3.2. Cỏc kỹ thuật xử lý chất thải nguy hại
3.2.1. Kỹ thuật xử lý húa – lý
Tức là sử dụng cỏc quỏ trỡnh biến đổi vật lý, hoỏ học để làm thay đổi tớnh chất của chất thải nhằm mục đớch chớnh là giảm thiểu khả năng nguy hại của chất thải đối với mụi trường. Cụng nghệ này rất phổ biến để thu hồi, tỏi chế chất thải đặc biệt là một số loại CTNH như dầu mỡ, kim loại nặng, dung mụi.
Biện phỏp tỏi chế, thu hồi chất thải bằng cụng nghệ hoỏ - lý thực sự chỉ mang lại hiệu quả kinh tế và mụi trường đối với những nhà mỏy xử lý chất thải quy mụ lớn, đầu tư cụng nghệ hiện đại để cú thể xử lý chất thải cho cả một vựng. Hiện tại kinh phớ để đầu tư một nhà mỏy hoàn chỉnh rất lớn cú thể lờn đến vài chục triệu USD, nờn Việt nam chưa cú điều kiện xõy dựng những nhà mỏy xử lý như vậy. Những năm tới, nếu cú được sự đầu tư từ bờn ngoài thỡ Việt Nam mới cú thể xõy dựng được những nhà mỏy xử lý CTNH cấp vựng. Ngoài ra việc lựa chọn địa điểm phự hợp để xõy dựng nhà mỏy cũng cũn phải cõn nhắc đến.
Trong phương phỏp xử lý hoỏ - lý cú rất nhiều quỏ trỡnh cụng nghệ khỏc nhau. Tuy nhiờn, người ta thường kết hợp một số biện phỏp với nhau để xử lý chất thải. Một số biện phỏp hoỏ - lý thụng dụng để xử lý chất thải như sau:
Phương phỏp chiết
- Chiết bằng dung mụi
Chiết bằng dung mụi là phương phỏp cổ điển, thường sử dụng trong cụng nghệ hoỏ học để tỏch và tinh chế cỏc chất. Kỹ thuật chiết sử dụng tớnh tan tương hỗ của một chất trong hai chất lỏng khụng trộn lẫn vào nhau. Nhược điểm cơ bản của kỹ thuật này
là việc sử dụng dung mụi để tỏch chiết lại cú thể gõy ụ nhiễm mụi trường do chớnh dung mụi sử dụng, đũi hỏi những thiết bị sử dụng cồng kềnh, chi phớ đầu tư ban đầu lớn.
- Chiết bằng màng lỏng
Trong những năm gần đõy, cựng với sự phỏt triển của kỹ nghệ hoỏ học, người ta cú thể tạo ra cỏc hợp chất mới, cú thể sử dụng để tỏch dễ dàng cỏc chất ra khỏi nhau bằng phương phỏp chiết màng lỏng. Kỹ thuật chiết màng mỏng khỏc với kỹ thuật chiết cổ điển nờu trờn ở chỗ kỹ thuật chiết màng lỏng sử dụng một hệ nhũ tương trong nước trong dầu để phõn tỏch. Nhờ bề mặt lớn của màng ở dạng phõn tỏn huyền phự đó tạo điều kiện thu gom rất tốt cỏc chất trong pha nước, hơn nữa việc chiết và tỏch trong quỏ trỡnh sử dụng kỹ thuật chiết màng lỏng xảy ra đồng thời và nhanh hơn so với phương phỏp chiết cổ điển.
Phương phỏp chiết bằng màng lỏng sử dụng khỏ hiệu quả để tỏch cỏc chất, thậm chớ cả những chất cú độ hoà tan tốt trong nước như phenol, axit axetic và cỏc con kim loại. Kết quả nghiờn cứu ỏp dụng phương phỏp chiết màng lỏng cho thấy:
Hơn 99% phenol cú thể chiết từ dung dịch nước sau gần 1 phỳt.
Axit axetic cú thể bị chiết bằng màng lỏng, song với tốc độ chậm hơn (5 - 10 phỳt).
Thuốc diệt cỏ MCPA cú độ hoà tan cao (852ppm) cú thể được chiết tới hơn 61% cũn thuốc diệt cỏ atrazin cú độ hoà tan thấp (33ppm) được chiết tới 93% sau 15 phỳt 20 phỳt.
Ưu điểm của phương ỏn chiết bằng màng lỏng là cú thể dễ dàng ỏp dụng, thiết bị
gọn nhẹ, đầu tư ban đầu thấp. Ngoài ra dựng phương phỏp chiết bằng màng lỏng, người ta cú thể chiết cỏc kim loại nặng như kẽm, crom, đồng, niken và ứng dụng trong việc xử lý nước thải của cỏc ngành khỏc nhau.
Kỹ thuật chiết màng lỏng đang được nghiờn cứu tiếp tục nhằm nõng cao hiệu quả chiết của cỏc loại màng khỏc nhau, đặc biệt đối với cỏc HCBVTV cú độ hoà tan cao trong nước.
Ngày nay người ta sử dụng kỹ thuật chiết bằng CO2 ở điều kiện tới hạn để chiết cafein trong cà phờ, chiết cholesteron trong trứng, chiết mcotin trong lỏ thuốc lỏ... Việc ỏp dụng kỹ thuật chiết cỏc CTNH trong đất ở điều kiện tới hạn là một biện phỏp hiệu quả vỡ CO2 là một loại nguyờn liệu rẻ, dễ kiếm và nếu tỏi sử dụng thỡ lại khụng gõy ụ nhiễm mụi trường.
Người ta đó thử nghiệm chiết atrazin, alachlor và permethrin trong đất bị ụ nhiễm với hiệu suất lớn hơn 95% (Bảng 3.1).
Bảng 3.1. Hiệu quả của kỹ thuật chiết ở điều kiện tới hạn bằng CO2 lỏng Tỷ lệ CTNH cú trong đất atrazin alachlor permethrin
% Trọng lượng ban đầu trong đất 3,6 8,9 10,2
% Trọng lượng sau khi chiết trong đất 0,06 0,18 0,21
% Cũn lại trong đất 98,3 97,9 97,9
Phương phỏp chưng cất
Là quỏ trỡnh tỏch hỗn hợp chất lỏng bay hơi thành những cấu tử riờng biệt dựa vào độ bay hơi khỏc nhau ở những nhiệt độ sụi khỏc nhau của mỗi cấu tử chứa trong hỗn hợp đú bằng cỏch lập đi lập lại nhiều lần bay hơi và ngưng tụ.
Quỏ trỡnh chưng cất dựa trờn cơ sở là cỏc cấu tử của hỗn hợp lỏng cú ỏp suất hơi khỏc nhau. Khi đun núng những chất cú nhiệt đội sụi thấp hơi sẽ bay hơi trước và được tỏch riờng ra khỏi hỗn hợp.
(1) Chưng cất đơn giản: Đun núng một lần hỗn hợp lỏng đến khi sụi cú đưa hơi
ra và làm nú ngưng tụ lại gọi là chưng cất đơn giản. Phương phỏp này bao gồm: + Chưng cú hồi lưu một phần hoặc khụng hồi lưu
+ Chưng bằng chõn khụng đối với những chất khú bay hơi + Chưng thăng hoa chuyển chất rắn sang trạng thỏi hơi
- Chưng lụi cuốn bằng hơi nước để tỏch ra những chất cú nhiệt độ sụi rất cao và khụng hoà tan trong nước
- Chưng đẳng phớ (hỗn hợp hoà tan, khụng tỏch riờng khi sụi): phương phỏp này cần thờm một chất khỏc để thay đổi nhiệt độ sụi của một trong cỏc cấu tử.
(2) Tinh luyện: quỏ trỡnh chưng luyện nhiều lần trong một nhúm thiết bị để được
những sản phẩm tinh khiết.
Trong thực tế xử lý chất thải quỏ trỡnh chưng cất thường gắn với chiết để tăng cường khả năng tỏch sản phẩm.
Phương phỏp hấp phụ
Là quỏ trỡnh tỏch chất ụ nhiễm trong khớ, nước bằng chất hấp phụ. Trong kỹ thuật xử lý CTNH, chất hấp phụ thường được dựng là than hoạt tớnh để loại bỏ cỏc thành phần chất hữu cơ độc hại trong nước ngầm và nước thải cụng nghiệp. Nú cú thể được dựng một mỡnh hoặc kết hợp với quỏ trỡnh xử lý sinh học (than bột trong dệt Việt Thắng)
Phương trỡnh Freundlich
X = khối lượng chất ụ nhiễm bị hấp phụ = (Cđ – Cc)V Cđ = nồng độ ban đầu của chất ụ nhiễm
Cc = nồng độ tại điểm cõn bằng của chất ụ nhiễm M = Khối lượng than
Phương trỡnh Langmuir
Quỏ trỡnh dịch chuyển của chất ụ nhiễm đến bề mặt của chất hấp phụ bao gồm 4 giai đoạn: di chuyển trong khối chất lỏng, di chuyển qua màng, khuếch tỏn trong lỗ xốp và liờn kết vật lý. Trong 4 quỏ trỡnh di chuyển qua màng và khuếch tỏn trong lỗ xốp ảnh hưởng đến tốc độ của quỏ trỡnh. Khuếch tỏn qua màng ảnh hưởng bởi nồng độ và
nhiệt độ. Khuếch tỏn trong nội hạt ảnh hưởng bởi kớch thước lỗ xốp, tốc độ giảm khi kớch thước phõn tử tăng.
Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến hiệu quả quỏ trỡnh:
- Độ hũa tan: những chất ớt hũa tan dễ hấp phụ hơn chất hũa tan
- Cỏu trỳc phõn tử: chất hữu cơ mạch nhỏnh dễ hấp phụ hơn chất hữu cơ mạch thẳng
- Khối lượng phõn tử: nhỡn chung phõn tử lớn dễ được hấp phụ hơn. Nhưng khi mà hấp phụ chủ yếu vào khuếch tỏn lỗ xốp thỡ tốc độ hấp phụ giảm so với khối lượng phõn tử.
- Độ phõn cực: chất hữu cơ ớt phõn cực được hấp phụ dễ hơn chất hữu cơ no (liờn kết đơn C-C)
Hỡnh 3.1. Sơ đồ thỏp hấp phụ
Phương phỏp kết tủa
Dựa trờn phản ứng tạo sản phẩm kết tủa lắng giữa chất bẩn và hoỏ chất, từ đú cú thể tỏch kết tủa ra khỏi dung dịch. Quỏ trỡnh này thường ứng dụng để tỏch cỏc kim loại nặng trong chất thải lỏng ở dạng hidroxit kết tủa hoặc muối khụng tan. Vớ dụ như việc quỏ trỡnh tỏch Cr, Ni trong nước thải mạ điện nhờ phản ứng giữa Ca(OH)2 với cỏc Cr+3
(khử từ Cr+6
) và Ni+2 tạo ra kết tủa Cr(OH)3, Ni (OH)2 lắng xuống, lọc tỏch ra đem xử lý tiếp để trở thành Cr2O3 và NiSO4 được sử dụng làm bột màu, mạ Ni.
Phương phỏp oxi húa- khử
Đõy là phương phỏp sử dụng tỏc nhõn oxi húa để oxi húa chất hữu cơ trong chất thải với mục đớch chuyển đổi dạng hoặc thành phần chất thải mất đi hoặc giảm độc tớnh của nú.
Là quỏ trỡnh được sử dụng rộng rói trong xử lý nước sinh hoạt, nước thải nguy hại và nước thải cụng nghiệp khụng độc hại hay nước thải sinh hoạt. Được dựng để oxi húa-khử cỏc thành phần hữu cơ cú độc tớnh trong nước, chẳng hạn như phenol, chất bảo vệ thực vật, dung mụi hữu cơ chứa clo, hợp chất đa vũng, benzen, toluen… hay cỏc thành phần vụ cơ như sunfit, amoniac, xyanua và kim loại nặng. Cỏc húa chất được dựng trong quỏ trỡnh cú thể là clo hay hợp chất của clo (Cl2, NaOCl, Ca(OCl)2), H2O2, KMnO4, O3, Na2S2O4, NaHSO3, H2, K2Cr2O7
Quỏ trỡnh oxi húa với cỏc tỏc nhõn khử như Na2S2O4, NaHSO3, H2 thường được ứng dụng để xử lý cỏc kim loại đa hoỏ trị như Cr - Mn; biến chỳng từ mức oxy hoỏ cao dễ hoà tan như Cr+6 - Mn+7 trở về dạng oxit bền vững; khụng hoà tan Cr+3- Mn+4, ngược lại quỏ trỡnh khử với cỏc tỏc nhõn oxy hoỏ như KMnO4, K2Cr2O7, H2O2, O3, Cl2 cho phộp phõn hủy cỏc chất hữu cơ nguy hại như phenol; mercaptan; thuốc BVTV và cả cỏc ion vụ cơ CN-
thành những sản phẩm ớt độc hại hơn.
Ngày nay cú xu hướng sử dụng H2O2 và O3 nhiều hơn là Clo và hợp chất Clo. Vỡ khi sử dụng Clo, nếu trong nước thải cú chứa cỏc chất vũng thơm, thỡ trong quỏ trỡnh oxi húa-khử cú thể hỡnh thành cỏc sản phẩm phụ là cỏc vũng thơm chứa clo cú độc tớnh cao đối với mụi trường và con người. Bờn cạnh đú, việc sử dụng H2O2 và O3 cũn kết hợp với nhau và kết hợp với cỏc yếu tố xỳc tỏc khỏc (xỳc tỏc sử dụng là tia cực tớm UV, Fe2+) nhằm tăng hiệu quả của quỏ trỡnh oxi húa chẳng hạn như quỏ trỡnh sử dụng kết hợp O3/H2O2, UV/H2O2, O3/UV, O3/UV/H2O2, H2O2/Fe2+. Sơ đồ hệ thống oxi húa sử dụng UV/H2O2 được minh họa trong hỡnh dưới
Hỡnh 3.2. Sơ đồ hệ thống oxi húa sử dụng UV/H2O2
Phương phỏp làm ổn định và đúng rắn CTNH
Làm ổn định và đúng rắn CTNH
Làm ổn định và đúng rắn CTNH là cỏc quỏ trỡnh xử lý làm tăng cỏc tớnh chất vật lý của chất thải, làm giảm khả năng phỏt tỏn chỳng vào mụi trường hoặc làm giảm tớnh độc hại của chất thải.
Làm ổn định là quỏ trỡnh mà cỏc chất thờm vào được trộn với chất thải để giảm tới mức tối thiểu cỏc chất nguy hại phỏt tỏn ra khỏi chất thải và giảm tớnh độc hại của chất thải. Như vậy quỏ trỡnh làm ổn định cú thể được mụ tả như một quỏ trỡnh nhằm
làm cho cỏc chất gõy ụ nhiễm bị gắn từng phần hoặc hoàn toàn bởi cỏc chất kết dớnh hoặc cỏc chất biến đổi khỏc. Cũng tương tự như vậy quỏ trỡnh đúng rắn là một quỏ
trỡnh sử dụng cỏc chất phụ gia làm thay đổi bản chất vật lý của chất thải. Như vậy mục tiờu của quỏ trỡnh làm ổn định và đúng rắn là làm giảm tớnh độc hại và tớnh di động của chất thải cũng như làm tăng tớnh chất của cỏc vật liệu đó được xử lý
Phương phỏp làm ổn định và đúng rắn đang được sử dụng rộng rói để quản lý CTNH. Phương phỏp này thường được ỏp dụng rộng rói trong cỏc trường hợp sau: Xử lý CTNH tại nơi lưu giữ chất thải, xử lý chất thải từ quỏ trỡnh xử lý khỏc như tro của quỏ trỡnh xử lý nhiệt, xử lý đất bị ụ nhiễm khi chứa một lượng lớn chất nguy hại.
Cơ chế của quỏ trỡnh ổn định và đúng rắn
Việc hiểu biết cơ chế lý hoỏ sẽ đúng vai trũ rất quan trọng để kiểm tra tớnh hiệu quả của quỏ trỡnh cũng như để thực hiện đỳng đắn quỏ trỡnh làm ổn định và đúng rắn
CTNH. Quỏ trỡnh làm ổn định CTNH đạt được kết quả tốt phải thực hiện theo một trong cỏc cơ chế sau: Bao viờn ở mức kớch thước lớn, bao viờn ở mức kớch thước nhỏ, hấp thụ, hấp phụ, kết tủa, khử độc.
Phõn huỷ CTNH bằng biện phỏp thuỷ phõn
Nguyờn lý: Thay đổi cõn bằng ion của nước khi thờm vào nước chất cú tớnh axit thỡ nồng độ H+
trong nước tăng, ngược lại khi thờm vào nước chất cú tớnh bazơ thỡ nồng độ OH-
trong nước tăng.
Chớnh cỏc ion H+ và OH- là tỏc nhõn tấn cụng vào cỏc liờn kết của cỏc phõn tử thất thải nguy hại chuyển hoỏ thành chất khỏc khụng độc hoặc ớt độc.
Cú hai loại thủy phõn:
- Thuỷ phõn trong mụi trường axit: Đưa vào nguồn nước ụ nhiễm cỏc loại axit
như axit clohydric (HCl 30%) hoặc axit sunphuric (H2SO4 20%) hoặc cỏc muối sun phỏt nhụm hay sắt. Trong mụi trường nước cỏc ion Al hay Fe thuỷ phõn tạo mụi trường axit. (Tuy nhiờn, CTNH như: cỏc thuốc bảo vệ thực vật cú chứa nhúm CN, nhúm phosphat thỡ khụng dựng phương phỏp thuỷ phõn trong mụi trường axit vỡ cú thể sinh ra cỏc khớ rất độc như HCN, PH3)
- Thuỷ phõn trong mụi trường kiềm: Đưa vào nguồn nước ụ nhiễm cỏc chất bazơ
như NaOH, KOH hoặc Ca(OH)2 CTNH cú nguồn gốc phospho hữu cơ bị thuỷ phõn triệt để trong mụi trường kiềm thành những hợp chất khụng độc hoặc ớt độc. Vỡ vậy, để tiờu huỷ CTNH (cỏc thuốc bảo vệ thực vật) cú phospho, biện phỏp hiệu quả là dựng kiềm thuỷ phõn.
Quỏ trỡnh thuỷ phõn diễn ra như sau:
Cụng thức chung của thuốc bảo vệ thực vật cú phospho: R1, R2 là gốc animo; X là gốc cú thể bị phõn huỷ.
Cả hai chất I và II trờn thuộc họ cú phospho aliphtic (I : là cú phospho aliphabeno; II : là phospho aliphatic khụng no; thuỷ phõn trong mụi trường kiềm). Sau bước phõn huỷ thứ nhất I trở thành
Trong chất I cú chứa hai nhúm CH3O - và - NH2
Trong chất II cú chứa hai nhúm CH3O - vỡ thế phản ứng trong mụi trường kiềm cú thể tương tự như đó nờu ở trờn và OH tiếp tục tấn cụng vào cỏc phõn tử của I và II.
Như vậy, kết thỳc thuỷ phõn cỏc thuốc bảo vệ thực vật dạng cú phospho ta được sản phẩm khụng độc Na3PO4 hoặc H3PO4 và một số sản phẩm khỏc nhau tuỳ thuộc vào bản chất của thuốc.
Thuỷ phõn là phương phỏp được sử dụng phổ biến để tiờu huỷ thuốc bảo vệ thực vật tồn đọng với kỹ thuật xử lý đơn giản, dễ thực hiện, thiết bị nguyờn liệu rẻ tiền, chi phớ thấp.