F. Các phương pháp xử lý I. Song chắn rác
XIII. Phương pháp quang xúc tác
Quá trình quang xúc tác là quá trình kích thích các phản ứng quang hóa bằng chất xúc tác, dựa trên nguyên tắc chất xúc tác Cat nhận năng lượng ánh sáng sẽ chuyển sang dạng hoạt hóa * Cat, sau đó * Cat sẽ chuyển năng lượng sang cho chất thải và chất thải sẽ bị biến đổi sang dạng mong muốn. Quá trình có thể tóm tắt như sau:
Cat + nlgás → * Cat
* Cat + chất thải → * chất thải + Cat
* Chất thải → sản phẩm Hoặc:
*Cat + chất thải → (chất thải)- + Cat+
(chất thải)- → (sản phẩm)-
Cat+ + (sản phẩm)- → sản phẩm + Cat
Một số chất bán dẫn được sử dụng làm chất quang xúc tác trong đó zinc oxide ZnO, titanium dioxide TiO2, zinc titanate Zn2TiO2, cát biển, CdS là các chất cho hiệu quả cao. TiO2 rất hiệu quả trong việc phân hủy chloroform và urea (Kogo et al., 1980), thuốc trừ sâu gốc lân hữu cơ như dimethyl phosphate (Harada et al., 1976). Cyanide (CN-) (10.6 ppm KCH, 0,01 M NaOH) có thể bị phân hủy nhanh chóng trong môi trường có chứa 5% TiO2 và chiếu sáng với nguồn sáng có bước sóng 350 nm (Carey and Oliver, 1980). Đầu tiên CN- bị oxy hóa thành CNO-. Sau đó hàm lượng CNO- giảm dần chứng tỏ nó tiếp tục bị oxy hóa.
Quá trình quang xúc tác xảy ra với bức xạ có bước sóng nhỏ hơn 4200oA tạo nên oxy hoạt tính phân hủy hoàn toàn các chất thải hữu cơ thành CO2 và nước (Nemerow và Dasgupta, 1991).
Xử lý dung dịch 10,6 ppm KCN, 0,01 M NaOH bằng phương pháp quang xúc tác với 5%TiO2
(Carey and Oliver, 1980)
Sơ đồ qui trình xử lý chất thải độc hại bằng phương pháp quang xúc tác
XIV. PHƯƠNG PHÁP OXY HOÁ KHỬ
Quá trình oxy hóa khử cũng được sử dụng để xử lý các chất thải độc hại. Hai bảng sau liệt kê các chất oxy hóa khử và các loại chất thải thường được áp dụng phương pháp này.
Xử lý chất thải bằng chất oxy hóa
Chất oxy hóa Loại chất thải
Ozone -
Không khí (oxy khí quyển) Sulfite (SO3-2), Sulfide (S-2), Fe+2
Khí Chlor Sulfide, Mercaptans
Khí chlor và xút Cyanide (CN-)
Chloride dioxide Cyanide, thuốc trừ sâu (Diquat, Paraquat)
Hypochlorite natri Cyanide, chì
Hypochlorite canxi Cyanide
Permanganate kali Cyanide, chì, phenol, Diquat, Paraquat, hợp chất hữu cơ có lưu huỳnh, Rotenone, formaldehyde
Permanganate Mn
Hydrogen peroxide Phenol, cyanide, hợp chất lưu huỳnh, chì
Xử lý chất thải bằng chất khử
Chất thải Chất khử
Cr (6) SO2, muối sulfite (sodium bisulfite, sodium metabisulfite, sodium hydrosulfite), sulfate sắt, bột sắt, bột nhôm, bột kẽm.
Chất thải có chứa thủy ngân NaBH4
Tetra-alkyl-lead NaBH4
Bạc NaBH4
Chất oxy hóa như NaOH được sử dụng nhiều trong việc khử độc thuốc trừ sâu, các thí nghiệm đã cho thấy ở môi trường kiềm thời gian bán hủy của một số loại thuốc trừ sâu bị rút ngắn một cách đáng kể.
Thời gian bán hủy của một số thuốc trừ sâu trong môi trường kiềm
Teân noâng
dược Điều kiện thí nghiệm Thời gian bán hủy Nhiệt độ
(oC) pH
Parathion 15 1 N NaOH 32 phuùt
Methyl
parathion 15 1 N NaOH 7.5 phuùt
Malathion 25 10,03 28 phuùt
DDVP 37,5 8,0 462 phuùt
Diazinon 20 10,04 144 giờ
Carbaryl môi trường Kiềm rất nhanh
Propoxur
(Baygon) 20 10.0 40 phuùt
Dillion (1989)
Các đề nghị về dung dịch và thời gian tiếp xúc để khử độc một số thuốc trừ sâu
Teân noâng
dược Dạng Dung dịch
khử độc Tỷ lệ sử duùng DD : Nông dược
Thời gian tieáp
xuùc Monocrotophos
(Alzodrin)
3.2 lb/gal.
WM 10% NaOH 4 : 1 (theo
theồ tớch) 12 h 4.0 lb/gal.
WM
10% NaOH 5 : 1 (theo
theồ tớch)
12 h
80% WP 10% NaOH 1 gal/lb 12 h
Phosphamidon (Dimeron)
8.0 lb/gal.
WM 10% NaOH 8 : 1 (theo
theồ tớch) 1 h 10 lb/gal. WM 10% NaOH 10 : 1 (theo
theồ tớch) 1 h 6 lb/gal. SC 5% NaOH trong
DD 50% ethanol hoặc 10% NaOH
12 : 1 (theo theồ tích)
4 h
trong DD 50%
ethanol Disulfoton
(Di-syston)
10% granular
5% NaOH trong DD 50% ethanol
2 qt/lb 3 h
50% granular 1 qt/lb 3 h
2% granular 1 qt/lb 3 h
Phorate (Thimet) 6 lb/gal EC 10% NaOH trong
DD 50% ethanol 6 : 1 (theo
theồ tớch) 15 phuùt Methamidophos
(Monitor)
4 lb/gal 10% NaOH 8 : 1 (theo
theồ tớch) 15 phuùt PennCap - M
(microencapsulated methyl Parathion)
2 lb/gal 5% NaOH trong DD 50% ethanol
8 : 1 (theo
theồ tớch) 12 h Carbofuran (furadan) 4 lb/gal. F 5% NaOH trong
DD 50% ethanol 10 : 1 (theo
theồ tớch) 30 phuùt 10% granular 10% NaOH trong
DD 50% ethanol 2 qt/lb 2 h
Aldicarb (Temik) 15% granular
10% NaOH trong DD 50% ethanol
1 gal/lb 12 h
5% hoặc 10% granular
2 qt/lb 12 h Methomyl (Lannate,
Nudrin)
1.8 lb/gal . F 10% NaOH 5 : 1 (theo
theồ tớch) 3 h 90% water
sol. dust
10% NaOH 1 gal/lb 12 h
2,5% dust 10% NaOH 1 qt/lb 12 h
Captafol 4 lb/gal F
10% NaOH trong DD 50% ethanol
10 : 1 (theo
theồ tớch) 15 phuùt
80 % WP 1 gal/lb 1 h
EC: Emulsifiable Concentrate F: Flowable
SC: Spray Concentrate WM: Water Miscible WP: Wettable Powder
Nguồn Dillion (1989)
XV. QUÁ TRÌNH NITRÁT HOÁ - KHỬ NITRÁT HOÁ
Trong nước thải có chứa 2 loại chất dinh dưỡng cần sự quan tâm hàng đầu đó là nitrogen và phosphorus. Các sinh vật đều cần hai dưỡng chất này để phát triển. Tuy nhiên nếu chúng hiện diện ở số lượng lớn sẽ làm mất cân bằng dinh dưỡng trong thủy vực đưa đến một số loài sẽ phát triển nhanh trong khi một số loài có thể giảm số lượng cá thể hoặc tiêu diệt hoàn toàn. Các nguồn chính của 2 loại dưỡng chất này là bột giặt (nước thải sinh hoạt), phân bón, và nước thải các nhà máy chế biến thực phẩm.
Trong các thủy vực nitrogen có thể trải qua quá trình nitrát hóa và khử nitrát như sau:
1.Quá trình nitrat hóa
Quá trình nitrat hóa là quá trình oxy hóa sinh hóa nitơ của các muối amon đầu tiên thành nitrit và sau đó thành nitrat trong điều kiện thích ứng (có oxy và nhiệt độ trên 4oC).
Vi khuẩn tham gia quá trình nitrat hóa gồm có 2 nhóm:
• Vi khuẩn nitrit: oxy hóa amoniac thành nitrit hoàn thành giai đoạn thứ nhất;
• Vi khuẩn nitrat: oxy hóa nitrit thành nitrat, hoàn thành giai đoạn thứ hai.
Các phản ứng được biễu diễn qua các phương trình sau:
2NH3 + 3O2
Nitrosomonas
---
2HNO2 + 2H2O
(1.7)
2HNO2 + O2
Nitrobacter
---
2HNO3
(1.8) hoặc:
(NH4)2CO3 + 3O2 = 2HNO2 + CO2 + 3H2O (1.9)
Tốc độ của giai đoạn thứ nhất xảy ra nhanh gấp 3 lần so với giai đoạn hai. Bằng thực nghiệm người ta đã chứng minh rằng lượng oxy tiêu hao để oxy hóa 1mg nitơ của muối amon ở giai đoạn tạo nitrit là 343 mg O2, còn ở
2HNO2 + O2 = 2 HNO3 (1.10)
giai đoạn tạo nitrat là 4,5 mg O2. Sự có mặt của nitrat trong nước thải phản ánh mức độ khoáng hóa hoàn thành các chất bẩn hữu cơ.
Quá trình nitrat hóa có một ý nghĩa quan trọng trong kỹ thuật xử lý nước thải. Trước tiên nó phản ánh mức độ khoáng hóa các chất hữu cơ như đã trình bày ở trên. Nhưng quan trọng hơn là quá trình nitrat hóa tích lũy được một lượng oxy dự trữ có thể dùng để oxy hóa các chất hữu cơ không chứa nitơ khi lượng oxy tự do (lượng oxy hòa tan) đã tiêu hao hoàn toàn cho quá trình đó.
2. Quá trình khử nitrat
Quá trình khử nitrat là quá trình tách oxy khỏi nitrit, nitrat dưới tác dụng của các vi khuẩn yếm khí (vi khuẩn khử nitrat). Oxy được tách ra từ nitrit và nitrat được dùng lại để oxy hóa các chất hữu cơ. Lượng oxy được giải phóng trong quá trình khử nitrit N2O3 là 2,85 mg oxy/1mg nitơ. Nitơ được tách ra ở dạng khí sẽ bay vào khí quyển.
XVI. PHƯƠNG PHÁP KHỬ TRÙNG
Khử trùng (disinfection) khác với tiệt trùng (sterilization), quá trình tiệt trùng sẽ tiêu diệt hoàn toàn các vi sinh vật còn quá trình khử trùng thì không tiêu diệt hết các vi sinh vật.
Quá trình khử trùng dùng để tiêu diệt các vi khuẩn, virus, amoeb gây ra các bệnh thương hàn, phó thương hàn, lỵ, dịch tả, sởi, viêm gan...
Các biện pháp khử trùng bao gồm sử dụng hóa chất, sử dụng các quá trình cơ lý, sử dụng các bức xạ. Trong phần này chúng ta chỉ bàn đến việc khử trùng bằng các hóa chất. Các hóa chất thường sử dụng cho quá trình khử trùng là chlorine và các hợp chất của nó, bromine, ozone, phenol và các phenolic, cồn, kim loại nặng và các hợp chất của nó, xà bông và bột giặt, oxy già, các loại kiềm và axít.
So sánh hiệu quả khử trùng của các phương pháp
Phương pháp Hiệu quả (%)
Lọc thụ 0 á 5
Lọc tinh 10 á 20
Bể lắng cỏt 10 á 25
Bể lắng sơ hoặc thứ cấp cơ học 25 á 75
Bể lắng sơ hoặc thứ cấp cú thờm húa chất trợ lắng 40 á 80
Bể lọc sinh học nhỏ giọt 90 á 95
Bể bựn hoạt tớnh 90 á 98
Chlorine húa nước thải sau xử lý 98 á 99
Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal
Cl2 hòa tan rất mạnh trong nước (7160 mg/L ở 20oC và 1 atm). Khi hòa tan trong nước nó tạo thành hypochlorous acide
Cl2 + H2O ---> HOCl + H+ + Cl-
Với hàm lượng Cl2 thấp hơn 1000 mg/L và pH > 3 phản ứng thủy phân trên diễn ra hoàn toàn.
Hypochlorous acide sau đó bị ion hóa thành hypochlorite ion.
HOCL ---> OCl- + H+
HOCl và OCl- được coi là lượng chlor tự do hữu dụng. Các dạng khác như calcium hypochlorite cũng được sử dụng
Ca(OCl)2 → Ca2+ + 2OCl-
Hypochlorous acide sẽ tác dụng với ammonia để tạo nên monochloroamine, dichloramine và nitrogen trichloride
NH4+ + HOCl → NH2Cl + H2O + H+ NH2Cl + HOCl → NHCl2 + H2O NHCl2 + HOCl → NCl3 + H2O
Việc sinh ra các sản phẩm trên tùy thuộc vào pH, nhiệt độ, thời gian tiếp xúc và tỉ lệ ban đầu giữa chlorine và ammonia (Cl2 : NH4+- N). Trong khoảng pH từ 7 ÷ 8 và tỉ lệ Cl2 : NH4+- N = 5 : 1 tất cả chlorine tự do hữu dụng sẽ chuyển thành monochloramine trong vòng 1 phút trở lại, nếu tỉ lệ Cl2 : NH4+ - N lớn hơn 5 : 1 thì sẽ có một ít dichloramine được tạo nên. Khi pH < 6, một lượng lớn nitrogen trichloride được tạo thành, đây là một chất khí có mùi hôi do đó cần quản lý tốt pH để tránh xảy ra trường hợp này. Chloramine được gọi là hợp chất chlor hữu dụng. Trong nước
chloramine bị thủy phân yếu để tạo nên hypoclorous acide. Hiệu suất khử trùng của chloramine tùy thuộc vào lượng hypochlorous acide được tạo nên.
Khi cho chlorine vào nước thải có chứa các chất khử (H2S, NO2-, Fe2+, Mn2+...) amonia và các amine hữu cơ đường biểu diễn dư lượng chlorine sau các phản ứng được biểu diễn trong hình Dư lượng chlorine trong quá trình sử dụng chlorine để khử trùng
Đầu tiên khi cho chlorine vào nước thải nó sẽ phản ứng hết với các chất khử do đó không có chlorine thừa (a - b):
H2S + Cl2 → 2HCl + S
Chlorine còn tác dụng với phenol tạo nên mono-, di- hoặc trichlorophenol tạo mùi và vị của nước. Nó còn tác dụng với mùn trong nước tạo thành các hợp chất chlor trong đó có chloroform CHCl3 là chất gây ung thư.
Cho tới liều lượng b nó đã thỏa mãn nhu cầu về chlor đối với các chất khử, do đó nếu tiếp tục cho thêm chlor vào nó sẽ tạo nên chloramine, chloramine tạo nên một phần dư lượng ở dạng hợp chất chlor hữu dụng. Khi tất cả ammonia và các amine hữu cơ trong nước thải phản ứng hết với chlorine (c) việc tiếp tục cho thêm chlorine vào sẽ tạo nên phản ứng oxy hóa chloramine quá trình này sẽ làm giảm dư lượng chlor (c - d) và tạo nên N2, NO3 và NCl3. Việc giảm dư lượng chlorine là kết quả của quá trình khử các nguyên tử chlorine đến mức oxy hóa thấp nhất (chloride). Sau khi đã kết thúc quá trình oxy hóa các chloramine nếu tiếp tục cho chlor vào nước thải thì sẽ tạo nên dư lượng chlor tự do hữu dụng do đó đường biểu diễn từ điểm d sẽ đi lên. Điểm d được coi như là
"điểm dừng" của đồ thị. Việc xác định điểm dừng để xác định liều lượng chlorine cần sử dụng cho quá trình xử lý ammonia và khử trùng nước thải (cần thiết phải có dư lượng chlor tự do hữu dụng để bảo đảm cho quá trình khử trùng). Tuy nhiên việc áp dụng điểm dừng để xác định liều lượng chlorine đòi hỏi kỹ thuật cao cho nên ít được ứng dụng.
Để đơn giản hóa vấn đề trong việc xử lý nước thải sinh hoạt người ta xác định dư lượng hợp chất chlor hữu dụng sau 15 phút tiếp xúc giữa nước thải và chlorine nếu đạt nồng độ 0,5 mg/L thì liều lượng chlorine sử dụng là đủ và người ta gọi đó là lượng chlorine cần thiết.
Để hoàn thành công đoạn xử lý nước thải bằng chlorine nước thải và dung dịch chlor (phân phối qua ống châm lổ, hoặc suốt chiếu ngang của bể trộn) được cho vào bể trộn trang bị một máy khuấy vận tốc cao, thời gian lưu tồn của nước thải và dung dịch chlorine trong bể trộn không ngắn hơn 30 giây. Sau đó nước thải đã trộn lẫn với dung dịch chlorine được cho chảy qua bể tiếp xúc được chia thành những kênh dài và hẹp theo đường gấp khúc.
Thời gian tiếp xúc giữa chlorine và nước thải từ 15 ÷ 45 phút, ít nhất phải giữ được 15 phút ở tải đỉnh. Bể tiếp xúc chlorine thường được thiết kế theo kiểu plug-flow (ngoằn ngoèo). Tỉ lệ dài : rộng từ 10 : 1 đến 40 : 1. Vận tốc tối thiểu của nước thải phải từ 2 ÷ 4,5 m/phút để tránh lắng bùn trong bể.
Sơ đồ một bể tiếp xúc chlorine Tổng chiều dài của kênh có thể tính bằng công thức:
trong đó L: tổng chiều dài của kênh
V/Q: thời gian lưu tồn theo lý thuyết (t), hay thời gian tiếp xúc W: chiều rộng kênh
D: chiều sâu mực nước trong kênh Qmax: lưu lượng nước thải ở tải đỉnh
Người ta thường sử dụng thời gian tiếp xúc là 15 phút chiều rộng của kênh là 0,3 m và chiều sâu của nước trong kênh là 1,33 m.
Để dễ dàng loại bỏ các cặn lắng, bể tiếp xúc nên được lắp đặt các ống thoát nước ở dưới đáy.
So sánh đặc điểm của một số hóa chất sử dụng cho quá trình khử trùng
Đặc diểm Đặc điểm mong muốn đạt được
Chlorine Sodium hypochloride
Calcium hypochloride
Chlorine dioxide
Bromine chloride
Ozone UV
Độc tính đối với vi sinh vật
Độc tính cao ở nồng độ cao
Cao Cao Cao Cao Cao Cao Cao
Độ hòa tan Phải hòa tan trong nước hoặc mô
Thấp Cao Cao Cao Thấp Cao N/A
Độ bền Ít giảm tính diệt khuẩn theo thời gian
Bền Hơi không
ổn định Tương đối
bền không
bền sx khi cần
Hơi không ổn
định
không bền sx khi
cần
sx khi cần
Không độc đối với sv bậc cao
Độc đối với vsv, không độc với người và động vật
Rất độc với
sv bậc cao Độc Độc Độc Độc Độc Độc
Tính đồng nhất trong dung dịch
- Đồng nhất Đồng nhất Đồng nhất Đồng
nhất Đồng
nhất Đồng nhất N/A
Tác dụng với cá chất khác
Chỉ tác dụng với vi khuẩn không tác dụng với chất hữu cơ
Oxy hóa chất hữu cơ
Chất oxy hóa mạnh
Chất oxy hóa mạnh
Cao Oxy hóa chất hữu
cơ
Oxy hóa chất hữu
cơ -
Độc tính ở các nhiệt độ khác nhau
Giữ được độ độc ở khoảng biến thiên của nhiệt độ môi trường
Cao Cao Cao Cao Cao Cao Cao
Độ ăn mòn Không ăn mòn
kim loại Ăn mòn
mạnh Ăn mòn Ăn mòn Ăn mòn
mạnh Ăn mòn Ăn mòn
mạnh N/A
Khả năng khử mùi
Có khả năng khử mùi khi khử trùng
Cao Trung bình Trung bình Cao Trung bình
Cao -
L: tổng chiều dài của kênh
V/Q: thời gian lưu tồn theo lý thuyết (t), hay thời gian tiếp xúc W: chiều rộng kênh
D: chiều sâu mực nước trong kênh Qmax: lưu lượng nước thải ở tải đỉnh
Người ta thường sử dụng thời gian tiếp xúc là 15 phút chiều rộng của kênh là 0,3 m và chiều sâu của nước trong kênh là 1,33 m.
Để dễ dàng loại bỏ các cặn lắng, bể tiếp xúc nên được lắp đặt các ống thoát nước ở dưới đáy.