giáo trình xử lý môi trường

M u Nớc hợp chất quan trọng, sở sống Trái đất Đối với giới vô sinh, nớc vừa thành phần tham gia vào đa số trình hoá học tự nhiên, vừa môi trờng cho trình hoá học xảy với điều kiện khác tiềm tàng Đối với sinh hoạt hoạt động sản xuất, nớc nhu cầu thiết yếu hàng ngày, nguyên liệu bản, chiếm tỷ trọng lớn trình sản xuất Việc xử lí nớc nhằm đạt đợc chất lợng nớc theo mục đích sử dụng nhu cầu tất yếu Nhiệm vụ việc xử lí nớc phải tìm cách loại bỏ giảm hàm lợng thành phần tạp chất nớc không phù hợp với mục đích sử dụng để đạt tiêu chuẩn định Cơ sở khoa học cho việc xử lí môi trờng nớc chuyển hoá tạp chất phân bố chúng theo không gian thời gian môi trờng nớc theo hớng có lợi cho mục đích sử dụng Những chuyển hoá dựa nguyên lí hoá học, vật lí sinh học Giáo trình cung cấp kiến thức hoá học trình xử lí nớc giới thiệu số kü tht xư lÝ níc hiƯn cho sinh viªn chuyên ngành Hoá Vô hệ cử nhân khoa học Giáo trình dùng làm tài liệu tham khảo cho sinh viên chuyên ngành khác có liên quan đến lĩnh vực môi trờng hoá học Vì lĩnh vực đợc quan tâm nhiều nên phát triển kĩ thuật xử lí nớc nhanh, đòi hỏi sinh viên cần tham khảo thêm nhiều tài liệu khác để bổ sung kiến thức Lần đầu biên soạn tài liệu lĩnh vực nên không tránh khỏi nhiều thiếu sót, mong nhận đợc nhiều ý kiến góp ý để sửa chữa cho hoàn chỉnh hơn, phục vụ tốt cho việc giảng dạy Tác giả Nguyễn Hoa Du Chơng Những cân quan trọng môi trờng nớc Cân Axit - bazơ 1.1 Các khái niệm axit - bazơ Các thuyết axit bazơ đợc phổ biến hoá học thuyết Bonsted - Lowry (thuyÕt proton), thuyÕt Lewis Theo Bronsted th× axit phần tử (phân tử, ion) có khả nhờng proton, bazơ phần tử (phân tử, ion) có khả nhận proton Nh điểm then chốt thuyết phần tử muốn axit phải có proton thành phần cấu tạo mình, mặt khác muốn thể tính axit phải có mặt chất với t cách bazơ proton không tồn tự hệ tập hợp Phản ứng axit bazơ nh thực chất phản ứng trao đổi proton (protolysis) Khi mét axit A1 ph©n ly proton dạng tạo thành dĩ nhiên nhận lại proton, nghĩa là bazơ B1 A1 B1 đợc gọi cặp axit - bazơ liên hợp, chúng có cân chuyển hoá: A1 B1 + H+ Kí hiệu cặp axit - bazơ liên hợp: A/B Vậy phản ứng axit bazơ đợc biểu diễn: A1 + B2 ⇌ B1 + A2 VÝ dô: HCl + NaOH = NaCl + H 2O NH3 + HCl = NH4Cl Đối với thuyết Lewis, axit đợc định nghĩa chất có khả nhận cặp electron, tức cÊu tróc electron cđa nã cha b·o hoµ vµ cã tính a electron Còn bazơ chất có khả nhờng cặp electron, có tính a hạt nhân (nucleophilic) Phản ứng axit bazơ theo Lewis tạo thành sản phẩm, đợc gọi phản ứng trung hoµ Lewis Mét sè vÝ dơ: CO2 + H2O = H2CO3 AlCl3 + Cl= [AlCl4]BF3 + NH3 = NH3.BF3 H+ + OH= H 2O Khái niệm đợc ứng dụng rộng rãi hệ phản ứng hữu cơ, môi trờng không nớc, song đợc phổ biến rộng lĩnh vực khác không thích hợp với nhận thức quen thuộc axit bazơ có từ lâu Vì vậy, năm 1951 Bjerrum ®a mét kh¸i niƯm míi bỉ sung cho hai thuyết trên: phản bazơ Phản bazơ chất có khả nhận cặp electron (tức axit Lewis) Nh vậy, phản bazơ kết hợp với bazơ tạo thành sản phẩm, phản bazơ proton sản phẩm tạo thành axit Ví dụ: Phản bazơ + Bazơ = S¶n phÈm + H + ClO3 = HClO3 H+ + NH3 = NH4+ BF3 + F= [BF4]CO2 + O2= CO32MỈc dù có tính khái quát có phù hợp với khái niệm axit - bazơ khác quan ®iĨm cđa Bjerrum, song ®Õn nã vÉn cha đợc phổ biến, mặt khác thiếu sở định lợng độ mạnh yếu bazơ phản bazơ Đối với trình xảy môi trêng níc hc cã níc tham gia, lý thut axit - bazơ Bronsted thích hợp, dễ áp dụng định lợng 1.2 Tính chất axit - bazơ nớc Trong môi trờng nớc, phân tử nớc đóng vai trò chất axit bazơ lỡng tính, nghÜa lµ nã cã thĨ cho proton, còng cã thĨ nhận proton, tuỳ thuộc vào tơng quan độ mạnh axit - bazơ với chất khác có mặt H2O OH- + H+ (cặp H2O/OH-) A1 B1 proton và: H2O + H+ ⇌ H3O+ (cỈp H3O+/H2O) B2 proton A2 Do đó, nớc nguyên chất, phân tử nớc có cân chuyển hoá proton cho (cân b»ng tù ion ho¸): H2O + H 2O ⇌ H3O+ + OHA1 B2 A2 B1 nhiệt độ không đổi, số cân ion hoá nớc có giá trị định: Kion = [H3O+][OH-]/[H2O] Vì H2O môi trờng nên nồng độ hay hoạt độ coi nh không đổi (hằng số) nên coi: Kw = [H3O+][OH-] số, đợc gọi tích số ion nớc Giá trị ®iỊu kiƯn thêng (220C) lµ Kw = 10-14 Ngêi ta đặt -lg[H3O+] (hay -lg[H+]) = pH gọi số hiđro hay độ pH dung dịch T ¬ng tù ngêi ta còng dïng kÝ hiƯu pOH = -lg[OH-] Tõ quan hƯ trªn ta thÊy: pH + pOH = 14 Vì nớc nguyên chất (môi trờng trung tính) có pH = 7, nên dung dịch có pH < dung dịch có môi trờng axit; pH > dung dịch có môi trờng kiềm Thực chất nớc không tồn phần tử H3O+ mà có H5O2+, H7O3+, Tuy nhiên để đơn giản thờng dùng H3O+ H+ phản ứng hoá học Cần ý môi trờng nớc, phần tử mang tính axit mạnh H3O+ phần tử mang tính bazơ mạnh OH - Do ®ã cã sù "san b»ng bëi dung môi", nghĩa axit mạnh H3O+ tồn nớc, mà nhờng proton cho nớc (bị ion hoá), chẳng hạn nh HCl nớc không tồn mà tồn H3O+ Cl- Tơng tự nh vậy, bazơ mạnh OH- không tồn nớc mà bị chuyển hoá để tạo thành OH -, chẳng hạn nh NH2-: NH2- + H2O = NH3 + OHhc H-: H- + H2O = H2 + OHMét sè vÝ dơ c©n b»ng axit baz¬: H2CO3 + H2O ⇌ H3O+ + HCO3HCO3- + H2O ⇌ H3O+ + CO32NH4+ + H2O ⇌ H3O+ + NH3 CO32- + H2O ⇌ HCO3- + OHCN- + H2O HCN + OHCác phân tử nớc liên kết với ion dung dịch thờng có tính axit - bazơ khác với phân tử nớc không liên kết nh Các phân tử H2O liên kết với cation hyđrat hay phức chất aquơ có tính axit mạnh hơn, phân tử H 2O liên kết với anion thờng có tính bazơ mạnh so với phân tử H 2O tự dung môi Tính chất đợc giải thích tơng tác đẩy điện tích dơng (của cation kim loại) hay âm (của anion) H+ hay OH- phân tử nớc liên kết với chúng Đây nguyên nhân dẫn đến tợng nhiều dung dịch muối có môi trờng axit hay kiềm, hay nói cách khác, chất thuỷ phân cation anion Chẳng hạn thuỷ phân keo tụ phèn nhôm thực chất phân ly proton phức chất aquơ [Al(H 2O)6]3+ vµ sù ngng tơ cđa kÕt tđa Al(OH)3 tạo thành: [Al(H2O)6]3+ + H2O [Al(H2O)5(OH)]2+ + H3O+ níc liªn kÕt níc tù [Al(H2O)6] + 3H2O ⇌ [Al(H2O)3(OH)3] + 3H3O+ 1.3 Độ mạnh axit bazơ Độ mạnh axit phụ thuộc vào khả dễ hay khó nhờng proton phần tử axit Tơng tự nh độ mạnh bazơ khả khó hay dễ nhận proton phần tử bazơ Chẳng hạn ®èi víi dung dÞch níc cđa axit HA: HA + H2O A- + H3O+ HA dễ phân ly proton [A-] [H3O+] lớn, đồng thời [HA] nhỏ Do dùng biểu thức h»ng sè c©n b»ng: [A-][H3O+] Ka = [HA] Ka đợc gọi số phân li axit - thớc đo độ mạnh tính axit Tơng tự nh vậy, Kb đợc định nghĩa dựa vào cân bazơ liên hợp A- : A - + H 2O ⇌ HA + OHKb [HA][OH-] Kb = -[A-] 3+ Mối quan hệ Ka Kb dạng axit A1 bazơ B1 liên hợp dung môi nớc là: [A-][H3O+] [HA][OH-] Ka.Kb = - - = [H 3O+][OH-] = Kw = 10-14 [HA] [A-]  pKa + pKb = 14 Nh vËy rót ra: - NÕu HA lµ axit mạnh (pKa bé) dạng bazơ liên hợp A- bazơ yếu ngợc lại HA axit yếu dạng bazơ có tính bazơ mạnh - Giá trị Ka hay pKa đặc trng cho cặp axit - bazơ liên hợp, chØ cho biÕt pKa còng cã thĨ suy pKb ngợc lại Ví dụ: axit HF có pKa = 3,2 bazơ F- có pKb = 14 - 3,2 = 10,8 axit HCO3- cã pKa = 10,3; baz¬ CO32- cã pKb = 3,7 1.4 MiÒn u thÕ Do sù tồn cân dạng axit - bazơ nớc dung dịch nên giá trị pH khác nhau, tơng quan nồng độ dạng ion cân axit - bazơ thay đổi, nghĩa có vùng mà cấu tử ®ã c©n b»ng chiÕm u thÕ Ta h·y xÐt c©n b»ng cđa axit HA níc: HA + H2O ⇌ H3O+ + Acã Ka = [H3O+][A-]/[HA] LÊy logarit hai vế chuyển số hạng ta có: pH = pKa + lg[A-]/[HA] (Một cách khái quát cặp axit - bazơ liên hợp A/B bất kỳ, ta có: pH = pKa + lg[B]/[A] ) Trên trục chia độ theo pH, ta đánh dấu điểm pH = pKa: HA u thÕ A- u thÕ pH pKa th×: * Nếu pH = pKa: lg[A-]/[HA] = [HA] = [A-] Nh nồng độ HA bazơ liên hợp A- * NÕu pH < pKa th× lg[A-]/[HA] <  [HA] > [A-] Khi ®ã HA chiÕm u thÕ A- Chẳng hạn, dung dịch NH3 có ®å thÞ miỊn u thÕ nh sau: NH4+ NH3 pH 9,2 Nh vËy dung dÞch NH3 cã pH < 9,2 [NH4+] > [NH3]; pH >9,2 [NH4+] < [NH3] Tại pH = 9,2 ta có [NH4+] = [NH3] Đối với dung dịch đa axit đa bazơ, cách tơng tự ta có: (1) H2A + H2O ⇌ HA- + H3O+ K1 = [HA-][H3O+]/ [H2A] (2) HA- + H2O ⇌ A2- + H3O+ K2 = [A2-][H3O+]/[HA-] Luôn có: K1 > K2 tức pK1 pK2 (A2-) Để biểu diễn trực quan định lợng biến thiên nồng độ dạng axit - bazơ c©n b»ng, ta cã thĨ thiÕt lËp sù phơ thuộc độ phân ly axit với pH dung dịch Cân axit bazơ HA cách đơn giản là: HA A- + H+ Ka = [A-].[H+]/[HA] Gọi độ phân ly axit HA, mức độ tạo thành axit HA, chúng đợc định lợng biểu thức: = [HA]/C = [HA]/([HA] + [A-]) = [H+]/(Ka + [H+]) vµ: α1 = [A-]/C = [A-]/([HA] + [A-] = Ka/(Ka+[H+]) víi C lµ nồng độ tổng cộng dạng tồn HA Bởi C = [HA] + [A-] nên ta cã α0 + α1 = Do ®ã: [HA] = α0.C vµ [A-] = α1.C Víi axit chøa proton axit H2A ta cã: [H2A] = α0.C; [HA-] = α1.C; [A2-] = α2.C [H2A] α0 = = [H2A] + [HA-] + [A2-] (1-1) + + + K1/[H ] + K1K2/[H ] [HA-] α1 = = [H2A] + [HA-] + [A2-] [H+]/K1 +1 + K2/[H+] (1-2) [A2-] α2 = = (1-3) 2+ + [H2A] + [HA ] + [A ] [H ] /K1K2 +[H ]/K2 + víi α0 + α1 + α2 = So s¸nh c¸c biĨu thøc (1), (2), (3) ta thÊy: [H+] [H+] α0 = .α1 ; α1 = .α2 K1 K2 Víi axit chøa n proton cã thĨ ph©n li tơng ứng ta có: [H+] n-1 = - αn (1-4) Kn Tõ c¸c biĨu thøc (1) - (4) tính toán lập bảng phân bố nồng độ dạng dung dịch axit - bazơ phụ thuộc vào pH môi trờng Ví dụ: axit photphoric cã bËc ph©n li: H3PO4 ⇌ H+ + H2PO4pK1 = 2,16 H2PO4- ⇌ H+ + HPO42pK2 = 7,16 2+ 3HPO4 ⇌ H + PO4 pK3 = 12,40 Tõ ®ã ta cã: [H2PO4-] = [H3PO4].10pH-2,16; [HPO42-] = [H2PO4-].10pH-7,16 [PO43-] = [HPO42-].10pH-12,40 Cũng biểu diễn nồng độ cÊu tö theo [H3PO4]: [H2PO4-] = [H3PO4].10pH-2,16; [H3PO4].103pH-21,72 [HPO42-] = [H3PO4].102pH-9,32; [PO43-] = Sự biến đổi nồng độ cấu tử phụ thuộc vào pH dung dịch đợc biểu diễn hình sau: % 100 - H2PO4 HPO42- PO43- 50 H3PO4 | | 10 | 15 pH Hình Sự phụ thuộc thành phần dạng axit - bazơ H3PO4 dung dịch vào pH 1.5 Sự thuỷ phân ion nớc Các chất tan nớc mức độ khác có tơng tác với phân tử nớc, chẳng hạn hiđrat hoá, tạo phức, Các chất điện li phân li thành ion bị hyđrat hoá nớc Do liên kết với nớc, chúng làm chuyển dịch cân điện li nớc, tạo sản phẩm khác làm thay đổi pH dung dịch so với pH nớc nguyên chất Nh vậy, trình tơng tác ion chất tan với nớc chuyển dịch cân phân li nớc đợc gọi trình thuỷ phân Sự thuỷ phân cation kim loại hay amoni tạo môi trờng axit, anion tạo môi trờng kiềm Phản ứng thuỷ phân phản ứng axit - bazơ, ngợc lại phản ứng trung hoà: trung hoà Axit + Bazơ Muối + nớc thuỷ phân Chẳng hạn, muối cacbonat tan nớc có thuỷ phân theo cân bằng: CO32- + H2O HCO3- + OHKcb = [OH-].[HCO3-]/ [CO32-] Hằng số cân trình thuỷ phân đợc gọi số thuỷ phân, kÝ hiƯu Ktp hay η Khi chó ý ®Õn sù phân li nớc, trờng hợp ta có: Ktp = Kw.K2-1 (H2CO3) 10 đợc khử SO2, FeSO4, Na2S2O3, tách phơng pháp trung hoà dới dạng Cr(OH)3, Trong phơng pháp trung hoà, ngời ta thờng dùng tác nhân axit hay bazơ để thay đổi pH nớc nhằm kết tủa chất khó tan giá trị pH xác định Có thể dùng thêm tác nhân khác có khả tạo kết tủa nh cacbonat để tách loại kim loại nặng (xem mục 2.3.3) Ngời ta dùng cách trộn lẫn nguồn nớc thải axit với nguồn nớc thải kiềm nguồn gần để tận dụng dung lợng axit bazơ chúng vào mục đích xử lí, giảm lợng hoá chất cần bổ sung Những chất thờng dùng để bổ sung phơng pháp trung hoà: sữa vôi 10%, soda Na2CO3, NaOH, vật liệu lọc có tính bazơ nh CaCO3, CaCO3.MgCO3 3.5 HƯ thèng ao xư lÝ HƯ thèng ao xư lÝ nh»m chun ho¸ c¸c chÊt hữu ô nhiễm nớc thải thành chất vô hay chất hữu đơn giản độc hại nhờ trình trao đổi chất tảo loại vi sinh vật Vì vậy, chất trình xử lí trình sinh học 3.5.1 Ao oxi hoá Tảo loại vi khuẩn háo khí chuyển hoá chất hữu mét mèi quan hƯ céng sinh víi ao oxi hoá nh sơ đồ sau: ánh sáng mặt trời O2 Chất hữu (chất ô nhiễm) Sự phát triển tảo Tảo CO2, NH3 aminoaxit Vi khuẩn Sự phát triển vi khuẩn 132 Nguồn lợng tảo cho phản ứng quang hợp ánh sáng mặt trời, nguồn oxy vi khuẩn DO từ không khí từ phản ứng quang hợp tảo Do ao oxi hoá cần có diện tích bề mặt lớn, không sâu 3.5.2 Ao chuyển đổi Các ao chuyển đổi đợc dùng để xử lí nớc thải có chứa chất rắn lắng đọng Phần chất hữu không lắng đọng bị phân huỷ háo khí hay yếm khí tuỳ thuộc vào lu lợng chất thải đa vào ao Vào ban ngày, hoạt động quang hợp nhờ ánh sáng mặt trời tảo xảy mạnh vùng háo khí Ban đêm, vùng háo khí hoàn toàn biến mất, lại vùng yếm khí phân huỷ chất hữu nhờ vi khuẩn Nh vậy, hoạt động phân huỷ chất thaỉ hữu chủ yếu xảy nhờ trình yếm khí vùng yếm khí lớp bùn cặn lắng Sản phẩm phân huỷ thoát khí dạng bọt hay tiếp tục bị oxi hoá vùng háo khí Dựa vào việc theo dõi số BOD, đánh giá hiệu xử lí ao chuyển đổi 3.5.3 Ao yếm khí Các ao yếm khí đợc thiết kế để tiếp nhận lợng nạp chất thải hữu lớn Do ao không oxy hoà tan Các ao yếm khí đợc sử dụng chủ yếu để xử lí nớc thải có cờng độ mạnh, có hàm lợng chất rắn cao Các chất rắn lắng xuống đáy bị phân huỷ yếm khí Tính hiệu phân huỷ yếm khí ao phụ thuộc vào cân loại vi khuẩn yếm khí: vi khuẩn tạo axit vi khuẩn tạo metan Chúng tham gia vào hai giai đoạn khác Giai đoạn thứ nhất: chất hữu đợc phân huỷ nhờ vi khuẩn yếm khí tạo axit thành axit hữu cơ, chủ yếu axit axetic Giai đoạn tiếp theo: axit đợc phân huỷ thành metan nhờ vi khuẩn nhóm metan Thông thờng phát triĨn cđa vi khn nhãm axit nhanh h¬n nhiỊu so với nhóm metan, mà phân huỷ gây mùi hôi thối Cần phải có quần thể vi khuẩn nhóm metan đủ mạnh để phân huỷ kịp thời sản phẩm vi khuẩn nhóm axit 133 tránh tạo thành mùi hôi thối Ví dụ phân huỷ cystein: + Do tác dụng vi khuÈn nhãm axit: 4C3H7O2NS + 8H2O  4CH3COOH + 4CO2 + 4NH3 + 4H2S + 8H + Do t¸c dơng cđa vi khn nhãm metan: 4CH3COOH + 8H  5CH4 + 3CO2 + 2H2O Đặc điểm vi khuẩn metan hoạt động có hiệu môi trờng kiềm Do độ kiềm ao tối thiểu phải đạt tới 1000 mg/l (tính theo CaCO3) giá trị pH phải lớn 3.5.4 Ao điều hoà Ao điều hoà đợc sử dụng nh giai đoạn thứ hai sau ao chuyển đổi, có chức tiêu diệt loại vi sinh vật gây bệnh nớc sau xử lí vi sinh Để có khả tiêu diệt vi khuẩn tốt, ao điều hoà đợc thiết kế cho có điều kiện háo khí tốt nhất, độ sâu ao khoảng 1,5 m Ưu điểm việc sử dụng ao xử lí là: kĩ thuật đơn giản, chi phí vận hành thấp với mức độ làm cao, loại trừ đợc vi sinh vật gây bệnh mức độ lớn nhiều phơng pháp khác, chịu đợc thay đổi đột ngột lu lợng thải, tách loại đợc ion kim loại nặng kết tủa chúng vào bùn cặn Nhợc điểm ao xử lí đòi hỏi diện tích bề mặt lớn, thời gian lu nớc thải để xử lí dài (2030 ngày) 134 Phơng pháp xử lí có hệ thống 4.1 Sơ đồ nguyên lí công nghệ xử lí Việc xử lí nớc tuân theo trật tự áp dụng phơng pháp xử lí từ đơn giản đến phức tạp, xử lí thô đến xử lí tinh Có thể nhóm phơng pháp xử lí thành cấp tuỳ theo chất lợng nớc đạt đợc: + Xử lí cấp I: bao gồm trình xử lí sơ lắng Cấp độ có nhiệm vụ tách loại tạp chất rắn lớn mặt hay dễ lắng đọng, nhằm bảo vệ an toàn cho hệ thống xử lÝ tiÕp theo + Xö lÝ cÊp II: bao gåm trình sinh học, trình hoá học cần thiết, có tác dụng khử hầu hết tạp chất hữu hoà tan phân huỷ đờng sinh học, tức khử BOD + Xư lÝ cÊp III: thêng bao gåm c¸c qu¸ trình: vi lọc, kết tủa hoá học, đông tụ, hấp phụ than hoạt tính, trao đổi ion, thẩm thấu ngợc, điện thẩm tích, clo hoá, ozon hoá, Giai đoạn nhằm tách loại hợp chất vô cơ, ion kim loại, lợng vết chất hữu cơ, chất rắn lơ lửng, khử trùng Chất lợng nớc sau giai đoạn xử lí cấp III đạt yêu cầu cao Một quy trình xử lí đối tợng nớc cụ thể (nớc cấp sinh hoạt, nớc thải công nghiệp, nông nghiệp) bao gồm số hay đầy đủ giai đoạn xử lí nhằm đạt đợc tiêu chuẩn chất lợng nớc cần Xử lí cấp I Xử lí sơ Nớc thải Tạp chất Xử lí cấp II Cát sỏi Bùn Bùn hoạt tính Xư lÝ cÊp III Dßng Bùn thải thiết 135 Hình 19 Sơ đồ công nghƯ xư lÝ níc cã hƯ thèng Khư chÊt rắn thô chắn (lới, song); Tách chất rắn thô dễ lắng đọng (cát sỏi); Bể lắng cấp I (bùn sơ cấp); Hoạt hoá bùn lọc sinh học; Bể lắng cấp II; 6.Bể xư lÝ clo hay c¸c ho¸ chÊt kh¸c; BĨ lắng làm đặc bùn; Bể tiêu huỷ bùn yếm khí; Thiết bị tách nớc khỏi bùn thải Mục đích giai đoạn xử lí xếp theo trình tự: Nớc thải khử chất rắn thô khử chất rắn lơ lửng khử chất hữu hoà tan dạng keo khử hợp chất vô kim loại khử chất rắn lơ lửng dạng mịn khử chất hữu dạng vết khử trùng điều hoà bïn cỈn  xư lÝ bïn cỈn  khư bá bùn cặn 4.2 Loại trừ chất rắn thô Các chất rắn thô dạng nhẹ mặt nớc, hay nặng nhng chuyển động cuộn theo dòng chảy Vì vậy, ngời ta thờng dùng chắn kiểu lới hay song chắn để tách chất rắn mặt nớc Để tách chất rắn, cho nớc vào bể lắng cát (tách loại hạt cát sỏi thô dễ lắng), bể sa lắng (xem trang 57, 58) 4.3 Loại trừ chất rắn lơ lửng Các chất rắn lơ lửng lại nớc không bị sa lắng giai đoạn trớc chất vô hay chất hữu Chúng đợc tách loại trình oxi hoá sinh học (đối với chất hữu cơ) trình lọc cát nhanh Cã thĨ bỉ sung mét sè ho¸ chÊt nh phèn nhôm hay sắt, PAC để keo tụ sa lắng chất rắn lơ lửng trớc lọc cát nhanh để tách loại đợc hoàn toàn 4.4 Tách loại chất tan Các chất hoà tan đợc tách loại kĩ thuật trao đổi khí, hấp phụ than hoạt tính, kết tủa hoá học, trao đổi ion (đã nêu phần trên), tách kĩ thuật màng (điện thẩm tích, thẩm thấu ngợc ) Tách màng kĩ thuật tơng đối đợc phát triển Màng đợc dùng kĩ thuật tách chất tan loại vật liệu ngăn cách pha lỏng khác nhau, có tính chọn 136 lọc việc chuyển chất qua màng điều kiện định 4.4.1 Thẩm thấu ngợc Thẩm thấu đợc định nghĩa di chuyển tự phát dung môi từ dung dịch có nồng độ chất tan thấp sang dung dịch có nồng độ chất tan cao qua màng bán thẩm áp suất gây di chuyển trạng thái cân đợc gọi áp suất thẩm thấu (xem minh hoạ hình 20) P P = P> Bình thẩm thấu ngợc Hình 20 Nguyên tắc hoạt động phơng pháp thẩm thấu ngợc Nếu đặt áp suất P vào hệ dung dịch lớn áp suất thẩm thấu dung môi di chuyển ngợc từ dung dịch có nồng độ cao sang dung dịch có nồng độ thấp Quá trình đợc gọi trình thẩm thấu ngợc Nh điều kiện để có thẩm thấu ngợc phải áp đặt áp suất bên lớn áp suất thẩm thấu hệ Đặc điểm thẩm thẩu ngợc áp suất thẩm thấu tăng lên tăng nồng độ chất tan Do đó, lợng chất tan lớn áp suất đặt vào hệ phải lớn Hiệu suất xử lí phơng pháp thẩm thấu ngợc phụ thuộc vào chất màng bán thẩm Tính chọn lọc màng phụ thuộc vào chất chất tạo màng, vào kích thớc mao quản Màng bán thẩm đợc sử dụng công nghệ xử lí nớc phải đảm bảo tính năng: tính chọn lọc cao, suất riêng (tính theo đơn vị diện tích) lớn, bền với môi trờng sử dụng, ổn định tính 137 chất, giá thành rẻ Màng polime thông dụng xenluloz axetat, có loại màng polietylen, politetrafloetylen, thuỷ tinh xốp, 4.4.2 Điện thẩm tích Phép thẩm tích trình phân tách chất tan cách sử dụng khuếch tán với tốc độ không nh qua màng Tốc độ khuếch tán phụ thuộc vào gradien nồng độ Phép điện thẩm tích trình tách chất tan (ion) cách sử dụng màng có tính chọn lọc ion dới tác dụng dòng điện chiều Ngời ta áp hiệu điện dòng điện chiều vào hệ có màng chọn lọc cation màng chọn lọc anion đợc đặt xen kẽ Dới tác dụng điện trờng hai điện cực, cation di chuyển phía cực âm, anion di chuyển phía cực dơng qua màng chọn lọc ion Sơ đồ nguyên tắc hoạt động phơng pháp đợc biểu diễn nh hình 21 Catot Anot 2 Mµng cationit Mµng anionit Níc chứa nhiều ion Nớc loại ion Hình 21 Nguyên lí hoạt động phơng pháp điện thẩm tích Theo sơ đồ ta thấy rằng, dới tác dụng chọn lọc màng, nớc khoang giàu chất tan hơn, nớc khoang ion Chúng đợc dẫn theo đờng riêng biệt 138 Bằng phơng pháp này, ngời ta tách loại mi khái níc biĨn, thu håi c¸c axit, mi kim loại, chất tan có giá trị khác loại nớc thải 4.5 Khử trùng Giai đoạn khử trùng đợc thực sau nớc đợc xử lí phơng pháp hoá học, sinh học, vật lí khác để tách loại giảm thiểu chất ô nhiễm Việc khử trùng nhằm đảm bảo an toàn mặt vệ sinh cho nớc theo mục đích sử dụng Chất khử trùng thông dụng clo, chất khác: ozon, hợp chất clo, UV 4.6 Xử lí bùn cặn Sau giai đoạn xử lí nớc, lợng bùn cặn thu đợc thờng lớn phải đợc xử lí tiếp Phần lớn bùn cặn nớc tự (60- 65%), khối lợng chất hữu cha phân huỷ hết lợng nớc chứa hệ keo tụ Xử lí bùn cặn thờng tiến hành theo số bớc: + Quá trình làm đặc: nhằm giảm bớt thể tích bùn cặn cần xử lí Có thể thực phơng pháp lắng trọng lực thiết bị lắng nén (thickener), ly tâm tuyển + Quá trình phân huỷ yếm khí (ổn định bùn): nhằm phân huỷ chất hữu phân huỷ vi sinh yếm khí thành sản phẩm CO2, CH4, H2O, giảm thiểu mùi hôi thối + Quá trình điều hoà: nhằm làm giảm trở lực lọc bùn cặn lại sau phân huỷ yếm khí, làm đông tụ tách loại bớt nớc liên kết hạt keo a nớc Ngời ta thờng dùng thêm hoá chất gây đông tụ nh muối sắt, nhôm (Al2(SO4)3, FeCl3, Fe2(SO4)3, AlCl3) vôi HiƯn nay, ngêi ta còng dïng mét sè poliacrylamit cã tác dụng đông tụ kết lắng mạnh + Tách loại nớc: tuỳ thuộc vào tính chất bùn cặn, chọn phơng pháp lọc thích hợp: lọc trọng lực, lọc li tâm, lọc chân không, lọc áp suất + Làm khô thiêu đốt: việc làm khô tiến hành đơn giản cách phơi bùn sàn cát hay sỏi có hệ thống thoát nớc phía dới đáy sàn Cũng có thểdùng phơng pháp sấy nhiệt chất bùn cặn có giá trị Sau bùn đợc ủ chế biến thành 139 phân bón, thiêu đốt để tận dụng nhiệt phân huỷ triệt để chôn lấp xuống vùng trũng thấp Sơ đồ nguyên tắc phơng án xử lí bùn cặn đợc hình 22 Bùn Sấy khô Nén đặc lắng Tách nớc Đốt ủ phân Phân huỷ ổn định Khử trùng Tách nớc Làm phân bón Làm phân bón Chôn lấp Sử dụng làm chất điều hoà đất Chôn lấp Sấy khô Hình 22 Sơ đồ phơng án xử lí bùn cặn Xử lí nớc thải sinh hoạt nớc thải công nghiệp 5.1 Xử lí nớc thải sinh hoạt Lợng nớc thải sinh hoạt dao động phạm vi lớn, t thc vµo møc sèng vµ thãi quen cđa ngêi dân, ớc tính khoảng 80% lợng nớc cấp cho sinh hoạt Nớc thải sinh hoạt có đặc điểm chứa lợng BOD chủ yếu dới dạng chất thải hữu cơ, nhiều loại vi khuẩn gây bệnh Nớc thải sinh hoạt chứa hàm lợng chất dinh dỡng cao, vợt 140 yêu cầu cho trình sinh học Một số giá trị điển hình nớc thải sinh hoạt nh sau: COD = 500 mg/l; BOD = 250mg/l; SS = 220mg/l; photpho = 8mg/l; nitơ NH3 N hữu = 40mg/l; pH = 6,8; TS = 720mg/l V× vËy, dïng phơng pháp vi sinh trình xử lí nớc thải sinh hoạt cho hiệu cao Tuy nhiên cần ý tất lợng chất hữu đợc phân huỷ hết nhờ vi sinh Thờng lại khoảng 20 40% lợng chất thải tính theo BOD, thoát khỏi trình sinh häc díi d¹ng bïn Xư lÝ níc thải công nghiệp Đặc điểm lu lợng nớc thải công nghiệp biến đổi mạnh tuỳ theo ngành công nghiệp, trình độ công nghệ sản xuất Nớc thải nhà máy chế biến thực phẩm thờng chứa lợng lớn chất hữu cơ, hàm lợng nitơ photpho đủ cao cho trình xử lí sinh học, nớc thải nhà máy hoá chất số ngành khác lại nghèo chất dinh dỡng, thờng chứa chất độc cần đợc sơ bé xư lÝ tríc trén lÉn víi níc th¶i khác Có thể sử dụng loại công trình để làm nớc thải công nghiệp: xử lí cơc bé (t¹i xëng); xư lÝ chung (t¹i tr¹m cđa nhà máy); xử lí tập trung (tại công trình xử lí thành phố hay khu vực) Các loại công trình đợc thiết kế thích hợp với lu lợng thải đặc điểm nớc thải Một vấn đề quan trọng nhà máy việc phân loại dòng thải: dòng nớc thải dùng tuần hoàn, dòng nớc thải có nồng độ ô nhiễm cao không bị pha loãng đợc xử lí riêng nhằm tiết kiệm chi phí xử lí tránh gây độc cho hệ thống vi sinh Tuỳ thuộc vào trờng hợp cụ thể, cần sử dụng số liệu khảo sát nguồn tài liệu thích hợp mà lựa chọn công nghệ kĩ thuạat xử lí thích hợp Việc quản lí nớc thải công nghiệp theo phơng án khác biểu diễn theo sơ đồ sau (hình 23) 141 3a 3b 3c 3d 3a 3b 3c 3d a/ b/ c/ H×nh 23 Sơ đồ phơng án quản lí nớc thải công nghiệp Nớc ma; Nớc thải sinh hoạt (của nhà máy); Nớc thải sản xuất; Trạm xử lí nớc thải tập trung; Trạm xử lí nớc thải cục bộ; Trạm xử lí nớc ô nhiễm để sử dụng tuần hoàn; Nguồn tiếp nhận níc 3a 3b 3c 3d 142 Lựa chọn trình xử lí thiết kế công nghệ công trình xử lí phải dựa vào đặc điểm hoá, lí sinh học nguồn nớc cần xử lí, mục đích sử dụng, lu lợng xử lí Công việc phức tạp cần công cụ tính toán chi tiết dựa số liệu cụ thể Những vấn đề vợt giới hạn giáo trình, sinh viên tham khảo tài liệu chuyên khảo khác công nghệ xử lí môi trờng nói chung môi trờng nớc nói riêng 143 Tài liệu tham khảo Samuel D Faust, Osman M Aly Chemistry of water treatment Ann Arbor Press – 1998 Russell W Lane Control of scale and corrosion in building water systems Mc Graw Hill, Inc London – NewYork Toronto, 1993 Chemistry for protection of the environment – 1987 Edited by: L Pawlowski, E Mentasti, W J Lacy, C Sarzanini Elsvier –1988 Rump H., H Krist H Laboratory Manual for the Examination of water, west water and soil Federal Republish of Germany1992 Clair N Sawyer, Perry L McCarty, Gene F Parkin Chemistry for environmental engineering McGraw Hill – 1996 Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga Giáo trình công nghệ xử lí nớc thải Nxb Khoa học Kĩ thuật Hà Nội, 1999 Nguyễn Thái Hng Bảo vệ môi trờng quản lí chất lợng nớc Trờng ĐH Thuỷ lợi Hà Nội, 1992 Nguyễn Thị Thu Thuỷ Xử lí nớc cấp sinh hoạt công nghiệp Nxb Khoa häc vµ KÜ thuËt – Hµ Néi, 2000 Nguyễn Hữu Phú Cơ sở lí thuyết công nghệ xử lí nớc tự nhiên Nxb Khoa học KÜ tht – Hµ Néi, 2001 144 Mơc lơc Tran g Mở đầu Chơng Những cân quan trọng môi trờng nớc Axit bazơ Ion kim loại môi trờng nớc Cân hoà tan kết tủa Cân oxi hoá - khử Các cân khác môi trờng nớc 5.1 Cân hấp phụ 5.2 Cân trao đổi ion 5.3 Hệ keo môi trờng nớc 5.4 Phản ứng quang hoá Chơng Những thông số đặc trng chất lợng nớc Sự ô nhiễm nớc Các thông số đặc trng cho chất lợng nớc Sự ô nhiễm nớc Chơng Các phơng pháp kÜ tht xư lÝ níc Nguyên tắc chung chọn công nghệ xử lí nớc Các biƯn ph¸p kÜ tht xư lÝ níc Mét sè biƯn pháp đơn giản xử lí nớc thải Phơng pháp xử lí có hệ thống Xử lí nớc thải sinh hoạt nớc thải công nghiệp Tài liệu tham khảo 145 Fe(OH)3 (r) 146 ... trình xảy ra: trình đứt liên kết (giữa phân tử, ion) - trình thu nhiệt; trình tơng tác phân tử hay ion với phân tử nớc - trình toả nhiệt có tạo thành liên kết hoá học định Quá trình thứ hai trình. .. FeHx-3ful + 3H+ Khi xử lí nớc trình keo tụ dùng phèn nhôm hay phèn sắt, phần Al3+ Fe3+ tham gia trình nh với axit lợng axit bị hấp phụ bề mặt hạt keo hyđroxit Cần loại bỏ axit trình xử lí nớc, phơng... điểm trình hấp phụ môi trờng nớc trình hấp phụ hỗn hợp, tức hệ chứa đồng thời chất bị hấp phụ, môi trờng chứa chất tan, có mặt nớc Trong thùc tÕ, sè chÊt tan níc rÊt lín, chất vô hữu Vì trình