Nghiên cứu xử lý chất màu hữu cơ của nước thải nhuộm bằng phương pháp keo tụ điện hóa

Nghiên cứu xử lý chất màu hữu cơ của nước thải nhuộm bằng phương pháp keo tụ điện hóa Bộ tài liệu sưu tập gồm nhiều Bài tập THCS, THPT, luyện thi THPT Quốc gia, Giáo án, Luận văn, Khoá luận, Tiểu luận…và nhiều Giáo trình Đại học, cao đẳng của nhiều lĩnh vực: Toán, Lý, Hoá, Sinh…. Đây là nguồn tài liệu quý giá đầy đủ và rất cần thiết đối với các bạn sinh viên, học sinh, quý phụ huynh, quý đồng nghiệp và các giáo sinh tham khảo học tập. Xuất phát từ quá trình tìm tòi, trao đổi tài liệu, chúng tôi nhận thấy rằng để có được tài liệu mình cần và đủ là một điều không dễ, tốn nhiều thời gian, vì vậy, với mong muốn giúp bạn, giúp mình tôi tổng hợp và chuyển tải lên để quý vị tham khảo. Qua đây cũng gởi lời cảm ơn đến tác giả các bài viết liên quan đã tạo điều kiện cho chúng tôi có bộ sưu tập này. Trên tinh thần tôn trọng tác giả, chúng tôi vẫn giữ nguyên bản gốc.

TUYỂN TẬP LUẬN ÁN-LUẬN VĂN KHÓA LUẬN

XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ

I ĐẶT VẤN ĐỀ

Ô nhiễm môi trường là vấn đề đang được nhiều người, nhiều ngành, nhiều quốcgia quan tâm Nhiều hội nghị quốc tế cấp cao được tổ chức để cùng nhau tìm giảipháp, gìn giữ cho chính mình một môi trường trong sạch Nhiều bằng chứng đã thểhiện sự “quá tải” của môi trường cũng như cân bằng tự nhiên bị phá vở

Trong quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đất nước, nền kinh tế Việt Nam

đã có nhiều khởi sắc, đời sống người dân dần dần được cải thiện Nhưng đổi lại, nguồntài nguyên thiên nhiên cạn kiệt dần, chất thải từ sản xuất công nghiệp ngày càng nhiều,càng ngày càng khó xử lý…, làm cho môi trường càng ngày càng xấu đi, sức khỏecộng đồng và hệ sinh thái bị đe dọa nghiêm trọng

Sản xuất công nghiệp, thủ công nghiệp đã thải ra môi nhiều chất gây ô nhiểmmôi trường nước, khí và môi trường đất, trong đó có rất nhiều chất thải nguy hại.Riêng công nghiệp dệt nhuộm đã thải ra môi trường một lượng nước đáng kể chứanhiều chất độc hại và chất hữu cơ tạo màu

Vì vậy, để có một giải pháp môi trường thích hợp là rất cần thiết Đây là vấn đề

mà các nhà quản lý môi trường, các nhà công nghệ đã và đang hết sức quan tâmnghiên cứu

Để góp một phần nhỏ của mình vào công cuộc bảo vệ môi trường, tôi mạnh

dạng chọn đề tài: “Nghiên cứu xử lý chất màu hữu cơ của nước thải nhuộm …bằng

phương pháp keo tụ điện hóa”

Chương 1 TỔNG QUAN LÝ THUYẾT

1.1- Tổng quan khái quát về ngành công nghiệp dệt may Việt Nam, nước thải dệt nhuộm và thuốc nhuộm sử dụng trong công nghệ dệt nhuộm

1.1.1- Khái quát về ngành công nghiệp dệt may Việt Nam

Là một trong những ngành trọng điểm của nền công nghiệp nước ta, ngành dệt

may Việt Nam hiện nay đang được xem là ngành sản xuất mũi nhọn và có tiềm lựcphát triển khá mạnh Với những lợi thế riêng biệt như vốn đầu tư không lớn, thời gianthu hồi vốn nhanh, thu hút nhiều lao động và có nhiều điều kiện mở rộng thị trườngtrong và ngoài nước Ngành cung cấp các mặt hàng thiết yếu cho xã hội, giải quyếtviệc làm cho một lực lượng lớn lao động, đồng thời đã mang lại nguồn ngoại tệ lớn từxuất khẩu và đóng góp một nguồn thu cho ngân sách Nhà nước Giá trị sản xuất côngnghiệp của ngành chiếm bình quân trên 9% toàn ngành công nghiệp, kim ngạch xuấtkhẩu chiếm 14,6% so với tổng kim ngạch xuất khẩu cả nước và đã tạo việc làm chogần một triệu lao động công nghiệp

Việt Nam hiện có hơn 1000 nhà máy dệt may, thu hút trên 50 vạn lao động,chiếm đến 22% tổng số lao động trong toàn ngành công nghiệp Sản lượng sản xuấthàng năm tăng trên 10% nhưng quy mô còn nhỏ bé, thiết bị và công nghệ khâu kéo sợi

và dệt vải lạc hậu, không cung cấp được vải cho khâu may xuất khẩu Những năm qua,tuy đã nhập bổ sung, thay thế 1.500 máy dệt không thoi hiện đại để nâng cấp mặt hàng

dệt trên tổng số máy hiện có là 10.500 máy, thì cũng chỉ đáp ứng khoảng 15% côngsuất dệt Kế hoạch tăng trưởng của ngành công nghiệp dệt may : đạt sản lượng đến 1

tỷ mét vải các loại vào năm 2015, đầu tư tài chính trong 5 năm tới khoảng 3 tỷ USD,tốc độ tăng trưởng bình quân 17%/năm, kim ngạch xuất khẩu đạt 10-11 tỷ USD/năm,thu hút trực tiếp 2 triệu lao động tham gia

Đặc điểm của ngành dệt may là được phân bố và phát triển trên toàn vùng lãnhthổ của Việt Nam Tập trung với mật độ cao ở hai thành phố lớn: Hà Nội, Hồ ChíMinh và các thành phố ở khu vực miền trung như Đà Nẵng, Huế, Nha Trang

Vì phải sử dụng nhiều lao động, nên ngành dệt may thường được xây dựng cạnhnhững khu đông dân cư Do quá trình đô thị hóa diễn ra nhanh chóng nên có nhiềudoanh nghiệp dệt may hiện nay đang nằm giữa các khu dân cư, khu đô thị lớn Quátrình đô thị hóa trong 10 năm qua đã biến những khu công nghiệp dệt may trước đâynằm bên cạnh khu dân cư thì ngày nay đang nằm ở trung tâm của những khu dân cưđông đúc Đặc điểm này làm cho áp lực về ô nhiễm môi trường ngày một gia tăng đốivới các doanh nghiệp dệt may Việt Nam Sự phân bố quá tập trung, xem kẽ khu dân cưcàng làm tăng thêm phần bức bách sự ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng lớn đến sứckhỏe cộng đồng

1.1.2- Vài nét về nước thải dệt nhuộm

1.1.2.1- Thành phần và tính chất trong nước thải dệt nhuộm

Dệt nhuộm là một trong những ngành đòi hỏi sử dụng nhiều đến nước và hóachất Các kết quả phân tích đặc điểm nước thải cho thấy:

+ Lượng nước thải thường lớn (khoảng 50 đến 300 m3 nước cho 1 tấn hàng dệt)

chủ yếu từ công đoạn dệt nhuộm và nấu tẩy

+Dòng thải dệt thay đổi từ ngày này qua ngày khác và thậm chí thay đổi theo giờ ,dovậy rất khó xác định được đặc tính Sự biến động đáng kể nhất gồm màu của nước thải

và loại thuốc nhuộm có trong nước thải Màu đậm của nước thải nhuộm là thành phầnkhó xử lý nhất Dòng nước thải chứa rất nhiều hợp chất như khi phân tích dòng nướcthải từ bốn nhà máy, đã nhận diện được 314 hợp chất, trong số đó có 94 hợp chất xácđịnh được một phần cấu trúc, và phát hiện thêm 107 hợp chất chưa được biết đến Cácchất gây ô nhiễm trong dòng thải dệt là các hợp chất hydrocacbon thơm được clo hoá

Sử dụng nước (l/kg) 297 277 297

+ Nước thải chứa hỗn hợp phức tạp các hoá chất dư thừa (phẩm nhuộm, chất hoạtđộng bề mặt, chất điện ly, chất ngậm, chất tạo môi trường, men, chất oxy hoá) dướidạng các ion, các kim loại nặng và các tạp chất tách ra từ xơ sợi:  Nước thải tẩy giặt có pH dao động từ 9 đến 12, hàm lượng chất hữu cơ cao (COD

có thể lên tới 1000 - 3000 mg/l) Ðộ màu của nước thải khá lớn ở những giai đoạn tẩyban đầu, hàm lượng cặn lơ lửng đạt giá trị 2000 mg/l  Nước thải nhuộm thường không ổn định và đa dạng (hiệu quả hấp thụ thuốcnhuộm của vải chỉ đạt 60 - 70%, 30 - 40% các phẩm nhuộm thừa ở dạng nguyên thuỷhoặc bị phân huỷ ở một dạng khác, do đó nước có độ màu rất cao, COD thay đổi từ 80đến 18.000 mg/l Các phẩm nhuộm hoạt tính, hoàn nguyên, thường thải trực tiếp ramôi trường, lượng phẩm nhuộm thừa lớn dẫn đến gia tăng chất hữu cơ và độ màu Bảng 1.2 chỉ ra các đặc tính của dòng thải từ các hoạt động trong quá trình sảnxuất ngành dệt

Quá trình Thành phần dòng thải Bản chất

Hồ sợi dọc Tinh bột, sáp, xenlulo cacboxyl

(CMC), polyvinyl alcohol(PVA), các chất ngấm

Nồng độ BOD và COD cao

Nồng độ muối và các chất rắn lơlửng cao

Làm bóng Natri hydroxit, sáp bông pH cao, BOD thấp, nồng độ các

chất rắn hoà tan cao

Nhuộm Các thuốc nhuộm, ure, các chất

khử, các chất ôxy hoá, axitaxetic, các chất tẩy rửa, các chấtngấm

Có màu đậm, nồng độ BOD cao,chất rắn hoà tan, nồng độ các chấtrắn lơ lửng thấp, kim loại nặng

In Hồ in, ure, tinh bột, gôm, dầu,

các chất tạo màng, các axit, cácchất hồ, các chất tạo liên kếtngang, các chất khử, kiềm

Mầu đậm, BOD cao, có váng dầu,chất rắn lơ lửng

Xử lý hoàn tất Các muối vô cơ, formaldehit Kiềm nhẹ, BOD thấp

+ Mức độ ô nhiễm của nước thải dệt nhuộm phụ thuộc rất lớn vào loại và lượng hoáchất sử dụng, vào kết cấu mặt hàng sản xuất (tẩy trắng, nhuộm, in hoa ), vào tỷ lệ sửdụng sợi tổng hợp, vào loại hình công nghệ sản xuất (gián đoạn, liên tục hay bán liêntục), vào đặc tính máy móc thiết bị sử dụng

1.1.2.2- Các chất rắn trong nước thải dệt nhuộm

Chất thải rắn của ngành công nghiệp dệt may bao gồm các loại:

-Xỉ than của lò hơi

-Các phê liệu như vải vụn, bụi bông, bao bì…

-Các loại hóa chất: thuốc nhuộm, chất tẩy rửa…bị hỏng

-Các loại phế liệu của ngành cơ khí…

Mỗi năm lượng chất thải rắn khoảng 300-500 ngàn tấn Lượng chất thải rắn được cácdoanh nghiệp chú trọng thu gom, phân loại, một phần được tái sử dụng còn chủ yếuđược chôn lấp Trong các loại chất thải rắn có khoảng 50 tấn hóa chất thuốc nhuộmgồm rất nhiều chủng loại khác nhau được nhập về từ thời bao cấp đến nay không thểđưa vào sản xuất được Đây là vấn đề khó giải quyết nhất cho những nhà quản lý củangành

1.1.2.3- Các thông số đánh giá chất lượng nước thải dệt nhuộm

Nước thải sau xử lý đạt loại B theo tiêu chuẩn 5945-2005

Theo thuyết mang màu của hợp chất hữu

màu do chúng chứa các nhóm mang màu trong phân tử, đó là những nhóm nguyên tửchưa bão hòa hóa trị Đặc biệt đối với cấu trúc của hợp chất hữu cơ là mạch nguyên tửcacbon liên kết với nhau bằng những liên kết đôi và đơn xen kẽ :

…-CH=CH-CH=CH-…

Bằng thí nghiệm, người ta cũng đã thấy được điều quan trọng nhất trong ảnh hưởngcủa các phần cấu trúc phân tử đến màu của hợp chất Khi kéo dài mạch của các liênkết đôi liên hợp dẫn đến sự chuyển từ không màu hay nhạt màu đến các màu sẫm, ví

dụ :

C6H5-(CH=CH)-C6H5 (stinben) : không màu

C6H5-(CH=CH)3-C6H5(diphenylhexatrien) : vàng

C6H5-(CH=CH)6-C6H5(diphenyldodecahexaen) : da cam nâu

Những nhóm chức có khả năng gây màu cho chất hữu cơ gọi là các nhóm mang màu,

nhóm cacbonyl =C=O

Ngoài nhóm mang màu cần thiết , khi đưa thêm vào phân tử của chất mang một nhómnguyên tử gọi là “nhóm trợ màu” thì màu của hợp chất sẽ sâu hơn và sẽ có khả năngnhuộm màu cho một số vật liệu thích hợp Trong các nhóm trợ màu thì quan trọng hơn

cả là : -OH, -NH2, -N(CH3)2, -N(C2H5)2

Như vậy trong các đặc điểm cấu trúc của phân tử chất hữu cơ, những đặc điểm sau có

ý nghĩa đối với sự xuất hiện màu ở chất :

+ Mạch gồm những liên kết đôi và đơn xen kẽ

+ Sự có mặt các nhóm hay các nguyên tử hút hoặc nhường electron của chúng cho hệelectron chung của phân tử

+ Các nguyên tử trong phân tử cần phải nằm trong một mặt phẳng (hoặc rất gần vớitrạng thái này)

1.1.3.2- Phân loại, đặc điểm của thuốc nhuộm

Hiện nay nước ta chưa có công nghệ sản xuất thuốc nhuộm, hầu hết các loạithuốc nhuộm sử dụng cho ngành dệt nhuộm và các ngành khác đều phải nhập ngoại.Một vài cơ sở nhỏ trong nước sản xuất các loại bột màu vô cơ, hữu cơ từ nguyên liệungoại nhập

Trong kỹ thuật, người ta phân biệt thuốc nhuộm là những chất mang màu hữu cơkhi tiếp xúc với vật liệu khác thì có khả năng bắt màu và giữ màu trên vật liệu nhờ cáclực liên kết vật lý và hóa học Bột màu có thể vô cơ hoặc hữu cơ không tan trong nước,không có khả năng bám dính vào vật liệu bằng các lực liên kết mà chỉ bằng các lực cơhọc hoặc màng Đến nay, có hai cách phân loại thuốc nhuộm:

-Theo cấu tạo hóa học: căn cứ những điểm giống nhau trong cấu tạo hóa học củachúng Cách phân loại này thường được sử dụng đối với các nhà sản xuất, nghiên cứu

-Phân loại dựa vào tính chất và kỹ thuật sử dụng thuốc nhuộm Người sử dụng thườngdùng cách phân loại này

Để có phương án thích hợp xử lý các thuốc nhuộm trong nước thải dệt nhuộm, việchiểu rõ các tính chất của các loại thuốc nhuộm là hết sức quan trọng Theo phân lớp kỹthuật, người ta phân thành 2 phân lớp: hòa tan trong nước và không hòa tan

 Thuốc nhuộm hòa tan

-Thuốc nhuộm trực tiếp (direct dyes) :

Là những hợp chất màu hòa tan trong nước, có khả năng tự bắt màu vào một số vậtliệu như : các xơ xenlulo, giấy , tơ tằm…một cách trực tiếp nhờ các lực hấp phụ trongmôi trường trung tính hoặc kiềm Hầu hết các thuốc nhuộm trực tiếp thuộc về nhómazo, có dạng tổng quát là Ar-SO3Na Lượng thuốc nhuộm trực tiếp khó hòa tan ở nhiệt

độ dưới 250C, có thể hòa tan tối đa là 40g/l, thường chỉ đạt từ 20-25g/l Do có khảnăng tự bắt màu, công nghệ nhuộm đơn giản và rẻ nên phẩm màu trực tiếp được sửdụng trong các lĩnh vực khác nhau: trong ngành dệt, nhuộm giấy, nhuộm da thuộc, chếmực viết…Về màu sắc, chúng có đủ các gam màu

-Thuốc nhuộm axit (acid dyes ) :

Có công thức tổng quát giống như thuốc nhuộm trực tiếp, nhưng phân tử nhỏ hơnnhiều lần nên khả năng hòa tan trong nước tốt hơn Chúng bắt màu vật liệu trong môitrường axit

Thuốc nhuộm axit cũng có đủ gam màu Trong môi trường axit, chúng liên kết vào vậtliệu bằng mối liên kết ion theo phương trình tổng quát như sau:

Ar-SO3Na + Ar1-NH3 Cl- = Ar-SO3-H3N+-Ar1 + NaCl

Với Ar là ký hiệu gốc thuốc nhuộm, Ar1 là ký hiệu cho vật liệu in hoa

-Thuốc nhuộm hoạt tính (reactive dyes)

Là những hợp chất màu mà trong phân tử của chúng có chứa các nhóm nguyên tử cóthể thực hiện mối liên kết hóa trị với vật liệu nói chung và xơ dệt nói riêng trong quátrình nhuộm Nhờ vậy mà chúng có độ bền màu cao với gia công ướt và nhiều chỉ tiêukhác nữa Hầu hết thuốc nhuộm hoạt tính hòa tan tốt trong nước và bắt màu vào vậtliệu trong môi trường kiềm

Thuốc nhuộm hoạt tính có công thức tổng quát : S-Ar-T-X với S là nhóm tạo cho phân

tử thuốc nhuộm có tính tan; Ar là gốc thuốc nhuộm; T là nhóm mang nguyên tử phảnứng; X là nguyên tử ( nhóm) phản ứng

-Thuốc nhuộm bazơ-cation (bazic-dyes)

Khác với các loại thuốc nhuộm trên, khi hòa tan trong nước chúng phân ly thành phầnmàu mang điện tích dương Chúng hòa tan tốt trong nước, cường độ màu mạnh và có

đủ các gam màu

Nhược điểm cơ bản của loại thuốc nhuộm này là chúng kém bền với giặt và ánh sáng,nên dùng chủ yếu để nhuộm và in giấy các loại, công nghiệp ấn loát và mực in, mâytre, lụa tơ tằm…

 Thuốc nhuộm không hòa tan trong nước

-Thuốc nhuộm hoàn nguyên không tan (vat dyes)

Là những hợp chất màu hữu cơ không hòa tan trong nước, tuy có cấu tạo hóahọc và màu sắc khác nhau nhưng chúng có chung một tính chất, là đều chứa các nhómxeton trong phân tử và có dạng tổng quát là: R=C=O Khi bị khử, dạng không tan này

sẽ chuyển về dạng lâycô axit, nó chưa tan trong nước nhưng tan trong kiềm và chuyểnthành dạng lâycô bazơ Do ái lực lớn với xơ và hòa tan trong nước nên nó hấp phụ rấtmạnh vào xơ xenlulo, mặt khác nó lại dễ bị thủy phân và oxi hóa về dạng không tanban đầu Toàn bộ quá trình này được trình bày như sau :

lâycô axit lâycô bazơ

-Thuốc nhuộm hoàn nguyên tan

Loại thuốc nhuộm này có công thức tổng quát: Ar-CO-SO3Na (Ar là ký hiệu gốc thuốcnhuộm) Tất cả những thuốc nhuộm loại này đều tan tốt trong nước

+ [H]

+H2O+ NaOH+ [O]

-Thuốc nhuộm lưu huỳnh (sulfur dyes)

Là những hợp chất màu không tan trong nước và một số dung môi hữu cơ, nhưngtrong dung dịch kiềm của Na2S thì nó bị khử để chuyển về dạng lâycô bazơ hòa tantrong nước Công nghệ tổng hợp thuốc nhuộm lưu huỳnh không quá phức tạp, giáthành rẻ

-Thuốc nhuộm phân tán (disperse dyes)

Là những hợp chất màu không tan trong nước do không chứa các nhóm có tính tannhư –SO3Na, -COONa Độ hòa tan trong nước rất thấp, khoảng 0,2-8 mg/l ở 250C.Trong phân tử có chứa nhóm amin ở dạng tự do hoặc ankyl hóa nên thuốc nhuộmtrung tính hay có tính bazơ yếu

-Thuốc nhuộm picmen

Là những chất màu không hòa tan trong nước, trong các dung môi hữu cơ, không có

ái lực với xơ sợi và các vật liệu khác Để picmen có thể bám vào vật liệu khi in người

ta phải dùng một chất tạo màng, đó là nhựa cao phân tử bán da tụ được chế sẵn dạngnhũ tương

-Thuốc nhuộm azô không tan

Trong phân tử có chứa nhóm azô (-N=N-) nhưng không chứa các nhóm tan như

–SO3Na, -COONa nên chúng không hòa tan trong nước Thuốc nhuộm có màu tươi,bền với giặt, giá thành thấp, nhuộm và in đơn giản

1.1.3.3- Cơ chế xuất hiện màu của chất hữu cơ

Khi các bức xạ tử ngoại, khả kiến hay hồng ngoại tác động vào các phân tử hữu

cơ sẽ gây ra một vài hiệu ứng: gây ra sự chuyển động của phân tử nói chung, mà cơbản là chuyển động quay của nó; làm tăng năng lượng dao động của các phần riêngbiệt của phân tử; tạo ra năng lượng để chuyển các electron từ mức năng lượng cơ bảnsang mức năng lượng cao hơn (kích thích)

Trong nguyên tử, các electron bên ngoài dễ thay đổi trạng thái hơn, để kích thíchchúng cần những phần năng lượng bé Có 2 kiểu liên kết cơ bản của các nguyên tửcacbon trong các phân tử hữu cơ là liên kết σ và liên kết π

Liên kết σ là liên kết bền, được hình thành do 2 obitan electron của 2 nguyên tử chephủ nhau, tạo ra một đám mây gồm 2 electron tập trung dọc theo đường thẳng nối liềnhai hạt nhân của hai nguyên tử gần nhau

Liên kết π được hình thành do sự xen phủ bên của các obitan electron p nằm song songvới nhau Khi đó hình thành những hệ thống trong đó các electron π có khả năng dichuyển khá tự do từ nguyên tử này sang nguyên tử khác Độ linh động của cácelectron π giữa hai nguyên tử cacbon cũng đúng đối với những cấu trúc có các liên kết

π giữa cacbon và nitơ, giữa 2 nguyên tử nitơ,…

Sự chuyển sang trạng thái kích thích đi đôi với sự phân bố lại mật độ electron gây

ra sự phân cực phân tử Do vậy mà hiệu số các mức năng lượng giữa trạng thái cơ bản

và trạng thái kích thích giảm xuống Năng lượng cần để kích thích trở nên bé hơn, tạođiều kiện cho sự hấp phụ chọn lọc những lượng tử năng lượng ánh sáng có nhữngbước sóng nằm trong miền phổ của ánh sáng khả kiến Khả năng phân cực tăng mạnhkhi hai đầu của hệ liên hợp …-CH=CH-CH=CH-… có những nhóm thế làm cho cácelectron di chuyển dễ dàng.

Như vậy tất cả những biến đổi cấu trúc nào mà không phá vỡ cấu tạo phẳng củaphân tử và thúc đẩy sự di chuyển hệ electron π của phân tử, sự phân cực của phân tử

và sự xuất hiện cách phân bố cố định các điện tích âm và dương thì đều là cho phân tửkhả kiến, nghĩa là tạo điều kiện cho sự xuất hiện màu

1.2- Các phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm

1.2.1- Phương pháp sinh học

Thực chất của biện pháp sinh học để xử lý nước thải là sử dụng khả năng sống vàhoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất bền hữu cơ trong nước thải Chúng sửdụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo nănglượng Trong quá trình dinh dưỡng, chúng nhận được các chất làm vật liệu để xâydựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên sinh khối được tăng lên Phương pháp nàythường được sử dụng để làm sạch các loại có chứa các chất hữu cơ hòa tan hoặc cácchất phân tán nhỏ, keo Do vậy, chúng thường được dùng sau khi loại các tạp chấtphân tán thô ra khỏi nước thải

Đối với các chất hữu cơ có trong nước thải thì phương pháp này dùng để khử cáchợp chất sunfit, muối amoni nitrat - tức là các chất chưa bị oxy hóa hoàn toàn Sảnphẩm cuối cùng của quá trình phân hủy sinh hóa các chất bẩn sẽ là CO2,H2O, N2,

SO42-,…Các nghiên cứu cho thấy vi sinh vật có thể phân hủy tất cả các chất hữu cơ cótrong thiên nhiên và rất nhiều chất hữu cơ tổng hợp nhân tạo

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học gồm các phương pháp sau:

Các phương pháp này có những ưu điểm sau:

+ Có thể xử lý nước thải có phổ nhiễm bẩn các chất hữu cơ tương đối rộng

+ Hệ thống có thể tự điều chỉnh theo phổ các chất nhiễm bẩn và nồng độ của chúng + Thiết kế và trang thiết bị đơn giản

Đồng thời chúng cũng có những nhược điểm sau:

+ Đầu tư cơ bản cho việc xây dựng khá tốn kém

+ Phải có chế độ công nghệ làm sạch đồng bộ và hoàn chỉnh

+ Các chất hữu cơ khó phân hủy cũng như các chất vô cơ có độc tính ảnh hưởng đếnthời gian và hiệu quả làm sạch Các chất có độc tính tác động đến quần thể sinh vật nóichung và trong bùn hoạt tính làm giảm hiệu suất xử lý của quá trình

+ Có thể phải làm loãng nước thải có nồng độ chất bẩn cao, như vậy sẽ làm tăng lượngnước thải và cần diện tích mặt bằng rộng

Tuy vậy, các phương pháp sinh học vẫn được dùng phổ biến rộng rãi và tỏ rarất thích hợp cho quá trình làm sạch nước thải chứa các chất hữu cơ dễ phân hủy

1.2.1.1- Các phương pháp hiếu khí

a Nguyên tắc

Phương pháp hiếu khí dùng để loại các chất hữu cơ dễ bị vi sinh phân hủy ra khỏinguồn nước Các chất này được các loại vi sinh hiếu khí oxy hóa bằng oxy hòa tantrong nước

Chất hữu cơ + O2 vi sinh vật H2O + CO2 + Năng lượng

Chất hữu cơ + O2 vi sinh vật Tế bào mới

Tế bào mới + O2 vi sinh vật H2O + CO2 + NH3

Tổng cộng: Chất hữu cơ + O2 H2O + CO2 + NH3 + …

Trong phương pháp hiếu khí amoniac cũng được loại bỏ bằng oxy hóa nhờ vi sinh tựdưỡng (quá trình nitrit hóa)

2 NH4+ + 3 O2 Nitrosomonas 2 NO2- + 4 H+ + 2 H2O + Năng lượng

2 NO2- + O2 Nitrobacter 2 NO3-

Tổng cộng: NH4+ + 2 O2 Vi sinh NO3- + 2 H+ + H2O + Năng lượng

Một dạng cải tiến của phương pháp bùn hoạt tính là phương pháp “thông khí tăngcường” gần đây được sử dụng tại nhiều nước phát triển dưới tên gọi là “mương oxyhóa” Trong hệ thống này có thể bỏ qua các giai đọan lắng bước một và tiêu hủy bùn.Tuy nhiên quá trình này lại cần biện pháp thông khí kéo dài với cường độ cao hơn

b.2 Ao ổn định nước thải

Phương pháp xử lý sinh học đơn giản nhất là kỹ thuật “ổn định nước thải” Đó làmột loại ao chứa nước trong nhiều ngày phụ thuộc vào nhiệt độ, oxy được tạo ra quahoạt động tự nhiên của tảo trong ao Cơ chế xử lý trong ao ổn định chất thải bao gồm

cả hai quá trình hiếu khí và kị khí

+ Ao ổn định chất thải hiếu khí: là loại ao cạn cỡ 0,3-0,5m được thiết kế sao choánh sáng mặt trời thâm nhập vào lớp nước nhiều nhất làm phát triển tảo do hoạt độngquang hợp để tạo oxy Điều kiện không khí bảo đảm từ mặt ao đến đáy ao

+ Ao ổn định chất thải kỵ khí: là loại ao sâu không cần oxy hòa tan cho hoạt động

vi sinh Ở đây các loại vi sinh kỵ khí và vi sinh tùy nghi dùng oxy từ các hợp chất nhưnitrat, sunfat để oxy hóa chất hữu cơ thành mêtan và CO2 Như vậy các ao này có khảnăng tiếp nhận khối lượng lớn chất hữu cơ và không cần quá trình quang hợp tảo Ao

ổn định chất thải tùy nghi là loại ao hoạt động theo cả quá trình kỵ khí và hiếu khí Aothường sâu từ 1-2m, thích hợp cho việc phát triển tảo và các vi sinh tùy nghi Ban ngàykhi có ánh sáng, quá trình xảy ra trong ao là hiếu khí Ban đêm ở lớp đáy ao quá trìnhchính là kỵ khí

Ao ổn định chất thải tùy nghi thường được sử dụng nhiều hơn hai loại trên Ngoài

ba loại ao trên, theo phương pháp “ ao ổn định chất thải ” người ta còn kết hợp với cácloại ao nuôi cá, ao thủy thực vật (ao rau muống, lục bình) Để tăng cường hiệu quả xử

lý nước thải, ta nên kết nối các loại ao với nhau

1.2.1.2- Các phương pháp thiếu khí (anoxic)

Trong điều kiện thiếu oxy hòa tan việc khử nitrit hóa sẽ xảy ra Oxy được giảiphóng từ nitrat sẽ oxy hóa chất hữu cơ và nitơ sẽ được tạo thành

NO3- vi sinh NO2- + O2

O2 chất hữu cơ N2 + CO2 + H2O

Trong hệ thống xử lý theo kỹ thuật bùn hoạt tính sự khử nitrit hóa sẽ xảy ra khikhông tiếp tục thông khí Khi đó oxy cần cho hoạt động của vi sinh giảm dần và việcgiải phóng oxy từ nitrit sẽ xảy ra Theo nguyên tắc trên, phương pháp thiếu khí (khửnitrit hóa) được sử dụng để loại nitơ ra khỏi nước thải

1.2.1.3- Các phương pháp kỵ khí

nước thải bằng vi sinh vật tùy nghi và vi sinh vật kỵ khí

Hai cách xử lý yếm khí thông dụng là:

+ Lên men acid thủy phân và chuyển hóa các sản phẩm thủy phân (như acidbéo, đường) thành các acid và rượu mạch ngắn hơn và cuối cùng thành khí cacbonic

+ Lên men metan: Phân hủy các chất hữu cơ thành metan (CH4) và khícacbonic (CO2) Việc lên men metan nhạy cảm với sự thay đổi pH, pH tối ưu cho quátrình từ 6,8-7,4 Thí dụ về phản ứng metan hóa:

CH3COOH Methanosarcina CH4 + CO2

2CH2(CH3)COOH M.Suboxydans+H O CO2 + 2 → CH4 + 2CH3COOH + C2H5COOH + CO2

Các phương pháp kỵ khí thường được dùng để xử lý nước thải công nghiệp và chấtthải từ chuồng trại chăn nuôi

1.2.2- Các phương pháp hóa lý

Làm sạch sinh học chỉ được ứng dụng trong trường hợp cần loại ra khỏi nước cácchất hữu cơ, nếu các chất bẩn có nguồn gốc vô cơ thì phương pháp này không phùhợp Các phương pháp hóa lý được ứng dụng để xử lý nước thải gồm lọc, đông tụ vàkeo tụ, tuyển nổi, hấp phụ, trao đổi ion, thẩm thấu ngược, siêu lọc, thẩm tách và điệnthẩm tách,…Các phương pháp này được ứng dụng để loại ra khỏi nước thải các hạtphân tán lơ lửng (rắn và lỏng), các khí tan những chất vô cơ và hữu cơ hòa tan

Việc ứng dụng các phương pháp hóa lý để xử lý nước thải có những ưu điểm sau: + Có khả năng loại các chất độc hữu cơ không bị oxy hóa sinh học

+ Hiệu quả xử lý cao hơn

+ Kích thước hệ thống xử lý nhỏ hơn

+ Độ nhạy đối với sự thay đổi tải trọng thấp hơn

+ Có thể tự động hóa hoàn toàn

+ Không cần theo dõi hoạt động của sinh vật

+ Có thể thu hồi các chất khác nhau

1.2.2.1- Lọc qua song chắn rác (xử lý sơ bộ)

Đối tượng xử lý là rác thải loại lớn (như: giẻ, rác, vỏ đồ hộp, các mẫu đá, gỗ vàcác vật thải khác), chúng thường được tách ra để khỏi gây tắc nghẽn đường ống.Người ta dùng lưới làm bằng các thanh kim loại được đặt nghiêng một góc 60÷750.Rác thải được lấy ra bằng cào cơ giới Đối với rác có kích cỡ nhỏ hơn người ta có thểdùng rây Đây là hình thức xử lý sơ bộ Mục đích của quá trình là loại tất cả các tạpvật có thể gây ra sự cố trong quá trình vận hành hệ thống xử lý nước thải như làm tắcbơm, đường ống hoặc kênh dẫn Đây là bước quan trọng đảm bảo an toàn và điều kiệnlàm việc thuận lợi cho cả hệ thống xử lý nước tự nhiên lẫn nước thải

1.2.2.2 Lắng tụ

Được dùng để lắng các tạp chất tan thô ra khỏi nước thải ( sinh hoạt và côngnghiệp ) Lắng tụ diễn ra dưới tác dụng của trọng lực Để lắng người ta sử dụng bểlắng cát, bể lắng và bể lắng trong

• Bể lắng cát

Được dùng để loại sơ bộ chất bẩn khoáng và hữu cơ ( 0,2-0,25mm ) ra khỏi nướcthải Bể lắng cát ngang là hồ chứa có tiết diện ngang là tam giác hoặc hình thang.Chiều sâu bể lắng cát 0,25-1m Vận tốc chuyển động của nước không quá 0,3m/s Bểlắng cát dọc có dạng hình chữ nhật, tròn, trong đó nước chuyển động theo dòng từdưới lên với vận tốc 0,05m/s

• Bể lắng đứng

Bể lắng đứng là bể chứa hình trụ (hoặc tiết diện vuông) có đáy chóp Nước thảiđược cho vào theo ống trung tâm Sau đó nước chảy từ dưới lên trên vào các rãnh chảytràn Như vậy, quá trình lắng cặn diễn ra trong dòng đi lên, vận tốc nước là 0,5-0,6m/s.Chiều cao vùng lắng 4-5m

• Bể lắng hướng tâm

Bể lắng hướng tâm là bể lắng tròn Nước trong đó chuyển động từ tâm ra vànhđai Vận tốc nước nhỏ nhất là ở vành đai Loại bể lắng này được ứng dụng cho lưulượng nước thải lớn hơn 20.000m3/ngày đêm

1.2.2.3- Lọc

Lọc được dùng để xử lý nước thải, để tách các loại tạp chất nhỏ ra khỏi nước thải

mà bể lắng không lắng được Trong các loại phin lọc thường có các loại phin lọc dùngvật liệu lọc dạng tấm hoặc dạng hạt Vật liệu dạng tấm có thể làm bằng tấm thép cóđục lỗ hoặc lưới bằng thép không gỉ, nhôm, niken, đồng, thau,… và cả các loại vảikhác nhau (thủy tinh, amiăng, bông, len, sợi tổng hợp) Tấm lọc cần có trở lực nhỏ, đủbền và dẻo cơ học, không bị trương nở và bị phá hủy ở điều kiện lọc Vật liệu lọc dạnghạt là cát thạch anh, than cốc, sỏi, đá nghiền thậm chí cả than gỗ

Đặc tính quan trọng của lớp hạt lọc là độ xốp và bề mặt riêng Quá trình lọc cóthể xảy ra dưới tác dụng của áp suất của cột chất lỏng hay áp suất cao trước vách vậtliệu lọc hoặc chân không sau lớp lọc

Các phin lọc làm việc sẽ tách các phần tử tạp chất phân tán hoặc lơ lửng khó lắngkhỏi nước Các phin lọc làm việc không hoàn toàn dựa vào nguyên lí cơ học Khi nướcqua lớp lọc dù ít hay nhiều cũng tạo ra lớp màng trên mặt các hạt vật liệu lọc, màngnày là màng sinh học Do vậy, ngoài tác dụng tách các phần tử tạp chất phân tán rakhỏi nước, các màng sinh học cũng biến đổi các chất hòa tan trong nước thải nhờ quầnthể các vi sinh vật có trong màng sinh học

Chất bẩn và màng sinh học sẽ bám vào bề mặt vật liệu lọc dần dần bít các khe hởcủa lớp lọc làm cho dòng chảy bị chậm lại hoặc ngưng chảy Do đó, trong quá trìnhlàm việc, người ta phải rửa phin lọc, lấy bớt màng bẩn phía trên, và cho nước thải đi từdưới lên trên để tách màng bẩn ra khỏi vật liệu lọc

1.2.2.4- Đông tụ và keo tụ

a Đông tụ

Hỗn hợp phân tán nhỏ được loại ra khỏi nước bằng phương pháp đông tụ Đông

tụ là phương pháp xử lý nước bằng tác chất nhằm hình thành các phân tử lớn từ cácphân tử nhỏ Phần tử các chất đục mang điện tích âm Việc loại các chất này nhờ cácchất đông tụ là tạo thành muối từ các chất kiềm và axit yếu Chất đông tụ trong nướctạo thành các bông hydroxit kim loại, lắng nhanh trong trường trọng lực Các bông này

có khả năng hút các hạt keo và hạt lơ lửng kết hợp với chúng Các chất này tham giavào phản ứng trao đổi với ion nước và hình thành các tạp chất có phối trí phức tạp

Quá trình thủy phân các chất đông tụ và tạo thành các bông keo xảy ra theo cácgiai đoạn sau:

Me3+ + HOH ↔ Me(OH)2+ + H+

Me(OH)2+ + HOH ↔ Me(OH)2+ + H+

Me(OH)2+ + HOH ↔ Me(OH)3 + H+

Me3+ + 3HOH ↔ Me(OH)3 + 3H+

Các chất đông tụ thường dùng trong mục đích này là các muối nhôm hoặc muốisắt hoặc hỗn hợp của chúng Đây là hai loại hóa chất rất thông dụng trong xử lý nướccấp nhất là xử lý nước sinh hoạt

Các muối nhôm gồm có: Al2(SO4)3.18H2O, NH4Al(SO4)2.12H2O, NaAlO2.Al2(OH)5Cl, KAl(SO4)2.12H2O Trong đó được sử dụng rộng rãi nhất là Al2(SO4)3 vìAl2(SO4)3 hòa tan tốt trong nước, chi phí thấp, hoạt động có hiệu quả cao trong khoảngpH= 5÷7,5

+ Trong phần lớn các trường hợp, người ta dùng hỗn hợp NaAlO2 và Al2(SO4)3 theo tỉ

lệ (10:1 )÷( 20:1) Phản ứng xảy ra như sau:

6NaAlO2 + Al2(SO4)3 + 12 H2O ↔ 8 Al(OH)3 ↓ + 3 Na2SO4

Việc sử dụng hỗn hợp này cho phép tăng hiệu quả của quá trình làm trong nước,tăng khối lượng và tốc độ lắng của các bông keo tụ, mở rộng khoảng pH tối ưu củamôi trường

Al2(OH)5Cl có độ axit thấp dùng làm sạch nước có độ kiềm yếu nhờ phản ứng: Al2(OH)5Cl + Ca(HCO 3)2 → 4 Al(OH) 3↓ +CaCl2+ 2CO2↑

Các muối sắt Fe2(SO4)3.2 H2O, Fe2(SO4)3.3 H2O, FeSO4 7H2O và FeCl3 cũngthường được dùng làm chất đông tụ

Dùng FeCl3 để loại photphat:

FeCl3 + 6 H2O + PO43- → FePO4 + 3 Cl- + 6 H2O

Tạo bông keo qua phản ứng:

FeCl3 + 6 H2O → Fe(OH)3↓ + 3 HCl

Fe2(SO4)3 + 6 H2O → 2 Fe(OH)3↓ + 3 H2SO4

Các muối sắt thường được dùng làm chất đông tụ vì có nhiều ưu điểm hơn so vớicác muối nhôm do:

+ Tác dụng tốt hơn ở nhiệt độ thấp

+ Có khoảng giá trị pH tối ưu của môi trường rộng hơn

+ Độ bền lớn và kích thước bông keo có khoảng giới hạn rộng của thành phần muối + Có thể khử được mùi vị khi có H2S

Nhưng các muối sắt có nhược điểm là chúng tạo thành các phức hòa tan nhuộmmàu qua phản ứng của các cation sắt với một số chất hữu cơ Trong quá trình tạo bôngkeo của hiđroxit nhôm hoặc sắt, người ta thường thêm các chất trợ đông như: tinh bột,các ete, xenlulozơ,…, với liều lượng 1-5mg/l, hay chất trợ đông tụ tổng hợp nhất làpolyarylamit nhằm giảm liều lượng chất đông tụ, giảm thời gian đông tụ và nâng caotốc độ lắng của các bông keo

b Keo tụ

Keo tụ là quá trình kết hợp các hạt lơ lửng khi cho các hợp chất cao phân tử vàonước Khác với quá trình đông tụ, khi keo tụ sự kết hợp diễn ra không chỉ do tiếp xúctrực tiếp mà còn do tương tác lẫn nhau giữa các phân tử chất keo tụ bị hấp phụ trên cáchạt lơ lửng

c Keo tụ điện hóa

Keo tụ không có tác chất hay keo tụ điện hóa diễn ra bằng cách dẫn nước qua cáctấm nhôm được xếp cách nhau 10-20 mm Bản chất của quá trình là hòa tan anot củacác tấm nhôm được nối lần lượt với các cực dương và cực âm của nguồn điện cócường độ cao và hiệu điện thế thấp Khi đó ion nhôm sẽ chuyển vào nước và tạo thànhhydroxit Ưu điểm của quá trình này là hình thành và lắng nhanh các sợi bông dai vàkhông cần điều chỉnh pH Nhược điểm của nó là chi phí điện năng cao

Phương pháp này có thể được dùng để xử lý nước phù sa ở các tỉnh thuộc đồngbằng Sông Cửu Long, nhưng do mạng lưới điện chưa được lắp đặt đầy đủ và chi phíđiện cao nên còn bị hạn chế

1.2.2.5- Tuyển nổi

Phương pháp tuyển nổi dựa trên nguyên tắc: các phần tử phân tán trong nước cókhả năng tự lắng kém, nhưng có khả năng kết dính vào các bọt khí nổi lên trên bề mặtnước Sau đó người ta tách bọt khí cùng các phần tử dính ra khỏi nước Thực chất đây

là quá trình tách bọt hay làm đặc bọt Ngoài ra, quá trình này còn để tách các chất hòatan như các hoạt động bề mặt

Trong công nghiệp, tuyển nổi được áp dụng để xử lý chất khoáng, tái sinhnguyên liệu từ nước rửa, làm sạch nước thải, xử lý bùn và thu hồi khoáng sản quí.Trong xử lý nước cấp, quá trình tuyển nổi được kết hợp với quá trình keo tụ tạo bông,

đặc biệt là đối với chất mùn và tảo sau quá trình keo tụ tạo bông được tách ra khỏinước bằng tuyển nổi

Phương pháp này được thực hiện nhờ thổi không khí thành bọt nhỏ vào trongnước thải Các bọt khí dính các hạt lơ lửng lắng kém và nổi lên trên mặt nước Khi nổilên các bọt khí tập hợp thành bông hạt đủ lớn, rồi tạo thành một lớp bọt chứa nhiều hạtbẩn

Tuyển nổi bọt nhằm tách các hạt lơ lửng không tan và một số chất keo hoặc hòatan ra khỏi pha lỏng Kĩ thuật này có thể dùng cho xử lý nước thải đô thị và nhiều lĩnhvực công nghiệp như: chế biến dầu béo, dệt thuộc da, chế biến thịt, v.v…

Ngoài ra, tuyển nổi ion và phân tử là một phương pháp mới để tách các chất tan

ra khỏi nước, được sử dụng trong những năm gần đây Hiệu suất của phương pháptuyển nổi phụ thuộc vào kích thước và số lượng bong bóng khí, kích thước các tạp chấttrong nước thải Kích thước tối ưu của bong bóng khí là 15 ÷ 30μm, kích thước hạt tạpchất là 0,2 ÷ 1,5μm

Có nhiều phương pháp tuyển nổi để xử lý nước thải:

1 Tuyển nổi từ sự tách không khí từ dung dịch;

2 Tuyển nổi với sự phân tán không khí bằng cơ giới;

3.Tuyển nổi nhờ các tấm xốp;

4 Tuyển nổi bằng phương pháp tách phân đoạn bọt;

5 Tuyển nổi hóa học, sinh học và ion;

6 Tuyển nổi điện

Phương pháp này có ưu điểm là hoạt động liên tục, phạm vi ứng dụng rộng rãi,chi phí đầu tư và vận hành không lớn, hiệu quả xử lý cao, thiết bị đơn giản, thu cặn có

độ ẩm nhỏ và có thể thu hồi tạp chất trong cặn Ngoài ra, nước thải được xử lý bằngphương pháp tuyển nổi sẽ được thông khí, giảm được hàm lượng chất hoạt động bềmặt, chất dễ bị oxy hóa

a Tuyển nổi từ sự tách không khí từ dung dịch

Phương pháp này được áp dụng để làm sạch nước thải chứa hạt ô nhiễm rất mịn.Bản chất của phương pháp này là tạo dung dịch quá bão hòa không khí Khi giảm ápsuất các bọt không khí sẽ tách ra khỏi dung dịch và làm nổi chất bẩn

Tùy thuộc vào biện pháp tạo dung dịch quá bão hòa, người ta chia ra: tuyển nổichân không, áp suất và bơm dâng

b Tuyển nổi với sự phân tán không khí bằng cơ khí

Sự phân tán khí trong máy tuyển nổi được thực hiên nhờ bơm turbin kiểu cánhquạt, đó là đĩa có cánh quay hướng lên trên Thiết kế kiểu này được ứng dụng để xử lýnước có nồng độ các hạt lơ lửng cao ( lớn hơn 2 g/l ) Khi quay cánh quạt trong chấtlỏng xuất hiện một số lượng lớn các dòng xoay nhỏ và được phân tán thành các bọt khí

có kích thước xác định, mức độ phân tán càng cao bọt khí càng nhỏ quá trình càng

hiệu quả Tuy nhiên, nếu vận tốc quay cao sẽ làm tăng đột ngột dòng chảy rối và cóthể phá vỡ tổ hợp hạt - khí, do đó làm giảm hiệu quả xử lý

c Tuyển nổi nhờ các tấm xốp

Phương pháp này có ưu điểm là: kết cấu buồng nổi đơn giản, chi phí năng lượngthấp Khuyết điểm: các bọt mau bị bẩn và dễ bị bịt kín, khó cho vật liệu có lỗ giốngnhau để tạo bọt khí nhuyễn và có kích thước bằng nhau

Hiệu quả tuyển nổi phụ thuộc vào lỗ xốp, áp suất không khí, lưu lượng khôngkhí, thời gian tuyển nổi, mực nước trong thiết bị tuyển nổi

d Xử lý bằng phương pháp tách phân đoạn bọt (tách bọt)

Phương pháp tách phân đoạn bọt dựa trên sự hấp phụ chọn lọc một hay nhiềuchất tan trên bề mặt bọt khí nổi lên trên xuyên qua dung dịch Quá trình này ứng dụng

để loại chất hoạt động bề mặt ra khỏi nước thải, nó tương tự quá trình hấp phụ trênchất rắn

Trong quá trình phân riêng, bọt tạo thành có nồng độ chất tan hoạt động bề mặtkhá cao Việc tách nó ra khỏi bọt rất khó khăn Vì vậy, trong đa số các trường hợp nó

là chất thải Như vậy, quá trình xử lý nước thải khỏi chất hoạt động bề mặt bằngphương pháp tách bọt có nhược điểm:

+ Tạo thành chất ngưng giàu chất hoạt động bề mặt, bị phân hủy chậm

+ Khi nồng độ chất hoạt động bề mặt trong nước thải tăng hiệu quả xử lý giảm

Do đó, người ta đề nghị phương pháp xử lý chất hoạt động bề mặt kết hợp vớiphương pháp tách bọt rồi xử lý bức xạ, loại trừ hoàn toàn chất thải dạng bọt Theo sơ

đồ này, chất thải chứa chất hoạt động bề mặt được cho liên tục vào tháp Không khícũng được sủi bọt vào thùng này Bọt tạo thành trong tháp được đưa qua thiết bị bức

xạ, chiếu bằng tia γ Nhờ đó, chất hoạt động bề mặt bị phân hủy còn bọt ngưng tụ

Theo sơ đồ khác, bọt không đi ra khỏi tháp mà bị phân hủy ngay trên đỉnh thápbằng tia γ Phương pháp này cho phép xử lý nước thải có nồng độ chất hoạt động bềmặt cao Tuy nhiên, sự phân hủy hoàn toàn chất hoạt động bề mặt thành H2O và CO2không kinh tế Thích hợp nhất là phân hủy chúng thành các chất dễ bị oxy hóa sinhhọc

e Các phương pháp tuyển nổi khác

Đó là tuyển nổi hóa học, sinh học và ion

e.1 Tuyển nổi hóa học

Trong quá trình xử lý nước có thể diễn ra các quá trình hóa học với sự phát sinhcác khí như: O2, CO2, Cl2,…Bọt của các khí này có thể kết dính với các chất lơ lửngkhông tan và đưa chúng lên lớp bọt Nhược điểm của phương pháp này là tiêu haonhiều tác chất

e.2 Tuyển nổi sinh học

Phương pháp này được ứng dụng để nén cặn từ bể lắng đợt I khi xử lý nước thảisinh hoạt Trong phương pháp này cặn được đun nóng bằng hơi nước đến 35-550C vànhiệt độ này được giữ cả ngày đêm Do hoạt động của các vi sinh vật, các bọt khí sinh

ra và mang các hạt cặn lên lớp bọt, ở đó chúng được nén và khử nước Bằng cách này,trong vòng 5-6 ngày đêm độ ẩm của cặn có thể giảm đến 80% và đơn giản hóa quátrình xử lý cặn tiếp theo

e.3 Tuyển nổi ion

Quá trình này được tiến hành như sau: người ta cho không khí và chất hoạt động

bề mặt vào nước thải Chất hoạt động bề mặt trong nước tạo thành các ion có điện tíchtrái dấu với điện tích của ion cần loại ra Không khí ở dạng bọt có trách nhiệm đưachất hoạt động bề mặt cùng chất bẩn lên lớp bọt

Phương pháp này có thể áp dụng để tách ra khỏi nước các kim loại (Mo, W, V, Pt, Ce,Re,…) quá trình hiệu quả khi nồng độ ion thấp 10-3-10-2 mol.ion/l

Trong trường hợp cần tiến hành đồng thời quá trình tuyển nổi và oxi hóa chất ônhiễm, nên bão hòa nước bằng không khí giàu oxi hoặc ozone Để hạn chế quá trìnhoxi hóa thì thay không khí bằng khí trơ

f Tuyển nổi điện

Biện pháp này dựa trên nguyên tắc: khi có dòng diện một chiều qua nước thải, ởmột trong các điện cực (catot) sẽ tạo ra khí hydro Kết quả nước thải khí được bão hòabởi các bọt khí đó sẽ kéo theo các chất bẩn không tan khác nổi lên bề mặt nước Ngoài

ra, nếu trong nước thải còn chứa nhiều chất bẩn khác là các chất điện phân thì dòngđiện đi qua sẽ làm thay đổi các thành phần hóa học và tính chất của trạng thái các tạpchất không tan do có các quá trình điện ly, phân cực, điện chuyển và oxy hóa khử….xảy ra

Trong nhiều trường hợp những thay đổi có lợi cho qua trình xử lý nước thải vàtrong những trường hợp khác cần phải điều khiển các quá trình đó để đạt được hiệusuất xử lý một loại chất bẩn nào đó

Khi sử dụng các điện cực tan (sặt hoặc nhôm) thì ở cực anot sẽ diễn ra quá trìnhhòa tan kim loại: Kết quả sẽ có các cation (nhôm hoặc sắt) chuyển vào nước Nhữngcation này sẽ cùng nhóm hydroxyl tạo thành hydroxit là những chất keo tụ phổ biếntrong thực tế xử lý nước thải Do đó, trong không gian các điện cực sẽ diễn ra quátrình tạo bông keo tụ và tạo các bọt khí, tạo điều kiện để bọt khí bám vào bông cũngnhư quá trình keo tụ chất bẩn, quá trình hấp phụ, kết dính… diễn ra mạnh và hiệu suấttuyển nổi cao hơn

Cường độ của tất cả quá trình quá trình phụ thuộc vào các yếu tố sau:

+ Thành phần hóa học nước thải

+ Vật liệu các điện cực (tan hoặc không tan)

+ Các thông số của dòng điện: điện thế, cường độ, điện trở suất…

Đối với các trạm tuyển nổi điện có công suất lớn thì nên xây dựng hai ngăn gồmmột ngăn điện cực (ngăn keo tụ), và một ngăn tuyển nổi

Các chất hấp phụ thường dùng là: than hoạt tính, đất sét, silicagen, keo nhôm,một số chất tổng hợp hoặc chất thải sản xuất như: xỉ, mạt sắt,…Trong số này, thanhoạt tính là được dùng phổ biến nhất Than hoạt tính có hai dạng: hạt và bột đều đượcdùng để hấp phụ Các chất hữu cơ, kim loại nặng và các chất màu dễ bị than hấp phụ.Lượng chất này tùy thuộc vào khả năng hấp phụ của từng chất và hàm lượng chất bẩn

có trong nước Phương pháp này có khả năng hấp phụ được 58-95% các chất hữu cơ

và màu Các chất hữu cơ có thể bị hấp phụ được tính đến là phenol, alkylbenzen,sunfonic axit, thuốc nhuộm, các hợp chất thơm Đã có những ứng dụng dùng than hoạttính để hấp phụ thủy ngân và những thuốc nhuộm khó phân hủy, nhưng tốn kém vàlàm cho quá trình không kinh tế Để loại bỏ các kim loại nặng, các chất hữu cơ, vô cơđộc hại, người ta dùng than bùn để hấp phụ và nuôi bèo tây trên mặt hồ

Phương pháp hấp phụ có tác dụng tốt trong việc xử lý nước thải chứa các chấthữu cơ, các kim loại nặng và màu Để loại bỏ các kim loại nặng, các chất vô cơ và hữu

cơ độc hại hiện nay người ta có thể sử dụng than bùn hoặc một số loại thực vật nướcnhư lục bình

Ưu điểm của phương pháp này là hiệu quả cao, có khả năng xử lý nhiều chấttrong nước thải và có thể thu hồi các chất này Xử lý nước hấp phụ có thể tái sinh, tứcthu hồi và tận dụng chất thải; phân hủy và tiêu hủy chất thải cùng với chất hấp phụ

1.2.2.7- Trao đổi ion

Trao đổi ion là quá trình tương tác của dung dịch với pha rắn có tính chất trao đổiion chứa nó bằng các ion khác có trong dung dịch Bằng cách này người ta có thể loại

đi một số ion trong dung dịch nước

Phương pháp này được ứng dụng để làm sạch nước hoặc nước thải khỏi các kimloại như: Zn, Cu, Cr, Pb, Ni, Hg, Cd, V, Mn,…, cũng như các hợp chất của asen,photpho, xyanua và các chất phóng xạ, khử muối trong nước cấp, cho phép thu hồi cácchất có giá trị và đạt mức độ làm sạch cao Vì vậy, nó được ứng dụng rộng rãi để táchmuối trong xử lý nước và nước thải

a Cơ sở của quá trình trao đổi ion

Trao đổi ion theo tỉ lệ tương đương và trong phần lơn các trường hợp là phản ứngthuận nghịch Phản ứng trao đổi ion xảy ra do hiệu số thế hóa học của các ion trao đổi.Phương trình trao đổi tổng quát có dạng:

mA + RmB ↔ RmA + mB

Quá trình trao đổi ion có thể tiến hành qua một số giai đoạn sau:

1 Vận chuyển các ion A từ trong dòng chất lỏng đến mặt ngoài màng biên bao

quanh hạt ionit

2 Khuếch tán các hạt qua lớp biên

3 Vận chuyển các ion qua bề mặt phân chia pha vào hạt nhựa

4 Khuếch tán ion A vào trong hạt đến bề mặt phân chia pha

5 Phản ứng trao đổi ion A và B

6 Khuếch tán ion B bên trong hạt đến bề mặt phân chia pha

7 Chuyển ion B qua bề mặt phân chia pha đến mặt trong màng biên

8 Khuếch tán ion B qua màng

9 Khuếch tán ion B vào trong dòng lỏng

b Các chất trao đổi ion (nhựa trao đổi ion)

Các chất có khả năng trao đổi ion được gọi là các ionit Tùy theo loại trao đổi mànhựa có tên là cationit hay anionit Ngoài ra do khả năng trao đổi với các ion H+ hay cónhóm OH- mà nó sẽ có tính axit hay bazơ Nhìn chung cấu tạo của các chất trao đổi iongồm hai phần: phần gốc và phần mang nhóm ion được trao đổi

Một số chất trao đổi ion: zeolic, silicagen, than đá,…

1.2.2.8- Thẩm thấu ngược

Là quá trình lọc dung dịch qua màng bán thấm dưới một áp suất cao hơn áp suấtthẩm thấu

a Cơ chế của quá trình

Có nhiều cơ chế giải thích quá trình thẩm thấu ngược Một trong những cơ chế đógiải thích như sau: màng bán thấm không có khả năng hòa tan Nếu như chiều dày củalớp phân tử nước bị hấp phụ bằng hoặc lớn hơn một nửa đường kính mao quản củamàng thì dưới tác dụng của áp suất chỉ có nước sạch đi qua, mặc dù kích thước củanhiều ion nhỏ hơn kích thước cuả phân tử nước Lớp hiđrat của các ion này cản trởkhông cho chúng đi qua mao quản của màng Kích thước màng hiđrat của các ion khácnhau sẽ khác nhau Nếu chiều dày của lớp phân tử nước bị hấp phụ nhỏ hơn nửađường kính mao quản thì các chất hòa tan sẽ chui qua màng cùng với nước

Ưu điểm của phương pháp thẩm thấu ngược là:

+ Không có pha chuyển tiếp trong tách tạp chất cho phép tiến hành quá trình vớichi phí năng lượng thấp

+ Có thể tiến hành quá trình ở nhiệt độ phòng không có bổ sung hoặc bổ sung íthóa chất

+ Đơn giản trong kết cấu

Nhược điểm của phương pháp thẩm thấu ngược:

+ Năng suất, hiệu quả làm sạch và thời gian làm việc của màng lọc giảm khi nồng

độ chất tan trên bề mặt màng lọc tăng

+ Quá trình hoạt động dưới áp suất cao, do đó cần có vật liệu đặc biệt làm kín thiết

bị

Thẩm thấu ngược được ứng dụng rộng rãi để tách muối khỏi nước trong hệ thốngcấp nước nhà máy nhiệt điện và các ngành công nghiệp khác ( như công nghiệp bándẫn, đèn hình, dược…) Những năm gần đây, phương pháp này được sử dụng để làmsạch một số nước thải công nghiệp và đô thị

1.2.2.9- Siêu lọc

Cả siêu lọc và thẩm thấu ngược đều phụ thuộc vào áp suất, động lực của quátrình và đòi hỏi màng cho phép một số cấu tử thấm qua, giữ lại một số cấu tử khác Sựkhác biệt giữa hai quá trình là ở chỗ siêu lọc thường được sử dụng để tách dung dịch

có khối lượng phân tử trên 500 và có áp suất thẩm thấu nhỏ ( như vi khuẩn, tinh bột,protêin, đất sét,…) Còn thẩm thấu ngược thường được sử dụng để khử các vật liệu cókhối lượng phân tử thấp và có áp suất thẩm thấu cao Siêu lọc thường được sử dụng đểkhử đất sét, vi sinh vật, các chất thực vật, tách nước cho bùn

Cơ chế của quá trình siêu lọc hoàn toàn khác so với cơ chế của quá trình thẩmthấu ngược Chất tan bị giữ trên màng lọc vì kích thước phân tử của chúng lớn hơnđường kính lỗ xốp hoặc do ma sát phân tử với thành lỗ xốp của màng Quá trình nàyphức tạp hơn nhiều

Khi sử dụng kết hợp thẩm thấu ngược và siêu lọc có thể làm đậm đặc và phântách các chất hòa tan hữu cơ và vô cơ trong nước thải Ví dụ theo sơ đồ dưới đây, thìsau quá trình siêu lọc ta nhận được phần đậm đặc chứa các chất hữu cơ, còn trong quátrình thẩm thấu ngược sẽ nhận được phần đậm đặc của các chất vô cơ và nước sạch

Kết quả là muối giảm trong khoang của một cặp màng và tăng trong khoang bêncạnh Nước khi đó có thể đi qua một số màng cho đến khi đạt đến độ mặn cần thiếttheo yêu cầu Phương pháp thẩm tách đã được dùng để thu hồi axit, muối kim loại vàcác hydroxit

Phương pháp điện thẩm tách đã được nghiên cứu như một phương pháp khử nitơtrong nước thải nông nghiệp, nó cũng được ứng dụng rộng rãi để làm ngọt nước.Phương pháp này cũng đã được dùng để thu hồi các axit, lignin từ nước thải của sảnxuất giấy, crôm từ nước thải của mạ điện trang 161-162, [13])

1.2.2.11- Các phương pháp điện hóa

Người ta sử dụng quá trình oxy hóa cực anot và khử của catot, đông tụ điện,…đểlàm sạch nước thải khỏi các tạp chất hòa tan và phân tán lớn

+ Tất cả các quá trình này đều xảy ra trên điện cực khi cho dòng điện một chiều điqua nước thải

+ Các phương pháp điện hóa cho phép lấy từ nước thải các sản phẩm có giá trị bằngcác sơ đồ công nghệ tương đối đơn giản, tự động hóa mà không cần sử dụng các tác

nhân hóa học Các phương pháp này còn được dùng để xử lý nước thải chứa nhiềuxyanua trong công nghệ mạ điện

+ Nhược điểm chính của các phương pháp này là tiêu hao năng lượng điện nặng lớn.Tuy nhiên, việc làm sạch nước thải bằng các phương pháp này có thể tiến hành giánđoạn hoặc liên tục

1.2.2.11.1- Oxy hóa của anot và khử của catot:

Trong thùng điện phân, trên điện cực dương diễn ra quá trình oxy hóa điện hóa(các ion cho anot điện tử), còn trên catot điện cực âm diễn ra sự kết hợp các điện tử(phản ứng khử)

Các quá trình này được nghiên cứu để làm sạch nước thải khỏi các tạp chấtxyanua, sunfoxyanua, các amin, alcol, các alđêhit, hợp chất nitơ, thuốc nhuộm azo,sunfit, mecaptan,… Trong quá trình oxy hóa điện hóa, các chất trong nước thải bịphân rã hoàn toàn thành CO2 , NH3 và nước hay tạo thành các chất không độc và đơngiản hơn để có thể tách bằng các phương pháp khác

+ Anot được làm từ các vật liệu không hòa tan khác nhau (Pt, titan, thép không gỉ,than,….)

+ Catot được làm bằng Mo, hợp kim của Vonfram với sắt hay niken, graphit, thépkhông gỉ,…

a.Cơ chế oxy hóa của anot (oxy hóa điện hóa)

+ Oxy hóa anot của xyanua xảy ra theo phản ứng :

CNO- + 2H2O → NH4+ + CO3

2-hay quá trình oxy hóa có thể dẫn đến sự tạo thành nitơ:

2CNO- + 4OH- - 6e → 2CO2 + N2 + 2H2O

+ Quá trình phá hủy xyanua xảy ra do sự oxy hóa điện hóa ở anot và oxy hóa bằngclo được giải phóng ở anot từ sự phân tách NaCl được mô tả như sau:

Cl- - 2e → Cl2

CN- + Cl2 + 2OH- → CNO- + 2Cl- + H2O

2CNO- + 3Cl2 + 4OH- → 2CO2 + N2 + 6Cl- + 2H2O

+ Các sunfoxyanua được phân hủy theo sơ đồ sau :

CNS- + 10OH- - 8e → CNO- + SO42- + 5H2O

+ Các ion sunfit ở pH=7 bị oxy hóa tới sunfit Khi pH nhỏ hơn lưu huỳnh có thểđược tạo thành Oxy hóa phenol khi có clorua trong nước (khi hàm lượng phenolkhông lớn) xảy ra theo các phản ứng sau:

4OH- - 4e → 2H2O + O2

2H+ + 2e → H2

2Cl- - 2e → Cl2

Cl2 + H2O → HClO + HCl

HClO + OH- → H2O + ClO

-12ClO- + 6H2O - 12e → 4HCO3- + 8HCl + 3O2

C6H5OH + 14O → 6CO2 + 3H2O

b Cơ chế khử điện hóa