến quy trình xử lý nước uống Các q trình oxy hóa nâng cao (AOPs), chất oxy hóa tùy chọn, phản ứng nhanh chất ô nhiễm chọn lọc nhỏ, nhận quan tâm rộng rãi năm gần Q trình oxy hóa O3 tạo lượng nhỏ OH xử lý nước, kết hợp với AOP khác tạo nhiều OH Các phương pháp chủ yếu bao gồm ozon hóa xúc tác, O3 kết hợp UV, O3 kết hợp UV chân không Mỗi phản ứng có ưu nhược điểm đóng vai trị quan trọng q trình xử lý nước (Matilainen & Sillanpää, 2010) Trong số phương pháp AOP, kết hợp O xạ tia cực tím (O3 / UV) tạo số lượng gốc hydroxyl tối đa O3 / UV loại bỏ hiệu hợp chất hữu tổng hợp nước nghiên cứu trình sử dụng để loại bỏ chất hữu nước báo cáo năm gần (Zhang, Zhao, Zhang, & Peng, 2015) nhận thấy kết hợp O / UV cho hiệu so với dùng O UV O3 / UV khống hóa tới 50% TOC nước với liều lượng O 0,62 ± 0,019 mg O3 / ml cường độ tia cực tím 1,61 Ws / cm2, có khả giảm THM khả hình thành axit haloacetic tương ứng khoảng 80% 70% 2.4 Công nghệ lọc màng Cơng nghệ màng, quy trình độc lập phương pháp thay nâng cao phương pháp xử lý thông thường, sử dụng để xử lý nước uống Màng lọc có khả sử dụng để loại bỏ chất hữu chất gây ô nhiễm bao gồm loại màng: vi lọc (MF), siêu lọc (UF), lọc nano (NF) thẩm thấu ngược (RO) Màng MF UF áp suất vận hành thấp áp dụng để loại bỏ hạt vi khuẩn, NF RO loại bỏ hầu hết tất phân tử hữu nhỏ muối Do đó, màng để loại bỏ gần tất hạt lớn kích thước lỗ chân lơng Do hiệu ứng loại trừ kích thước màng, đại phân tử chưa tích điện bị loại bỏ trước dễ dàng Hiệu loại bỏ phụ thuộc vào phân bố kích thước lỗ màng, kích thước, hình dạng phân bố kích thước phân tử chất hữu Màng không loại bỏ hạt có kích thước lớn mà cịn có khả loại bỏ chất tan Nước ion hóa trị I Ion hóa trị cao Virus Vi khuẩn Chất lơ lửng Vi lọc (MF) Nước ion hóa trị I Ion hóa trị cao Virus Vi khuẩn Chất lơ lửng Siêu lọc (MF) Nước ion hóa trị I Ion hóa trị cao Virus Vi khuẩn Chất lơ lửng Lọc nano (NF) Nước ion hóa trị I Ion hóa trị cao Virus Vi khuẩn Chất lơ lửng Thẩm thấu ngược (RO) Hình 1:Sơ đồ vận chuyển chất nước qua màng lọc Trong trường hợp tồn lực đẩy tĩnh điện màng chất hòa tan, loại bỏ cao Khi lực đẩy tĩnh điện sử dụng, loại bỏ bị ảnh hưởng hiệu ứng hóa lý, bao gồm hiệu ứng cation hóa trị hai, pH lực đẩy ion Các đặc tính chất hữu cơ, bao gồm khối lượng phân tử, điện tích, tính kỵ nước cấu trúc phân tử, ảnh hưởng đến khả loại bỏ chất hữu màng Trở ngại việc ứng dụng màng để xử lý nước uống vấn đề tắc màng Công nghệ xử lý chất hữu màng lọc có ưu điểm: - Có thể áp dụng nước có hàm lượng chất hưu cao; - Diện tích u cầu nhỏ; - Khơng tạo sản phẩm phụ khơng có phản ứng hóa học với chất hữu cơ; - Có thể đáp ứng với chất lượng nước đầu vào không ổn định Tuy nhiên, việc ứng dụng công nghệ lọc màng để loại bỏ chất hữu gặp nhiều trở ngại số nhược điểm sau: - Chi phí đầu tư ban đầu thường lớn; - Việc quàn lý vận hành phức tạp hơn, yêu cầu người vận hành có kỹ năng; - Làm việc áp suất cao nên tiêu thụ lượng lớn, yêu cầu thiết bị kèm phải có khả chịu áp suất cao, đặc biệt với màng lọc NF RO; - Việc rửa màng, đặc biệt rửa màng xử lý chất hữu cần sử dụng hóa chất, chất hữu bám ăn sâu vào lỗ rỗng màng, khó loại bỏ phương pháp rửa học, phải dùng phương pháp rửa hóa học 2.5 Phương pháp sinh học Phương pháp sinh học phương pháp quan trọng sử dụng rộng rãi xử lý chất hữu nước thải Tuy nhiên, xử lý nước cấp, việc áp dụng phương pháp xử lý sinh học chưa áp dụng nhiều Công nghệ xử lý sinh học loại bỏ chất hữu nước thông qua hoạt động trao đổi chất vi sinh vật Vì hàm lượng chất hữu nước cấp thấp so với nước thải, nên phương pháp xử lý sinh học chủ yếu xử lý nước cấp lọc sinh học với giá thể di động cố định, không dùng phương pháp bùn hoạt tính lơ lửng xử lý nước thải Hiệu suất lọc sinh học bị ảnh hưởng yếu tố chất lượng nước (ví dụ, nồng độ đặc điểm chất hữu cơ, pH độ đục), nhiệt độ, lưu lượng, thời gian lưu nước So với phương phá xử lý chất hữu nêu trên, phương pháp sinh học có ưu điểm sau: - Khơng sử dụng hóa chất; - Không sinh sản phẩm phụ gây tác hại sức khỏe người môi trường; - Giá thành xây dựng vận hành rẻ; Tuy nhiên, phương pháp xử lý sinh học có nhược điểm như: - Khơng có khả thích ứng với thay đổi lớn chất lượng nước đầu vào; - Phụ thuộc vào điều kiện môi trường nhiệt độ; - Thường yêu cầu diện tích lớn; Cần thời gian để đưa hệ thống vào hoạt động sau xây dựng cần thời gian lâu để khôi phục gặp cố 3 Các yêu cầu chung Việc lựa chọn phương pháp xử lý chất hữu dây chuyền công nghệ xử lý nước cấp phải dựa yếu tố công suất, chất lượng nước đầu vào, yêu cầu chất lượng nước đầu ra, diện tích trạm xử lý Việc áp dụng biện pháp xử lý chất hữu nước cấp cần tính đến yếu tố kinh tế, tiết kiệm lượng Công đoạn xử lý chất hữu nước phải đảm bảo không tạo sản phẩm phụ độc hại hàm lượng sản phẩm phụ tạo phải nằm giới hạn cho phép tùy vào mục đích sử dụng Phải có tối thiểu modun để hoạt động liên tục trường hợp modun có cố cần dừng để sửa chữa thay Trong trường hợp công đoạn xử lý chất hữu bố trí sau dây chuyền cơng nghệ xử lý nước hàm lượng chất hữu sau bể xử lý phải đảm bảo nằm giới hạn cho phép QCVN 01- 1: 2018/BYT nước cấp cho sinh hoạt, đáp ứng tiêu chuẩn, quy chuẩn khác tùy theo mục đích sử dụng Các hóa chất dùng để khử hợp chất hữu phải tuyệt đối an toàn sức khỏe người Các sản phẩm phụ sinh từ trình loại bỏ chất hữu phải thu gom xử lý hợp vệ sinh, tuyệt đối không xả môi trường xung quanh Tài liệu tham khảo QCVN 01-1:2018/BYT: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia chất lượng nước sử dụng cho mục đích sinh hoạt QCVN 07-01:2016/BXD: Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia - Các cơng trình hạ tầng kỹ thuật Cơng trình cấp nước TCXDVN33:2006: Cấp nước - Mạng lưới đường ống cơng trình - Tiêu chuẩn thiết kế https://vi.wikipedia.org Matilainen, A., & Sillanpää, M (2010) Removal of natural organic matter from drinking water by advanced oxidation processes Chemosphere, 80(4), 351–365 https://doi.org/10.1016/j.chemosphere.2010.04.067 Zhang, Y., Zhao, X., Zhang, X., & Peng, S (2015) A review of different drinking water treatments for natural organic matter removal Water Science and Technology: Water Supply, 15(3), 442–455 https://doi.org/10.2166/ws.2015.011