Phƣơng pháp xử lý nƣớc thải giấy gồm có xử lý cơ học, hóa lý, sinh học hoặc liên kết các phƣơng pháp này.[6].
20 2.3.1. Xử lý cơ học Bảng 2.5. Các phƣơng pháp cơ học St t Phƣơng pháp Đặc điểm
1 Điều hòa Điều hòa lƣu lƣợng và nổng độ các chất ô nhiễm trong nƣớc thải. 2 Song
chắn rác
Loại các thành phần có kích thƣớc lớn có trong nƣớc thải giấy nhƣ: dăm gỗ, xơ sợi, lá cây…
3
Lắng Bể lắng cát, và các dạng bể lắng: lắng đứng, ly tâm và lắng ngang. Cát, các chất lơ lững và bông cặn đƣợc loại bỏ do trọng lực. 5
Lọc Lọc đƣợc ứng dụng để tách các tạp chất có kích thƣớc nhỏ khi không thể loại đƣợc bằng phƣơng pháp lắng. Thƣờng dùng để xử lý nƣớc sau xử lý đòi hỏi có chất lƣợng cao.
2.3.2. Xử lý hóa lý Bảng 2.6. Các phƣơng pháp xử lý hóa lý Bảng 2.6. Các phƣơng pháp xử lý hóa lý Stt Phƣơng pháp Đặc điểm 1 Tuyển nổi
Các hạt giấy nhỏ, giấy vụn đƣợc tụ lại và đƣa lên khỏi mặt nƣớc nhờ các bọt khí đƣợc bơm vào và loại khỏi mặt nƣớc nhờ cánh gạt. 2 Keo tụ,
tạo bông Trong quá trình lắng cơ học chỉ tách đƣợc các hạt chất rắn huyền phù có kích thƣớc lớn ≥ 10-2, còn các hạt nhỏ hơn ở dạng keo thì không lắng đƣợc. Ta có thể làm tăng kích cở các hạt nhờ phƣơng pháp keo tụ, khi đó hệ keo bị mất ổn định do sự phân tán nhanh của hóa chất keo tụ. Chất hữu cơ, SS, photphate, một số kim loại và độ đục bị loại bỏ khỏi nƣớc.
3 Trao đổi ion
Khử tƣơng đối triệt để các tạp chất ở trạng thái ion trong nƣớc nhƣ Zn, Cu, Cr, Ni, Hg, Mn … cũng nhƣ các hợp chất của asen, photpho, xyanua, chất phóng xạ.
4 Hấp phụ Làm sạch nƣớc thải triệt để khỏi các chất hữu cơ hòa tan sau khi không xử lý bằng phƣơng pháp sinh học đƣợc, cũng nhƣ khi nồng độ của chúng không cao hay chúng rất độc.
5 Trung hòa
Nhằm trung hòa nƣớc thải có pH quá cao hoặc quá thấp, tạo điều kiện thích hợp cho các quá trình xử lý hóa lý và sinh học.
6 Oxy hóa- khử
Khử trùng nƣớc, chuyển một nguyên tố hòa tan sang kết tủa hoặc một nguyên tố hòa tan sang thể khí. Biến đổi một chất không phân hủy sinh học thành nhiều chất đơn giản hơn, có khả năng đồng hóa bằng vi sinh vật. Các chất oxy hóa nhƣ ozon, H2O2, clo... Các hệ oxy hóa nâng cao(AOPs) Fenton, O3+UV, …
7 Kết tủa hóa học
Giảm độ hòa tan bằng các phản ứng hóa học. Độ cứng, photphat và nhiều kim loại nặng bị loại bỏ. Phƣơng pháp đƣợc sử dụng rộng rãi nhất để kết tủa các kim loại là tạo thành các hydroxide.
21
2.3.3. Xử lý sinh học
Phƣơng pháp xử lý sinh học nƣớc thải dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ nhiểm bẩn trong nƣớc. Do vậy điều kiện đầu tiên và vô cùng quan trọng là nƣớc thải phải là môi trƣờng sống của quần thể vi sinh vật phân hủy các chất hữu cơ có trong nƣớc thải.
Nƣớc thải đƣa vào xử lý sinh học có hai thông số đặc trƣng là COD và BOD. Tỉ số của 2 thông số này phải là: BOD COD ≥ 0,5 mới có thể đƣa vào xử lý sinh học (hiếu khí). Nếu COD lớn hơn nhiều lần, trong đó có xenlulozơ, hemixenlulozơ, proteint, tinh bột chƣa tan thì phải qua xử lí sinh học kị khí.[6]. Hoặc tiền xử lý bằng các biện pháp hóa lý, cơ học.
Bảng 2.7. Các phƣơng pháp xử lý sinh học hiếu khí Stt Phƣơng
pháp
Đặc điểm
Vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ làm thức ăn khi có O2.
Sinh trưởng lơ lững
1 Arotank Trong quá trình hoạt tính chất hữu cơ và vi sinh đƣợc sục khí. Bùn hoạt tính lắng xuống một phần đƣợc tuần hoàn về bể. Các quá trình bùn hoạt tính bao gồm: dòng chảy đều, khuấy trộn hoàn chỉnh, nạp nƣớc vào bể theo cấp, làm thoáng kéo dài, quá trình ổn định tiếp xúc…
2 Hồ sục khí
Thời gian lƣu nƣớc trong hồ có thể vài ngày. Khí đƣợc sục để tăng cƣờng quá trình oxy hóa chất hữu cơ.
3 SBR Các quá trình tƣơng tự bùn hoạt tính. Tuy nhiên, việc ổn định chất hữu cơ lắng và tách nƣớc sạch sau xử lý chỉ xảy ra trong một bể. 4 Unitank Unitank là công nghệ hiếu khí xử lí nƣớc thải bằng bùn hoạt tính,
quá trình xử lí liên tục và hoạt động theo chu kì. Kết hợp chức năng oxy hoá và lắng tách bùn trong cùng một bể nên không cần công đoạn hoàn lƣu bùn. Xử lý ổn định và chịu sốc tải hơn bể Arotank.
Sinh trưởng bám dính
1 Bể lọc sinh học (Tricling
Filter)
Nƣớc đƣợc đƣa vào bể có các vật liệu tiếp xúc…Bể lọc sinh học gồm có các loại: tải trọng thấp, tải trọng cao, lọc hai bậc…Các vi sinh vật sống và phát triển trên bề mặt vật liệu tiếp xúc, hấp thụ và oxy hóa các chất hữu cơ. Cung cấp không khí và tuần hoàn nƣớc là rất cần thiết trong quá trình hoạt động.
2 RBC Bể tiếp xúc sinh học trục quay. Gồm các đĩa tròn bằng vật liệu tổng hợp đặt sát gần nhau. Các đĩa quay này một phần ngập trong nƣớc.
22
Bảng 2.8. Các phƣơng pháp xử lý sinh học kỵ khí và quá trình ở hồ St
t
Phƣơng pháp
Đặc điểm
Chịu đƣợc tải lƣợng cao, và có khả năng phân hủy một số chất hữu cơ khó phân hủy mà quá trình hiếu khí không xử lý đƣợc
Sinh trưởng lơ lững
1 Tiếp xúc
kỵ khí Chất thải đƣợc phân hủy trong bể kị khí khuấy trộn hoàn chỉnh. Bùn đựơc lắng tại bể lắng và tuẩn hoàn trở lại bể phản ứng 2 UASB Nƣớc thải đƣợc đƣa vào bể từ đáy. Bùn trong bể dƣới lực nặng của
nƣớc và khí biogas từ quá trình phân hủy sinh học tạo thành lớp bùn lơ lững, xáo trộn liên tục. Vi sinh vật kị khí có điểu kiện rất tốt để hấp thụ và chuyển đổi chất hữu cơ thành khí metan và cacbonic. Bùn đƣợc tách và tự tuần hoàn lại bể UASB bằng cách sử dụng thiết bị tách rắn - lỏng – khí.
Sinh trưởng dính bám
1 Bể lọc khí
Nƣớc thải đƣợc đƣa từ phía trên xuống qua các vật liệu tiếp xúc trong môi trƣờng kị khí. Có thể xử lý nƣớc thải có nồng độ trung bình với thời gian lƣu nƣớc ngắn.
2 EBR và FBR
Bể gồm các vật liệu tiếp xúc nhƣ các, than, sỏi. Nƣớc và dòng tuần hoàn đƣợc bơm từ đáy bể đi lên sao cho duy trì vật liệu tiếp xúc ở trạng thái trƣơng nở hoặc giả lỏng. Thích hợp với khi xử lý nƣớc thải có nồng độ cao vì nồng độ sinh khối đƣợc duy trì trong bể khá lớn. Tuy nhiên, thời gian khởi động tƣơng đối lâu.
Quá trình ở hồ, mặt đât. 1 Hồ ổn
định Hồ xử lý dạng này thƣờng là những hồ tự nhiên hoặc nhân tạo và đƣợc lắp đặt lớp lót chống thấm. Quá trình sinh học xảy ra trong hồ có thể là kị khí, tùy tiện hoặc hiếu khí.
2 Xử lý
đất Tận dụng thực vật, đặc tính của đất và các hiện tƣợng tự nhiên khác để xử lý nƣớc bằng việc kết hợp các quá trình lý – hóa – sinh cùng xảy ra.
2.4. Tổng quan công nghệ xử lý đƣợc đề xuất
Việc lựa chọn công nghệ xử lý nƣớc thải cần phải dựa vào các yếu tố cơ bản sau:
- Công suất trạm xử lý
- Thành phần, tính chất nƣớc thải đầu vào
- Tiêu chuẩn xã nƣớc thải vào các nguồn tiếp nhận tƣơng ứng - Chi phí đầu tƣ xây dựng, quản lý, vận hành bảo trì
23
- Dựa vào điều kiện tự nhiên xã hội tại vùng mà công trình xây dựng - Những điều kiện thiết bị hiện có trên thị trƣờng.
Từ những yếu tố trên nhóm đề xuất những công nghệ xử lý cơ bản là:
Xử lý sinh học bằng công nghệ Unitank. Do nồng độ các chất ô nhiểm đầu vào cao và tính chất nƣớc thải đầu vào có t số BOD COD thấp, và trong nƣớc thải có nhiều chất ô nhiểm khó xử lý sinh học nên đề xuất tiền xử lý bằng keo tụ và oxy hóa nâng cao hệ Fenton.
2.4.1. Keo tụ tạo bông
Lý thuyết của quá trình keo tụ tạo bông
Khái niệm hạt keo: hạt keo là những hạt có kích thƣớc 0,001μm < ∅ < 1μm có khả năng lắng rất chậm do bị cản trở bởi chuyển động Brown.
Các hạt keo thƣờng mang điện tích tƣơng ứng với môi trƣờng xung quanh và có thể phân thành 2 dạng chính: keo ƣa nƣớc và keo kỵ nƣớc.
Quanh nhân hạt keo có hai lớp ion mang điện tích trái dấu bao bọc, gọi là lớp điện tích kép của hạt keo. Lớp ion ngoài cùng do lực liên kết yếu nên thƣờng không có đủ điện tích trung hòa với điện tích bên trong và do vậy hạt keo luôn mang một điện tích nhất định. Để cân bằng điện tích trong môi trƣờng, hạt keo lại thu hút quanh mình một số ion trái dấu ở trạng thái khuyếch tán.
Các lực hút và lực đẩy tĩnh điện hoặc lực Vander Waals tồn tại giữa các hạt keo. Độ lớn của lực này thay đổi t lệ nghịch với khoảng cách giữa các hạt khả năng ổn định hạt keo là do kết quả tổng hợp giữa lực hút và lực đẩy nếu lực tổng hợp là lực hút thì quá trình xảy ra là quá trình keo tụ . Khi các hạt keo kết dính với nhau chúng tạo thành những hạt có kích thƣớc lớn hơn đƣợc gọi là bông cặn và có khả nặng lắng nhanh.
Để lực hút thắng đƣợc lực đẩy thì điện thế Zeta δ < 0,03 V và quá trình keo tụ càng đạt hiệu quả khi điện thế Zeta tiến tới 0.
24
Động học quá trình keo tụ tạo bông
Quá trình keo tụ tạo bông gồm hai quá trình chính:
Quá trình keo tụ: dựa trên cơ chế phá bền hạt keo
Quá trình tạo bông: tiếp xúc/kết dính giữa các hạt keo đã bị phá bền. Cơ chế
tiếp xúc giữa các hạt keo này bao gồm:
Tiếp xúc do chuyển động nhiệt (chuyển động Brown) tạo thành hạt có kích thƣớc nhỏ khoảng 1 μm tiếp xúc do quá trình chuyển động của lƣu chất đƣợc thực hiện bằng cách khuấy trộn hỗn hợp để tạo thành bông cặn có kích thƣớc lớn hơn
Tiếp xúc do quá trình lắng của các hạt
Để khuấy trộn nƣớc thải với hóa chất keo tụ và tạo thành bông keo, ngƣời ta dùng những thiết bị khuấy trộn khác nhau. Tuy nhiên để hiệu quả tạo bông cũng nhƣ lắng các bông cặn đƣợc cao thì các giá trị của gradien vận tốc G và thời gian t phải đảm bảo. Các giá trị của nhƣng đại lƣợng này phụ thuộc vào: - Thành phần hóa học của nƣớc
- Bản chất và nồng độ keo trong nƣớc.
Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ
Trị số pH của nƣớc, liều lƣợng phèn sử dụng, nhiệt độ nƣớc, tạp chất trong nƣớc, môi chất tiếp xúc,…
Nhìn chung, có rất nhiều yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu quả keo tụ. Tuy nhiên, trong thực tế ngƣời ta thƣờng chú ý đến hai yếu tố đó là trị số pH của nƣớc thải và liều lƣợng phèn sử dụng. Ngoài ra, để tăng hiệu quả quá trình keo tụ ngƣời ta có thể bổ sung các polyme làm chất trợ keo tụ.
Các giá trị pH, liều lƣợng phèn và liều lƣợng polyme tối ƣu thƣờng khác nhau đối với từng loại nƣớc thải. Vì vậy, để xác định các giá trị này chúng ta phải tiến hành thí nghiệm Jartest đối với từng loại nƣớc thải cần xử lý.
25
2.4.2. Các phƣơng pháp oxy hóa nâng cao (AOPs)
Các chất oxi hóa thông thƣờng là: Clo, Kali pecmanganat (KMnO4), Hydrogen peroxit (H2O2), Ozon (O3). Đặc điểm chung của việc oxi hoá các chất bằng các tác nhân oxi hoá thƣờng dùng là không thể xảy ra với mọi chất và không thể xảy ra triệt để, và một số nhƣợc điểm nhƣ đối với Clo sẽ sinh ra chất hữu cơ chứa clo (THM) gây nguy cơ ung thƣ cho ngƣời sử dụng. Kali pecmanganat khi sử dụng trong xử lý nƣớc là tạo ra mangan dioxit trong quá trình oxi hoá, ozon hoà tan kém trong nƣớc và là hợp chất không bền, thời gian tồn tại chỉ vài phút. Một công nghệ oxy hóa đƣợc chú ý trong thời gian gần đây là các quá trình oxy hóa nâng cao.
Phản ứng Oxy hóa nâng cao hệ Fenton
Cơ chế phản ứng của Fenton
Quá trình đƣợc thực hiện bằng cách thêm xúc tác Fe2+
(FeSO4), sau đó thêm từ từ H2O2. Trong phản ứng Fenton Fe2+ giữ vai trò khơi mào tạo thành gốc *OH. *OH là tác nhân oxi hóa chính của hệ Fenton. pH 3 - 5, nếu pH quá cao sắt sẽ kết tủa thành Fe(OH)3 và nó sẽ phân hủy H2O2 thành oxy.
Quá trình Feton có thể xảy ra các phản ứng sau:
Bảng 2.9. Phƣơng trình phản ứng xảy ra trong quá trình Fenton
Phƣơng trình phản ứng Hằng số tốc độ phản ứng, k (l.mol-1.s-1) Quá trình Fe2++H2O2Fe3++ *OH+OH- 63 (1) Fe3++ H2O2Fe2++ H++*HO2 (2) OH*+Fe2+Fe3++OH- (3) OH*+H2O2H2O+*HO2 (4) Fe2++HO2Fe3++OH- (5) Fe3++ *HO2Fe2++ H++O2 (6) Nhận xét: Phản ứng (1), (2),(3) chứng tỏ Fe đóng vai trò xúc tác.
Quá trình khử Fe3+ thành Fe2+ xảy ra rất chậm so với phản ứng oxi hóa Fe2+ thành Fe3+ . vì vậy Fe tồn tại sau phản ứng chỉ ở dạng Fe3+.
26
Theo phản ứng (4), (5) và (6), nếu H2O2 dƣ, gốc OH* sẽ phản ứng với H2O2 tạo ra OOH*
có khả năng oxi hóa thấp hơn.
*OH có khả năng phản ứng với nhiều chất hữu cơ (RH) tạo thành gốc hữu cơ có khả năng phản ứng cao.
*OH + RH *R + H2O
Gốc *R có thể oxy hóa Fe2+, khử Fe3+ hoặc dimer hóa theo những phƣơng trình phản ứng sau:
*R + Fe2+ Fe3+ + RH
*R + Fe3+ Fe2+ + “sản phẩm” *R + *R “sản phẩm”
Fe3+ sẽ phản ứng với H2O2 tạo ra Fe2+
để sau đó Fe2+ tiếp tục phản ứng với H2O2 theo phản ứng (1) và hình thành gốc OH*.
Tuy nhiên tốc độ oxi hóa bằng tác nhân H2O2/ Fe3+ chậm hơn nhiều so với tác nhân H2O2/ Fe2+. Nguyên nhân vì Fe3+ phải đƣợc khử thành Fe2+
trƣớc khi gốc OH* hình thành.
Cơ chế chính xác của quá trình Fenton vẫn đang hồ nghi, chƣa đƣợc thuyết phục đối với một số nhà khoa học. Tuy vậy, tuyệt đại đa số đều nhất trí cao với cơ chế phản ứng Fenton xảy ra theo các phƣong trình nêu ra trong bảng 2.9 và thừa nhận vai trò của gốc hygroxyl tạo ra trong phản ứng Fenton.
Tuy nhiên phải sử dụng rất nhiều hoá chất làm cho chi phí xử lý cao. Do vậy, trong nhiều trƣờng hợp chỉ nên áp dụng quá trình Fenton để phân hu từng phần, chuyển các chất hữu cơ không thể hoặc khó phân hu sinh học thành các chất mới có khả năng phân hu sinh học nhằm có thể áp dụng thuận lợi quá trình xử lý sinh học tiếp sau. (Chi tiết về phương pháp oxy hóa nâng cao tại phụ lục C).
27
2.4.3. Công nghệ Unitank
Đặc điểm
Unitank là công nghệ hiếu khí xử lý nƣớc thải bằng bùn hoạt tính, quá trình xử lý liên tục và hoạt động theo chu kỳ. Nhờ quá trình điều khiển linh hoạt cho phép thiết lập chế độ xử lý phù hợp với nƣớc thải đầu vào cũng nhƣ mở rộng chức năng loại bỏ Phospho và Nitơ khi cần thiết. Việc thiết kế hệ thống Unitank dƣa trên một loạt các nguyên tắc và quy luật riêng, khác với các hệ thống xử lý nƣớc thải bùn hoạt tính truyền thống.
Cấu tạo đơn giản nhất của một hệ thống Unitank là một khối bể hình chử nhật đƣợc chia làm 3 ngăn, 3 ngăn này thông thủy nhau bằng của mở ở phần tƣờng chung. Thông thƣờng mỗi ngăn có chiều cao 5m nhƣng mực nƣớc đƣợc giữ ở mức 4,5m. Trong mỗi ngăn có 1 máy sục khí bể mặt và cánh khuấy. Hai ngăn ngoài có thêm hệ thống máng tràn nhằm thực hiện cả 2 chức năng: vừa là bể Arotank (sục