3.1.1. Dữ liệu đầu vào
Lưu lượng nước thải từ phõn xưởng mạ là 250 m3/ngày, trong đú lưu lượng nước thải từ nguồn mạ crom là 100 m3/ngày.
Nguồn nước thải crom cú thành phần như sau:
Bảng 3.1. Cỏc thụng số nước thải đầu vào và yờu cầu sau xử lý của dũng nước thải crom
TT Thụng số
ụ nhiễm Đơn vị
Nước thải đầu vào QCVN 40:2011/BTNMT
(Cột B) Nước thải Cr
1 Lưu lượng m3/ngày 100
2 pH - 3-5 5,5 - 9
3 SS mg/l 300 100
4 Cr(VI) mg/l 72,6 0,1
Nguồn: Kết quả phõn tớch Cụng ty TNHH Galtronics Việt Nam 11/2015
Yờu cầu về crom sau thu hồi: Đảm bảo crom thu được sau khi thu hồi và tỏi chế đạt được độ sạch cần thiết, đạt được yờu cầu tỏi sử dụng.
Yờu cầu về hiệu quả xử lý: Nước thải sau khi xử lý phải đảm bảo chất lượng theo QCVN 40:2011/BTNMT (cột B) sau đú thải vào nhà mỏy xử lý nước thải tập trung KCN.
3.1.2. Cơ sở lựa chọn tớnh toỏn hệ thống thu hồi crom
Quỏ trỡnh trao đổi ion Cr(VI):
Khi tan trong dung dịch, Cr(VI) tồn tại ở dạng ion hydrochromate (HCrO4-), chromate (CrO42-), và dichromate (Cr2O72-). Dạng ion tồn tại của Cr(VI) trong dung dịch phụ thuộc vào pH.
Ở pH trờn 7, chỉ tồn tại ion CrO42- trong dung dịch cho dự ở bất kỳ khoảng nồng độ nào, với pH thấp hơn (khoảng 6.0 – 6.2) dạng HCrO4- sẽ chiếm ưu, nếu pH thấp hơn nữa thỡ dạng Cr2O72- lại là phổ biến.
Như vậy, với nước thải mạ crom của Cụng ty Glatronics tồn tại phổ biến ở dạng Cr2O72-. Cr(VI) tồn tại trong nước thải dưới dạng cỏc ion õm, điện tớch là -2. Do đú cú thể sử dụng cột trao đổi anionit để tỏch Cr(VI). Sau đú cho qua cột cationit để thu hồi Cr(VI).
Vật liệu trao đổi:
Vật liệu trao đổi ion (nhựa trao đổi ion) cú thể là loại tự nhiờn hay tổng hợp, cú nguồn gốc vụ cơ hay hữu cơ. Nhựa trao đổi chia làm loại mạnh, yếu phụ thuộc vào khả năng phõn ly của nhúm chức.
Nhựa trao đổi ion được nhiều hóng sản xuất và bỏn rộng rói trờn khắp thế giới. Những hóng sản xuất thường gặp như: Rohm& Hass company (USA, với sản phẩm cú tờn là Amberlite, Amberlyst…); Purolite (Anh); Dow chemical company (USA, với sản phẩm nhựa mang tờn Dowex, Retardion); Bayer AG (Đức, sản phẩm Lewatit, Lewasorb); …
Căn cứ vào mục đớch sử dụng, đặc tớnh của nhựa và từ kết quả nghiờn cứu thực nghiệm của Nguyễn Thanh Tỳ (Luận văn Thạc sĩ năm 2011 – Đại học Bỏch Khoa Hà Nội) chọn nhựa Purolite A400 (viết tắt là A400, anionit mạnh) cho cột trao đổi anionit và nhựa Purolite C100H (viết tắt là C100H, cationit mạnh) cho cột trao đổi cationit do The Purolite Company sản xuất [19].
Bảng 3.2. Thụng số đặc trưng chớnh của nhựa A400 và C100H
Đặc tớnh A400 C100H
Dạng ion Cl- H+
Nhúm chức Amin bậc bốn dạng I Axit sunfonic
Mạng Styren Divinylbenzen Polystyrene crosslinked Divinylbenzen
Cấu trỳc Gel Gel
Hỡnh dạng Hạt nhỏ, hỡnh cầu, màu vàng, kem
Hạt nhỏ, hỡnh cầu, màu đen hoặc hổ phỏch
Kớch cỡ hạt 0,6 – 0,85 mm 0,62 – 0,83 mm Tổng dung lượng 1,3 min eq/l (28.4 Kgr/ft3)
(dạng Cl-) 2.0 eq/l (43.7 Kgr/ft3) (dạng Na+) Trọng lượng riờng 1.08 1.7 Trọng lượng 680 - 715 g/l (42.5 - 44.7 lb/ft3) 745 - 785 g/l (46.6 - 49.1 lb/ft3) Khoảng pH ổn định 0 - 13 0 - 14 Phản ứng trao đổi ion:
Nước thải mạ crom của Cụng ty Glatronics tồn tại phổ biến ở dạng Cr2O72-. Khi sử dụng nhựa A400 trong cột anionit, phản ứng trao đổi tỏch Cr(VI) như sau:
Cr2O72- + 2R-Cl R2Cr2O7 + 2Cl- (3.1)
Khi sử dụng nhựa C100H trong cột cationit, phản ứng trao đổi thu hồi Cr(VI) như sau:
Na2CrO7 + 2R-H H2Cr2O7 + 2R-Na (3.2)
Phản ứng trao đổi ion diễn ra khi chất trao đổi ion nằm trong dung dịch điện li chứa ion đối khỏc với ion trong chất trao đổi. Trong phản ứng, ion đối được trao đổi một phần hay toàn bộ. Phản ứng trao đổi ion về nguyờn tắc là thuận nghịch. Do đú, phản ứng kết thỳc khi đạt đến trạng thỏi cõn bằng. Nếu vật liệu khụng cú độ chọn
trưng bởi sự cú mặt của cỏc ion trong cả hai pha. Tỉ lệ nồng độ của hai ion cạnh tranh trong chất trao đổi ion thường khỏc trong dung dịch vỡ về nguyờn tắc, chất trao đổi ion cú sự ưu tiờn khỏc nhau với cỏc loại ion.
Để quỏ trỡnh trao đổi ion diễn ra tốt hiệu quả, nú cũn phụ thuộc vào cỏc yếu tố: dung lượng trao đổi, cỏc điều kiện bờn ngoài: pH mụi trường, tớnh chọn lọc của cỏc ion đối, cỏc tạp chất ảnh hưởng tới hệ cõn bằng cũng như tốc độ làm việc của quỏ trỡnh cụ thể nào. Dung lượng trao đổi là thụng số đặc trưng quan trọng cho một chất trao đổi, đặc trưng cho chất lượng sản phẩm. Dung lượng tổng là số nhúm chức tớnh bằng đương lượng gam trờn một đơn vị khối lượng khụ chất trao đổi hay trờn một đơn vị thể tớch trao đổi ở trạng thỏi trương nở (mdl/g hoặc mđl/ml).
Trao đổi ion trong cột [19]:
Kỹ thuật trao đổi ion dạng cột được sử dụng để đạt được phản ứng trao đổi ion hoàn toàn. Dung dịch chứa ion đi qua cột liờn tục tiếp xỳc với phần vật liệu sạch, làm phản ứng diễn ra nhanh theo hướng mong muốn.
Cột đơn giản nhất là cột hỡnh trụ chứa hạt trao đổi ion. Toàn bộ khối vật liệu trao đổi trong cột bao gồm cả khoảng trống giữa cỏc hạt được gọi là tầng vật liệu trao đổi ion, hay đơn giản là tầng hạt. Một hoặc hai mặt cột cú tầng đỡ dạng lưới cho dung dịch đi qua và giữ lại vật liệu. Hệ phản ứng như trờn được gọi là cột tầng cố định hoặc tầng đó nạp.
Thành phần dung dịch qua tầng hạt thay đổi do phản ứng trao đổi ion. Sự thay đổi khụng đồng nhất trong cột và phụ thuộc vào:
- Đặc tớnh vật liệu trao đổi - Thành phần dung dịch đầu vào - Điều kiện vận hành
- Hỡnh dạng và kớch thước cột
Ta xem xột việc loại tỏch ion B+ trong dung dịch khụng chứa cỏc hạt gõy trở ngại khỏc với vật liệu trao đổi ion dạng A+. Đối với quỏ trỡnh giỏn đoạn và độ chọn lọc thụng thường của vật liệu với ion B+, cõn bằng trao đổi ion đạt được trước khi tỏch hoàn toàn B+ ra khỏi dung dịch. Để giảm nồng độ B+ tới giỏ trị khụng đỏng kể
đũi hỏi lượng vật liệu trao đổi ion dư vụ cựng lớn hoặc xử lý lặp lại với nhiều phần vật liệu sạch.
Hỡnh 3.1. Vựng trao đổi
Hỡnh 3.1 phõn chia cột thành 3 vựng: Vựng bóo hũa (đầu), vựng hấp thu/tầng chuyển khối - vựng diễn ra quỏ trỡnh trao đổi ion (giữa) và vựng vật liệu sạch (dưới).
Bất cứ thời điểm nào của quỏ trỡnh cũng cú thể chia tầng hạt thành ba vựng như hỡnh 3.1. Ban đầu, khi dung dịch mới vào cột, tất cả ion B+ chuyển thành A+ trong vựng đầu của tầng hạt. Dung dịch (bõy giờ chỉ chứa A+) đi qua phần cột bờn dưới với thành phần khụng đổi. Cuối cựng, phần tầng trờn đó hấp thu B+. Vựng cột nơi diễn ra quỏ trỡnh trao đổi ion chuyển dần xuống phớa dưới. Khi vựng này tiến tới đỏy cột, ion B+ bắt đầu xuất hiện trong dũng ra. Điểm này gọi là điểm thoỏt của B+. Nếu tiếp tục quỏ trỡnh sau thời điểm thoỏt, vật liệu sẽ được chuyển đổi hoàn toàn hơn từ dạng A+ sang B+. Khi chuyển đổi hoàn toàn, toàn bộ vật liệu ở trạng thỏi cõn bằng với dung dịch đầu vào. Nếu tiếp tục bơm dung dịch, sẽ khụng cú sự thay đổi thành phần pha.
Vựng trao đổi ion
Vựng bóo hũa Dung dịch Chiều dài cột
Rửa giải và tỏi sinh [10], [19]:
Ion B+ được tỏch khỏi chất trao đổi qua cụng đoạn rửa giải. Sau đú vật liệu được đưa về dạng A+ cho chu kỡ trao đổi ion tiếp theo. Sự tỏi biến đổi này gọi là tỏi sinh. Rửa giải cú thể kết hợp với tỏi sinh.
Rửa giải cột anionit khi sử dụng húa chất tỏi sinh là NaOH, ta cú phương trỡnh trao đổi như sau:
R2Cr2O7 + 2NaOH Na2Cr2O7+ 2R-OH (3.3)
Rửa giải cột cationit khi sử dụng húa chất tỏi sinh là HCl, ta cú phương trỡnh trao đổi như sau:
R-Na+ HCl R-H+ NaCl (3.4) Hiệu quả rửa giải phụ thuộc vào cỏc yếu tố sau:
- Lượng chất rửa giải yờu cầu (thể tớch và nồng độ); - Mức độ biến đổi vật liệu;
- Nồng độ dũng ra.
Chiều dũng rửa giải ảnh hưởng đỏng kể tới hiệu quả quỏ trỡnh cột. Dạng được hấp thu mạnh nhất thường sẽ khú rửa giải nhất. Nếu bơm chất rửa giải theo phương giống như trong giai đoạn hấp thu (rửa giải đồng dũng), ion cú độ chọn lọc cao hơn sẽ qua toàn cột, đũi hỏi lượng chất rửa giải lớn hơn. Trong trường hợp này, rửa giải ngược dũng cú ưu thế. Ion được hấp thu mạnh sẽ thoỏt ra ở phần cột mà nú tớch lũy nhiều, trỏnh việc chỳng đi qua toàn cột.
Phần lớn tỏc nhõn được dựng để loại bỏ lượng cũn lại cuối cựng của ion hấp thu. Do đú, tỏi sinh hoàn toàn khụng hợp lớ với quan điểm thực tiễn. Khỏc với quy mụ phũng thớ nghiệm và nghiờn cứu, nơi phõn tỏch thường được tiến hành cho tới khi khụng cũn ion trong cột, trong cụng nghiệp thường tiến hành tỏi sinh khụng hoàn toàn (do nguyờn nhõn kinh tế). Lượng ion trong cột sau tỏi sinh khụng được vượt ngưỡng cú thể ảnh hưởng tới chất lượng sản phẩm thu được trong chu kỡ tiếp theo. Khi rửa giải khụng hoàn toàn, đối với rửa giải đồng dũng, phần ion cũn lại tại đầu ra cột ảnh hưởng đỏng kể tới chất lượng sản phẩm. Rửa giải ngược dũng khụng cú tỏc động xấu này.
Một ưu điểm của rửa giải ngược dũng là khả năng xử lớ dung dịch chứa chất rắn. Về nguyờn tắc, dung dịch chứa chất rắn khụng thể xử lớ bằng cột tầng nhựa cố định. Chất rắn tớch lũy tại đầu vào và chặn dũng dung dịch. Tuy nhiờn, nếu lượng chất rắn khụng đủ để bớt cột trong một chu trỡnh, chỳng sẽ được loại bỏ trong giai đoạn rửa giải ngược dũng. Ngược lại rửa giải đồng dũng tớch lũy chất rắn trong cỏc chu kỡ liờn tục và kết quả là làm tắc cột.
Túm lại: Căn cứ cỏc cơ sở nờu trờn chọn thiết kế thiết bị trao đổi ion như sau: Thiết bị trao đổi anionit:
- Cột trao đổi hỡnh trụ;
- Hạt trao đổi anionit kiềm mạnh, vật liệu nhựa Purolite A400; - Rửa giải ngược dũng.
Thiết bị trao đổi cationit: - Cột trao đổi hỡnh trụ;
- Hạt trao đổi cationit axit mạnh, vật liệu nhựa Purolite C100H ; - Rửa giải ngược dũng.
3.2. Tớnh toỏn thiết kế cải tạo hệ thống XLNT thu hồi crom 3.2.1. Bể điều hũa crom 3.2.1. Bể điều hũa crom
Bể điều hũa crom cú chức năng điều hũa lưu lượng và nồng độ cỏc chất ụ nhiễm, tạo điều kiện cho quỏ trỡnh xử lý tiếp theo đạt được hiệu quả cao. Quỏ trỡnh điều hoà cũng trỏnh được tỡnh trạng quỏ tải do đú giảm chi phớ xõy dựng, vận hành và quản lý của hệ thống xử lý. Bể điều hoà được khuấy trộn nhờ hệ thống mỏy thổi khớ.
Sự biến đổi lưu lượng dũng thải và nồng độ Cr(VI) theo thời gian trong ngày của nguồn thải crom như sau:
Bảng 3.3. Biến thiờn lưu lượng và nồng độ cỏc chất ụ nhiễm của nước thải crom Thời gian (h) Lưu lượng (m3/h) Nồng độ Cr(VI) (mg/l) 0-2 1,6 52,1 2-4 2,5 64,3 4-6 2,2 66,2 6-8 3,5 163,5 8-10 8,3 62,6 10-12 4,5 70,5 12-14 2,8 78,4 14-16 7,6 73,2 16-18 9,4 62,3 18-20 3,5 71,7 20-22 2,3 65,1 22-24 1,8 39,4 Trung bỡnh 4,16 72,6
Căn cứ theo bảng quan trắc ngẫu nhiờn về lưu lượng và nồng độ nước thải dao động theo giờ trong cỏc ngày và coi đú kết quả trung bỡnh như bảng số liệu.
Dựa vào bảng 3.3, xỏc định được thể tớch tớch luỹ của dũng thải crom như bảng sau:
Bảng 3.4. Thể tớch tớch luỹ và trung bỡnh của dũng thải crom Thời gian trong ngày (h) Lưu lượng (m3/h) Thể tớch tớch luỹ (m3) Thể tớch trung bỡnh (m3) 0-2 1,6 3,20 8,32 2-4 2,5 8,20 16,64 4-6 2,2 12,6 24,96 6-8 3,5 19,6 33,28 8-10 8,3 36,2 41,60 10-12 4,5 45,2 49,92 12-14 2,8 50,8 58,24 14-16 7,6 66 66,56 16-18 9,4 84,8 74,88 18-20 3,5 91,8 83,20 20-22 2,3 96,4 91,52 22-24 1,8 100 99,84
Chọn thời gian của hệ thống thu hồi crom hoạt động 10 giờ liờn tục trong ngày. Lưu lượng nước thải crom tớch lũy trong một ngày 100 m3/ngày đờm. Vậy lưu lượng nước thải xử lý trong một giờ là 10 m3/h.
Từ cỏc thụng số trong bảng 3.4, vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa thể tớch của nước thải theo thời gian. Sau đú, xỏc định điểm lồi so với đường trung bỡnh của đồ thị. Từ điểm lồi đú kẻ tiếp tuyến song song với đường trung bỡnh. Khoảng cỏch theo trục tung của tiếp tuyến này với đường trung bỡnh là thể tớch cần thiết của bể điều hoà [12]. Đồ thị xỏc định thể tớch bể điều hoà dũng thải crụm trỡnh bày trong hỡnh 3.2.
Hỡnh 3.2. Đồ thị xỏc định bể điều hoà dũng thải crom
Từ hỡnh 3.2, xỏc định được thể tớch của bể điều hoà dũng thải crụm là 13,68 m3. Với hệ số dư là 1,2; thể tớch cần thiết của bể điều hoà crom là:
VCần thiết = 1,213,68 = 16,42 m3
Bể điều hũa nước thải crom hiện hữu cú kớch thước như sau: - Chiều dài: L = 3,4 m
- Chiều rộng: W = 3,0 m
- Chiều cao làm việc: H = 3,0 m - Chiều cao bảo vệ: Hbv = 0,5 m - Chiều cao xõy dựng: Hxd = 3,5 m
- Thể tớch bể: V = 3,4 x 3,0 x 3,0 = 30,6 m3 > VCần thiết = 16,42 m3
Bể điều hũa crom hiện hữu hoàn toàn đảm bảo điều hũa về lưu lượng và nồng độ nước thải. Lưu lượng nước thải trung bỡnh sau điều hũa là Q = 10 m3/h. Nồng độ Cr(VI) trung bỡnh trong ngày là 72,6 mg/l.
0 10 20 30 40 50 60 70 80 90 100 110 0 2 4 6 8 10 12 14 16 18 20 22 24 Thể t ớch t ớc h l ũy (m 3 )
Thời gian trong ngày (h)
V = 13,68 m3 V = 13,68 m3 V = 13,68 m3 V = 13,68 m3 V = 13,68 m3 V = 13,68 m3 V = 13,68 m3 V = 13,68 m3
3.2.2. Thiết bị lọc thụ
Trước khi vào thiết bị trao đổi ion, nước thải cần phải qua thiết bị lọc thụ để loại bỏ cỏc loại cặn lơ lửng. Thiết bị lọc thụ vận hành theo nguyờn lý lọc ngang, nước thải được cấp theo đường ống từ trờn xuống đi vào trong thỏp lọc. Nước lọc đi qua lớp vật liệu lọc đi sang thiết bị trao đổi ion.
Lưu lượng nước vào thiết bị lọc thụ: Q = 10 m3/h. Vật liệu lọc:
+ Cỏt thạch anh: Kớch thước 0,7-1,6 mm; dày 1,2 m + Sỏi đỡ: Kớch thước 2-4 mm; dày 0,2 m
Vận tốc lọc đối với thiết bị lọc ỏp lực:
+ Vận tốc lọc ở chế độ bỡnh thường là 15 m/h. + Vận tốc lọc ở chế độ tăng cường là 20 m/h.
Diện tớch thiết bị lọc được xỏc định theo cụng thức [16]:
F = tb tb a at V TV Q 2 1 Wt 6 , 3 m2 (3.5) Trong đú:
F: Diện tớch tiết diện ngang của thiết bị (m2).
T: Thời gian làm việc của hệ thống trong một ngày đờm (h), T = 10 h. Vtb: Tốc độ lọc tớnh toỏn ở chế độ làm việc bỡnh thường, Vtb = 15 m/h. a: Số lần rửa của mỗi bể lọc trong một ngày đờm ở chế độ làm việc bỡnh thường. Chọn a = 1.
W: Cường độ nước tống rửa ở chế độ làm việc bỡnh thường. Cường độ nước tống rửa W = 14-16 l/s.m2. Chọn W = 15 l/s.m2.
t1: Thời gian rửa ngược (h). Thời gian rửa ngược t1 = 6 - 7 phỳt. Chọn t1 = 6 phỳt = 0,1 h.