Luận văn thạc sĩ Công nghệ môi trường: Nghiên cứu ứng dụng phèn hỗn hợp sản xuất từ bùn đỏ trong xử lý nước thải

NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG: - Tổng quan về phèn hỗn hợp sản xuất từ bã thải bùn đỏ và ứng dụng của nó - Thực nghiệm xử lý trên mô hình Jartest với 6 loại nước thải và 2 loại phèn: phèn hỗn hợ

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA

o0o

TRẦN THANH TRÚC

NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHÈN HỖN HỢP SẢN XUẤT

TỪ BÙN ĐỎ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 7 năm 2014

CÔNG TRÌNH ĐƯỢC HOÀN THÀNH TẠI TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH

KHOA - ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH

Thành phần Hội đồng đánh giá luận văn thạc sĩ gồm: (Ghi rõ họ, tên, học hàm, học vị của Hội đồng chấm bảo vệ luận văn thạc sĩ) 1 PGS TS Nguyễn Tấn Phong Chủ tịch hội đồng

2 TS Nguyễn Thế Vinh Phản biện 1 3 TS Lê Công Nhất Phương Phản biện 2

Xác nhận của Chủ tịch Hội đồng đánh giá luận văn và Bộ môn quản lý chuyên ngành sau khi luận văn đã được sửa chữa (nếu có)

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG TRƯỞNG KHOA

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA Độc lập - Tự do - Hạnh pHúc

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ và tên Học viên: TRẦN THANH TRÚC MSHV: 12251650 Ngày, tháng, năm sinh: 24/05/1979 Nơi sinh: Bến Tre

I TÊN ĐỀ TÀI: NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG PHÈN HỖN HỢP SẢN XUẤT TỪ BÙN ĐỎ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG:

- Tổng quan về phèn hỗn hợp sản xuất từ bã thải bùn đỏ và ứng dụng của nó - Thực nghiệm xử lý trên mô hình Jartest với 6 loại nước thải và 2 loại phèn: phèn hỗn hợp mới (kiểm chứng) và phèn nhôm thông thường (đối chứng) - So sánh đánh giá 2 loại phèn về mặt kỹ thuật (hiệu quả xử lý), về mặt kinh tế (chi phí xử lý) và về mặt môi trường (bùn thải sinh ra)

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ: ngày 20/01/2014 IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ: ngày 20/06/2014 V CÁN BỘ HƯỚNG DẪN: TS ĐẶNG VIẾT HÙNG

CÁN BỘ HƯỚNG DẪN

Tp HCM, ngày … tháng… năm 2014

CHỦ NHIỆM BỘ MÔN ĐÀO TẠO

TRƯỞNG KHOA

LỜI CẢM ƠN

Sau thời gian học tập và nghiên cứu tại Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, tôi đã hoàn thành chương trình đào tạo chuyên ngành Công nghệ môi trường Để hoàn thành chương trình đào tạo và luận văn thạc sĩ, ngoài những nỗ lực của bản thân tôi còn nhận được sự giúp đỡ rất nhiệt tình của quý thầy cô trong Khoa Môi trường và Tài nguyên, cơ quan nơi tôi công tác, bạn bè cùng lớp và người thân trong gia đình

Xin tỏ lòng biết ơn quý thầy cô Khoa Môi trường và Tài nguyên, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh đã nhiệt tình truyền đạt kiến thức trong thời gian theo học tại trường

Tôi xin chân thành cám ơn Thầy TS Đặng Viết Hùng, Trường Đại học Bách

khoa - Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh, đã tận tình trực tiếp hướng dẫn trong nghiên cứu khoa học và động viên tinh thần lúc khó khăn

Xin chân thành cảm ơn Cô TS Đặng Vũ Bích Hạnh và tập thể các anh chị

nhân viên Phòng thí nghiệm Khoa Môi trường và Tài nguyên, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh đã nhiệt tình giúp đỡ, hỗ trợ trong nghiên cứu và phân tích thử nghiệm

Và cuối cùng, xin được biết ơn cha mẹ, anh em trong gia đình, biết ơn tất cả các anh chị, các bạn lớp cao học Công nghệ Môi trường K2011, K2012 các bạn lớp đại học K.2009, 2010 đã động viên, giúp đỡ, đồng hành trong suốt hai năm học vừa qua và trong quá trình thực hiện luận văn

Xin cảm ơn với tất cả tấm lòng biết ơn và trân trọng

TRẦN THANH TRÚC

TÓM TẮT

Bùn đỏ là một loại chất thải nguy hại từ công nghệ Bayer trong quá trình tinh luyện bauxite để sản xuất alumina (Al2O3) và đã được GS.TS Nguyễn Văn Phước nghiên cứu sản xuất thành chất keo tụ, còn gọi là phèn hỗn hợp vì nó bao gồm cả muối sunfat sắt và nhôm Theo “Hướng dẫn đánh giá sự phù hợp của công nghệ xử lý nước thải” từ Tổng cục Môi trường, tính khả thi của việc ứng dụng phèn hỗn hợp từ bùn đỏ trong xử lý nước thải trên cơ sở so sánh với phèn nhôm truyền thống đã được đánh giá cho điểm dựa trên các tiêu chí kỹ thuật (hiệu quả xử lý) chiếm 50/100 điểm, kinh tế (chi phí xử lý) chiếm 25/100 điểm và môi trường (bùn cặn phát sinh) chiếm 25/100 điểm Thí nghiệm Jartest được thực hiện với 6 loại nước thải bao gồm sinh hoạt, dệt nhuộm, thủy sản, cao su, bột giấy và rỉ rác để xác định giá trị pH và liều lượng phèn thích hợp Phèn từ bùn đỏ có Fe2O3; 6,5 ÷ 7,3% và Al2O3; 4,0 ÷ 4,7% Phèn nhôm có Al2O3 ≥ 16% và H2SO4 ≤ 0,001% Kết quả thu được cho thấy hiệu quả xử lý độ màu, SS, và COD của phèn hỗn hợp từ bùn đỏ luôn cao hơn phèn nhôm truyền thống và có sự chênh lệch lớn ở từng loại nước thải Đối với nước thải dệt nhuộm, hiệu quả xử lý độ màu đối với phèn từ bùn đỏ là 71,9%, phèn nhôm là 7,4% Đối với nước thải thủy sản, hiệu quả xử lý SS đối với phèn từ bùn đỏ là 73,3%, phèn nhôm là 20,0% Đối với nước thải cao su, hiệu quả xử lý COD đối với phèn từ bùn đỏ là 25,5%, phèn nhôm là 12,4% Phèn từ bùn đỏ ít chịu ảnh hưởng của giá trị pH đối với hiệu quả xử lý hơn là phèn nhôm Tuy nhiên bùn cặn phát sinh bởi phèn từ bùn đỏ nhiều hơn phèn nhôm Ở từng loại nước thải, tính khả thi của phèn từ bùn đỏ luôn cao hơn khi so với phèn nhôm và tổng điểm giảm dần từ nước thải thủy sản với 88/100, dệt nhuộm với 77/100, cao su với 58/100, sinh hoạt với 58/100, rỉ rác với 58/100 đến bột giấy với 34/100 Có thể nói, phèn từ bùn đỏ là loại chất keo tụ nhiều tiềm năng và hứa hẹn trong xử lý nước thải

ABSTRACT

Red mud is one type of hazardous waste from Bayer technology in refining bauxite to product alumina (Al2O3) and has been researched by Prof Dr Nguyen Van Phuoc to make a new coagulant, which is called mixed coagulant because it contains both of aluminium sulfate and ferric sulfate According to “Guideline for accessing wastewater treatment technology at its suitability” from Vietnam Environment Administration, practicability of using mixed coagulant from red mud in wastewater treatment in comparison with traditional aluminium sulfate is based on assessment scores including technical criteria (efficiency) with 50/100, economic criteria (cost) with 25/100 and environmental criteria (sludge) with 25/100 Jartest experiments were performed with 6 types of wastewater: domestic, dyeing, seafood, rubber, pulp and leachate in order to determine suitable pH value and coagulant dosage Coagulant from red mud contains Fe2O3 (6,5 ÷ 7,3%) and Al2O3 (4,0 ÷ 4,7%) Aluminium sulfate contains Al2O3 ≥ 16% and H2SO4 ≤ 0,001% The results showed that treatment efficiencies of color, SS, and COD of mixed coagulant from red mud were always higher than traditional aluminium sulfate’s To dyeing wastewater, treatment efficiency of color of coagulant from red mud was 71,9% and aluminium sulfate’s was 7,4% To seafood wastewater, treatment efficiency of SS of coagulant from red mud was 73,3% and aluminium sulfate’s was 20,0% To rubber wastewater, treatment efficiency of COD of coagulant from red mud was 25,5% and aluminium sulfate’s was 12,4% Coagulant from red mud was less affected by pH value to treatment efficiencies but generated more sludge In each type of wastewater, the practicability of using mixed coagulant from red mud was always higher than traditional aluminium sulfate’s and the scores decreased from seafood with 88/100, dyeing with 77/100, rubber with 58/100, domestic with 58/100, leachate with 58/100 to pulp with 34/100 We can say that coagulant from red mud is the potential and promising type in wastewater treatment

CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập -Tự do - Hạnh phúc

LỜI CAM ĐOAN

Họ và tên Học viên: TRẦN THANH TRÚC MSHV: 10250541 Ngày tháng năm sinh: 24/05/1979 Giới tính: Nữ Nơi sinh: Bến tre Chuyên ngành: Công nghệ Môi trường MN: 60 85 06 Tên đề tài:

“Nghiên cứu ứng dụng phèn hỗn hợp sản xuất từ bùn đỏ trong xử lý nước thải”

Ngày hoàn thành: 20/6/2014

Cán bộ hướng dẫn: TS Đặng Viết Hùng Tôi cam đoan đây là công trình

nghiên cứu của tôi, những kết quả và số liệu trong luận văn chưa được ai công bố dưới bất cứ hình thức nào Tôi hoàn toàn chịu trách nhiệm trước nhà trường về sự cam đoan này

Tp HCM, ngày 20 tháng 7 năm 2014

Trần Thanh Trúc

5.PHƯƠNGPHÁPNGHIÊNCỨU 4 

5.1 Phương pháp tổng hợp tài liệu 4 

5.2 Phương pháp thực nghiệm mô hình 4 

5.3 Phương pháp lấy mẫu phân tích 4 

5.4 Phương pháp xử lý số liệu 5 

5.5 Phương pháp cho điểm, xếp hạng 5 

6.ÝNGHĨAĐỀTÀI 5 

6.1 Ý nghĩa thực tiễn 5 

6.2 Tính mới của đề tài 5 

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN - CƠ SỞ LÝ THUYẾT 6 

1.1.5 Các loại chất keo tụ 11 

1.1.6 Thí nghiệm Jartest 15 

1.2PHÈNHỖNHỢPSẢNXUẤTTỪBÙNĐỎ 16 

1.2.1 Nguyên liệu bùn đỏ để sản xuất phèn 16 

1.2.2 Khối lượng bùn đỏ phát sinh 18 

1.2.3 Các phương pháp xử lý bùn đỏ 19 

1.2.4 Công nghệ sản xuất phèn hỗn hợp từ bùn đỏ 20 

1.2.5 Thông số kỹ thuật của phèn hỗn hợp sản xuất từ bùn đỏ 21 

1.2.6 Các nghiên cứu trước đây về sản xuất và ứng dụng của phèn hỗn hợp 22 

CHƯƠNG 2: VẬT LIỆU VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 24 

2.1SƠĐỒNGHIÊNCỨU 24 

2.2NGUYÊNLIỆU-MÔHÌNH 25 

2.2.1 Phèn nhôm 25 

2.2.2 Phèn hỗn hợp sản xuất từ bùn đỏ 25 

2.2.3 Các loại nước thải 25 

2.2.4 Mô hình nghiên cứu 28 

2.3TIẾNHÀNHTHÍNGHIỆM 29 

2.3.1 Chuẩn bị mẫu 29 

2.3.2 Tiến hành thí nghiệm Jartest trên từng loại nước thải 29 

2.3.3 Thu mẫu phân tích 31 

2.7.1 Khối lượng bùn cặn 35 

2.7.2 Chỉ số bùn lắng 35 

2.7.3 Độ ẩm của bùn 36 

CHƯƠNG 3: KẾT QUẢ VÀ BÀN LUẬN 37 

3.1HIỆUQUẢXỬLÝCỦATỪNGLOẠINƯỚCTHẢIVỚICÁCGIÁTRỊPHVÀLƯỢNGPHÈNTHÍCHHỢP 37 

3.1.1 Thực nghiệm khả năng keo tụ của phèn hỗn hợp và phèn nhôm trong xử lý nước thải sinh hoạt 37 

3.1.2 Thực nghiệm khả năng keo tụ của phèn hỗn hợp và phèn nhôm trong xử lý nước thải công nghiệp 43 

3.2.3 Hiệu quả xử lý COD 56 

3.2.4 Tính nhạy pH và liều lượng thích hợp của 2 loại phèn 57 

Phụ lục I: Số liệu thí nghiệm của nước thải sinh hoạt 67 

Phụ luc II: Số liệu thí nghiệm của nước thải dệt nhuộm 73 

Phụ lục III: Số liệu thí nghiệm của nước thải thủy sản 79 

Phụ lục IV: Số liệu thí nghiệm của nước thải cao su 85 

Phục lục V: Số liệu thí nghiệm của nước thải bột giấy 91 

Phụ lục VI: Số liệu thí nghiệm của nước thải rỉ rác 97 

Phụ lục VII: Đồ thị xác định giá trị pH lượng phèn thích hợp 103 

LÝ LỊCH TRÍCH NGANG 113 

DANH SÁCH BẢNG BIỂU

Bảng 1-2 Thành phần hóa học của phèn sắt FeSO4.7H2O 13 

Bảng 1-3 Thành phần hóa học của PAC 14 

Bảng 1-4 Tính chất vật lý của bùn đỏ 17 

Bảng 1-5 Thành phần hóa học pha rắn của bùn đỏ 17 

Bảng 1-6 Thành phần hóa học pha lỏng của bùn đỏ 18 

Bảng 1-8 Thành phần hóa học của phèn hỗn hợp ở dạng lỏng 22 

Bảng 2-1 Thành phần hóa học của phèn nhôm Al2(SO4)3.18H2O 25 

Bảng 2-2 Thành phần hóa học của phèn hỗn hợp từ bùn đỏ 25 

Bảng 2-3 Thành phần và tính chất nước thải sinh hoạt 26 

Bảng 2-4 Thành phần và tính chất nước thải dệt nhuộm 26 

Bảng 2-5 Thành phần và tính chất nước thải chế biến thủy sản 26 

Bảng 2-6 Thành phần và tính chất nước thải mủ cao su 27 

Bảng 2-7 Thành phần và tính chất nước thải bột giấy 27 

Bảng 2-8 Thành phần và tính chất nước thải rỉ rác 27 

Bảng 2-9 Thông số kỹ thuật của máy khuấy Velp JLT6 29 

Bảng 2-10 Các phương pháp phân tich chỉ tiêu 31 

Bảng 2-11 Giá thành các loại phèn trong thí nghiệm 32 

Bảng 2-12 Trình bày đánh giá tính khả thi của 2 loại phèn 34 

Bảng 2-13 Điều kiện đánh giá sự phù hợp của công nghệ xử lý 34 

Bảng 3-1 Khả năng keo tụ đối với nước thải sinh hoạt 42 

Bảng 3-2 Khả năng keo tụ đối với nước thải dệt nhuộm 45 

Bảng 3-3 Khả năng keo tụ đối với nước thải thủy sản 47 

Bảng 3-4 Khả năng keo tụ đối với nước thải cao su 49 

Bảng 3-5 Khả năng keo tụ đối với nước thải bột giấy 51 

Bảng 3-6 Khả năng keo tụ đối với nước thải rỉ rác 53 

Bảng 3-1 Lượng bùn sinh ra đối với 6 loại nước thải 53 

Bảng 3-2 Khả năng keo tụ của phèn từ bùn đỏ và phèn nhôm trên 6 nước thải 58 

Bảng 3-3 Kết quả đánh giá tính khả thi của 2 loại phèn 59 

Bảng 3-10 Khối lượng bùn cặn sinh ra theo TSS và VSS 60 

Bảng 3-11 Chỉ số bùn lắng theo SVI 62 

Bảng 3-12 Độ ẩm của bùn sinh ra 63 

DANH SÁCH HÌNH ẢNH

Hình 1.1 Sơ đồ công nghệ sản xuất phèn hỗn hợp từ bùn đỏ 20 

Hình 2.1 Sơ đồ nghiên cứu 24 

Hình 2.2 Mô hình thí nghiệm 28 

Hình 3.1 Xác định giá trị pH thích hợp của mẫu nước thải sinh hoạt 38 

Hình 3.2 Xác định lượng phèn thích hợp của mẫu nước thải sinh hoạt 40 

Hình 3.3 Giá trị pH thích hợp ứng với lượng phèn thích hợp đối với nước thải sinh hoạt 42 

Hình 3.4 Giá trị pH thích hợp ứng với lượng phèn thích hợp đối với nước thải dệt nhuộm 44 

Hình 3.5 Giá trị pH thích hợp ứng với lượng phèn thích hợp hợp đối với nước thải thủy sản 46 

Hình 3.6 Giá trị pH thích hợp ứng với lượng phèn thích hợp đối với nước thải cao su 48 

Hình 3.7 Giá trị pH thích hợp ứng với lượng phèn thích hợp đối với nước thải bột giấy 50 

Hình 3.8 Giá trị pH thích hợp ứng với lượng phèn thích hợp đối với nước thải rỉ rác 52 

Hình 3.9 Hiệu quả xử lý độ màu của 6 loại nước thải 54 

Hình 3.10 Hiệu quả xử lý độ SS của 6 loại nước thải 55 

Hình 3.11 Hiệu quả xử lý COD của 6 loại nước thải 56 

Hình 3.12 Tính nhạy của pH thích hợp của 2 loại phèn 57 

Hình 3.13 Tính nhạy với liều lượng thích hợp của 2 loại phèn 57 

Hình 3.14 Giá trị VSS của bùn cặn sinh ra 61 

Hình 3.15 Giá trị TSS của bùn cặn sinh ra 62 

Hình 3.16 Giá trị SVI của bùn cặn sinh ra 63 

Hình 3.17 Độ ẩm của bùn cặn sinh ra 64 

DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT

Nhu cầu oxy hóa hóa học

MỞ ĐẦU 1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Theo Báo cáo hiện trạng môi trường quốc gia 2010 thì trong giai đoạn 5 năm từ 2006 - 2010, tăng trưởng GDP của Việt Nam đạt giá trị cao nhất là 8,46% vào năm 2007 và thấp nhất là 5,32% vào năm 2009 Quá trình phát triển nhanh và mạnh của nền kinh tế Việt Nam trong những năm qua đặc biệt là quá trình đô thị hóa và công nghiệp hóa đã gây ra sức ép không nhỏ đối với môi trường và tài nguyên, làm cho môi trường bị ô nhiễm hơn và tài nguyên bị suy thoái hơn Kế hoạch 5 năm từ 2006 - 2010 là kỳ kế hoạch đầu tiên được xây dựng theo hướng phát triển bền vững toàn diện trên cả 3 lĩnh vực kinh tế, xã hội và môi trường với 8 nhóm chỉ tiêu được đặt ra Tuy nhiên có tới 4 nhóm chỉ tiêu không đạt kế hoạch đề ra, còn lại 4 nhóm chỉ tiêu đạt và xấp xỉ đạt Nhóm chỉ tiêu thực hiện kém nhất chính là nhóm chỉ tiêu có liên quan đến xử lý nước thải đạt tiêu chuẩn môi trường, bao gồm cả nước thải sinh hoạt và công nghiệp Một trong những nguyên nhân của vấn đề này chính là do chi phí đầu tư và chi phí vận hành hệ thống xử lý khá cao và ở một khía cạnh nào đó đang là gánh nặng đối với nhà nước và doanh nghiệp [1]

Xử lý nước thải chính là sự kết hợp các phương pháp cơ học, hóa lý, hóa học, sinh học và bùn cặn trong một qui trình công nghệ tùy theo thành phần tính chất ban đầu của nước thải và khả năng chịu tải của nguồn nước tiếp nhận Phương pháp cơ học và sinh học thường có chi phí vận hành thấp hơn so với phương pháp hóa lý và hóa học Keo tụ tạo bông là một quá trình nằm trong phương pháp hóa lý rất thích hợp để xử lý nước thải có độ đục, độ màu, các chất lơ lửng, các chất hữu cơ với nồng độ cao Các chất keo tụ thường sử dụng là phèn nhôm, phèn sắt,

polymer, PAC (polyaluminium chloride),… với các tiêu chí lựa chọn bao gồm hiệu

quả xử lý, chi phí xử lý và lượng cặn phát sinh Phương pháp keo tụ hiện vẫn là một phương pháp tốn kém trong xử lý nước thải

Bùn đỏ là một dạng nhựng dạng chất thải của công nghệ Bayer, phương pháp chủ yếu được áp dụng trong quá trình tinh luyện bauxite để sản xuất phèn nhôm tại Nhà máy Hóa chất Tân Bình thuộc Tổng Công ty Hóa chất Cơ bản miền Nam với khối lượng khoảng 30 tấn/ngày Nó bao gồm một hỗn hợp nhiều chất rắn với các oxit kim loại như Fe2O3, Al2O3, SiO2, Na2O,… và là một trong những loại chất thải nguy hại không dễ xử lý Trong hầu hết các quốc gia mà bùn đỏ được tạo ra, nó được bơm vào các ao hồ hay bãi chứa và để vậy theo năm tháng Tại Việt Nam, bùn đỏ đã được tận dụng làm nguyên liệu trong sản xuất các loại vật liệu trong ngành xây dựng và sản xuất phèn để keo tụ trong ngành môi trường Phèn để keo tụ sản xuất từ bùn đỏ chính là hỗn hợp của muối sunfat sắt và sunfat nhôm nên còn được gọi là phèn hỗn hợp Việc sản xuất và sử dụng phèn hỗn hợp sản xuất từ bùn đỏ sẽ vừa có ý nghĩa về mặt kinh tế và vừa có ý nghĩa về mặt môi trường Phèn để keo tụ sản xuất từ bùn đỏ chính là hỗn hợp của sunfat sắt và sunfat nhôm nên còn được gọi là phèn hỗn hợp Từ năm 2000, GS.TS Nguyễn Văn Phước đã nghiên cứu sản xuất phèn hỗn hợp từ bùn đỏ và đánh giá cao khả năng keo tụ của sản phẩm này [2] Đến nay, qui trình công nghệ sản xuất phèn hỗn hợp từ bùn đỏ đã hoàn chỉnh và sản phẩm đã được sử dụng tại một số hệ thống xử lý nước thải [3] Việc sản xuất và sử dụng phèn hỗn hợp từ bùn đỏ sẽ vừa có ý nghĩa về mặt kỹ thuật, vừa có ý nghĩa về mặt kinh tế và vừa có ý nghĩa về mặt môi trường, đặc biệt khi 2 dự án bauxite ở Tây Nguyên của Tập đoàn Than và Khoáng sản Việt Nam sắp đi vào hoạt động Vào năm 2011, Tổng cục Môi trường công bố tài liệu “Hướng dẫn đánh giá sự phù hợp của công nghệ xử lý nước thải” do nhóm tác giả Nguyễn Thế Đồng biên soạn để đánh giá tính khả thi với các tiêu chí lựa chọn bao gồm hiệu quả xử lý (kỹ thuật), chi phí xử lý (kinh tế) và bùn cặn phát sinh (môi trường) [4] Cách đánh giá này rất phù hợp với yêu cầu thực tế hiệu nay của các doanh nghiệp và toàn xã hội

Để có cơ sở đánh giá tính khả thi khi sử dụng phèn hỗn hợp sản xuất từ bùn đỏ

đề tài “Nghiên cứu ứng dụng phèn hỗn hợp sản xuất từ bùn đỏ trong xử lý nước thải” đã được thực hiện

2 MỤC TIÊU ĐỀ TÀI

Đánh giá tính khả thi về mặt kỹ thuật (hiệu quả xử lý), kinh tế (chi phí xử lý) và môi trường (bùn cặn sinh ra) khi ứng dụng phèn hỗn hợp sản xuất từ bùn đỏ trong xử lý nước thải ở qui mô phòng thí nghiệm khi so sánh với chất keo tụ truyền thống là phèn nhôm để có cơ sở đưa ra triển khai rộng rãi trong các hệ thống xử lý

3 NỘI DUNG NGHIÊN CỨU

Tổng quan về phương pháp keo tụ; thí nghiệm Jartest; phương pháp sản xuất cùng với thông số kỹ thuật của phèn hỗn hợp sản xuất từ bùn đỏ

Thực nghiệm xử lý trên mô hình Jartest với phèn hỗn hợp mới và phèn nhôm truyền thống trên các loại nước thải sinh hoạt và sản xuất khác nhau

- Nước thải sinh hoạt: 1 mẫu - Nước thải sản xuất: 5 mẫu 1- Nước thải dệt nhuộm 2- Nước thải thủy sản 3- Nước thải cao su 4- Nước thải bột giấy 5- Nước thải rỉ rác So sánh kết quả thu được giữa phèn hỗn hợp mới và phèn nhôm truyền thống trên các khía cạnh hiệu quả xử lý, chi phí xử lý, bùn cặn phát sinh

Đánh giá tính khả thi của việc ứng dụng phèn hỗn hợp từ bùn đỏ trong xử lý nước thải trên cơ sở so sánh với phèn nhôm truyền thống theo 3 tiêu chí: kỹ thuật (hiệu quả xử lý), tiêu chí kinh tế (chi phí xử lý), tiêu chí môi trường (bùn cặn phát sinh)

4 PHẠM VI NGHIÊN CỨU

Nghiên cứu được tiến hành trên các mẫu nước thải sinh hoạt tại căntin C6, trường Đại học Bách khoa, Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh và một số mẫu nước thải sản xuất của một số nhà máy công nghiệp tại Tp Hồ Chí Minh, tỉnh Long An và tỉnh Bình Phước

Thí nghiệm Jartest và phân tích các mẫu nước thải được tiến hành ở phòng thí nghiệm của Khoa Môi trường và Tài nguyên,Trường Đại học Bách khoa - Đại học Quốc gia Tp Hồ Chí Minh

Đánh giá hiệu quả xử lý nước thải qua các chỉ tiêu: độ màu, SS, COD Nghiên cứu được tiến hành từ tháng 01/2013 đến tháng 7/2014

5 PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU

5.1 Phương pháp tổng hợp tài liệu

Thu thập các thông tin có liên quan đến phương pháp keo tụ; thí nghiệm Jartest; các chất keo tụ; phương pháp sản xuất, giá thành sản phẩm, thông số kỹ thuật của phèn hỗn hợp sản xuất từ bùn đỏ cùng với các nghiên cứu trước đây ở trong và ngoài nước như sách vở chuyên ngành, luận văn tốt nghiệp, đề tài nghiên cứu, bài báo khoa học từ thư viện Khoa, thư viện Trường, hội nghị hội thảo, tạp chí khoa học

5.2 Phương pháp thực nghiệm mô hình

Sử dụng mô hình Jartest ở phòng thí nghiệm để nghiên cứu hiệu quả xử lý nước thải và liệu lượng hóa chất sử dụng trên cả hai loại chất keo tụ: phèn hỗn hợp từ bùn đỏ và phèn nhôm truyền thống

5.3 Phương pháp lấy mẫu phân tích

Trong quá trình thực nghiệm mô hình, mẫu nước thải trước keo tụ và sau keo tụ được lấy và phân tích nhằm xác định hiệu quả xử lý nước thải qua các chỉ tiêu như pH, độ màu, SS, COD

5.4 Phương pháp xử lý số liệu

Các số liệu thu được sẽ được lấy giá trị trung bình và đưa vào đồ thị bằng phần mềm Microsoft Office Excel để có cơ sở so sánh, đánh giá, báo cáo kết quả nghiên cứu

5.5 Phương pháp cho điểm, xếp hạng

Lựa chọn các tiêu chí phù hợp với đề tài nghiên cứu để đánh giá, cho điểm dựa vào số liệu thu được từ kết quả thí nghiệm Xếp hạng dựa vào tổng số điểm của các nhóm tiêu chí được đề nghị

6 Ý NGHĨA ĐỀ TÀI

6.1 Ý nghĩa thực tiễn

Hiện nay, hầu như lượng chất thải bùn đỏ tạo ra được bơm vào các ao hồ hay bãi chứa và chưa có giải pháp xử lý khả thi Nghiên cứu ứng dụng tái chế chất thải bùn đỏ là có ý nghĩa cả về mặt xã hội, kinh tế và đặc biệt là môi trường Sử dụng phèn hỗn hợp sản xuất từ bùn đỏ làm chất keo tụ dùng trong xử lý nước thải sẽ làm tăng hiệu quả loại bỏ các chất ô nhiễm đồng thời làm giảm chi phí tiêu hao hóa chất cho công nghệ xử lý

6.2 Tính mới của đề tài

Nghiên cứu có tính mới nhờ tập trung đánh giá hiệu quả xử lý độ màu, SS, COD trên 6 loại nước thải bao gồm cả nước thải sinh hoạt và công nghiệp Ngoài ra, nghiên cứu còn đánh giá lượng bùn cặn sinh ra trong quá trình keo tụ để đánh giá khả năng tác động đến môi trường (do phát sinh chất thải rắn) của phèn hỗn hợp từ bùn đỏ

Đánh giá tính khả thi của phèn hỗn hợp từ bùn đỏ theo các khía cạnh kỹ thuật (hiệu quả xử lý), kinh tế (chi phí xử lý) và môi trường (bùn cặn phát sinh) Từ đó đưa ra những kết luận về khả năng ứng dụng phèn hỗn hợp từ bùn đỏ trong thực tế

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN - CƠ SỞ LÝ THUYẾT 1.1 QUÁ TRÌNH KEO TỤ

1.1.1 Định nghĩa

Tạp chất trong nước thiên nhiên thường đa dạng về chủng loại và kích thước Chúng có thể là các hạt cát, sét, mùn, sinh vật phù du, sản phẩm hữu cơ phân hủy… Kích thước hạt dao động từ vài micromet (µm) đến vài milimet (mm) Bằng các phương pháp xử lý như lắng lọc và tuyển nổi, chỉ có thể loại bỏ các hạt có kích thước lớn hơn 10-4 mm Đối với các hạt có kích thước nhỏ hơn thì đòi hỏi phải tốn rất nhiều thời gian và cũng khó thể đạt được hiệu quả xử lý cao

Do đó, đối với các hạt có kích thước nhỏ, áp dụng nhiều phương pháp khác như keo tụ tạo bông, đông tụ sinh học, lọc qua màng,… đã được sử dụng

Keo tụ tạo bông là phương pháp hóa lý để tách các phần tử nhỏ ở dạng lơ lửng (pha phân tán) trong dòng lỏng (pha liên tục, thường là nước) bằng cách sử dụng hóa chất Trong đó, các hạt keo nhỏ lơ lửng trong nước nhờ tác dụng của chất keo tụ mà liên kết với nhau tạo bông cặn có kích thước lớn hơn và người ta có thể tách chúng ra khỏi nước dễ dàng bằng các phương pháp lắng trọng lực và tuyển nổi

1.1.2 Cơ chế của quá trình keo tụ

Tùy thuộc vào nguồn gốc xuất xứ, các hạt keo trong nước có thể mang điện tích dương hoặc âm Các hạt sét, các vi sinh vật, các acid humic và fulvic, các hợp chất hữu cơ khác trong nước thường mang diện tích âm Các hydroxit nhôm và sắt thường mang điện tích dương Nguyên nhân cơ bản làm dung dịch keo trong nước rất khó lắng là do dung dịch keo cùng loại có mang diện tích cùng dấu và sinh ra lực đẩy giữa chúng với nhau

Một nguyên nhân khác làm cho dung dịch keo khó lắng xuống là do ái lực của nó với các phân tử nước bao quanh “Hydrophilic” là thuật ngữ nói chung dành cho các hạt keo ưa nước “Hydrophobic” là thuật ngữ dành cho các hạt keo kị nước Các

hạt keo ưa nước thường có nguồn gốc vô cơ và là các hạt sét, các oxit kim loại Các hạt keo kị nước có nguồn gốc hữu cơ và là các vi sinh vật, các acid humic và fulvic

Điện thế trên bề mặt giữa lớp ngoài của lớp điện tích kép và lớp trong của lớp khuếch tán thường gọi là thế điện động zeta Giữa các hạt keo tồn tại lực hấp dẫn Van der Waals, lực hút và lực đẩy tĩnh điện Khả năng ổn định của hạt keo là kết quả tổng hợp của lực hút và lực đẩy Nếu lực hút thắng lực đẩy thì keo tụ rất dễ thực hiện

Khi thế điện động α lớn, dung dịch keo là ổn định Khi thế điện động zeta giảm dần tới 0, dung dịch keo mất ổn định và dễ dàng tập hợp lại thành đám lớn lắng xuống Trạng thái dung dịch keo khi thế điện động α = 0 được gọi là trạng thái đẳng điện và trị số pH ở trạng thái này được gọi là điểm đẳng điện Như vậy theo lý thuyết, nếu muốn quá trình keo tụ xảy ra thì thế điện động zeta cả dung dịch keo cần phải giảm thấp xuống dưới một giá trị tới hạn nào đó

Cơ chế mất ổn định:

Nén lớp điện tích kép: Quá trình đòi hỏi nồng độ cao của các ion trái dấu cho

vào để giảm thế điện động α Sự tạo bông nhờ trung hòa điện tích, giảm thế điện động Zeta làm cho lực hút mạnh hơn lực đẩy và tạo ra sự kết dính giữa các hạt keo

Hấp thụ và trung hóa diện tích: tạo ra điểm đẳng điện α = 0: các hạt keo hấp

phụ ion trái dấu lên bề mặt song song với cơ chế nén lớp điện tích kép nhưng cơ chế hấp phụ mạnh hơn Hấp phụ ion trái dấu làm trung hòa điện tích, giảm thế điện động α tạo ra khả năng kết dính giữa các hạt keo

Kết dính và lắng: Quá trình keo tụ do hấp phụ tĩnh điện thành từng lớp các

hạt keo đều tích điện, nhờ lực tĩnh điện chúng có xu thế kết hợp với nhau , Khi lắng, chúng hấp phụ cuốn theo các hạt keo khác, các cặn bẩn, các chất vô cơ, hữu cơ lơ lửng và hòa tan trong nước

Hấp phụ và tạo liên kết bắc cầu: Các polyme vô cơ hoặc hữu cơ (không

pHải Al hoặc Fe) có thể ion hóa, nhờ cấu trúc mạch dài chúng tạo ra cầu nối giữa các hạt keo

1.1.3 Các phương pháp keo tụ

Có 3 phương pháp keo tụ

1- Cho dung dịch keo mang điện tích ngược dấu vào nhằm trung hòa điện với dung dịch keo sẳn có trong nước, đưa đến thế điện động α của cả hai loại dung dịch keo đều giảm nhỏ

2- Cho các ion hóa trị cao có điện tích ngược dấu với dấu điện tích hạt keo vào nước để giảm thấp thế điện đông α của dung dịch keo này vì các ion phần hóa trị cao dễ từ lớp khuếch tán đi vào lớp hấp phụ

3- Tăng lớn nồng độ các loại muối trong nước làm nén nhỏ các lớp hấp phụ và khuếch tán của hạt keo Kết quả là rất nhiều ion trên bề mặt hạt keo sẽ sát lạ gần nhau đưa đến thế điện động zeta của dung dịch keo giảm nhỏ

Đối với quá trình keo tụ dùng phèn nhôm hoặc phèn sắt, 3 loại bông cặn sau có thể được hình thành:

- Loại thứ nhất: là tổ hợp các hạt keo tự nhiên bị phá vỡ thế điện động α, loại

này chỉ chiếm số lượng nhỏ

- Loại thứ hai: gồm các hạt keo mang diện tích trái dấu nên kết hợp với nhau

và trung hòa về điện tích Loại này không có khả năng kết dính và hấp phụ trong quá trình lắng tiếp theo và số lượng cũng không đáng kể

- Loại thứ ba: được hình thành từ các hạt keo do thủy phân chất keo tụ với các

anion có trong nước nên bông cặn có hoạt tính bề mặt cao, có khả năng hấp thụ các chất bẩn trong khi lắng và tạo các bông cặn lớn hơn Trong xử lý nước, loại bông cặn thứ ba chiếm ưu thế và quyết định hiệu quả của quá trình keo tụ

1.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng của quá trình keo tụ

1.1.4.1 Giá trị pH của nước

Ảnh hưởng của pH đến độ hòa tan của chất keo tụ như phèn nhôm hoặc phèn sắt

Phèn nhôm:

Đối với Al(OH)3 Đây là một hydroxyt lưỡng tính điển hình Trị số pH của nước quá cao hoặc quá thấp đều làm cho nó hòa tan, khiến lượng nhôm dư trong nước tăng lên

- Khi pH < 5,5: Al(OH)3 có tác dụng rõ ràng như một chất kiềm, Al3+ tăng nhiều: Al(OH)3 + 3H+ Al3+ + 3H2O

- Khi pH < 7,5: Al(OH)3 có tác dụng rõ ràng như một chất acid, Al3+ tăng nhiều Al(OH)3 + OH- AlO2- + 2H2O

- Khi pH > 9,0: độ hòa tan của Al(OH)3 nhanh chóng tăng lên gần như hoàn toàn Trong phạm vi giá trị pH từ 5,5 ÷ 7,5, lượng phèn nhôm dư trong nước đều rất nhỏ

Ảnh hưởng của pH đối với điện tích hạt keo: điện tích của hạt keo trong nước

có quan hệ với thành phần của ion trong nước, đặc biệt là các ion H+

Ảnh hưởng của pH đối với chất hữu cơ trong nước:

- Khi pH thấp, các hạt keo của acid humic và fulvic mang điện tích âm, do đó dễ dàng bị keo tụ bởi phèn nhôm hoặc phèn sắt

- Khi pH cao, các hạt keo của acid humic và fulvic mang diện tích dương, nên hiệu quả keo tụ bởi phèn nhôm hoặc phèn sắt sẽ giảm đáng kể

- Khi pH thích hợp là từ 6 ÷ 6,5

1.1.4.2 Liều lượng chất keo tụ

Quá trình keo tụ không phải là một loại phản ứng hóa học đơn thuần, nên lượng phèn cần cho vào không thể căn cứ vào tính toán để xác định Tùy điều kiện cụ thể khác nhau, phải thực nghiệm chuyên môn để tìm ra lượng phèn tối ưu cho vào

Lượng phèn tối ưu cho vào trong nước nói chung là 0,1 ÷ 0,5 mgđl/l, nếu dùng Al2(SO4)3.18H2O thì tương đương 10 ÷ 50 mg/l, nói chung vật huyền phù trong nước càng nhiều, lượng chất keo tụ cần thiết càng lớn Cũng có thể chất hữu cơ trong nước tương đối ít mà lượng keo tụ vẫn cần tương đối nhiều

1.1.4.3 Cường độ khuấy trộn

Tốc độ khuấy trộn tốt nhất là từ nhanh chuyển sang chậm Khi mới cho chất keo tụ vào thì phải khuấy nhanh vì sự thủy phân của chất keo tụ trong nước và tốc độ hình thành hệ keo rất nhanh Khuấy nhanh mới có khả năng tạo ra một lượng lớn hạt keo làm cho nó nhanh chóng khuếch tán đến các nơi trong nước Sau khi đã hình thành bông cặn, không nên khuấy nhanh vì không những làm cho bông cặn khó lớn lên mà có thể đánh vỡ chúng

1.1.4.4 Tạp chất trong nước

Các ion ngược dấu là một loại tạp chất ảnh hưởng đến quá trình keo tụ Khi trong nước thiên nhiên có chứa một lượng lớn các hợp chất hữu cơ cao phân tử, chúng có thể hấp phụ lên bề mặt của dung dịch keo, dẫn tới tác dụng bảo vệ dung dịch keo, làm cho quá trình keo khó khăn, hiệu quả keo tụ trở nên rất thấp Trong trường hợp này, có thể dùng biện pháp oxy hóa sơ bộ bằng các hợp chất của chlorine hoặc ozone để phân hủy các hợp chất hữu cơ này

1.1.4.5 Nhiệt độ nước

Khi dùng muối nhôm làm chất keo tụ, nhiệt độ nước ảnh hưởng lớn đến hiệu quả keo tụ Khi nhiệt độ nước rất thấp (nhỏ hơn 5oC), bông phèn sinh ra to mà xốp, chứa phần nước nhiều, lắng xuống chậm nên hiệu quả kém

Khi dùng nhôm sulfat tiến hành keo tụ nước thiên nhiên, nhiệt độ nước tốt nhất là 25 ÷ 30oC, khi dùng muối sắt làm chất keo tụ, ảnh hưởng của nhiệt độ nước đối với hiệu quả keo tụ không lớn

1.1.5 Các loại chất keo tụ

1.1.5.1 Phèn nhôm:

Công thức chung của phèn nhôm: Al2(SO4)3.nH2O - Phân loại:

• Phèn nhôm đơn: Al2(SO4)3.nH2O

• Phèn nhôm kép: MAl2(SO4)3.12H2O - Với M là các kim loại hóa trị 1 như Na+, K+, Ce+, Rb+, hoặc NH4+

- Loại phèn thường sử dụng dưới dạng Al2(SO4)3.18H2O

• Tính chất vật lý: dạng bột, màu hơi trắng ngà hoặc hơi vàng • Thành phần hóa học:

Bảng 1-1 Thành phần hóa học của phèn nhôm Al2(SO4)3.18H2O

Cơ chế keo tụ của phèn nhôm:Al2(SO4)3 + 6H2O = 2Al(OH)3 + 6 H+ +3SO42-

Ưu và nhược điểm của phèn nhôm

Ưu điểm

- Về mặt năng lực keo tụ ion nhôm (và cả sắt(III)), nhờ điện tích 3+, có năng lực keo tụ thuộc loại cao nhất (quy tắc Shulz-Hardy) trong số các loại muối ít độc hại mà loài người biết

- Muối nhôm ít độc, sẵn có trên thị trường và khá rẻ - Quy trình keo tụ bằng phèn nhôm trong thiết bị xử lý nước ngầm và xử lý nước mặt là tương đối đơn giản, dễ kiểm soát, phổ biến rộng rãi

- Tăng độ trong của nước sau khi lắng, kéo dài chu kỳ lọc và tăng chất lượng nước sau lọc

Nhược điểm

- Làm giảm đáng kể độ pH của nước sau xử lý, phải dùng vôi để hiệu chỉnh lại độ pH dẫn đến chi phí sản xuất tăng

- Khi quá liều lượng cần thiết thì hiện tượng keo tụ bị phá huỷ làm nước đục trở lại

Như vậy, khi độ đục của nước nguồn cao, nhôm sunfat kém tác dụng:

- Phải dùng thêm một số phụ gia trợ keo tụ, trợ lắng - Hàm lượng nhôm dư trong nước sau xử lý cao hơn so với khi dùng chất keo tụ khác và có thể cao hơn mức quy định (0,2 mg/l)

- Khả năng loại bỏ các chất hữu cơ tan và không tan cùng các kim loại nặng thường hạn chế

- Ngoài ra, có thể làm tăng lượng SO42-trong nước thải sau xử lý là loại có độc tính đối với vi sinh vật

- Loại phèn thường sử dụng dưới dạng FeSO4.7H2O

• Tính chất vật lý: dạng tinh thể, màu xanh nước biển • Thành phần hóa học:

Bảng 1-2 Thành phần hóa học của phèn sắt FeSO4.7H2O

Cơ chế keo tụ của phèn sắt:

- Sunfat sắt (II) được thêm vào nước: FeSO4.7H2O + 2OH- = Fe(OH)2 + SO42- + 7H2O - Sau đó, Fe(OH)2 bị oxy hóa thành dạng không tan: 4 Fe(OH)2 + O2 + 2 H2O = 4 Fe(OH)3

Ưu và nhược điểm của phèn sắt

1.1.5.3 PAC (Poly Aluminium Chloride)

- PAC có công thức chung là [Al2(OH)nCl6.nxH2O]m (trong đó m <=10, n<= 5)

- PAC có 2 dạng là lỏng và rắn khi sử dụng dạng rắn chỉ cần pha PAC dạng

rắn thành dung dịch 10% hoặc 20% bằng nước trong)

Tính chất vật lý và thành phần hóa học:

- Tính chất vật lý:dạng bột thô màu vàng nhạt hoặc vàng đậm, dễ tan trong nước

và kèm tỏa nhiệt, dung dịch trong suốt, có tác dụng khá mạnh về tính hút thấm

- Thành phần hóa học:

Bảng 1-3 Thành phần hóa học của PAC

(Nguồn : Công ty TNHH Một thành viên Hóa chất cơ bản miền Nam)

- Cơ chế keo tụ của PAC: Thông thường khi keo tụ chúng ta hay dùng muối

clorua hoặc sunfat của Al(III) hoặc Fe(III) - Khi đó: do phân ly và thủy phân ta có các hạt trong nước: Al3+; Al(OH)2+; Al(OH) phân tử và Al(OH)4-

- Ba hạt polime: Al2(OH)24+; Al3(OH)45+; Al13O4(OH)247+ và Al(OH)3 rắn

Trong đó:

- Al13O4(OH)247+ gọi tắt là Al13: là tác nhân gây keo tụ chính và tốt nhất - Với Fe(III) ta có các hạt: Fe3+; Fe(OH)2+; Fe(OH) phân tử và Fe(OH)4-

- Ba hạt polime: Fe2(OH)24+; Fe3(OH)45+ và Fe(OH)3 rắn

Ưu và nhược điểm của PAC

Ưu điểm

- Độ ổn định pH cao, dễ điều chỉnh pH khi xử lý vì vậy tiết kiệm được hóa chất dùng để tăng độ kiềm và các thiết bị đi kèm như bơm định lượng và thùng hóa chất so với sử dụng phèn nhôm

- Giảm thể tích bùn khi xử lý - Tăng độ trong của nước, kéo dài chu kỳ lọc, tăng chất lượng nước sau lọc - Liều lượng sử dụng thấp, bông cặn to, dễ lắng

- Ít ăn mòn thiết bị - PAC hoạt động tốt nhất ở khoảng pH = 6,5 ÷ 8,5 Do đó ở pH này các ion kim lại nặng đều bị kết tủa và chìm xuống đáy hoặc bám vào các hạt keo tạo thành

Hệ thống Jartest gồm 6 cốc beaker, dung tích mỗi cốc là 1 lít Mỗi cốc đều có động cơ và cánh khuấy riêng, các cánh khuấy có cấu tạo và kích thước giống nhau Vận tốc mỗi cánh khuấy có thể điều chỉnh được bằng năng lượng cấp vào và động cơ tương ứng Tùy theo mục đích thí nghiệm mà hệ thống sẽ vận hành ở các chế độ khác nhau Ví dụ, muốn xác định liều lượng chất keo tụ tối ưu thì lượng hóa chất cho vào các cốc sẽ khác nhau, các thông số còn lại giống nhau

Sau khi quá trình keo tụ kết thúc, nước đã tạo bông cặn ở sáu cốc được để yên từ 15 phút tới 1 giờ, tùy loại bông cặn Sau đó xác định chất lượng nước của từng cốc tùy theo độ màu, SS, COD,… Cốc nào có chất lượng nước tốt hơn là cốc đó có hiệu quả keo tụ tối ưu Với mục đích cụ thể sẽ có các thông số cụ thể

Trong quá trình xử lý bauxit bằng kiềm, khoảng 76 ÷ 93% hàm lượng alumin được phân giải trong dung dịch (NaAlO2) và phần còn lại là cặn bã

- Dung dịch (NaAlO2) có chứa Al2O3 hòa tan được hạ nhiệt đến nhiệt độ cần thiết và cho mầm Al(OH)3 để kết tủa Sản phẩm Al(OH)3 cuối cùng được lọc, rửa và nung cho mất nước để tạo thành Al2O3 thành phẩm

- Phần cặn bã gồm sắt, titania, gallium, vanadium, photpho, nickel, chromium và magnesium

Bùn đỏ hoặc quặng thải bauxit là cách gọi chất thải từ quá trình hòa tách khoáng sản alumin ngậm nước của bauxit được hòa tan với dung dịch kiềm NaOH Lượng Al2O3 hòa tan trong kiềm và được tách khỏi cặn không hòa tan gọi là bùn đỏ Bùn đỏ chứa các hạt thô (>106 µm), gọi là cát Số lượng hạt cát thay đổi từ 0,1 ÷ 50% trong chất thải hòa tách khác nhau, thông thường 5% Trong nhiều trường hợp hạt cát được tách ra khỏi trước khi gạn lọc và chuyển tới thiết bị rửa trong hệ thống tách Hạt cát có thể chứa quartz

Như vậy, thực chất bùn đỏ về cơ bản vẫn là các thành phần có ởquặng bauxit không hòa tan trong kiềm, nguyên tố có thêm chính là thành phần Na (vì sử dụng kiềm để hòa tan), hoặc Ca (nếu sử dụng CaO làm chất xúc tác) với lượng ít

Bảng 1-5 Thành phần hóa học pha rắn của bùn đỏ

Na2O.Al2O3.2SiO2.nH2O và hợp chất có thành phần dao động của CaO với các cấu tử Al2O3, Na2O và SiO2

Về thành phần cỡ hạt của bùn đỏ: Do bauxit trước khi đưa vào hòa tách phải nghiền đến cỡ hạt nhỏ và do quá trình tự vỡ vụn nên bùn đỏ thường có cỡ hạt từ mịn đến rất mịn Đa phần bùn đỏ có cấp hạt 100% dưới sàng là 100 μk, bùn đỏ (bauxit Jamaica) cấp dưới sàng 44 μk chiếm tới 90%

Bảng 1-6 Thành phần hóa học pha lỏng của bùn đỏ

1.2.2 Khối lượng bùn đỏ phát sinh

- Bùn đỏ là chất thải không thể tránh khỏi trong quá trình sản xuất Alumin, là sản phẩm phụ chủ yếu từ quá trình hòa tách trong sản xuất Alumin theo công nghệ Bayer Khối lượng và chất lượng bùn đỏ rất khác nhau tại các nhà máy sản xuất Khối lượng bùn đỏ dao động từ 0,4 ÷ 2 tấn (tấn khô) cho 1 tấn Alumin sản phẩm, trước tiên phụ thuộc vào chất lượng bauxit đầu vào

- Với quy hoạch phát triển bauxit ở Tây Nguyên đến năm 2015 mỗi năm sản xuất khoảng 7 triệu tấn Alumin, tương đương với việc thải ra môi trường 10 triệu tấn bùn đỏ Đến năm 2025 là 15 triệu tấn Alumin tương đương với 23 triệu tấn bùn đỏ Cứ thế sau 10 năm sẽ có 230 triệu tấn và sau 50 năm sẽ có 1,15 tỷ tấn bùn đỏ tồn đọng trên vùng Tây Nguyên

1.2.3 Các phương pháp xử lý bùn đỏ Các phương pháp xử lý bùn đỏ hiện nay đang được áp dụng hiện nay:

- Tái sử dụng: chất thải bùn đỏ để sản xuất các sản phẩm ứng dụng trong các

lĩnh vực như:

• Sản xuất chất keo tụ trong xử lý nước thải • Sản xuất vật liệu xây dựng: gạch, ngói, xi măng, bê tông,… • Các lĩnh vực khác: làm đường, thu hồi các kim loại trong bùn đỏ (nhôm, sắt,

2- Phương pháp hóa học: bùn đỏ được đốt khi với than rồi ép để làm đặc, sau

đó đóng gói cho vào lò đốt bằng gas và than cốc

Tồn trữ và thải bỏ:

1- Tồn trữ: bùn đỏ tồn trữ cần đảm bảo các yêu cầu sau: nơi chứa kín, tránh ô

nhiễm đến nguồn nước, đất trồng và môi trường không khí ở khu dân cư lân cận; bãi chứa gần nhà máy để giảm chi phí vận chuyển

2- Thải bỏ: thải xuống biển, sông (hiện nay đã bị cấm), thải bùn trên đất liền

Việc lựa chọn các phương án xử lý bùn đỏ sau thải được thực hiện tùy theo các nhà máy sản xuất Alumin cụ thể

1.2.4 Công nghệ sản xuất phèn hỗn hợp từ bùn đỏ

1.2.4.1 Sơ đồ công nghệ

Sơ đồ công nghệ

Hình 1.1 Sơ đồ công nghệ sản xuất phèn hỗn hợp từ bùn đỏ

Thuyết minh sơ đồ công nghệ

- Bùn đỏ được đưa vào thùng khuấy trộn, thêm nước vào và khuấy trộn trong khoảng 10 ÷ 15 phút để trở thành dung dịch huyền phù Sau đó, bơm dung dịch huyền phù vào thiết bị phản ứng, khuấy đều Cho từ từ axit H2SO4 98% vào thiết bị phản ứng Sau thời gian phản ứng 3 ÷ 4 giờ, sắt và nhôm trong bùn đỏ chuyển thành muối sunfat theo phương trình:

Fe2O3 + 3H2SO4 → Fe2(SO4)3 + 3H2O Al2O3 + 3H2SO4 → Al2(SO4)3 + 3H2O - Tại thiết bị phản ứng, phản ứng hóa học xảy ra rất mãnh liệt và tỏa nhiệt Nhiệt độ ban đầu 115 ÷ 120oC và giảm còn 100oC sau 3 giờ Hơi axit được thu gom và xử lý bởi hệ thống lọc khí

- Sau đó, hỗn hợp phèn được xả qua thiết bị lọc chân không Các thiết bị phản ứng và lọc được bảo ôn để giữ nhiệt, giúp cho quá trình phản ứng và lọc diễn ra dễ dàng Do nhiệt độ cao nên phèn không bị kết tinh và quá trình lọc diễn ra dễ dàng Dung dịch thu được sau lọc chính là dung dịch phèn hỗn hợp

- Phần bã lọc tại thiết bị lọc chân không được rửa nhiều bằng nước sạch nhằm tận thu triệt để phần phèn còn lại trong bã Phần lỏng sau khi rửa bã được hoàn lưu trở lại thùng trộn bùn đỏ, do đó, không thải ra ngoài

- Dung dịch hỗn hợp các chất keo tụ được làm nguội tự nhiên trong khay chứa, lúc này phèn kết tinh Hỗn hợp phèn tinh thể được tách khỏi dung dịch nhờ máy ly tâm

- Sau quá trình ly tâm bùn thu được ở 2 dạng: phèn hỗn hợp dạng tinh thể màu nâu đỏ và dung dịch phèn hỗn hợp lỏng màu vàng

1.2.4.2 Quy trình vận hành

Nguyên liệu và chế độ vận hành cần thiết để đạt được chất lượng sản phẩm cao nhất:

- Bùn đỏ: 600 kg/mẻ - Tỷ trọng huyền phù (nước + bùn đỏ): 1,25 ÷ 1,28 - Lượng axit: tỷ lệ khối lượng axit/ khối lượng bùn khô: 1,58 ÷ 1,67 - Thời gian phản ứng: 3 giờ

- Nhiệt độ phản ứng: 100oC ÷ 115oC - Thời gian lọc: 10 giờ (nhiệt độ lọc 100oC)

1.2.5 Thông số kỹ thuật của phèn hỗn hợp sản xuất từ bùn đỏ

Sản phẩm phèn thu được từ quá trình sản xuất thu được ở 2 dạng: phèn lỏng và phèn tính thể

Phèn lỏng

• Tính chất vật lý: phèn lỏng có màu vàng, có nồng độ bão hòa ở nhiệt độ

thường, tỷ trọng 1,4 ÷ 1,45

• Thành phần hóa học của phèn hỗn hợp ở dạng lỏng: Bảng 1-7 Thành phần hóa học của phèn hỗn hợp ở dạng lỏng

1.2.6 Các nghiên cứu trước đây về sản xuất và ứng dụng của phèn hỗn hợp

Nguyễn Văn Phước (2012), trong báo cáo đề tài “Nghiên cứu hoàn thiện quy trình sản xuất phèn hỗn hợp từ bùn đỏ phục vụ công tác bảo vệ môi trường của chế biến alumina”, đã đưa ra quy trình sản xuất phèn hỗn hợp dạng rắn và lỏng trong các điều kiện tối ưu, sản phẩm có tính năng ổn định với hiệu suất phản ứng đạt 86,5% , tỷ lệ khối lượng acid/bùn khô từ 1,58 ÷ 1,67 sau 4 giờ phản ứng, đồng thời sản xuất thử nghiệm 1 tấn/mẻ Khi khảo sát về khả năng sử dụng phèn hỗn hợp từ bùn đỏ trong xử lý độ màu đối với một số loại nước thải, kết quả cho thấy khả năng xử lý đạt hiệu quả cao ở khảng pH từ 5,0 ÷ 6,5 với hàm lượng là 0,4 ÷ 1,4 kg/m3

nước thải (tùy thuộc vào từng loại nước thải) Hiệu quả xử lý tương đương với phèn nhôm và khả quan hơn phèn sắt Chi phí xử lý thấp hơn 20 ÷36% so với sử dụng phèn nhôm và phèn sắt [3]

Trần Minh Hải (2002), trong luận văn thạc sĩ “Đề xuất công nghệ xử lý và tận dụng bùn đỏ của Nhà máy hóa chất Tân Bình”, đã khẳng định sản phẩm keo tụ điều

chế từ bùn đỏ (phèn hỗn hợp) dạng sunfate có khả năng ứng dụng vào việc xử lý nước thải rỉ từ bãi rác và nước thải dệt nhuộm phân tán với kết quả xử lý tương đương phèn nhôm nhưng giá thành xử lý thấp hơn trên 20% [5]

Trần Minh Bảo (2011), trong luận văn thạc sĩ “Nghiên cứu sử dụng bã thải (bùn đỏ) của Nhà máy hóa chất Tân Bình để điều chế chất keo tụ (phèn dạng chlorua), kết hợp khử màu và COD trong nước thải nhà máy sản xuất cồn từ mật rỉ đường”, đã đưa ra các thông số về thời gian phản ứng khoảng 4 giờ, liệu lượng axit HCl (992,75kg/tấn bùn đỏ) và nhiệt độ làm kết tính phèn (khoảng 110oC) Tác giả cũng đã đánh giá hiệu quả xử lý COD và khử màu của nước thải nhà máy sản xuất cồn bằng chất keo tụ vừa được điều chế được, đạt kết quả tối ưu ở pH = 8 và liều lượng phèn hỗn hợp sử dụng khoảng 15 ÷ 20g/l [6]

Gh

cácvà

CHƯƠNG1 SƠ ĐỒ N

hi chú: (*) s

Từ việcc loại nước

chi phí xử l

G 2: VẬTNGHIÊN C

so sánh hiệ

c so sánh hithải đã nêulý

T LIỆU VCỨU

ệu quả xử lý

Hình 2

iệu quả xửu trên có th

VÀ PHƯƠ

ý độ màu,

2.1 Sơ đồ ngh

lý độ màu, ể suy ra đư

ƠNG PH

SS, COD

hiên cứu

SS, COD, ược hiệu qu

HÁP NGH

của từng loả xử lý của

HIÊN CỨ

oại phèn đốa từng loại p

ỨU

i với phèn

2.2 NGUYÊN LIỆU - MÔ HÌNH

2.2.1 Phèn nhôm

Loại phèn được sử dụng là Al2(SO4)3.18H2O là sản phẩm Công ty TNHH Một thành viên hóa chất cơ bản miền Nam, 22 Lý Tự Trọng, phường Bến Nghé, quận 1, Tp Hồ Chí Minh

• Tính chất vật lý: dạng bột, màu hơi trắng ngà • Thành phần hóa học:

Bảng 2-1 Thành phần hóa học của phèn nhôm Al2(SO4)3.18H2O

Bảng 2-2 Thành phần hóa học của phèn hỗn hợp từ bùn đỏ

2.2.3 Các loại nước thải

Đối với quá trình keo tụ tạo bông dùng xử lý nước thải, các chỉ tiêu đáng quan tâm khi áp dụng bao gồm pH, SS, COD Quá trình keo tụ tạo bông chủ yếu xử lý tốt những chỉ tiêu này Trong quá trình loại bỏ tạp chất đồng thời làm giảm COD và SS trong nước thải Vì vậy trong quá trình kiểm chứng khả năng xử lý của 2 loại phèn đối với các loại nước thải khác nhau thì đề tài tập trung đánh giá trên các chỉ tiếu chính là COD và SS đề so sánh hiệu quả xử lý trên 2 loại phèn