CHƢƠNG 3: PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ NƢỚC 3.1 Sơ lƣợc các phƣơng pháp xử lý nƣớc
3.1.2. Phương pháp oxy hóa khử
3.1.2.1. Phương pháp oxy hóa
Mục đích : trong quá trình oxy hóa, các chất ô nhiễm độc hại chứa trong nước thải sẽ chuyển thành chất ít độc hơn và được loại ra khỏi nước
-Ưu điểm : làm sạch nước
-Khuyết điểm : Phương pháp này yêu cầu chi phí hóa chất lớn, vì thế nó chỉ được ứng dụng khi chất ô nhiễm không thể loại được bằng phương pháp khác. Ví dụ xử lý xianua, hợp chất tan của Asen…
Ion pH Ion pH Fe (+3) 2,0 Ni (+2) 6,7 Al (+3) 4,1 Cd (+2) 6,7 Cr (+3) 5,3 Co (+2) 6,9 Cu (+2) 5,3 Zn (+2) 7,0 Fe (+2) 5,5 Mg (+2) 7,3 Pb (2+) 6,0 Mn (2+) 8,5
Nhóm 3 Trang 36 Chất oxy hóa mạnh nhất là flo nhưng tính ăn mòn mạnh nên không sử dụng trong thực tế.
Bảng 3.2. Thế oxy hóa của một số chất oxy hóa
Chất oxy hóa Thế oxy hóa Chất oxy hóa Thế oxy hóa
F 3.0 KMnO4 1.7
OH- 2.8 ClO2 1.5
O3 2.1 Cl2 1.4
H2O2 1.8
Bảng 3.3. 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
Nhóm 3 Trang 37 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
Oxy hóa bằng Clo và các hợp chất của Clo
Clo là một chất oxy hóa mạnh ở bất cứ dạng nào.Khi Clo tác dụng với nước tạo thành axit hypoclorit (HOCl) có tác dụng diệt trùng mạnh. Khi cho Clo vào nước, chất diệt trùng sẽ khuếch tán xuyên qua vỏ tế bào vi sinh vật và gây phản ứng với men bên trong của tế bào, làm phá hoại quá trình trao đổi chất dẫn đến vi sinh vật bị tiêu diệt.
Khi cho Clo vào nước, phản ứng diễn ra như sau: Cl2 + H2O HOCl HOCl <=> H+ + OCl- Hoặc có thể ở dạng phương trình phân ly:
Cl2 + H2O 2H+ + OCl- + Cl- Khi sử dụng Clorua vôi, phản ứng diễn ra như sau:
Ca(OCl)2 + H2O =CaO + 2HOCl 2HOCl =2H+ + 2OCl-
Mật độ Clo 3.17g/ml dung dịch. Theo TCXD –33: 1985: Lượng Clo dưới đầu mạng lưới tối thiểu 0,5mg/l.
Nhóm 3 Trang 38 Theo TCXD –33: 1985:Lượng Clo dư ở cuối mạng lưới tối thiểu 0,05mg/l và không lớn hơn mức mùi khó chịu.
Dùng thiết bị Clorato để định lượng và pha chế Clo.
Oxy hóa bằng hydroperoxit
Hydroperoxit H2O2 là một chất lỏng không màu và có thể trộn lẫn với nước ở bất kỳ tỉ lệ nào. Được ứng dụng để oxy hóa các nitrit, andehit, phenol, xianua, chất thải chứa lưu huỳnh, thuốc nhuộm hoạt hóa…Nồng độ giới hạn cho phép trong nước là 0.1 mg/l
Trong môi trường axit và kiềm,H2O2 được phân hủy: 2H+ + H2O2 + 2e 2H2O 2OH- + H2O2 + 2e H2O + 2O2-
Trong môi trường axit, H2O2 chyển muối sắt II thành muối sắt III, HNO2 thành HNO3, CN- thành CNO- trong môi trường kiềm.
Trong dung dịch loãng , quá trình oxy hóa chất hữu cơ diễn ra chậm, nên cần có xúc tác kim loại có hóa trị thay đổi ( Fe2+
,Cu2+,…) để tăng tốc độ phản ứng. Nếu sử dụng H2O2 một cách độc lập thì hiệu quả phân hủy các CHC rất hạn chế. Hiệu quả đó tăng rất mạnh khi kết hợp H2O2 với một số tác nhân khác như: Fe2+, Fe3+, ozone hoặc bức xạ cực tím ( ultraviolet - UV). Tổ hợp Fe2+/ H2O2 được gọi là tác nhân Fenton; còn Fe3+
/H2O2 – tác nhân tương tự Fenton. Xúc tác Fe2+ có thể dùng ở dạng muối tan (xúc tác đồng thề) hoặc ở dạng hấp phụ trên chất mang rắn (xúc tác dị thể).
Nhóm 3 Trang 39
Oxy hóa bằng piroluzit MnO2
Quá trình tiến hành bằng cách lọc nước thải qua lớp vật liệu này hoặc phản ứng trong thiết bị khuấy trộn. Piroluzit là vật liệu tự nhiên, chứa chủ yếu dioxit mangan. Được sử dụng rộng rãi để oxy hóa As III thành hóa trị V.
H3AsO3 +MnO2 H3AsO4 + MnSO4 + H2O
Ozon hóa
Oxy hóa nước bằng ozon cho phép khử màu ,vị lạ và tiệt trùng nước.Bằng phương pháp này ta có thể xử lý sản phẩm dầu mỏ,sunfuahydric,các hợp chất Asen,chất hoạt hóa bề mặt,xianua,thuốc nhuộm…
Ozon là khí màu tím nhạt,tồn tại ở tầng thượng quyển,ở nhiệt độ - 119,ozon hóa lỏng và có màu xanh đậm.
Ozon rất độc, gây hại cho sức khỏe ở nồng độ 0.25mg/l, cực độc ở 1mg/l , nồng độ tối đa cho phép trong khu vực làm việc là 0.0001 mg/m3.Trong dung dịch axit,nó có dộ bền cao,trong không khí,nó phân ly rất chậm,trong nước nó phân ly nhanh và trong dung dịch kiềm yếu nó phân ly rất nhanh.
Ozon phân hủy chất hữu cơ và tiệt trùng nhanh hơn sử dụng Clo,axit làm tăng độ hòa tan của ozon và kiềm làm giảm độ hòa tan của nó.
Tác động của Ozon diễn ra theo 3 hướng khác nhau : -Oxy hóa trực tiếp với sự tham gia của phân tử oxy
- Liên kết toàn bộ phân tử ozon với chất bị oxy hóa với sự hình thành ozonua - Tác động xúc tác cho quá trình oxy hóa bằng oxy,có trong không khí chứa ozon
Nhóm 3 Trang 40
Các phƣơng pháp oxy hóa khác
- Kali permangannat , chất này tương đố đắt dùng xử lý sơ bộ để loại bỏ mangan, sắt hòa tan trong nước
- Brom có tính chất sát trùng và diệt tảo, dùng khử trùng nước bể bơi, liều lượng dư nhỏ nhất là 1g/m3
- Axit monopersunfuric, dùng để oxy hóa các xianua trong nước, dung dịch này bền vững, được điềuchế từ nước chứa oxy và axit sunfuric
- Cloamin dùng khử trùng, diệt khuẩn chậm hơn clo nhưng hiệu quả lớn do tính ổn định, không tạo thành haloforme, được điều chế bằng clo và amoniac. Có ích trong các trường hợp như : hệ thống mạng dẫn dài với thời gian tiếp xúc lớn và nhiệt độ cao, các kênh có bao che để tránh mùi khó chịu
- Bức xạ tử ngoại : bước sóng từ 200-300 nm, sinh ra từ đèn chứa hơi thủy ngân, ứng dụng trong xử lý nước uống ở mạng ống ngắn và bảo dưỡng tốt
Bức xạ ion : dùng bảo quản thực phẩm, dùng chủ yếu phóng xạ Coban
3.1.2.2. Phương pháp khử
Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi để xử lý các chất Hg, Cr, As
Khử bằng hydroperoxit
H2O2 +Cl2 O2 + 2HCl H2O3 +NaClO NaCl + O2 + H2O
Nhóm 3 Trang 41 Thủy ngân trong các hợp chất vô cơ được khử thành kim loại và tách ra khỏi nước nhờ quá trình lắng, lọc, keo tụ. Để khử Hg người ta có thể dùng sunfua sắt, hydroxit natri, bột sắt, H2S, bột nhôm.
Khử Asen
Asen trong nước thải dưới dạng các phân tử oxy hoặc ở các dạng anion AsS2-
, phương pháp phổ biến nhất loại Asen là kết tuả hợp chất chứa As. Trước hết, cần oxy hóa Asen III thành Asen V, các chất khử là CuCl2, clo, bùn, piroluzit. Khi nồng độ Asen lớn người ta khử các axit Asenic thành axit Aseno, bằng đioxit lưu huỳnh lắng dưới dạng trioxit asen.
H3AsO3 + MnO2 + H2SO4 H3AsO4 + MnSO4 + H2O
Yếu tố ảnh hưởng : lượng MnO2 gấp 4 lần lý thuyết,độ axit dung dịch 30-40 mg/l, nhiệt độ 70-80, thời gian oxy hóa 3 giờ.
Khử Cr Với Natrihydosunfit : Cr2O72- + 3S2- +14H+ 2Cr3+ + 3S + 7H20 Với sắt sunfat: Cr2O7 2- + 6Fe2+ + 14H+ 2 Cr3+ + 6Fe3+ + 7H2O Với natrihydrosunfit: Cr2O72-+ 3HSO3 + 5H+ Cr3+ + 3 SO42- + 4H2O Loại Mangan
Nhóm 3 Trang 42 Mn2+ + MnO4- MnO2 + H+
Hiệu quả cao nhất khi dùng 2 mg KMnO4 cho 1 mg Mn2+,quá trình phụ thuộc vào pH. Khi pH =9.5 mangan được loại bỏ hoàn toàn.
3.1.3. Phương pháp khử trùng
Khử trùng là một khâu quan trọng cuối cùng trong hệ thống xử lý nước sinh hoạt. Sau quá trình xử lý cơ học, nhất là nước sau khi qua bể lọc, phần lớn các vi sinh vật đã bị giữ lại. Song để tiêu diệt hoàn toàn các vi trùng gây bệnh, cần phải tiến hành khử trùng nước.
Khử trùng nước thải là nhằm mục đích phá hủ, tiêu di ệt các loại vi khẩun gây bệnh nguy hiểm hoặc chưa được hoặc không thể khử bỏ trong quá trình xử lý nước thải.
Nước thải sau khi xử lý bằng phương pháp sinh học còn chứa khoảng 105 – 106 vi khuẩn /ml. Hầu hết các loại vi khuẩn có trong nước thải không phải là vi trùng gây bệnh nhưng không loại trừ khả năng có vi khuẩn gây bệnh. Khi xả ra nguồn nước cấp, hồ bơi,..thì sẽ lan truyền bệnh rất lớn. Vì vậy cần phải tuyệt trùng nước thải trước khi xả ra ngoài.
Như đã biết, xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện tự nhiên cho hiệu xuất xử lý và khử trùng cao nhất, đạt tới 99%, còn các công trình xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo chỉ đạt 91 – 98%.
Các phƣơng pháp khử trùng nƣớc thải
Hiện nay có nhiều biện pháp khử trùng có hiệu quả:
- Khử trùng bằng các chất oxi hoá mạnh: Cl2, các hợp chất Clo, O3, KmnO4.
- Khử trùng bằng các tia vật lý: tia cực tím. - Khử trùng bằng siêu âm.
Nhóm 3 Trang 43 - Khử trùng bằng phương pháp nhiệt.
- Khử trùng bằng các ion kim loại nặng Cách lựa chọn phương pháp phụ thuộc: - Các yếu tố ảnh hưởng
- Hiệu quả
3.1.3.1. Khử trùng bằng các chất ôxy hóa mạnh
Khử trùng bằng Clo và các hợp chất của Clo
Cl2 là chất ox hóa mạnh ở bất kì dạng nào.Khi cho clo tác dụng với nước nó sẽ tạo thành HClO có tác dụng diệt trùng mạnh. Khi cho Clo vào trong H2O, chất diệt trùng sẽ khuyếch tán qua lớp vỏ tế bào sinh vật ⇒ gây phản ứng với men tế bào
⇒làm phá hoại các quá trình trao đổi chất của tế bào vi sinh vật. Khi cho Clo vào trong nước, phản ứng diễn ra như sau:
Cl2 + H2O = HCl + HClO Hoặc có thể ở dạng phương trình phân li:
Cl2 + H2O = H+ + OCl- + Cl- Khi sử dụng Clorua vôi, phản ứng diễn ra nhưsau:
Ca(OCl)2 + H2 O = CaO + 2HOCl 2HOCl = 2H+2OCl-
Khả năng diệt trùng củ a Clo phụ thuộc vào hàm lượng HOCl có trong H2O. Nồng độ HOCl phụ thuộc vào lượng ion H+ trong nước hay phụ thuộc vào pH của nước. Khi:
- pH = 6 thì HOCl chiếm 99,5% còn OCl-
chiếm 0.5% - pH = 7 thì HOCl chiếm 79% còn OCl-
chiếm 21% - pH = 8 thì HOCl chiếm 25% còn OCl-
chiếm 75% Tức là pH càng cao hiệu quả khử trùng càng giảm.
Nhóm 3 Trang 44 Tác dụng khử trùng của HOCl cao hơn nhiều OCl-
.
Khi cho Clo vào trong nước ngoài việc diệt vi sinh vật, nó còn khử các chất hoà tan và NH3.
HOCl + NH3 = NH2Cl + H2O HOCl + NH2Cl = NHCl2 + H2O
HOCl + NHCl = NCl3 + H2O
Do đó khả năng diệt trùng kém đi. Bởi vì khả năng diệt trùng của monocloramin hấp hơn dicloramin khoảng 3 – 5 lần, còn khả năng diệt trùng của dicloramin thấp hơn HOCl khoảng 20 – 25 lần.
Khi pH tăng → NCl3 tạo ít. Khả năng diệt trùng của NH2Cl =( 1/3 -1/5) NHCl2
và NH2Cl2 =(1/20 – 1/25)Cl2.
Sau khi qua xử ly (hệ thống xử lý) thì lượng Clo lượng dư: 0.3-0.5mg/l. Sao cho đến cuối ống còn 0.05mg/l.
Lượng Clo dư đưa vào trong nướ c phải xác định bằng thực nghiệ m. Khi thiết kế sơ bộ có thể lấy như sau : đối với nước thải sau xử lý c ơ học là 10mg/l; nước thải sau xử lý Aeroten không hoàn toàn hay Biophin cao tải là 5mg/l; nước thải xử lý sinh học hoàn toàn là 3mg/l.
Khi trong nước có phenol, khử trùng bằng Clo → Clo phenol có mùi rất khó chịu.Nên khử bằng NH3 trước khi khử trùng.
Khử trùng bằng Clo lỏng: Khi dùng Clo lỏng để khử trùng, tại nhà máy phải lắp đạt thiết bịchuyên dùng để đưa Clo vào nước gọi là Cloratơ. Đây là thiết bị có chức năng pha chế và định lượng Clo hơi và nước.
Nhóm 3 Trang 45 Bảng 3.4. Khử trùng bằng Clorua vôi và canxihyphocloit
Mục đích sử dụng Liều lƣợng mg/L
Ngăn quá trình ăn mòn do H2S 2.9
Khử mùi hôi 2.9
Khống chế quá trình phát triển của
các màng bùn vi sinh vật 1.1
Khử BOD 0.5-2
Khống chế ruồi ở bể lọc sinh học 0.1-0.5
Loại dầu, mỡ 2.1
Khử trùng nước thải chưa qua xử lý 6.25
Khử trùng nước thải đã qua xử lý
cấp I 5.2
Khử trùng nước thải sau kết tủa hóa
học 2.6
Khử trùng nước thải đã qua xử lý
Nhóm 3 Trang 46 Khử trùng nước thải đã qua xử lý
bằng bể bùn hoạt tính 2.8
Clorua vôi được sản xuất bằng cách cho Clo + vôi tôi Cloruavôi.Trong Cloruavôi thì lượng Clo hoạt tính chiếm 20 – 25%. Canxi hypôclorit Ca (OCl)2 là sản phẩm của quá trình làm bão hòa dung dịch vôi sữa bằng Clo. Ham lượng Clo hoạt tính chiếm 30 – 45%.
Khử trùng bằng Natri hypoclorit (nướ c zaven). NaClo là sản phảm của quá trình điện phân dung dịch muối ăn . Nước zaven có nồng độ Clo hoạt tính từ 6-8g/l
Dùng ozon để khử trùng
Ôzôn là một ch ất khí có màu tím ít hòa tan trong nước và r ất độc hại đối với con người. Ở trong nước, ôzôn phân hủy rất nhanh thành ôxi phân tử và nguyên tử.Ôzôn có tính hoạt hóa mạnh hơn Clo, nên diệt trùng mạnh hơn.
Ôzôn được sản xấut bằng cách cho Oxy hoặc không khí đi qua thiết bị phóng lửa điện. Để cung cấp đủ lượng ozon cho tr ạm xử lý nước ta dùng máy phát tia lửa điện và cho không khí chảy qua. Ozon sản xuât ra d ể bị phân hủy thành Oxy do đó phải lắp thiết bị làm lạnh ở máy sản xuất Ozon. Có 2 loại máy làm lạnh điện cực:
- Làm lạnh bằng không khí. - Làm lạnhbằng nước.
Ưu điểm của Ozon:
- Không có mùi
- Làm giảm nhu cầu oxi của nước , giảm chất hữu cơ,.. - Khử màu, phênol, xianua
- Tăng DO
- Không có sản phẩm phụ gây độc hại - Tăng vận tốc lắng của hạt lơ lửng
Nhóm 3 Trang 47
Nhược điểm:
- Vốn đầu tư cao - Tiêu tốn năng lượng
Khả năng tiệt trùng của Ozon
Độ hòa tan của Ozon gấp 13 lần của oxy. Khi vừa cho vào trong nước khả năng tiệt trùng là rất ít , khi Ozon đã hòa tan đủ liều lượng, ứng với hàm lượng đủ oxy hoá hữu cơ và vi khuẩn trong nước, lúc đó tác dụng khử trùng mạnh nhanh gấp 3100 lần so với Clo, thời gian tiệt trùng xảy ra trong khoảng 3 – 8 giây.
Liều lượng cần thiết cho nước ngầm là 0.75 – 1mg/l; 1.0 – 3.0 mg/l nước mặt; sau bể lắng 2 trong xử lý nước thải từ 5 – 15mg/l.
3.1.3.2. Khử trùng bằng tia cực tím
Tia cự tím UV là tia bức xạ điện từ có bước sóng khoảng 4 – 400nm. Độ dài bước sóng của tia cự tím nằm ngoài vùng phát hiện, nhận biết của mắt thường. Dùng tia cực tím để tiệt trùng không làm thay đổi tính chất hóa học và lý học của nước.
Tia cực tím tác dụng làm thay đổi ADN của tế bào vi khuẩn, tia cực tím có độ dài bước sóng 254nm, khả năng diệt khuẩn cao nhất. Trong các nhà máy xử lý nước thải, dùng đèn thuỷ ngân áp lự c thấp để phát tia cực tím, loại đèn này phát ra tia cự tím có bước sóng 253,7nm, bóng đèn đặt trong hộp thủy tinh không hấp phụ tia cực tím, ngăn cách đèn và nước. Đèn được lắp thành bộ trong hộp đựng có vách ngăn phân phối để khi nướ c cảy qua hộp, được trộn đều để cho số lượng vi khuẩn đi qua đèn trong th ời gian tiếp xúc ở hộp là cao nhất. Lớp nước đi qua đèn có độ dày khoảng 6mm, năng lượng tiêu thụ từ 6000 – 13000mocrowat/s, độ bền 3000 giờ đến 8000 giờ.
Tuy nhiên khi sử dụng phương pháp này thì chi phí rất cao.Các thực nghi ệm gần đây cho thấy nước thải có hàm lượng cặn lơ lửng SS < 50mg/l sau khi đi qua