Các phương pháp hóa học dùng trong xử lý nước thải gồm có: trung hòa, oxy hóa và khử. Tất cả các phương pháp này đều dùng các tác nhân hóa học nên là phương pháp đắt tiền. Người ta sử dụng các phương pháp hóa học để
khử các chất hòa tan và trong các hệ thống cấp nước khép kín. Đôi khi các phương pháp này được dùng để xử lý sơ bộ trước xử lý sinh học hay sau công
đoạn này như là một phương pháp xử lý nước thải lần cuối để thải vào nguồn nước ( trang169, [13] ).
III.1. Phương pháp trung hòa:
Nước thải chứa các axit vô cơ hoặc kiềm cần được trung hòa pH về
khoảng 6,5 ÷ 8,5 trước khi thải vào nguồn nước hoặc sử dụng cho công nghệ
xử lý tiếp theo.
Trung hòa nước thải có thể được thực hiện bằng nhiều cách khác nhau:
_Trộn lẫn nước thải axit với nước thải kiềm:
Phương pháp này được sử dụng khi nước thải của xí nghiệp là axit còn xí nghiệp gần đó có nước thải là kiềm: Cả hai loại nước thải này đều không chứa các cấu tử gây ô nhiễm khác ( trang 169, [13]).
_ Trung hòa bằng bổ sung các tác nhân hóa học:
Để trung hòa nước axit , có thể sử dụng các tác nhân hóa học như
NaOH, KOH, Na2 CO3 , nước amoniac NH4OH, CaCO3, MgCO3 , đolomit ( CaCO3 . MgCO3 ) và xi măng. Tác nhân rẻ nhất là sữa vôi 5 đến 10% Ca(OH)2 , tiếp đó là sođa và NaOH ở dạng phế thải . Đôi khi người ta sử dụng các chất thải khác nhau của sản xuất để trung hòa nước thải.
Để trung hòa nước thải kiềm người ta sử dụng các axit khác nhau hoặc khí thải mang tính axit như CO2 ,SO2, NO2,…(trang 169, [13] ).
_ Trung hòa nước thải bằng cách lọc qua vật liệu có tác dụng trung hòa:
Người ta thường dùng các vật liệu như manhêtit (MgCO 3 ), đolomit ,
đá vôi, đá hoa,…và các chất thải rắn như xỉ, xỉ tro làm vật liệu lọc. Quá trình trung hòa được tiến hành trong các thiết bị lọc - trung hòa đặt nằm ngang hoặc
đứng. Các thiết bị lọc này dùng để trung hòa nước axit có nồng độ không vượt quá 1,5mg/l và không chứa muối của kim loại nặng.
_ Trung hòa bằng các khí axit :
Để trung hòa nước thải kiềm, trong những năm gần đây, người ta
phép trung hòa nước thải mà đồng thời tăng hiệu suất làm sạch chính khí thải khỏi các cấu tửđộc hại.
Việc sử dụng CO2để trung hòa nước thải kiềm có nhiều ưu điểm với việc dùng H2SO4 hay HCl và cho phép giảm rất đáng kể chi phí cho quá trình trung hòa. Do độ hòa tan CO2 kém nên mức nguy hiểm do oxy hóa quá mức các dung dịch được trung hòa cũng giảm xuống, các ion CO32-được tạo thành có ứng dụng nhiều hơn so với ion SO42- , Cl- , ngoài ra tác động ăn mòn và độc hại của ion CO32- trong nước nhỏ hơn các ion SO42- , Cl- (trang 174,[13]).
III.2. Phương pháp oxy hóa và khử:
Để làm sạch nước tự nhiên và nước thải người ta có thể dùng các chất oxy hóa như Clo dạng khí và dạng lỏng, điclooxit, CaOCl2, Ca(ClO)2 và Na, KMnO4, K2Cr2O7, H2O2, O2 , O3 ,MnO2 …
Trong quá trình oxy hóa, các chất độc hại trong nước thải chuyển thành các chất ít độc hơn và tách ra khỏi nước. Quá trình này tiêu tốn một lượng lớn các tác nhân hóa học, do đó oxy hóa hóa học chỉđược dùng để loại các tạp chất gây nhiểm bẩn trong nước mà không thể tách bằng phương pháp khác như khử xyanua hay hợp chất hòa tan của As (trang 175,[13]).
III.2.1. Oxy hóa bằng Clo :
Clo và các chất chứa Clo hoạt tính là chất oxy hóa thông dụng nhất, thường được dùng để tách hydrosunfua, hydrosunfit, các hợp chất chứa metylsunfit, phenol, xyanua ra khỏi chất thải.
Ví dụ: Quá trình tách xyanua ra khỏi nước thải được tiến hành ở môi trường kiềm (pH = 9 ). Xyanua có thể bị oxy hóa tới N2 và CO2 theo phương trình sau:
CN- + 2 OH- + Cl2 → CNO- + 2Cl- + H2O
2CNO- + 4 OH- + Cl2 → CO2 + 6Cl- + N2 + H2O
( trang 176,[13])
III.2.2. Oxy hóa bằng hydro peoxit:
H2O2 được dùng để oxy hóa các nitrit, xyanua, phenol, các chất thải chứa lưu huỳnh và các chất nhuộm mạnh.
Trong môi trường axit, H2O2 thể hiện rõ chức năng oxy hóa, còn trong môi trường kiềm là chức năng khử. Trong môi trường axit, H2O2 chuyển Fe2+ thành Fe3+ , HNO2 thành HNO3, SO32- thành SO42-, CN- bị oxy hóa trong môi trường kiềm ( pH= 9÷12 ) thành CNO-.
Ngoài tính oxy hóa, người ta còn dùng tính khử của H2O2 để loại Clo ra khỏi nước:
H2O2 + Cl2 → O2 + 2 HCl
H2O2 + NaClO → O2 + NaCl + H2O
III.2.3. Oxy hóa bằng oxy không khí:
_ O2 trong không khí được dùng để tách Fe ra khỏi nước theo phản ứng:
4 Fe2+ + O2 + 2 H2O → 4 Fe3+ + 4 OH- Fe3+ + 3 H2O → Fe(OH)3 ↓ + 3 H+
_ O2 trong không khí còn được dùng để oxy hóa sunfua trong nước thải của các nhà máy giấy, chế biến dầu mỏ và hóa dầu. Quá trình oxy hóa hydrosunfua thành sunfua lưu huỳnh diễn ra như sau:
S-2→ S → SnO62-→ S2O32-→ SO32-→ SO42-
Khi nhiệt độ tăng, tốc độ phản ứng và mức oxy hóa sunfua và hydrosunfua tăng ( trang 177, [13] ).
III.2.4. Oxy hóa bằng MnO2:
MnO2được dùng để oxy hóa As3+đến As5+ theo phản ứng sau: H3AsO3 + MnO2 + H2SO4 → H3AsO4 + MnSO4 + H2O
Khi tăng nhiệt độ ( nhiệt độ tối ưu 70-800 ) thì mức oxy hóa tăng. Quá trình oxy hóa này thường được tiến hành bằng cách lọc nước thải qua lớp vật liệu MnO2 hoặc trong thiết bị có khuấy trộn với vật liệu đó ( trang 178, [13] ).
III.2.5. Ozon hóa:
Oxy hóa bằng ozon cho phép các tạp chất nhiễm bẩn, màu, mùi vị
lạ đối với nước, hay có thể làm sạch nước thải khỏi phenol, sản phẩm dầu mỏ, H2S, các hợp chất của As, chất hoạt động bề mặt, xyanua, chất nhuộm, hiđrocacbon thơm, thuốc sát trùng.
Trong xử lý nước bằng ozon, các hợp chất hữu cơ bị phân hủy và xảy ra sự khử trùng đối với nước. Các vi khuẩn chết nhanh hơn so với xử lý nước thải bằng Clo vài nghìn lần.
Ví dụ: oxy hóa Fe2+, Mn2+ tạo thành kết tủa hyđroxit hay đioxit permanganat không tan:
2 FeSO4 + H2SO4 + O3 → Fe2(SO4)3 + H2O + O2 MnSO4 + O3 + 2 H2O → H2MnO3 + O2 + H2SO4 2 H2MnO3 + 3O3 → 2 HMnO4 + 3 O2 + H2O
Oxy hóa NH3 trong môi trường kiềm như sau:
NH3 + 4O3 → NO3- + 4 O2 + H2O + H+
III.2.6. Làm sạch bằng khử:
Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi để xử lý các hợp chất thủy ngân, crom, asen. Trong phương pháp này, hợp chất thủy ngân vô cơ được khử đến thủy ngân kim loại và tách ra khỏi nước nhờ lắng, lọc hoặc keo tụ. Các hợp chất thủy ngân đầu tiên được oxy hóa phân hủy, sau đó các cation thủy ngân được khửđến kim loại. Để khử thủy ngân và các hợp chất của chúng có thể dùng sunfat sắt, hydroxit natri, bột sắt, H2S, bột nhôm,…
Phương pháp phổ biến để khử asen là cho nó lắng dưới dạng các hợp chất khó tan, còn các hợp chất chứa crom hóa trị 6 người ta khử nó đến crom hóa trị 3 và cho nó lắng dưới dạng hydroxit trong môi trường kiềm. Chất khử có thể là than hoạt tính, sunfat sắt, bisunfat natri, hydro, dioxit lưu huỳnh, các phế thải hữu cơ. Khử bằng dung dịch bisunfat natri:
4 H2CrO4 + 6 NaHSO3 + 3 H2SO4 → 2 Cr2(SO4)3 + 3 Na2SO4 + 10 H2O
Để lắng Cr(III), người ta ứng dụng tác chất kiềm Ca(OH)2, NaOH ( giá trị tối ưu là pH= 8-9,5 ):
Cr3+ + 3OH- → Cr(OH)3
Sử dụng sunfat sắt sẽ thu được kết quả tốt. Trong môi trường axit:
2 CrO3 + 6 FeSO4 + 6 H2SO4 → 3 Fe2(SO4)3 + Cr2(SO4)3 + 6 H2O
2 Cr2O3 + 6 FeSO4 + 6 Ca(OH)2 + 6 H2O → 2 Cr(OH)3 + 6Fe(OH)3 + 6 CaSO4
( trang 121, [11] ). Có thể lắng Cr(III) bằng axetat bari ( Cr(VI) lắng dưới dạng cromat bari ). Ưu điểm của phương pháp này là có thể xử lý đồng thời Cr(VI) và ion SO42-.
III.3. Loại các ion kim loại nặng:
Các ion kim loại nặng như thuỷ ngân, crom, cadimi, kẽm, chì,
đồng, niken, asen được loại ra khỏi nước thải bằng phương pháp hoá học. Bản chất của phương pháp này là chuyển các chất tan trong nước thành không tan, bằng cách thêm tác chất vào và tách chúng ra dưới dạng kết tủa.
Chất phản ứng dùng là hydroxit canxi và natri, cacbonat natri, sulfit natri, các chất thải khác nhau như xỉ sắt – crom chứa: CaO – 51,3%, MgO – 9,2%, SiO2 – 27,4%, Cr2O3 – 4,13%, Al2O3 – 7,2%, FeO – 0,73%.
a. Xử lý hợp chất thuỷ ngân:
Nước thải bị ô nhiễm thuỷ ngân và các hợp chất thuỷ ngân được tạo thành trong sản xuất clo, NaOH, trong các quá trình điện phân dùng điện cực thuỷ ngân, do sản xuất thuỷ ngân, điều chế thuốc nhuộm, các hidrocacbon, do sử dụng thủy ngân làm chất xúc tác. Thuỷ ngân trong nước có thể tồn tại ở
dạng kim loại, các hợp chất vô cơ: oxit, clorua, sunfat, sunfua, nitrat, xianua ( Hg(CN)2 ), thioxanat ( Hg(NCS)2 ), xianat ( Hg(OCN)2 ).
Thuỷ ngân kim loại được lọc và lắng. Các hạt không lắng được oxy hoá bằng clo hoặc NaOCl đến HgCl2. Sau đó, xử lý nước bằng chất khử ( NaHSO4 hoặc Na2SO3 ) để loại chúng và clo dư.
Thuỷ ngân có thểđược tách ra khỏi nước bằng phương pháp khử
với các chất khử là sunfat sắt, bisunfit natri, bột sắt, khí H2S, hydrazin.
Để lắng thuỷ ngân trước tiên cho vào nước thải sulfat natri, bisunfit natri hoặc khí H2S. Sau đó xử lý nước bằng clorua natri, kali, magiê, canxi hoặc sunfit magiê với lượng 0,1 g/l. Khi đó, thuỷ ngân sẽ lắng ở dạng hạt.
Để loại các hạt keo phân tán cao, dùng chất keo tụ Al2(SO4)3. 18H2O, FeSO4. 7H2O…
Các hợp chất thuỷ ngân trước tiên bị phân huỷ bằng oxy hoá ( bằng khí clo ), sau khi loại clo dư, cation thuỷ ngân được khử đến Hg kim loại hoặc chuyển sang dạng sunfua khí, rồi loại cặn.
Muối các kim loại này, hoá chất chứa trong nước thải tuyển quặng, luyện kim, chế tạo máy, chế biến kim loại, hoá chất, dược phẩm, chế
biến sơn, dệt…
Xử lý nước thải chứa muối kẽm bằng natri hydroxit: Zn2+ + OH- → Zn(OH)2
Khi pH= 5,4 hydroxit kẽm bắt đầu lắng. Khi pH= 10,5 bắt đầu tan các hydroxit kẽm lưỡng tính. Do đó, quá trình xử lý cần tiến hành với pH= 8-9.
Khi sử dụng sođa ta có phản ứng:
2 ZnCl2 + 2 Na2CO3 + H2O → 4 NaCl + (ZnOH)2CO3 ↓ + CO2
Khi pH= 7-9,5 hình thành cacbonat có thành phần 2 ZnCO3, 3 Zn(OH)2; khi pH ≥10 thành phần hydroxit tăng.
Xử lý nước thải chứa ion đồng bằng hydroxit: Cu2+ + 2 OH- → Cu(OH)2
2 Cu2+ + 2 OH- + CO32- → (CuOH)2CO3 ↓
Có thể dùng feroxianua kali để tách đồng và các ion kim loại nặng ra khỏi nước. Để loại đồng và cadimi cho nước thải tiếp xúc với SO2 hoặc các sunfit và bột kim loại như kẽm, sắt. Khi đó kim loại khử sunfit thành sunfua, cùng với kim loại nặng hình thành sunfua khó tan.
Xử lý niken bằng hydroxit, cacbonat: Ni2+ + 2 OH- → Ni(OH)2 ↓
2 Ni2+ + 2 OH- + CO32- → (NiOH)2CO3↓ Ni2+ + CO32- → NiCO3↓
Cation chì trong dung dịch chuyển thành cặn lắng ở một trong ba dạng dung dịch khó tan:
Pb2+ + 2 OH- → Pb(OH)2↓
2 Pb2+ + 2 OH- + CO32- → (PbOH)2CO3↓ Pb2+ + CO32- → PbCO3↓
Hydroxit chì bắt đầu lắng ở pH= 6.
Xử lý coban và cadimi trong nước thải bằng sữa vôi đạt kết quả tối
đa. Nước thải có thể chứa nhiều kim loại khác nhau, chúng thường được loại
đồng thời bằng canxi hydroxit. Lắng đồng thời vài kim loại khác nhau có hiệu quả tốt hơn so với khi lắng từng kim loại do hình thành tinh thể hỗn hợp và hấp phụ kim loại trên bề mặt pha rắn.
Xử lý nước thải bằng kiềm cho phép giảm nồng độ kim loại nặng
đến đại lượng thải vào hệ thống nước thải sinh hoạt. Khi độ sạch yêu cầu cao hơn thì phương pháp này không đáp ứng. Để làm sạch hơn xử lý nước thải bằng sunfua natri, vì độ hoà tan của các sunfua kim loại thấp hơn của các hidroxit và cacbonat rất nhiều. Quá trình lắng sunfua diễn ra khi pH thấp hơn so với khi lắng hydroxit và cacbonat. Để loại kim loại cũng có thể sử dụng pirit hạt hoặc bột, sunfua các kim loại không độc.
Nhược điểm của phương pháp này là hình thành cặn khó tách ra khỏi nước. Ngoài ra, nước sau khi xử lý chứa lượng lớn muối canxi, khó sử
dụng lại trong hệ thống tuần hoàn nước.
c. Xử lý hợp chất asen:
Để xử lý asen trong nguồn nước ứng dụng phương pháp phản
ứng, hấp phụ, điện hoá, chiết và các phương pháp khác. Lựa chọn phương pháp xử lý phụ thuộc vào dạng asen hoà tan, thành phần, độ axit và các chỉ số
khác của nước.
Khi nồng độ asen cao có thểứng dụng phương pháp lắng hoá học dưới dạng các chất khó tan ( asenat, asenit các kim loại kiềm thổ và kim loại nặng, sunfua và hydroxit asen ).
Asen là một chất độc mạnh có tác dụng tích lũy và có khả năng gây ung thư và đây cũng là một chất khó xử lý. Gần đây, các nhà khoa học đã phát hiện ra một phương pháp xử lý asen đạt hiệu quả cao và chi phí thấp. Đó là phương pháp xử lý bằng cây dương xỉ.
Một số nhà khoa học Mỹ vừa phát hiện ra một loài dương xỉ có tên là Pteris vittata có khả năng hút chất asen ra khỏi nước bị nhiễm độc. Loài thực vật này sẽ làm giảm mức độ ô nhiễm xuống mức giới hạn an toàn, do Cơ quan Bảo vệ môi trường Mỹđặt ra, chỉ trong vòng một ngày.
Phương pháp "lọc sinh vật" này sẽ giúp mang lại một phương thức rẻ tiền để loại bỏ chất asen ra khỏi nguồn nước sinh hoạt. Người ta sẽ
trồng loại dương xỉ này trực tiếp trong nước để hút asen, tương tự như việc dùng thảm lau sậy để loại bỏ các chất thải hữu cơ hiện nay.
Pteris vittata là một loài thực vật hấp thụ asen được phát hiện ba năm trước đây. Loài thực vật này có khả năng chứa được tới 22g asen/kg thân cây, đồng thời có khả năng sinh trưởng rất nhanh và khỏe mạnh.
Trên những vùng đất không bị ô nhiễm, hàm lượng asen trong dương xỉ thay đổi từ 11,8-64 phần triệu. Tuy nhiên, những cây dương xỉ mọc trong vùng đất ô nhiễm tại miền Trung Florida lại có nồng độ cao từ 1.442-7.526 phần triệu. Asen tập trung phần lớn trên những chiếc lá xanh dạng dải hay lá hình lược của dương xỉ.
Dương xỉ diều hâu xuất xứ từ châu Phi, châu Á và Australia. Hiện nay chúng đã thích nghi được với các vùng đất ấm hơn ở châu Mỹ.
Ông Mark Elless thuộc Công ty Hệ thống Edenspace cùng các
đồng sự đã phân tích một thử nghiệm công dụng của loại dương xỉ này bằng cách đo đạc thời gian và lượng asen mà chúng hút được. Kết quả là trong 24 giờ, loại cây này đã giảm được tới 200 microgram asen trong mỗi lít nước. Những cây này có thểđược sử dụng nhiều lần.
Không giống như một số phương pháp loại bỏ asen khác, phương pháp lọc sinh học này không tạo ra các chất thải hóa học giàu asen khó xử lý. Thay vào đó, chất nhựa được ép ra từ thân cây dương xỉ này có ¾ là asen, có thể chiết xuất ra để dùng trong công nghiệp.
Ông Andrew Maharg, một chuyên gia nghiên cứu về khả năng hấp thụ chất asen của cây cối tại Đại học Aberdeen (Anh) cho rằng "đây là một công nghệ thú vị". Nhưng ông cho rằng công nghệ này sẽ có tác dụng tốt nhất nếu