Nghiên ứu áp dụng phương pháp hấp phụ và điện keo tụ để xử lý nước nhiễm bẩn

Trang 20 PhÈng phÌp nẾy dỳa tràn cÈ sỡ sữ dừng hoỈt Ẽờng cũa vi sinh vật Ẽể phẪn huỹ cÌc chất hứu cÈ gẪy nhiễm bẩn trong nợc thải.. Trang 21 Ặu Ẽiểm cũa cÌc phÈng phÌp nẾy lẾ việc xữ

luận văn thạc sĩ khoa học

nghiên cứu áp dụng phơng pháp hấp phụ

và điện keo tụ để xử lý nớc nhiễm bẩn

nghành: hoá lý thuyết và hoá lý

Xin chân thành cảm ơn sự ủng hộ và giúp đỡ về mọi mặt của các thầy, các cô khoa Công nghệ Hoá học, đặc biệt tổ bộ môn Hoá lý và trung tâm Đào tạo và Bồi dỡng Sau đại học trờng Đại học Bách khoa Hà nội đã tạo điều kiện cho tôi hoàn thành nhiệm vụ trong học tập và làm luận án

Xin chân thành cảm ơn các thầy giáo, các cô giáo và toàn thể các bạn

bè đồng nghiệp đã giúp đỡ, động viên và tạo điều kiện cho tôi hoàn thành luận án này

Hà Nội ngày 25 tháng 10 năm 2005

Học viên

Tô Thị Chuyên

Mục lục

Trang Lời cảm ơn 1

Mục lục 2

Danh mục các bảng 3

Danh mục các hình vẽ, đồ thị 4

Mở đầu 5

Tổng quan Chơng 1: Tổng quan tài liệu 6

1.1.Nớc và nớc thải 6

1.2.Các phơng pháp xử lý nớc thải 17

Thực nghiệm và kết quả chơng 2:Các phơng pháp thực nghiệm 42

2.1.Các phơng pháp kiểm tra chất lợng nớc 42

2.2.Các phơng pháp làm sạch nớc 48

chơng 3:Kết quả và thảo luận 60

3.1 Kết quả kiểm tra chất lợng nớc 60

3.2.Kết quả xử lý nớc thải bằng phơng pháp điện keo tụ 62

3.3.Kết quả xử lý nớc thải bằng phơng pháp hấp phụ sử dụng khoáng Diatomit đã biến tính 69

3.4.Kết quả xử lý nớc bằng phơng pháp hấp phụ sử dụng than hoạt tính 82

Kết luận 91

Tài liệu tham khảo 92

Danh mục CáC BảNG

Số

2.2 Giá trị mật độ quang đo đợc từ dung dịch màu chuẩn Bicromat

2.4 Mối liên hệ mật độ quang và nồng độ Niken trong dung dịch chuẩn 57 2.5 Mối liên hệ mật độ quang và nồng độ Mangan trong dung dịch

3.3 Tiêu chuẩn chất lợng nớc cấp cho sinh hoạt và đô thị công

3.8 ảnh hởng thời gian hấp phụ đến độ hấp phụ của khoángDa5(HCl) 72 3.9 ảnh hởng thời gian hấp phụ đến độ hấp phụ của khoáng

Da5(H2O)

72

3.10 ảnh hởng nhiệt độ nung tới độ hấp phụ của khoáng Da5(HCl) 74 3.11 ảnh hởng nhiệt độ nung đến độ hấp phụ của khoáng Da5(H2O) 74 3.12 Độ hấp phụ của khoáng ở các nồng độ H2C2O4 khác nhau 77

3.16 Sự thay đổi độ hấp phụ Niken theo thời gian xử lý than bằng HNO3 83 3.17 Sự phụ thuộc độ hấp phụ Niken than Ht1 theo thời gian hấp phụ 85 3.18 Sự phụ thuộc độ hấp phụ Niken than Ht6 theo thời gian hấp phụ 85 3.19 Độ hấp phụ của than ở các nồng độ H2C2O4 khác nhau 87

Danh mục các hình vẽ đồ thị

Số

hình

3.3 ảnh hởng của nồng độ muối NaCl đến hiệu quả xử lý∆TOC 65

3.9 ảnh hởng của thời gian hấp phụ đến độ hấp phụ của khoáng 73

3.11 Sự phụ thuộc độ hấp phụ của khoáng vào nồng độ H2C2O4 78

3.14 Sự phụ thuộc độ hấp phụ của than vào thời gian xử lý bằng

Mở đầu

Nớc là tài nguyên thiên nhiên quý giá, là yếu tố không thể thiếu đợc cho mọi hoạt động sống trên Trái Đất Nớc tham gia vào thành phần cấu trúc sinh quyển và điều hoà yếu tố khí hậu, đất đai và sinh vật thông qua chu trình vận động của nó Nớc còn chứa đựng những tiềm năng khác đáp ứng nhu cầu

đa dạng của con ngời

Hiện nay, nớc ta tuy là xứ sở nhiệt đới, ma gió tơng đối thuận hoà, nhng các nguồn nớc thiên nhiên ngày càng cạn kiệt vì nhiều lý do khác nhau Quá trình đô thị hoá và nông nghiệp thâm canh ngày càng phát triển thì vấn đề ô nhiễm nguồn nớc mặt, nớc ngầm ở nớc ta ngày càng trở lên nghiêm trọng, ảnh hởng trực tiếp đến đời sống và sức khoẻ con ngời Sự ô nhiễm nớc không chỉ đơn thuần là ô nhiễm do vi sinh vật và các chất hữu cơ

dễ phân huỷ mà còn do nhiều loại chất hữu cơ khác, chất vô cơ độc hại, các sản phẩm dầu, chất tẩy rửa, chất phóng xạ Đó là những chất độc hại, gây huy hiểm đối với sức khoẻ con ngời và sinh vật Do đó việc cung cấp nớc cho sinh hoạt, cho công nghiệp, nông nghiệp và ngành kinh tế quốc dân khác càng trở lên khó khăn phức tạp

ở nớc ta, trớc nhu cầu rất lớn về nớc sinh hoạt cho con ngời, đặc biệt

là những khu dân c xa thành phố chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu xử lý nớc

bị ô nhiễm, nớc thải bằng phơng pháp điện keo tụ và phơng pháp hấp phụ

Nội dung nghiên cứu bao gồm:

- Xây dựng các phơng pháp xác định các chỉ tiêu chất lợng nớc

- Xây dựng mô hình thực nghiệm xử lý nớc thải bằng phơng pháp

điện keo tụ và phơng pháp hấp phụ

- Nghiên cứu phơng pháp hoạt hoá và than hoạt tính sử dụng làm chất hấp phụ

- Nghiên cứu các yếu tố ảnh hởng đến quá trình điện keo tụ, hấp phụ

Phân tử nớc là một phân tử có độ phân cực mạnh với mômen lỡng cực :

à = 1,870 O

H H

Do tính phân cực mạnh của nớc nên nó là dung môi tốt để hoà tan nhiều chất Chính vì vậy nớc dễ bị nhiễm bẩn các chất vô cơ, vi sinh vật, gây

ảnh hởng xấu đến vấn đề sử dụng nớc cho sinh hoạt và sản xuất

Sự ô nhiễm nớc là sự có mặt của một hay nhiều chất lạ trong môi trờng nớc dù chất đó có hại hay không Khi vợt quá ngỡng chịu đựng của cơ thể sinh vật thì chất đó trở lên độc hại

Nguồn gốc gây ô nhiễm nớc có thể tự nhiên hoặc nhân tạo

- Sự ô nhiễm có nguồn gốc tự nhiên là do ma, tuyết tan Nớc ma rơi xuống kéo theo các chất bẩn xuống sông hồ, hoặc các sản phẩm của sự hoạt

động phát triển của vi sinh vật, sinh vật kể cả xác chết của chúng

- Sự ô nhiễm nhân tạo: chủ yếu do xả nớc sinh hoạt, công nhiệp, giao thông vận tải, thuốc trừ sâu diệt cỏ

ở nớc ta tình trạng ô nhiễm nớc ngày càng trở lên nghiêm trọng và

có nguy cơ gia tăng Do đó cần đặt ra vấn đề quản lý nớc bề mặt, kiểm tra các thành phần hoá học, kết hợp với các biện pháp công nghệ xử lý nớc thải trớc khi thải ra môi trờng

1.1.2- Phân loại nớc ô nhiễm và nớc thải:

Nớc tự nhiên là nớc đợc hình thành cả số lợng và chất lợng dới

ảnh hởng của các quá trình tự nhiên, không có tác động của nhân sinh

Nớc thải là chất lỏng đợc thải ra sau quá trình sử dụng của con ngời

và đã bị thay đổi tính chất ban đầu của chúng Thông thờng ngời ta phân loại nớc thải theo nguồn gốc phát sinh ra chúng bao gồm[24]:

- Nớc thải sinh hoạt

- Nớc thải công nghiệp (nớc thải sản xuất)

- Nớc thải tự nhiên

- Nớc thải đô thị: là thuật ngữ chung chỉ chất lỏng trong hệ thống cống thoát của một thành phố Đó là hỗn hợp các loại nớc thải đổ vào môi trờng

Lợng nớc thải sinh hoạt phụ thuộc vào mức sống của ngời dân Nớc thải sinh hoạt chứa nhiều tạp chất khác nhau trong đó khoảng 52% là chất hữu cơ; 48% là chất vô cơ và các vi sinh vật Các vi sinh vật của nớc thải thờng ở dạng virut và vi khuẩn gây bệnh nh: tả, thơng hàn đồng thời cũng chứa các vi khuẩn không có hại, có tác dụng phân huỷ các chất thải

Nớc thải sinh hoạt có thành phần với các giá trị điển hình nh sau[24]: COD = 500mg/l; BOD5 = 250mg/l;

Nitơ (NH3) và Nitơ hữu cơ = 40mg/l; pH = 6,8; TS = 750mg/l

Nh vậy nớc thải sinh hoạt có các chất dinh dỡng khá cao, một phần các chất hữu cơ không thể bị phân huỷ hết bằng vi sinh vật đôi khi vợt cả yêu

cầu cho quá trình xử lý sinh học

Do ngành công nghiệp ngày càng phát triển kéo theo lợng nớc thải công nghiệp cũng tăng lên mạnh Hàng năm, lợng nớc thải từ nhà máy thải trực tiếp vào hệ thống sông ngòi là rất lớn, hầu hết cha qua xử lý hoặc xử lý sơ bộ trớc khi thải ra môi trờng Theo thống kê, lợng nớc thải trung bình của các khu công nghiệp ở nớc ta nh sau [36]:

Bảng 1.1: Lợng nớc thải của các khu công nghiệp

STT Khu công nghiệp Lợng nớc thải (m 3 /ngày)

1.1.3- Các thông số đánh giá chất lợng nớc:

Nớc thải là một hệ dị thể phức tạp nên việc nghiên cứu về nớc và nớc thải, nớc bị ô nhiễm cần đợc xem xét toàn diện cả thành phần lẫn tính chất cũng nh sự biến đổi đặc tính lý hoá sinh học của nớc do các loại tạp - chất có trong nớc gây ra ở các nớc trên thế giới cũng nh ở nớc ta đã sử

dụng các chỉ tiêu về chất lợng nớc bao gồm các chỉ tiêu vật lý, chỉ tiêu hoá học và chỉ tiêu vi sinh của nớc Sau đây là một số chỉ tiêu cơ bản[35]

-

Nớc tự nhiên thờng bị vẩn đục do những hạt keo lơ lửng Các hạt lơ lửng có thể là đất sét, mùn, vi sinh vật Độ đục làm giảm cờng độ ánh sáng chiếu qua và khả năng sử dụng nớc Dựa trên nguyên tắc đó, ngời ta xác

định độ đục của nớc Theo tiêu chuẩn Việt Nam độ đục đợc xác định bằng chiều sâu lớp nớc thấy đợc gọi là độ trong Tại độ sâu đó ngời ta có thể

đọc đợc hàng chữ tiêu chuẩn Đối với nớc sinh hoạt thì độ đục phải lớn hơn 30cm.Đơn vị độ đục theo thang đục silic và thang đo độ đục theo chiều cao lớp nớc thấy đợc thể hiện ở bảng 1.2

Bảng 1.2: Đơn vị độ đục theo thang đục silic và theo chiều cao lớp nớc

Thang đo theo

chiều sâu lớp nớc

(cm)

Độ đục theo thang đục silic (mg/l)

là do sự hấp thụ chọn lọc các bớc sóng nhất định của ánh sáng mặt trời

Quá trình phân huỷ của các chất hữu cơ sẽ làm xuất hiện axit humic hoà tan và nớc có màu vàng bẩn Nhiều loại nớc thải của các nhà máy,

công xởng có màu sắc khác nhau Nớc thải sinh hoạt và nớc thải công nghiệp thờng tạo ra màu xám hoặc đen cho nguồn nớc Theo tiêu chuẩn Việt Nam màu của nớc sạch phải dới 10 độ coban (theo thang màu chuẩn Co)[24]

ta đa ra những khái niệm sau:

+ Tổng hàm lợng cặn lơ lửng TSS (Total Suspended Slid) đơn vị là mg/l + Cặn lơ lửng SS (Suspended Solid) đơn vị là mg/l

+ Chất rắn hoà tan DS (Dissolved Solid) bằng hiệu giữa tổng lợng 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

5500C trong một thời gian nhất định Phần mất đi là phần rắn bay hơi, phần còn lại là phần rắn không bay hơi

- Các chất gây mùi vị có nguồn gốc hữu cơ trong nớc thải công nghiệp, chất thải dầu mỡ, phenol

- Chất gây mùi từ quá trình sinh hoá, các hoạt động của vi khuẩn, của rong tảo

Nhiễm phóng xạ là do sự phân huỷ phóng xạ trong nớc thờng có nguồn gốc từ các nguồn nớc thải phóng xạ gây ra Nó gây nguy hại cho sự sống nên độ phóng xạ trong nớc thờng đợc xem nh là một trong những chỉ tiêu quan trọng về chất lợng của nớc

Chất hữu cơ O VK CO2 H2O

cố định

Trong môi trờng nớc, khi quá trình oxy hoá sinh học xảy ra thì các

vi sinh vật sử dụng oxy hoà tan Vì vậy xác định tổng lợng oxy hoà tan cần thiết cho quá trình phân huỷ sinh học là công việc quan trọng để đánh giá

ảnh hởng của một dòng thải đối với nguồn nớc

BOD biểu thị lợng các chất hữu cơ trong nớc có thể bị phân huỷ bằng các vi sinh vật

Trong kỹ thuật môi trờng chỉ tiêu BOD đợc dùng rộng rãi để:

- Xác định gần đúng lợng oxy cần thiết để ổn định sinh học các chất hữu cơ có trong nớc thải

- Xác định kích thớc thiết bị xử lý

- Xác định hiệu suất xử lý của một số quá trình

- Xác định sự chấp thuận tuân theo những quy định cho phép thải chất thải

Trong thực tế ngời ta không thể xác định lợng oxy cần thiết để phân huỷ hoàn toàn chất hữu cơ vì nh thế tốn quá nhiều thời gian mà chỉ xác định lợng oxy cần thiết trong 5 ngày đầu ở nhiệt độ ủ 200C, ký hiệu BOD5 Chỉ tiêu này đã đợc chuẩn hoá và sử dụng hầu khắp các nớc trên thế giới Thí nghiệm xác định BOD5 tiến hành nh sau:

Cho một lợng nhất định mẫu nớc thải vào chai phân tích oxy hoà tan

có thể tích bằng 300ml, pha loãng với thể tích trên bằng dung dịch pha loãng (nớc cất có bổ sung một số nguyên tố dinh dỡng nh N, P, K, Fe và bão hoà oxy) đóng nút kín ủ chai mẫu trong tủ hoặc phòng tối 200C Xác định

nồng độ oxy hoà tan cuối cùng ở ngày thứ 5 lớn hơn 0 Khi đó kết quả thí nghiệm mới có nghĩa Giá trị BOD5 đơc tính theo công thức sau:

BOD5 =

P

D

D1− 2 (mg/l)Trong đó: D1- nồng độ oxy hoà tan của mẫu nớc thải pha loãng trớc khi ủ, mg/l

BOD5 =

P

FBBD

( 1 − 2 − 1 − 2

(mg/l)Trong đó:

D1- nồng độ oxy hoà tan của mẫu nớc thải pha loãng có cấy vi khuẩn ngay sau khi chuẩn bị mẫu xong để ủ, mg/l ;

D2- nồng độ oxy hoà tan cỉa mẫu nớc thải pha loãng có cấy vi khuẩn sau 5 ngày ủ ở 200C, mg/l ;

B1- nồng độ oxy hoà tan của nớc pha loãng có cấy vi khuẩn trớc khi đem ủ, mg/l;

B2- nồng độ oxy hoà tan của nớc pha loãng có cấy vi khuẩn sau khi ủ, mg/l

Thể tích mẫu nớc thải đem phân tích Tổng thể tích nớc thải đem phân tích và nớc pha loãng

-

F tỷ số giữa thể tích chất lỏng bổ sung vi khuẩn trong mẫu và trong đối chứng nghĩa là bằng:

F =

Hiện nay ngời ta đã sản xuất đợc máy đo BOD để phân tích nhanh

Do quá trình oxy hoá sinh học xảy ra rất chậm và kéo dài, trong khoảng thời gian 20 ngày, khoảng 95-99% các chất hữu cơ cacbon bị oxy hoá và trong 5 ngày đầu tiên xác định BOD có khoảng 60 70% các chất hữu cơ này bị oxy -hoá Nhiệt độ 200C là nhiệt độ trung bình trong năm ở các nớc có khí hậu ôn hoà và nó dễ đợc tái diễn lại trong tủ ủ nếu tiến hành ủ mẫu ở nhiệt độ khác nhau sẽ cho kết quả BOD5 khác nhau vì tốc độ phản ứng sinh học phụ thuộc vào nhiệt độ Do vậy, một số nớc ở khu vực nhiệt đới đã dùng thông số BOD3

(nhĩa là mẫu phân tích đợc ủ ở 300C trong 3 ngày)

Chỉ số này đợc dùng rộng rãi để biểu thị hoá hàm lợng chất hữu cơ trong nớc thải và mức độ ô nhiễm nớc tự nhiên COD đợc định nghĩa là lợng oxy cần thiết cho quá trình oxy hoá hoá học các chất hữu cơ trong mẫu nớc thành CO2 và H2O Lợng oxy này tơng đơng với hàm lợng chất hữu cơ có thể bị oxy hoá đợc xác định khi sử dụng một tác nhân oxy hoá hoá học mạnh trong môi trờng axit Phơng pháp phổ biến nhất để xác định COD là phơng pháp dùng bicromat và cơ chế của phơng pháp này theo phơng trình phản ứng sau:

Các chất hữu cơ + Cr2O72- + 8H+   → Ag 2SO  4 CO2 + 4H2O +2Cr3+

Lợng Cr2O72- d đợc chuẩn độ bằng dung dịch FAS (Fe(NH4)2(SO4)2

và sử dụng dung dịch ferroin làm chất chỉ thị Điểm kết thúc chuẩn độ là

% hay ml chất lỏng bổ xung vi khuẩn trong D1

% hay ml chất lỏng bổ xung trong vi khuẩn B1

điểm khi dung dịch chuyển từ màu xanh lam sang màu nâu đỏ nhạt theo phản ứng sau:

6Fe2+ + Cr2O72- + 14 H+ 6Fe3+ + 2Cr3++ 7H2O Hàm lợng COD đợc tính theo công thức :

8000 là hệ số chuyển đổi kết qủa sang mg O2/l

Chỉ số COD biểu thị cả lợng các chất hữu cơ không thể bị oxy hoá bằng vi sinh vật, do đó nó có giá trị cao hơn BOD Phép phân tích COD có

u điểm là kết quả nhanh (hết khoảng 3 giờ) nên đã khắc phục đợc nhợc

điểm của phép đo BOD Đối với nhiều loại chất thải, giữa chỉ số COD và BOD có mối tơng quan nhất định với nhau Vì vậy khi thiết lập đợc mối quan hệ tơng quan này có thể sử dụng phép đo COD để vận hành và kiểm soát hoạt động của các nhà máy xử lý nớc thải

1.1.3.9-Tổng hàm cacbon lợng hữu cơ (TOC)

Chỉ số tổng hàm lợng cacbon hữu cơ” TOC trong nớc cũng là một chỉ tiêu biểu thị lợng chất hữu cơ trong nớc Nguyên tắc xác định TOC là dùng phơng pháp kali pemanganat, đợc tiến hành nh sau:

Cho chất hữu cơ có trong mẫu nớc xét nghiệm, tác dụng với một lợng d dung dịch KMnO4 ở nhiệt độ sôi trong 10 phút, sau đó chuẩn lại lợng d KMnO4 bằng axit oxalic H2C2O4.Từ đó tính ra số lợng KMnO4 đã tiêu tốn tơng đơng với số lợng chất hữu cơ có trong mẫu nớc ban đầu

Vì KMnO4 phản ứng với chất hữu cơ bằng nguyên tử oxi nên ta biểu thị giá trị TOC trong nớc bằng số mg oxi đã bị tiêu thụ bởi 1 lit nớc(mgO2/l)

Độ pH có thể xác định bằng giấy chỉ thị màu hoặc bằng dụng cụ đo pH

điện cực hiđrô hoặc điện cực thuỷ tinh

1.1.3.11- Các chỉ tiêu vi sinh

Trong nước tự nhiờn cú nhiều loại vi trựng, siờu vi trựng, rong tảo và cỏc loại thuỷ sinh khỏc Tuỳ tớnh chất, cỏc loại vi sinh trong nước được chia thành hai nhúm: nhúm vi sinh cú hại và nhúm vi sinh vụ hại Nhúm vi sinh cú hại bao gồm cỏc vi trựng gõy bệnh, cỏc loại rong rờu, tảo Nhúm này cần phải loại bỏ khỏi nước trước khi sử dụng

+ Vi trựng gõy bệnh: việc xỏc định sự cú mặt của cỏc loại vi trựng gõy bệnh thường rất khú và mất nhiều thời gian do sự đa dạng về chủng loại Vỡ vậy trong thực tế thường ỏp dụng phương phỏp xỏc định chỉ số vi trựng đặc trưng Loại vi khuẩn E.coli được chọn làm vi khuẩn đặc trưng trong việc xỏc định mức độ nhiễm bẩn do vi trựng gõy bệnh trong nước, vỡ nú cú khả năng tồn tại cao hơn cỏc loại vi trựng gõy bệnh khỏc ( nếu nước sau xử lý khụng phỏt hiện thấy vi khuẩn E.coli chứng tỏ cỏc vi trựng gõy bệnh khỏc đó bị tiờu diệt hết)

và việc xỏc định số lượng vi khuẩn này thường đơn giản và nhanh chúng + Cỏc loại rong tảo: chỳng làm cho nước nhiễm bẩn chất hữu cơ và làm cho nước cú màu xanh Chỳng phỏt triển cú thể làm tắc đường ống dẫn nước,

đồng thời quỏ trỡnh hụ hấp của chỳng thải ra CO2 làm nước cú tớnh ăn mũn hoỏ học Ngoài ra, chỳng cũn gõy tỡnh trạng thừa, thiếu oxy trong nước, tạo ra cỏc chất gõy mựi trong nước, tăng nồng độ cỏc chất hữu cơ, tạo cỏc chất độc hại trong nước…

Nguyờn nhõn của sự phỏt triển tảo trong cỏc nguồn nước mặt là do cú sự tồn tại của cỏc chất dinh dưỡng :NH4+, NH3, N2, … và nhờ ỏnh sỏng mặt trời chiếu vào nguồn nước

1.2.1- Giới thiệu chung về các phơng pháp xử lý nớc thải:

Hiện nay ở nớc ta, do sản xuất phát triển nên đa số các nguồn nớc

đều bị ô nhiễm Những khu dân c xa thành phố đều cha có nhà máy nớc nên hầu nh không có nớc sạch để phục vụ cho sinh hoạt Vì vậy, nhiệm vụ

đặt ra là phải nghiên cứu tìm kiếm những công nghệ, những biện pháp có hiệu quả nhng đơn giản để làm sạch nớc ở những khu dân c xa thành phố, nhằm phục vụ cho sinh hoạt

Nớc thải thờng chứa rất nhiều tạp chất bẩn có bản chất khác nhau Mục đích của xử lý nớc thải là khử các tạp chất đó sao cho nớc sau khi xử

lý đạt tiêu chuẩn chất lợng ở mức chấp nhận đợc theo các chỉ tiêu đã đề ra

Đã có nhiều công trình, nhiều phơng pháp và quy trình công nghệ xử lý nớc đợc đa ra áp dụng trong thực tế

Có thể phân loại các phơng pháp xử lý nớc thải theo đặc tính của quy trình xử lý nh sau

- Làm sạch nớc thải bằng phơng pháp cơ học

- Xử lý bằng phơng pháp sinh học

- Xử lý bằng phơng pháp hoá học

- Xử lý bằng phơng pháp hoá lý

Việc xử lý nớc thải bị ô nhiễm là việc loại bỏ hoặc làm giảm nồng độ các chất, các thành phần, tác nhân gây ô nhiễm có trong nớc thải, để không còn hoặc hạn chế khả năng nhiễm bẩn nguồn nớc sau đó Do nớc sử dụng vào nhiều mục đích khác nhau, nên yêu cầu về chất lợng, mức độ và biện pháp xử lý, làm sạch nớc cũng khác nhau Để xử lý nớc thải, nớc bị ô nhiễm ngời ta thờng dùng các phơng pháp xử lý sau

Nớc thải công nghiệp cũng nh nớc thải thải sinh hoạt thờng chứa những chất tan và không tan dới dạng hạt lơ lửng Các tạp chất lơ lửng có thể dạng rắn, lỏng, chúng tạo với nớc thành hệ huyền phù Phơng pháp cơ học là phơng pháp sử dụng các lực trọng trờng, lực li tâm để tách loại các chất không hoà tan, các chất cặn bã ra khỏi nớc thải, nớc bị ô nhiễm Các công trình xử lý nớc ô nhiễm, nớc thải theo phơng pháp này, có thể gồm:

- Công trình lọc nớc dùng song chắn rác, lới chắn hoặc lới lọc

- Các công trình điều hoà lu lợng nớc và lắng trong (bể lắng, lọc trong nớc )

- Các phơng pháp lọc ly tâm, hay dùng các xyclon thuỷ lực

- Các loại bể lọc khác (bể lọc chặn đáy, bể lọc cát, bể vớt dầu mỡ )Các phơng pháp xử lý cơ học thờng là phơng pháp đơn giản, rẻ tiền,

có hiệu quả khi tách loại các chất không tan lơ lửng trong nớc Phơng pháp thờng dùng để tách loại các tạp chất có kích thớc lớn và xử lý sơ bộ nguồn nớc ô nhiễm

1.2.1.2- Phơng pháp xử lý sinh học

Ngời ta sử dụng các phơng pháp sinh học để làm sạch nớc thải sinh hoạt cũng nh nớc thải sản xuất khỏi nhiều chất hữu cơ hoà tan và các chất vô cơ

Phơng pháp này dựa trên cơ sở sử dụng hoạt động của vi sinh vật để phân huỷ các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn trong nớc thải Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dỡng và tạo năng lợng Trong quá trình dinh dỡng, chúng nhận các chất dinh dỡng để xây dựng tế bào, sinh trởng và sinh sản lên sinh phối của chúng đợc tăng lên Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hoá sinh hoá

Ngời ta có thể phân loại các phơng pháp sinh học dựa trên cơ sở khác nhau Song nhìn chung có thể chia chúng thành hai loại chính sau:

+ Phơng pháp hiếu khí là phơng pháp xử lý sử dụng các vi sinh vật hiếu khí

+ Phơng pháp yếm khí là phơng pháp sử dụng các vi sinh vật yếm khí

Trong xử lý công nghiệp, các phơng pháp hiếu khí hay đợc sử dụng hơn cả

Quá trình xử lý tuân theo các nguyên lý chung sau:

- Di chuyển các chất gây ô nhiễm từ pha lỏng tới bề mặt của tế bào vi sinh vật do khuếnh tán đối lu và phân tử

- Di chuyển chất từ bề ngoài tế bào qua màng bán thấm bằng khuyếch tán do sự chênh lệch nồng độ các chất ở trong và ngoài tế bào

- Quá trình chuyển hoá các chất ở trong tế bào vi sinh vật với sự sản sinh năng lợng và quá trình tổng hợp các chất mới của tế bào với sự hấp thụ năng lợng

Các giai đoạn trên có quan hệ rất chặt chẽ với nhau và quá trình chuyển hoá các chất đóng vai trò chính trong quá trình xử lý nớc thải

Ưu điểm của các phơng pháp này là việc xử lý đợc loại nớc ô nhiễm

có phổ nhiễm bẩn chất hữu cơ tơng đối rộng, với các thiết bị xử lý đơn giản,

dễ làm và có khả năng tận dụng các sản phẩm phụ nh bùn hoạt hoá hoặc khí

đốt vào việc khác Phơng pháp đợc dùng nhiều trong việc bảo vệ và kiểm soát ô nhiễm môi trờng nớc, hầu hết các loại nớc thải, nớc ô nhiễm

đều có thể xử lý bằng phơng pháp này

1.2.1.3- Các phơng pháp hoá học xử lý nớc thải

Các phơng pháp hoá học để xử lý nớc thải gồm các phơng pháp trung hoà và phơng pháp ôxy hoá khử Tất cả các phơng pháp này đều dùng các tác nhân hoá học và bể phản ứng nên đây là phơng pháp khá tốn kém Phơng pháp hoá học dùng để xử lý các chất hoà tan, xử lý sơ bộ nớc thải trớc khi đa vào công đoạn sau

a) Phơng pháp trung hoà:

Đợc áp dụng đối với nớc thải có chứa axit hoặc kiềm để đa pH về giá trị 6,5 – 8 trớc khi thải vào nguồn nớc hoặc sử dụng cho công nghệ

xử lý tiếp theo Trung hoà nớc thải có thể đợc thực hiện bằng nhiều cách :

- Trộn lẫn nớc thải axit với nớc thải kiềm

- Bổ xung tác nhân hoá học

- Lọc nớc chứa axit qua vật liệu trung hoà

- Hấp thụ khí axit bằng nớc kiềm hoặc hấp thụ amoniăc bằng nớc axit

Phơng pháp trung hoà áp dụng để xử lý dòng thải mang tính axit của các ngành công nghiệp nh công nghiệp cán thép, thuốc tẩy, nhuộm, thuốc trừ sâu trong nớc thải có chứa HCl, HNO3, H2SO4, H2CO3

b) Phơng pháp oxy hoá khử:

Trong phơng pháp này ngời ta sử dụng các chất oxy hoá mạnh nh:

Cl2 (lỏng hoặc khí), nớc giaven, clorua vôi, permanganat kali, bicromat kali, ozon, oxy không khí

Trong qúa trình oxy hoá các chất độc hại trong nớc thải chuyển thành các chất ít độc hại hơn và tách ra khỏi nớc Quá trình này tiêu tốn một lợng lớn các tác nhân hoá học nên quá trình oxy hoá chỉ đợc dùng trong các trờng hợp khi các tạp chất nhiễm bẩn không thể tách bằng các phơng pháp khác

Ví dụ: Dùng Cl2 để khử H2S, phenol, afenua

Đây là phơng pháp đợc dùng khá phổ biến, phơng pháp này có thể làm giảm 80-90% số lợng huyền phù tạp chất, đảm bảo thích ứng với sự thay đổi, ngay cả khi có sự thay đổi đột ngột độ nhiễm bẩn của nớc thải Tuy nhiên nhợc điểm của phơng pháp này là giá thành vận hành còn cao vì phải sử dụng nhiều hoá chất Nó tạo ra lợng cặn quá nhiều, chủ yếu sử dụng các phơng pháp đông tụ, keo tụ , tuyển nổi, hấp phụ, trao đổi ion, các phơng pháp điện hoá

a) Phơng pháp đông tụ và keo tụ:

Quá trình lắng chỉ có thể tách đợc các hạt rắn huyền phù nhng không thể tách đợc các chất gây nhiễm bẩn ở dạng keo và tan vì chúng là những hạt rắn có kích thớc quá nhỏ Để tách các hạt rắn có hiệu qủa là sử dụng phơng pháp lắng, cần tăng kích thớc của chúng nhờ sự tác động tơng hỗ giữa các hạt phân tán liên kết thành tập hợp các hạt làm tăng vận tốc lắng của chúng Bằng cách cho vào dung dịch một loại hoá chất keo tụ đủ làm cho các hạt rất nhỏ biến thành các hạt rất lớn rồi lắng xuống Trong quá trình hình

thành các hạt keo, các thành phần mang điện tích sẽ kết hợp hoặc dính kết với nhau bằng lực liên kết phân tử và điện từ, tạo thành một tổ hợp các phân tử, nguyên tử hoặc ion tự do Các tổ hợp trên đợc gọi là các hạt “bông keo”

Tạp chất trong nớc thiên nhiên thờng đa dạng về chủng loại và kích thớc, chúng có thể là các hạt cát, sét, mùn, sinh vật phù du, sản phẩm hữu cơ phân huỷ kích thớc các hạt dao động từ vài phần triệu milimet đến vài milimet Quá trình lắng chỉ có thể tách đợc các hạt rắn huyền phù nhng không thể tách đợc các chất bẩn ở dạng keo và hoà tan vì chúng là những hạt rắn có kích thớc quá nhỏ Để tách các hạt đó một cách có hiệu quả bằng phơng pháp lắng, cần tăng kích thớc của chúng nhờ sự tác động tơng hỗ giữa các hạt phân tán liên kết thành tập hợp các hạt nhằm làm tăng tốc độ lắng của chúng Việc khử các hạt keo rắn bằng sa lắng trọng lợng đòi hỏi trớc hết cần trung hoà điện tích của chúng, thứ đến là liên kết chúng với nhau Quá trình trung hoà điện tích thờng gọi là quá trình đông tụ Quá trình tạo thành các bông lớn hơn từ các hạt nhỏ gọi là quá trình keo tụ

Các hạt cặn lơ lửng trong nớc có thể tích điện âm hoặc dơng Khi thế cân bằng điện động của nớc bị phá vỡ, các thành phần mang điện tích này sẽ kết hợp hoặc dính kết với nhau bằng lực liên kết phân tử và điện từ, tạo thành một tổ hợp các phân tử, nguyên tử hoặc ion tự do, gọi là các bông keo

Cơ chế của quá trình đông tụ đợc giải thích nh sau:

Lớp ion trỏi dấu bờn ngoài

Lớp ion trỏi dấu bờn trong

Cỏc hạt mang điện tớch õm

Mặt trượt

Những hạt rắn lơ lửng mang điện tích âm trong nớc sẽ hút các điện tích trái dấu Một số các ion trái dấu đó hút chặt vào các hạt rắn đến mức chúng chuyển động cùng các hạt rắn, do đó tạo thành một mặt trợt Xung quanh lớp ion trái dấu bên trong này là lớp ion bên ngoài mà hầu hết là các ion trái dấu, chúng bám vào một cách lỏng lẻo và có thể dễ dàng bị trợt ra Khi các hạt rắn mang điện tích âm chuyển động qua lớp chất lỏng thì các hạt điện tích âm đó giảm bởi các ion mang điện tích dơng ở lớp bên trong Hiệu số

điện năng giữa các lớp cố định và lớp chuyển động gọi là thế zeta 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 dơng Nh vậy trong đông tụ diễn ra quá trình phá vỡ ổn định trạng thái keo của các hạt nhờ trung hoà điện tích

Hiệu quả đông tụ phụ thuộc vào nồng độ và điện tích của ion chất đông

tụ đa vào Nồng độ và điện tích càng cao thì hiệu quả đông tụ càng lớn Quá trình thuỷ phân các chất đông tụ thành các bông keo xảy ra nh sau:

Fe2(SO4)3.3H2O, FeSO4.7H2O, FeCl3

+ Dùng phèn sắt: phèn sắt chia làm hai loại: phèn sắt(II) và phèn sắt(III)

Phèn sắt (II) khi cho vào nớc phân li thành Fe2+ và bị phân huỷ thành Fe(OH)2 theo phơng trình:

Fe2+ + 2H2O = Fe(OH)2 + 2H+

Fe(OH)2 vừa tạo đợc vẫn có khả năng tan trong nớc, khi trong nớc

có ôxy hoà tan :

+ Dùng phèn nhôm: khi cho phèn nhôm vào nớc, chúng phân li thành các ion Al3+, sau đó các ion này bị huỷ phân thành Al(OH)3 :

Al3+ + 3H2O = Al(OH)3 + 3H+

Trong phản ứng này, ngoài Al(OH)3 là nhân tố quyết định đến hiệu quả keo tụ đợc tạo thành, còn giải phóng ra các ion H+ Các ion này sẽ đợc khử bằng độ kiềm tự nhiên của nớc (đợc đánh giá bằng HCO3-) Trờng hợp độ kiềm tự nhiên của nớc thấp, không đủ trung hoà H+ thì cần phải kiềm hoá nớc Chất thờng dùng để kiềm hoá là: CaO, Na2CO3 hoặc NaOH

Tuy nhiên phèn FeCl3 ăn mòn đờng ống mạnh hơn phèn nhôm (vì trong quá trình phản ứng tạo ra axit HCl).Do đó, ở nớc ta ngời ta vẫn quen

dùng phèn nhôm Do phèn sắt có nhợc điểm trên vì vậy các muối nhôm thờng đợc sử dụng làm chất đông tụ

Để tăng cờng quá trình tạo thành bông keo hydroxyt nhôm với mục

đích tăng tốc độ lắng, ngời ta tiến hành keo tụ bằng cách cho thêm vào nớc thải các hợp chất cao phân tử gọi là chất trợ đông tụ Các chất này có tác dụng làm hạ thấp liều lợng chất đông tụ và nâng cao tốc độ lắng của các bông keo

Các chất trợ đông tụ thờng dùng là: tinh bột, xenlulozơ, các ete, dioxit silic hoạt tính (xSiO2.yH2O), các polyacrylat amit (CH2CHONH2)n

Tuỳ thuộc các nhóm ion khi phân ly mà các chất phụ trợ đông tụ có

điện tích âm hoặc dơng (chất trợ đông tụ loại anion hoặc cation) Đa số các chất bẩn hữu cơ, vô cơ dạng keo trong nớc thải có điện tích âm, do đó nếu dùng các chất trợ đông tụ cation trớc đó sẽ không cần phải đông tụ sơ bộ Việc lựa chọn hợp chất, liều lợng tối u, trình tự cho vào nớc cũng đều phải xác định bằng thực nghiệm Thông thờng liều lợng chất trợ đông tụ cho vào khoảng 1 5mg/l Để tăng hiệu quả quá trình đông tụ và tạo bọt, phải -khuấy trộn đều hoá chất với nớc thải, thời gian nớc lu lại trên bể trộn khoảng 1 5 phút và thời gian cần thiết để nớc thải tiếp xúc với hoá chất cho -tới khi bắt đầu lắng dao động trong khoảng 20 60 phút.-

Quá trình làm sạch nớc thải bằng đông tụ và keo tụ gồm các giai đoạn:

định lợng, khuấy trộn hoá chất với nớc thải, tạo thành bông keo và lắng bông keo, đợc biểu thị trong sơ đồ 1.1 :

Hình1.1: Sơ đồ thiết bị làm sạch nớc thải bằng đông tụ

3 Bể khuấy trộn

Phơng pháp keo tụ đợc ứng dụng để khử mầu (cho các hạt chất rắn,

huyền phù tạo nên), xử lý độ đục của nớc, nớc thải chứa ion kim loại nặng

b) Phơng pháp tuyển nổi:

Phơng pháp tuyển nổi thờng đợc dùng để tách các tạp chất (ở dạng

rắn hoặc lỏng) phân tán không tan, tự lắng kém ra khỏi pha lỏng Quá trình

tuyển nổi đợc thực hiện bằng cách sục các bọt khí nhỏ vào trong pha lỏng

Các khí đó sẽ kết dính với các hạt và khi lực nổi của tập hợp các bóng khí và

hạt đủ lớn sẽ kéo theo hạt cùng nổi lên bề mặt, chúng tập hợp lại với nhau

thành các lớp bọt và bị cần gạt loại đi

Nguyên tắc của phơng pháp là dựa trên sự kết dính phân tử của chất

bẩn với bề mặt phân chia giữa khí và nớc, hay nói cách khác là tính thấm ớt

khác nhau của các hạt tạp chất đó: tính a nớc và tính kỵ nớc Các hạt tạp

chất kỵ nớc (khả năng thấm ớt kém) thì càng dễ dàng nổi theo các bọt khí

Cặn lắng

chất đông tụ Nớc

Nớc thải

1

Đối với những hạt a nớc thì phải dùng thuốc tuyển nổi (chất thu) là tập hợp của nhiều chất hoạt động bề mặt Các chất này hấp thụ lên bề mặt chất rắn và chuyển biến mặt của nó thành bề mặt kỵ nớc

c) Phơng pháp hấp phụ:

Hấp phụ là quá trình tích tụ các phân tử khí hoặc lỏng lên bề mặt của chất rắn (chất hấp phụ) Hấp phụ là quá trình thuận nghịch gồm quá trình hấp phụ và quá trình khử hấp phụ Khi vận tốc hai quá trình này bằng nhau ta nói rằng hấp phụ đã đạt tới trạng thái cân bằng Sự hấp phụ phụ thuộc vào bản chất chất hấp phụ và chất bị hấp phụ, nồng độ chất bị hấp phụ, trạng thái bề mặt chất hấp phụ, nhiệt độ

Quá trình hấp phụ là quá trình toả nhiệt, có thể xảy ra trên bề mặt rắn

- lỏng, trên bề mặt rắn khí, hoặc trên bề mặt lỏng khí Hấp phụ là quá trình - - xảy ra do sự chuyển dịch phân tử bị hấp phụ vào chất hấp phụ Hiện tợng này tuân theo những định luật cân bằng giữa nồng độ pha lỏng và nồng độ pha rắn

ở bề mặt của vật liệu hấp phụ Quá trình hấp phụ trên bề mặt phân chia pha lỏng rắn gồm các giai đoạn sau :-

- Chuyển chất từ lòng pha lỏng đến lớp giới hạn bao quanh vật liệu xốp

- Khuếch tán phân tử qua lớp lỏng giới hạn

- Sự khuếch tán phân tử trong các mao quản (lỗ xốp): gồm sự khuếch tán bề mặt và sự khuếch tán trong mao quản

- Sự hấp phụ thuần tuý: đợc xem nh là một giai đoạn nhanh do các lực tơng tác vật lý hay hoá học

Phơng pháp hấp phụ đợc dùng rộng rãi để làm sạch triệt để nớc thải khỏi các chất hữu cơ hoà tan, sau khi xử lý sinh học cũng nh xử lý cục

bộ khi nớc thải có chứa một hàm lợng rất nhỏ các chất đó Những chất này

không phân huỷ bằng con đờng sinh học và thờng có độc tính cao nh

phenol, alkylbenzen, sulphonic axit, thuốc nhuộm, các hợp chất thơm

Các chất đợc sử dụng làm chất hấp phụ phải là những chất có bề mặt

riêng lớn, cấu trúc xốp và có độ phân tán cao Một số chất hấp phụ thờng

dùng: than hoạt tính, silicagel, zeolit, keo nhôm, đất sét

Quá trình làm sạch nớc thải bằng hấp phụ đợc tiến hành ở điều kiện

khuấy trộn mãnh liệt chất hấp phụ với nớc hoặc lọc nớc thải qua lớp chất

hấp phụ hay trong lớp lỏng giả trong các hệ thống thiết bị làm việc gián đoạn

và liên tục Hệ thống hấp phụ làm việc liên tục đợc trình bày trong sơ đồ 1.2:

Nớc thải Nớc sạch

7

5 6

Chất tái sinh

Hình 1.2: Hệ thống hấp phụ làm việc liên tục

3 Lọc

d) Phơng pháp trao đổi ion:

Phơng pháp trao đổi ion đợc ứng dụng để làm sạch nớc hoặc nớc

thải khỏi các kim loại nh; Zn, Cu, Cr, Ni, Hg, Mn , cũng nh các hợp chất

của asen, photpho, xyanua và chất phóng xạ Phơng pháp này cho phép thu hồi các chất có giá trị và đạt mức độ làm sạch cao vì vậy nó là một phơng pháp đợc ứng dụng rộng rãi để tách muối trong xử lý nớc và nớc thải

Bản chất của quá trình trao đổi ion: là quá trình trong đó chất rắn khi tiếp xúc với dung dịch , sẽ lấy từ dung dịch một lợng xác định những ion nào

đó và đồng thời trao đổi vào trong dung dịch một lợng tơng đơng các ion tích điện cùng dấu Các chất rắn này gọi là các cationit và các anionit

Các cationit là những chất có khả năng hút các ion dơng từ dung dịch Những chất này mang tính axit, khi tiếp xúc với nớc thì ion H+ của cationit sẽ trao đổi với các ion kim loại trong nớc Dùng cột cationit để xử lý các kim loại nặng

Ví dụ: R-SO 3 H + NaCl  R- SO 3 Na + HCl

Các anionit là những chất có khả năng hút các ion âm từ dung dịch Những chất này mang tính kiềm, khi tiếp xúc với nớc thì ion OH- của anionit

sẽ trao đổi với anion của dung dịch Cột anion để xử lý các gốc nh: Cl-, S2-

R-OH + NaCl RCl + NaOH

Các ion sau khi sử dụng có thể đợc tái sinh lại, các cationit đợc tái sinh bằng dung dịch axit có nồng độ từ 2-8% Các anionit đợc tái sinh bằng dung dịch kiếm Nhờ quá trình này cationit và các anionit sẽ đợc sử dụng lại

đồng thời có thể thu hồi đợc các sản phẩm có giá trị

e) Các quá trình tách bằng màng :

Màng đợc định nghĩa là một pha đóng vai trò ngăn cách giữa các phần khác nhau Đó có thể là chất rắn hoặc một gel (chất keo) trơng nở do dung môi hoặc thậm chí cả một chất lỏng Việc ứng dụng màng để tách các chất, phụ thuộc vào độ thấm qua (thẩm thấu) của các hợp chất đó qua màng

Thẩm thấu đợc định nghĩa là sự di chuyển tự phát của dung môi từ dung dịch loãng vào một dung dịch đậm đặc qua màng bán thấm ở tại một

áp suất nhất định, sự cân bằng đợc thiết lập thì áp suất đợc gọi là áp suất thẩm thấu

Quá trình thẩm thấu là quá trình di chuyển của nớc từ dung dịch có nồng độ khoáng thấp đến nơi có nồng độ khoáng cao dới tác động của áp lực thẩm thấu tự nhiên Quá trình thẩm thấu ngợc có thể so sánh với quá trình lọc vì nó cũng là quá trình chuyển chất lỏng từ một hỗn hợp qua một “vách lọc” Tuy nhiên một điều quan trọng nhất ở đây là áp suất thẩm thấu là đại lợng rất nhỏ trong quá trình lọc lại đóng một vai trò quan trọng trong thẩm thấu ngợc Điểm khác thứ hai là thẩm thấu ngợc không thể thu đợc bã lọc

có độ ẩm thấp vì áp suất thẩm thấu của dung dịch tăng cùng với sự tách của dung môi Điểm khác thứ ba là quá trình lọc tách một hỗn hợp dựa vào kích thớc hạt, ngợc lại, màng thẩm thấu ngợc làm việc dựa vào các yếu tố khác

Để làm việc đạt hiệu suất cao, màng bán thấm phải có độ chọn lọc cao với các phân tử nớc, ngăn cản các phân tử tạp chất Màng bán thấm chịu

đợc áp suất làm việc cao, thời gian làm việc lâu dài

f) Các phơng pháp điện hoá:

Phơng pháp điện hoá đợc dùng để làm sạch nớc thải khỏi các tạp chất hoà tan và phân tán Phơng pháp dựa trên nguyên tắc là cho dòng điện một chiều đi qua nớc thải với các quá trình oxy hoá xảy ra ở điện cực anot

và quá trình khử xảy ra ở catôt Việc làm sạch nớc thải bằng phơng pháp

điện hoá có thể tiến hành gián đoạn hoặc liên tục với hiệu suất cao Tuy nhiên, phơng pháp này còn có nhợc điểm chính là tiêu hao điện năng lớn

- Oxy hoá của anot, khử của catôt: trên cực dơng (anot) các ion cho

điện tử nghĩa là phản ứng oxy hoá xảy ra, còn trên cực âm (catôt) xảy ra quá trình nhận điện tử nghĩa là xảy ra phản ứng khử Các quá trình này đã đợc

nghiên cứu để làm sạch nớc thải khỏi các tạp chất xyanua, sunfoxyanua, các amin, alcol, hợp chất nitơ, thuốc nhuộm Trong quá trình này, các chất trong nớc thải bị thủy phân hoàn toàn tạo thành CO2, NH3 và nớc hay các chất không độc và đơn giản hơn để có thể tách bằng phơng pháp khác

- Điện keo tụ: để làm sạch nớc thải công nghiệp chứa các tạp chất gây

ô nhiễm có độ bền cao ngời ta tiến hành quá trình điện phân với việc sử dụng anot hoà tan bằng nhôm hoặc thép Dới tác dụng của dòng điện xảy ra quá trình hoà tan của kim loại dẫn đến các cation sắt hoặc nhôm chuyển vào nớc gặp nhóm hyđroxyl tạo thành hyđrôxit của các kim loại đó ở dạng bông và quá trình đông tụ xảy ra mãnh liệt Phơng pháp điện keo tụ đợc ứng dụng nhiều trong công nghệ thực phẩm, hoá chất, giấy và bột giấy

- Tuyển nổi bằng điện: trong quá trình làm sạch nớc thải bằng phơng pháp này, việc tách các hạt lơ lửng là nhờ các bọt khí đợc tạo thành trong quá trình điện phân Tại anot là các bóng khí oxy còn trên cực catôt là hyđro Khi

sử dụng điện cực hoà tan, xảy ra đồng thời việc tạo thành các bông keo đông

tụ và các bọt xảy ra mãnh liệt hơn

1.2.2.Vấn đề xử lý nớc bằng phơng pháp hấp phụ và điện keo tụ:

Nớc bị ô nhiễm thờng chứa nhiều loại chất tan khác nhau, khó tách lọc bằng các phơng pháp thông thờng, nếu dùng phơng pháp oxy hoá khử

để loại bỏ chúng thì khá tốn kém và thờng gặp nhiều khó khăn.Phơng pháp hoá - lý hấp phụ là phơng pháp có thể đạt hiệu quả xử lý cao hơn Đối với các chất tan không phân cực nh các hợp chất hữu cơ, các loại vi sinh vật ngời ta thờng sử dụng các loại chất hấp phụ nh than hoạt tính, than củi, than xơng để xử lý Đối với các chất tan phân cực nh các ion kim loại, cation kim loại kiềm thổ (Ca2+; Ba2+ ), anion gốc axit (Cl, SO42- ) thì dùng các chất hấp phụ có khả năng hấp phụ hoá học, các chất phân cực nh các chất hấp phụ vô cơ, chất hấp phụ vật liệu tổng hợp kiểu các tấm bọt, sợi polipropylen

Trong nhiều giai đoạn của quy trình công nghệ xử lý nớc, ta có thể thấy, không thể thiếu đợc vai trò của hấp phụ, bởi vì, muốn xử lý triệt để các chất ô nhiễm trong nớc thì việc dùng các chất hấp phụ là hiệu quả nhất, đồng thời có nhiều kiểu loại chất hấp phụ cho phép tách loại đợc các chất tan gây

ô nhiễm ở hai dạng: các chất vô cơ và các chất hữu cơ (hay là chất phân cực và chất không phân cực)

Tóm lại, để xử lý nớc ô nhiễm ngời ta có thể sử dụng riêng rẽ từng phơng pháp hoặc kết hợp một số phơng pháp trong từng công đoạn của quá trình xử lý Về mặt công nghệ xử lý nớc thì không thể dùng một phơng pháp, một quá trình xử lý chung cho tất cả các loại nớc thải, nớc bị ô nhiễm Trong một quy trình công nghệ xử lý nớc các phơng pháp xử lý nớc đợc

áp dụng để loại bỏ hoặc tách một vài tạp chất chủ yếu có trong nguồn nớc ô nhiễm Phơng pháp hoá lý là phơng pháp xử lý nớc hiệu quả và triệt để - nhất bởi nớc bị ô nhiễm thờng chứa nhiều loaị tạp chất tan, khó tách loại bằng phơng pháp lọc thông thờng trong đó phải kể đến các chất độc hại, các kim loại nặng, các chất hoạt động bề mặt Các hệ thống xử lý nớc thải đợc thiết lập thờng gồm nhiều quá trình, phơng pháp tuỳ thuộc vào điều kiện cụ thể khác nhau Đối với quá trình xử lý nớc thải ở khu dân c xa thành phố, tại hộ gia đình cá lẻ đòi hỏi phải sử dụng các thiết bị đơn giản nhng hiệu quả cao Qua quá trình phân tích các phơng pháp trên, chúng tôi nhận thấy để xử

lý nớc thải có thể dùng phơng pháp hấp phụ, phơng pháp điện keo tụ và keo tụ là phù hợp Vì vậy chúng tôi chọn phơng pháp hấp phụ, điện keo tụ và keo tụ để xử lý nớc thải cho các khu dân c xa thành phố

1.2.2.1 Kỹ thuật hấp phụ dùng trong khoáng tự nhiên, làm sạch nớc

Khoáng chất trong thiên nhiên đợc hình thành do kết quả hoạt động của các quá trình địa chất, các quá trình lý hoá học hoặc sinh hoá học khác - nhau, xảy ra trong vỏ hoặc trên bề mặt Trái Đất Thế giới tự nhiên có rất nhiều

loại khoáng vật khác nhau với các tính chất khác nhau; trong đó ngời ta thấy

có nhiều loại khoáng chất có tính chất hấp phụ với những khả năng hấp phụ khác nhau [15,17,21]

Ngời ta phân chia các khoáng tự nhiên sử dụng cho kỹ thuật hấp phụ thành ba loại chủ yếu sau:

- Khoáng vô định hình, nh diatomit, các khoáng xốp, silicagen

- Khoáng cấu tạo tinh thể lớp, nh bentonit, cao lanh, montmorillonit,

- Khoáng cấu trúc tinh thể xốp, nh zeolit tự nhiên, zeolit loại A, X và Y, Trong số các khoáng đợc sử dụng cho kỹ thuật hấp phụ nói chung, có thể kể đến ba loại khoáng phổ biến nhất là: bentonit (BE), diatomit (DA) và các loại zeolit

1 Khoáng bentonit (BE): Là khoáng sét thuộc loại aluminosilicat, có thành phần hoá học có thể viết chung là Si8(AlxMy)O20 trong đó M là Ca, Mg,

Na Có hai loại chính là bentonit kiềm thổ (Ca, Mg) và bentonit kiềm (Na, K)

BE đợc biết đến từ lâu, đợc sử dụng nh các loại vật liệu xây dựng Nhìn chung, bentonit có khă năng hấp phụ nh những chất hấp phụ tự nhiên, chúng hấp phụ hiệu quả các chất ô nhiễm nguồn gốc hữu cơ; thờng đợc dùng trong việc phân loại dầu mỡ, tẩy dầu mỡ, làm chất mang

2 Zeolit: Là các aluminosilicat tinh thể có kích thớc mao quản (pore) rất đồng đều, cho phép chúng phân chia (rây) các phân tử theo hình dáng và kích thớc xác định thành phần hoá học của chúng nh sau:

(M+)x (AlO2)y zH2O Trong đó, M là các cation bù trừ điện tích khung, z là số phân tử nớc kết tinh trong zeolit Ngời ta đã biết khoảng 40 cấu trúc zeolit tự nhiên khác nhau Hiện nay có khoảng 200 loại zeolit tổng hợp, nhng mới chỉ có một lợng rất nhỏ trong số đó đợc sử dụng cho kỹ thuật hấp phụ, mà chủ yếu

trong công nghệ hoá dầu Có hai cách phân loại zeolit, đó là theo kích thớc mao quản hoặc theo tỷ lệ Si/Al Một số loại zeolit tiêu biểu là zeolit loại A; zeolit loại X hay Y, zeolit mordelit Các zeolit là những chất xúc tác cực kỳ quan trọng trong lọc hoá dầu Zeolit có bề mặt riêng lớn, do đó có khả năng - hấp phụ cao Tính chất hấp phụ của zeolit có thể đợc khống chế và thay đổi tuỳ thuộc vào tính chất bề mặt a nớc hay kỵ nớc của vật liệu

3 Khoáng diatomit (DA): Là loại khoáng tự nhiên có thành phần chủ yếu là SiO2 và có thêm Al2O3 cùng một số các ôxit khác với hàm lợng nhỏ hơn Đó là loại khoáng có cấu trúc xốp, thờng ở trạng thái phân tán cao (hoặc

có thể chuyển về dạng bột mịn) Do có độ xốp lớn nên DA có thể đợc sử dụng rộng rãi trong nhiều lĩnh vực khác nhau nh vật liệu cách điện, cách âm, bêtông nhẹ, dung dịch khoan Khi DA chứa lớn hơn 90% SiO2, trên 2%

Fe2O3, 3% chất hữu cơ và có độ ẩm 2% thì nó đợc dùng làm chất trợ lọc, trợ lắng, làm trong nớc, làm giảm độ cứng của nớc sinh hoạt

Việc sử dụng các khoáng chất trong công nghệ hấp phụ đang thu hút sự quan tâm chú ý của nhiều nhà khoa học, tập trung chủ yếu vào các loại khoáng có cấu trúc xốp Trong các dạng cấu trúc của khoáng chất, ta thấy vật dạng vô định hình có sự sắp xếp của các hạt, các nguyên tử, ion hoặc phân tử theo kiểu tạo nhiều khoảng trống, làm cho khoáng có cấu trúc xốp, kiểu vật liệu mao quản Do đó, cấu trúc bên trong của khoáng vật dạng vô định hình đã

đợc chú ý nghiên cứu, ví dụ trong việc điều chỉnh cấu trúc xốp làm chất hấp phụ, nó có ứng dụng khá rộng rãi trong kỹ thuật hấp phụ [13,21] Những hạt rắn mang sẵn lỗ xốp, khi ép dính vào nhau cũng tạo ra cấu trúc xốp, là những vật xốp thô Theo cấu tạo hình học, các chất hấp phụ xốp có thể đợc chia ra thành ba loại gồm: chất xốp dạng hạt liên kết; chất xốp tổ ong và chất xốp hỗn tạp [21,28]

Để chuyển hoá khoáng vật rắn thành chất hấp phụ, ngời ta sử dụng hai phơng pháp, là phơng pháp phân tán và phơng pháp ngng tụ.Để chế tạo các chất hấp phụ có độ phân tán cao, diện tích bề mặt lớn, ngời ta có thể sử dụng những phơng pháp: kết tụ, loại trừ (loại bỏ bớt một phần trong cấu tạo của một khối rắn), kết tinh thuỷ nhiệt hay phân huỷ nhiệt

Nghiên cứu sử dụng khoáng DA làm chất hấp phụ, vật liệu lọc trong lĩnh vực lọc nớc, xử lý nớc là một hớng nghiên cứu có ứng dụng thiết thực; bởi DA là loại khoáng xốp khá phổ dụng, sẵn có, dễ kiếm và rẻ tiền, không tan trong nớc nên không gây ra hiện tợng ô nhiễm thứ cấp Theo nhiều tài liệu [1,2,5,6,7] bột DA đợc sử dụng làm chất trợ lọc rất tốt, do khả năng kết

tụ các huyền phù của hạt khoáng Phần lớn các tài liệu đó đã nghiên cứu về cấu trúc của khoáng DA và đã nêu những ứng dụng DA trong thực tế, nh chất trợ lọc làm dung dịch bia, rợu, nh dung dịch khoan ; Nhng do có cấu trúc xốp mà DA còn có khả năng hấp phụ trong phạm vi lớn hơn, đồng thời với khả năng ngng tụ, kết tụ trên bề mặt, các chất tan trong dung dịch nớc (tuy rằng bề mặt riêng của DA không lớn lắm)

b Nghiên cứu sử dụng khoáng diatomit để xử lý nớc:

Việc nghiên cứu các loại khoáng tự nhiên dùng làm chất hấp phụ là một công việc có ý nghĩa thực tiễn rất lớn vì các khoáng này dễ kiếm và sẵn có Có thể kể đến một số mỏ tài nguyên đó nh các mỏ khoáng diatomit ở Phú Khánh, Lâm Đồng, Ninh Bình, Tây Nguyên ; khoáng bentonit ở Di Linh, Thuận Hải ; khoáng caolilit ở Tấn Mài (Quảng Ninh), Hà Tây, Hoà Bình ; khoáng vermiculit ở Vĩnh Phú, Lai Châu [5,9,16,30,32] Trong số đó, loại khoáng xốp diatomit DA loại khoáng chứa oxit silic dạng vô định hình, có - thể sử dụng cho kỹ thuật hấp phụ là đáng chú ý nhất Các oxit silic dạng vô

định hình có nguồn gốc từ các loại trầm tích của lớp vỏ Trái Đất Loại này có

ba dạng là diatomit, trepen và gezơ Xa xa, nó bắt nguồn từ những thực vật

phù du đợc gọi là tảo cát hay diatomee, các oxit silic trầm đọng dần trong thân nhánh của chúng, rồi trộn lẫn với các trầm tích vô cơ và chuyển thành những vật liệu trầm tích dạng bùn đặc biệt, chủ yếu là bùn oxit silic, còn gọi bùn tảo cát hay bùn trùng tia (cũng gọi là bùn vôi hay bùn trùng lỗ) - mà sau này, qua một thời gian dài, nó trở thành khoáng với tên gọi diatomit hay đất tích trùng (hay tripôli, đá khuê tảo) [21]

Diatomit, trepen, gezơ cùng các đá khác có thành phần hoá học và khoáng vật gần giống với chúng, tạo thành một nhóm đá chứa silic đặc biệt -

đó là loại đất đá trầm tích, xốp; gồm những hạt thạch anh (SiO2) rất nhỏ có vỏ silicat của khuê tảo và trùng tia Điểm chung của loại đất đá này là phần lớn chúng đợc cấu tạo bằng opan có nguồn gốc hữu cơ, tạo lên lớp vỏ tạo cát (diatomee) và các gai xơng bọt biển silic

Diatomit [5,18,21] còn gọi là đất thảo mộc, màu trắng, xám sáng hay hơi vàng, rất nhẹ, gồm các hạt đợc gắn kết yếu DA có nguồn gốc từ các hoá thạch của những động vật nguyên sinh hữu cơ dạng đơn bào (protozoa đơn bào – những loài rong biển, tảo giáp) hai nguyên tử Lợng chứa các mảnh xác hoá thạch trong 1cm3 diatomit của các mỏ khác nhau, dao động từ 2 đến 50 triệu mảnh; số lớp mảnh hoá thạch có trong DA rất biến động Các mảnh giáp xác tảo cát (diatomee) hoá thạch là các tiểu thể opan vô cùng nhỏ bé 0,03 – 0,15mm), làm cho khoáng DA rất nhẹ và xốp Những kết quả phân tích hoá học, nhiệt động, phổ hồng ngoại và phổ rơnghen đã chỉ ra rằng: DA là loại oxit silic vô định hình đã hiđrat hoá (hợp nớc) có lẫn một ít tạp chất kim loại Những khoáng chất này đợc đặc trng bằng sự có mặt của một số lợng rất lớn các lỗ xốp lớn nhỏ, thể tích tổng cộng các lỗ xốp của DA là Vx = 0,7 – 2,4 cm3/g với bán kính hiệu dụng trung bình của lỗ xốp rh = 0,3 – 1,6 àm Các tảo giáp hai nguyên tử khi trầm tích, kết đọng lại trong cấu trúc của DA

đã chuyển hoá thành những “màng ngăn riêng” của những lỗ xốp lớn; kết quả

đã tạo thêm cấu trúc xốp rỗng cho DA Khối lợng riêng thực dT của khoáng

Diatomit thay đổi từ 0,1 đến 2,2 g/cm3, khối lợng riêng xốp dx của diatomit

là 0,425 1,25g/cm– 3, chủ yếu phụ thuộc vào lợng tạp chất sét Các tạp chất khoáng vật trong diatomit thấy có: thạch anh, glauconit, montmorillonit tro núi lửa và các vật chất sét

Thành phần hoá học của diatomit nh sau [21]:

[SiO2] = 55,0 – 95, 0% [Al2O3] = 1,0 – 10,5%

[Fe2O3+ FeO] = 0,2 – 10,0% [CaO + MgO] = 0,2 – 4,0%Nhiệt độ nóng chảy của Diatomit là t0

nc= 1150 – 16000C Trong thực tế, diatomit đã khử nớc, đợc dùng làm bột trợ lọc, đó là loại bột màu xám sáng hoặc trắng, có phản ứng trung tính hoặc axit yếu, khối lợng thể tích trong khoảng 0,17-0,32g/cm3 Nếu là loại bột trợ lọc tốt, bột diatomit thờng có độ xốp kỹ thuật Q đạt tới 90-92% và khối lợng thể tích

My của loại diatomit mịn này ở khoảng 0,27-0,30g/cm3 [21]

Nghiên cứu quá trình chuyển hoá khoáng tự nhiên DA thành chất hấp phụ là nghiên cứu công nghệ biến đổi cơ học, lý học và hoá học các khoáng

DA đó, để tạo thành các chất có khả năng hấp phụ cao hơn sơ với khoáng nguyên khai, làm cho độ xốp, bề mặt riêng và hoạt tính hấp phụ của mẫu khoáng DA đã chế hoá tăng lên

Để nâng cao lợi ích kinh tế của quá trình công nghệ xử lý nớc, việc chọn chất hấp phụ rẻ tiền, dễ kiếm, có khả năng sử dụng hiệu quả và đơn giản cho công nghệ xử lý nớc là mối quan tâm của các nhà Hoá Lý trong lĩnh - vực xử lý ô nhiễm môi trờng Các khoáng tự nhiên chính là một giải pháp của công việc đó và nghiên cứu chuyển khoáng DA thành chất hấp phụ dùng cho công nghệ xử lý nớc ô nhiễm là đáp ứng mục đích này

1.2.2.2.Kỹ thuật hấp phụ dùng than hoạt tính làm sạch nớc

Than hoạt tính đợc chế tạo theo phơng pháp loại trừ với nguyên liệu ban đầu có chứa thành phần cacbon: than, xenlulozơ, gỗ , sọ dừa, bã mía, tre, mùn ca

Có thể xuất phát từ các nguồn nguyên liệu có nguồn gốc khác nhau, khi chế tạo ngời ta có thể qui về hai phơng pháp chính trong giai đọan hoạt hoá

là hoạt hoá hoá học và vật lý

Thông thờng than đợc sản xuất theo phơng pháp hoạt hoá hoá học bằng cách trộn nguyên liệu với các hoá chất và đốt yếm khí từ 500-9000C Các chất vô cơ khi đốt sẽ phân huỷ ra các khí có tính oxy hoá hoặc phân huỷ các chất hữu cơ qua phản ứng dehydrat hoá

Phơng pháp hoạt hoá vật lý thờng tiến hành theo hai giai đoạn: than hoá và hoạt hoá Giai đoạn than hoá là giai đoạn đốt yếm khí tại 400-5000C nhằm loại bỏ các thành phần bay hơi trong nguyên liệu, đồng thời một số chất hữu cơ có thể trùng hợp tạo polime tạo ra khung cacbon cha hoàn chỉnh.Bớc hoạt hoá là phát triển độ xốp của nguyên liệu thông qua phản ứng oxy hoá ở nhiệt độ cao (800-11000C) Trong quá trình oxy hoá, một số nguyên tử cacbon

bị đốt thành khí (CO, CO2), khí này bay hơi để lại lỗ trống, đó chính là cơ chế tạo nên độ xốp Tác nhân oxy hoá có thể dùng là hơi nớc, không khí, khí cacbonic, khí thải

1.2.2.3 - Phơng pháp keo tụ

Đõy là phương phỏp sử dụng quỏ trỡnh oxy hoỏ anot, khử catot, đụng tụ điện… để làm sạch nước thải khỏi cỏc hợp chất hoà tan và phõn tỏn, cỏc quỏ trỡnh này đều xảy ra trờn cỏc điện cực khi cú dũng điện một chiều chạy qua Phương phỏp này cho phộp lấy ra từ nước thải cỏc sản phẩm cú giỏ trị bằng cỏc sơ đồ cụng nghệ tương đối đơn giản và tự động hoỏ Tuy nhiờn

nú lại tiờu hao một lượng điện năng lớn [23]

Hiệu suất cỏc phương phỏp điện hoỏ được đỏnh giỏ bằng một số yếu tố như mật độ dũng điện, điện ỏp, hệ số sử dụng điện ỏp, hiệu suất theo dũng [30]

- Oxy hoỏ của anot và khử của catot:

Trờn anot (cực dương) cỏc ion cho điện tử nghĩa là xảy ra phản ứng oxy hoỏ điện hoỏ, cũn trờn catot (cực õm) xảy ra quỏ trỡnh nhận điện tử, nghĩa là cú phản ứng khử

Cỏc quỏ trỡnh này được ứng dụng để làm sạch nước thải khỏi cỏc tạp chất xyanua, sunfo xyanua, amin, alcol, aldehit, cỏc hợp chất nitơ [8] Trong quỏ trỡnh oxy hoỏ điện hoỏ, cỏc chất trong nước thải được phõn huỷ hoàn toàn tạo thành CO2, NH3, H2O hay tạo thành cỏc chất khụng độc và đơn giản hơn để cú thể tỏch ra dễ dàng bằng cỏc phương phỏp khỏc

trỡnh đụng tụ do hiện tượng sinh và phúng điện của cỏc hạt mang điện trờn cỏc điện cực, tạo thành trong dung dịch cỏc chất cú khả năng phỏ vỡ cỏc muối solvat (clo, oxy) trờn bề mặt hạt [28] Quỏ trỡnh này cú thể sử dụng

để làm sạch nước chứa hàm lượng cỏc hạt keo khụng cao và độ bền thấp của cỏc chất gõy ụ nhiễm

Để làm sạch nước thải cụng nghiệp chứa cỏc tạp chất bẩn cú độ bền cao, người ta thường tiến hành quỏ trỡnh điện phõn với việc sử dụng anot hoà tan bằng nhụm hoặc thộp [23] Dưới tỏc dụng của dũng điện một chiều, xảy ra quỏ trỡnh hoà tan cỏc kim loại, dẫn đến cỏc cation sắt hoặc nhụm chuyển vào nước, sau đú tạo thành cỏc hydroxyt của cỏc kim loại đú

ở dạng bụng, cỏc bụng keo này khi lắng xuống sẽ kộo theo cỏc tạp chất trong nước thải

Sơ đồ hệ thống thiết bị điện phân anôt tan (thiết bị đông tụ điện) đợc mô tả nh hình 1.3: