Trong nguồn nước, một phần các hạt thường tồn tại ở dạng các hạt keo mịn phân tán, kích thước các hạt thường dao động từ 0,1 ÷ 10,0 micromet. Các hạt này không nổi cũng không lắng, và do đó tương đối khó tách loại. Vì kích thước hạt nhỏ, tỷ số diện tích bề mặt và thể tích của chúng rất lớn nên hiện tượng hóa học bề mặt trở nên rất quan trọng. Theo nguyên tắc, các hạt nhỏ trong nước có khuynh hướng keo tụ do lực hút Vander Waals giữa các hạt. Lực này có thể dẫn đến sự kết dính giữa các hạt ngay khi khoảng cách giữa chúng đủ nhỏ nhờ va chạm. Sự va chạm xảy ra nhờ chuyển động Brown và do tác động của sự xáo trộn. Tuy nhiên trong trường hợp phân tán cao, các hạt duy trì trạng thái phân tán nhờ lực đẩy tĩnh điện vì bề mặt các hạt mang tích điện, có thể là điện tích âm hoặc điện tích dương nhờ sự hấp thụ có chọn lọc các ion trong dung dịch hoặc sự ion hóa các nhóm hoạt hóa. Trạng thái lơ lửng của các hạt keo được bền hóa nhờ lực đẩy tĩnh điện. Do đó, để phá tính bền của hạt keo cần trung hòa điện tích bề mặt của chúng, quá trình này được gọi là quá trình keo tụ. Các hạt keo đã bị trung hòa điện tích có thể liên kết với các hạt keo khác tạo thành bông cặn có kích thước lớn hơn, nặng hơn và lắng xuống, quá trình này được gọi là quá trình tạo bông.
1.4.3. Phương pháp sinh học
Phương pháp sinh học được ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ hòa tan có trong nước thải cũng như một số chất vô cơ như H2S, Sunfit, ammonia, Nito,… dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm. Vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ và một số khoáng chất để làm thức ăn. Một cách tổng quát, phương pháp xử lý sinh học có thể phân thành 2 loại:
- Phương pháp kị khí sử dụng nhóm vi sinh vật kị khí, hoạt động không có oxy - Phương pháp hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều
Sinh viên: Hoàng Tuấn Anh 27 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa. Để thực hiện quá trình này, các chất hữu cơ hòa tan, cả chất keo và chất phân tán nhỏ trong nước thải cần di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật theo 3 giai đoạn chính như sau:
- Chuyển các chất ô nhiễm từ pha lỏng đến bề mặt tế bào vi sinh vật.
- Khuếch tán từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm do sự chênh lệch nồng độ bên trong và bên ngoài tế bào.
- Chuyển hóa các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh năng lượng và tổng hợp tế bào mới.
Tốc độ quá trình oxy hóa sinh hóa phụ thộc vào nồng độ chất hữu cơ, hàm lượng các tạp chất và mức độ ổn định của lưu lượng nước thải vào hệ thống xử lý. Ở mỗi điều kiện xử lý nhất định, các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng sinh hoá là chế độ thủy động, hàm lượng oxy trong nước thải, nhiệt độ, pH, dinh dưỡng và các yếu tố vi lượng.
1.4.3.1. Phương pháp sinh học kỵ khí
Quá trình phân hủy kỵ khí các chất hữu cơ là quá trình sinh hóa phức tạp tạo ra hàng trăm sản phẩm trung gian và phản ứng trung gian. Tuy nhiên phương trình phản ứng sinh hóa trong điều kiện kỵ khí có thể biểu diễn đơn giản như sau:
Vi sinh vật
Chất hữu cơ ————> CH4 + CO2 + H2 + NH3 + H2S + Tế bào mới (1.5) Một cách tổng quát quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra theo 4 giai đoạn:
- Giai đoạn 1: thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử. - Giai đoạn 2: acid hóa.
- Giai đoạn 3: acetate hóa. - Giai doạn 4: methan hóa.
Các chất thải hữu cơ chứa nhiều chất hữu cơ cao phân tử như proteins, chất béo, carbohydrates, celluloses, lignin,…trong giai đoạn thủy phân, sẽ được cắt mạch tạo những phân tử đơn giản hơn, dễ phân hủy hơn. Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển
Sinh viên: Hoàng Tuấn Anh 28 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
hóa protein thành amino acids, carbohydrate thành đường đơn, và chất béo thành các acid béo. Trong giai đoạn acid hóa, các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp tục chuyển hóa thành acetic acid, H2 và CO2. Các acid béo dễ bay hơi chủ yếu là acetic acid. Bên cạnh đó, CO2 và H2, methanol, các rượu đơn giản khác cũng được hình thành trong quá trình cắt mạch carbohydrate. Vi sinh vật chuyển hóa methan chỉ có thể phân hủy một số loại cơ chất nhất định như CO2 + H2, formate, acetate, methanol, methylamines, và CO.
Tùy theo trạng thái của bùn, có thể chia quá trình xử lý kỵ khí thành:
Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng như quá trình tiếp xúc kỵ khí (Anaerobic Contact Process), quá trình xử lý bằng lớp bùn kỵ khí với dòng nước đi từ dưới lên (UASB).
Qúa trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như quá trình lọc kỵ khí (Anaerobic Filter Process).
1.4.3.2. Phương pháp xử lý sinh học hiếu khí
Quá trình xử lý sinh học hiếu khí nước thải gồm ba giai đoạn: - Oxy hóa các chất hữu cơ.
- Tổng hợp tế bào mới. - Phân hủy nội bào.
Các quá trình xử lý sinh học bằng phương pháp hiếu khí có thể xảy ra ở điều kiện tự nhiên hoặc nhân tạo. Trong các công trình xử lý nhân tạo, người ta tạo điều kiện tối ưu cho quá trình oxy hóa sinh hóa nên quá trình xử lý có tốc độ và hiệu suất cao hơn rất nhiều. Tùy theo trạng thái tồn tại của vi sinh vật, quá trình xử lý sinh học hiếu khí nhân tạo có thể chia thành:
Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng chủ yếu được sử dụng để khử chất hữu cơ chứa carbon như quá trình bùn hoạt tính, hồ làm thoáng, bể phản ứng hoạt động gián đoạn, quá trình lên men phân hủy hiếu khí. Trong số các quá trình này, quá trình bùn hoạt tính là quá trình phổ biến nhất.
Sinh viên: Hoàng Tuấn Anh 29 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Xử lý sinh học hiếu khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như quá trình bùn hoạt tính dính bám, bể lọc nhỏ giọt, bể lọc cao tải, đĩa sinh học, bể phản ứng nitrate với màng cố định.
1.4.4. Xử lý bùn cặn thải 1.4.4.1. Đặc tính của bùn 1.4.4.1. Đặc tính của bùn
Bùn cặn được hình thành:
Sau xử lý cơ học: Tổng lượng cặn lơ lửng TSS trong NT 50÷70 gam/người/ngày.đêm. Khoảng 25÷50 gam cặn/ người/ngày.đêm được giữ lại trong khâu xử lý bậc 1. Độ ẩm của cặn sau lắng 2h là 97,5% sau đó chúng nén dần trong hố tập trung đến độ ẩm 92÷95%. Trung bình thể cặn lắng này là 0,6÷08 lít/ người/ngày.đêm. Do đây là thành phần không hoà tan có sẵn trong nước thải nên chúng được gọi là cặn sơ cấp. Trong cặn này có 65÷70% là thành phần hữu cơ, nhiều vi sinh vật cả vi sinh vật gây bệnh.
Sau xử lý sinh học (bùn hoạt tính dư sau bể aerotenhoặc bùn màng sinh vật sau bể lọc sinh học): bùn thứ cấp. Đặc điểm: 8÷32 gam/ người/ngày.đêm phụ thuộc vào dây chuyền xử lý nước thải, độ ẩm 96,0÷99,2%, thể tích bùn có thể đạt 2,5 lít/ người/ngày.đêm, kích thước tương đối đồng nhất, thành phần hữu cơ chiếm 70÷75%, có chứa nhiều trứng giun sán, vi khuẩn gây bệnh.
Thành phần của bùn cặn rất phức tạp, chứa nhiều chất hữu cơ và các nguyên tố dinh dưỡng dùng làm phân bón rất tốt. Nhưng lại chứa nhiều chất hữu cơ dễ gây hôi thối làm ô nhiễm môi trường không khí, chứa nhiều vi khuẩn cả vi khuẩn gây bệnh, độ ẩm lớn, sử dụng bùn cặn tươi làm phân bón không có lợi và khó vận chuyển.
1.4.4.2. Các phương pháp xử lý
Mục đích:
- Ổn định bùn cặn, khử các chất hữu cơ dễ gây thối rữa. - Làm khô bùn cặn để dễ vận chuyển và sử dụng.
- Khử độc bùn cặn hoặc thu hồi chất quý
Tách nước sơ bộ: làm giảm độ ẩm bùn cặn để các khâu xử lý tiếp theo diễn ra được ổn định và giảm được khối lượng xây dựng các công trình cũng như tiết kiệm
Sinh viên: Hoàng Tuấn Anh 30 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
được hóa chất sử dụng trong quá trình xử lý. Tuy nhiên, nếu giảm quá mức độ ẩm sẽ tạo nên bùn cặn khô, các điều kiện công nghệ của các công trình ổn định bùn cặn sẽ khó khăn.
Quá trình ổn định bùn cặn: đây là quá trình phân hủy sinh hóa các chất hữu cơ của bùn cặn diễn ra trong điều kiện yếm khí hoặc hiếu khí.
Quá trình xử lý sơ bộ bùn cặn: hai phương pháp xử lý sơ bộ bùn cặn như sau: Xử lý sơ bộ bùn cặn bằng hóa chất: là quá trình đông kết các hạt phân tán
tinh và keo để tạo thành bông cặn lớn, phá hủy và thay đổi các dạng liên kết của nước, thay đổi cấu trúc cặn và khả năng nhả nước của nó. Hóa chất thường dùng là: vôi, phèn sắt FeCl3, phèn nhôm, các loại polimer khác. Xử lý sơ bộ bùn cặn không dùng hóa chất: sử dụng các biện pháp nhiệt, lắng,
keo tụ điện hóa, phơi nắng,...
1.4.5. Phương pháp tiếp cận giải quyết vấn đề nước thải công nghiệp
Hướng chính để giảm nước thải và sự ô nhiễm đối với các nguồn nước là: cần thiết lập hệ thống khép kín (nhà máy hay khu vực). Ưu điểm: sử dụng hợp lý nước trong các quá trình công nghệp, thu hồi tối đa các phần tử có giá trị trong nước thải, giảm chi phí đầu tư xây dựng và vận hành, cải thiện điều kiện vệ sinh và giảm ô nhiễm môi trường.
Hướng khác: thiết lập sản xuất không nước thải với nội dung chính: Chế biến liên hợp nguyên liệu và vật liệu ban đầu.
Thiết lập các quá trình công nghệ mới để sản xuất và chế biến các sản phẩm không có sự tham gia của nước.
Giảm lượng nước thải và mức độ ô nhiễm bằng cách hoàn thiện các quá trình công nghệ và thiết bị, sử dụng nguyên liệu không có nước.
Ứng dụng các máy làm sạch bằng không khí.
Làm sạch toàn diện nước thải của các cơ sở công nghiệp cũng như nước thải sinh hoạt ở các trạm xử lý cục bộ hay của thành phố để thu được nước có thể sử dụng trong các quá trình công nghệ và trong các hệ thống cấp nước tuần hoàn. Ứng dụng các phương pháp và tiên tiến để làm sạch nước thải.
Sinh viên: Hoàng Tuấn Anh 31 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Sử dụng tất cả nước thải sau khi đã làm sạch và làm nguội trong các quá trình công nghệ trong các hệ thống tuần hoàn nước thải.
Duy trì thành phần muối cố định của nước trong hệ thống cấp nước tuần hoàn bằng cách lấy ra một phần nước với mục đích loại muối một phần hay hoàn toàn phần nước đó và tuần hoàn nước không có muối vào hệ thống cấp nước tuần hoàn.
Phòng ngừa, giảm lượng nước thải và các chất gây ô nhiễm nước là phương pháp tích cực và chủ động. Phương pháp này đi vào bản chất của quá trình công nghệ, kiểm tra quá trình sản xuất, nguồn nguyên liệu, tìm nguyên nhân, nguồn phát sinh ra nước thải, từ đó có các biện pháp giải quyết tận gốc các chất gây ô nhiễm nước, phân luồng các dòng thải gây ô nhiễm và khi cần thiết xử lý cục bộ các dòng này với một lượng nhỏ.
Ưu điểm: giảm lượng nước sử dụng, giảm lượng nước thải cần xử lý, giảm tải
lượng các chất gây ô nhiễm, hiệu quả kinh tế cao do giảm cho phí xử lý nước thải. Để làm sạch nước thải công nghiệp có thể sử dụng một trong các loại công trình xử lý sau: xử lý cục bộ (xử lý tại xưởng), xử lý chung (tại trạm xử lý chung của nhà máy), xử lý tập trung cho cả thành phố hay khu vực. Trong công nghiệp hóa chất thường ít khi xử lý tập trung.
- Xử lý cục bộ: được dùng để là sạch nước thải từ các thiết bị hay phân xưởng. Có thể thu hồi được những chất có giá trị nên người ta thường sử dụng phương pháp làm sạch như lắng, tuyển nổi, trích ly, chưng, hấp phụ trao đổi ion,...Để xử lý cục bộ, dòng thải cần được phân luồng tốt.
- Xử lý chung: dùng để xử lý nước thải của toàn nhà máy. Những cơ sở sản xuất hóa chất, hóa dầu thường được trang bị các công trình xử lý loại này.
- Xử lý tập trung ở thành phố: Nhiệm vụ chính là làm sạch cơ học và sinh học đối với nước thải. Nước thải sau khi xử lý thứ cấp được khử trùng bằng clo hoặc ozon trước khi thải ra nguồn nước tự nhiên. Bùn cặn sau khi phơi khô có thể làm phân bón nếu giàu N, P, K hoặc chôn lấp, tiêu hủy. Trạm xử lý tập trung của thành phố
Sinh viên: Hoàng Tuấn Anh 32 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
dùng để xử lý nước thải đô thị bao gồm nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp sau khi đã xử lý cục bộ.
1.5. Cơ sở hóa lý và phương pháp nghiên cứu
Có nhiều phương pháp để xử lý nước thải, mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm riêng, có thể sử dụng riêng rẽ từng phương pháp hoặc kết hợp một số phương pháp trong từng công đoạn của quá trình xử lý. Trong công nghiệp giấy phương pháp keo tụ điện hóa là một trong những phương pháp đang được nghiên cứu sử dụng để có thể xử lý nước thải mang lại hiệu quả cao.
Trong phạm vi đồ án này nghiên cứu phương pháp điện hóa xử lý nước thải nhà máy giấy Sài Gòn – Mỹ Xuân.
Bằng phương pháp điện hóa thực hiện các quá trình điện phân để xử lý nước thải. Phương pháp này thực hiện phản ứng điện cực oxy hóa khử các chất có trong nước thải bằng dòng điện một chiều bên ngoài. Mỗi loại nước thải cần có phương pháp xử lý thích hợp.
Khi có dòng điện một chiều đi qua hệ thống điện hóa thì: Trên catôt sẽ xảy ra quá trình nhận electron và thực hiện phản ứng khử, trên anốt sẽ xảy ra quá trình nhường electron và thực hiện phản ứng oxi hóa.
Quá trình điện hóa được nghiên cứu ứng dụng để xử lý môi trường làm sạch nước và nước thải. Với nguyên lý: chuyển các chất bẩn có hại thành không có hại bằng phản ứng điện cực trên anốt hoặc catốt hoặc nhờ phản ứng của các chất đó với sản phẩm sơ cấp của quá trình điện cực.
Khi sử dụng các điện cực không tan có thể xảy ra quá trình điện hóa nhờ hiện tượng phóng điện của các hạt mang điện trên các điện cực, tạo thành trong dung dịch các chất có khả năng phá vỡ các muối solvat (clo, oxy) trên bề mặt hạt.
Khi sử dụng các anốt hòa tan bằng nhôm hoặc thép có thể làm sạch các tạp chất gây ô nhiễm có độ bền cao. Dưới tác dụng của dòng điện xảy ra quá trình hòa tan của các kim loại, các cation sắt hoặc nhôm chuyển vào nước gặp nhóm hyđrôxyl tạo thành hyđrôxyt của các kim loại đó ở dạng bông và xảy ra quá trình đông tụ.
Sinh viên: Hoàng Tuấn Anh 33 Khoa Hóa học và Công nghệ thực phẩm
Phương pháp keo tụ điện hóa là một phương pháp được sử dụng rộng rãi trong việc xử lý nước thải. Keo tụ điện với anốt tan là một phương pháp tạo ra các chất keo tụ như Al(OH)3, Fe(OH)2, Fe(OH)3,… gây keo tụ, hình thành các bông keo có khả năng keo tụ nhiều chất hữu cơ, chất màu trong dung dịch. Bên cạnh đó khí H2, O2,