Các hợp chất mangan chứa trong nước thải nhà máy luyện kim, chế tạo máy và hoá chất. Khi nồng độ mangan lớn hơn 0,05 mg/l nước có màu tối. Loại mangan ra khỏi nước có thể ứng dụng các phương pháp sau:
− Xử lý bằng Permanganat Kali. − Sục khí với sự vôi hoá.
− Lọc nước qua cát mangan hoặc cation Mangan. − Ozon hoá, Clo hoá hoặc oxy hoá bằng Dioxit Clo.
Khi xử lý bằng Permanganat Kali sẽ hình thành dioxit Mangan: 3 Mn2+ + 2 MnO4- + 2 H2O → 5 MnO2 ↓ + 2 H2 ↑
Khi pH= 9,5 mangan được loại hoàn toàn, còn khi pH<7,5 nó gần như không bị oxy hoá bởi oxy không khí. Để kết thúc quá trình oxy hoá sau khi sục khí cho thêm vào nước Ca(OH)2 hoặc sođa để tăng pH.
Mn(II) có thể loại ra khỏi nước nhờ oxy hoá bởi Clo, ozon hoặc Dioxit Clo. Tiêu hao Clo cho oxy hoá 1 mg Mn là 1,3 mg, tiêu hao ClO2 là 1,35 mg và O3 là 1,45 mg. Tuy nhiên để sử dụng các chất khử này cần xây dựng các thiết bị phức tạp nên trong thực tế chúng không được ứng dụng. Trong các phương pháp trên hiệu quả nhất là phương pháp xử lý bằng permanganat kali vì nó không đòi hỏi thiết bị phức tạp và dễ kiểm tra.
4.6. Khử khuẩn (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 hủy, tiêu diệt các loại vi khuẩn 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 tiệt trùng nước thải trước khi xả ra ngoài.
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%.
Với những phân tích như trên ta thấy rằng cần phải khử trùng truớc khi sử dụng (nước cấp) và trước khi thải ra nguồn tiếp nhận (nước thải).
Các phương pháp khử trùng nước thải
− Đối với phương pháp hóa học, các tác nhân hóa học dùng làm chất khử trùng bao gồm (1) Clo và các hợp chất của clo, (2) Brom, (3) iot, (4) Ozone, (5) phenol và
các hợp chất của phenol, (6) rượu, (7) các kim loại nặng và những hợp chất tương ứng, (8) màu, (8) xà phòng và chất tẩy rửa, (10) các hợp chất amonium, (11) H2O2, và (12) các hợp chất acid và kiềm. Trong những hợp chất này, những chất khử trùng thông dụng nhất là các hợp chất hóa học có tính oxy hóa và clo là một trong những tác nhân được sử dụng thông dụng nhất. Brom và iot cũng được sử dụng trongkhử trùng nước thải. Ozone là tác nhân khử trùng có hiệu quả cao và ngày càng được sử dụng nhiều. Nước có độ acid và độ kiềm cao cũng được sử dụng để tiêu hủy vi sinh vật gây bệnh vì nước có pH lơn hơn 11 hoặc nhỏ hơn 3 khá độc đối với vi khuẩn.
− Khử trùng bằng các tia vật lý: tia cực tím. − Khử trùng bằng siêu âm.
− Khử trùng bằng phương pháp nhiệt. − Khử trùng bằng các ion kim loại nặng.
4.6.1. Khử trùng bằng các chất ô xi hóa mạnh 4.6.1.1. Khử trùng bằng Clo
Cl2 là chất oxi hoá mạnh ở bất kỳ dạng nào. Khi cho Clo tác dụng với nó sẽ tạo thành HOCl 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 như sau:
Ca(OCl)2 + H2O = CaO + 2HOCl 2HOCl = 2H+ + 2OCl-
Khả năng diệt trùng của 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 vì 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 nước phải xác định bằng thực nghiệm. Khi thiết kế sơ bộ có thể lấy như sau : đối với nước thải sau xử lý cơ 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 bị chuyên 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.
4.6.1.2. Khử trùng bằng Clorua vôi và canxihyphocloit
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. Hàm lượng Clo hoạt tính chiếm 30 – 45%.
4.6.1.3. Dùng Ôzôn để khử rùng
Ôzôn là một chất khí có màu tím ít hòa tan trong nước và rất 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 xuất bằng cách cho Oxy hoặc không khí đi qua thiết bị phóng lửa điện. Để cung cấp đủ lượng ozon cho trạm xử lý nước ta dùng máy phát tia lửa điện và cho không khí chảy qua. Ozon sản xuất ra dể 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 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 – 3.0mg/l nước mặt; sau bể lắng 2 trong xử lý nước thải từ 5 – 15mg/l.
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 DNA của tế bào vi khẩun, 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 lực thấp để 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 nước cảy qua hộp, được trộn đều để cho số lượng vi khuẩn đi qua đèn trong thời 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 nghiệm gần đây cho thấy nước thải có hàm lượng cặn lơ lửng SS < 50mg/l sau khi đi qua hộp đèn cực tím với tiêu chuẩn năng lượng nêu trên thì nước còn 200 Colifrom/100ml.
Bảng 4.1: So sánh các phương pháp diệt khuẩn
Tia cực tím Chlorine Ozone
Phương pháp Vật lý Hóa học Hóa học
Vốn đầu tư Thấp Trung bình Cao
Chi phí vận hành Thấp Trung bình Cao
Chi phí bảo trì, thay thế Thấp Trung bình Cao
Tần xuất bảo trì Thấp Trung bình Cao
Hiệu quả diệt khuẩn Rất tốt Tốt Tốt
Thời gian tiếp xúc 1 - 3 giây 15 - 45 phút 10 - 15 phút
Nguy cơ đối với người dùng ít lớn lớn
Độc hại Không Có Có
Tính hóa học của nước thay đổi? Không Có Có
CHƯƠNG 5
CÁC PHƯƠNG PHÁP VI XỬ LÝ 5.1. Phương pháp tách bằng màng
5.1.1 Thẩm thấu ngược
Khái niệm
Thẩm thấu là sự di chuyển tự phát của dung môi từ một dung dịch loãng vào một dung dịch đậm đặc qua màng bán thấm. Ở tại một áp suất nhất định, sự cân bằng được thiết lập thì áp suất đó được gọi là áp suất thẩm thấu.
Cơ chế
Người ta cho rằng nếu như chiều dày của lớp phân tử nước bị hấp phụ bằng hay lớn hơn nửa đường kính mao quản của màng thì dưới tác dụng của áp suất thì chỉ có nước sạch đi qua; mặt dầu kích thước của nhiều ion nhỏ hơn kích thước của phân tử nước. Các màng hydrat của các ion này đã cản trở không cho chúng đi qua mao quản của màng. Kích thước lớp màng hydrat của các ion khác nhau sẽ khác nhau.
Hình 5.1: Cơ chế và vật liệu màng RO
Thiết bị
Để có thể thiết kế một thiết bị thẩm thấu ngược ta cần biết thành phần và số lượng nước thải, nhiệt độ và áp suất thẩm thấu.
5.1.2. Siêu lọc
Giống như thẩm thấu ngược, quá trình siêu lọc cũng phụ thuộc vào áp suất động lực và đòi hỏi màng cho phép một số cấu tử thấm qua và giữ lại một số cấu tử khác. Điều khác biệt là ở chổ siêu lọc thưởng sử dụng để tách dung dịch có khối lượng phân tử lớn và có áp suất thẩm thấu nhỏ (ví dụ các vi khuẩn, tinh bột, đất sét,…). Còn thẩm thấu ngược thường được sử dụng để khử các chất có khối lượng phân tử thấp và áp suất thẩm thấu cao.
Hình 5.3: Hệ thống siêu lọc nước
Khi sử dụng kết hợp thẩm thấu ngược và siêu lọc có thể làm đậm đặc và phân tách các chất hoà tan hữu cơ và vô cơ trong nước thải. Sau quá trình siêu lọc nhận được phần đậm đặcchứa các chất hữu cơ, còn trong quá trình thẩm thấu ngược sẽ nhận được phần đậm đặc của chất vô cơ.
Cả siêu lọc và thẩm thấu ngược đều phụ thuộc vào áp suất, động lực của quá trình và đòi hỏi màng cho phép một số cấu tử thấm qua, giữ lại một số cấu tử khác.
− Sự khác biệt giữa hai quá trình là ở chỗ siêu lọc thường được sử dụng để tách dung dịch có khối lượng phân tử trên 500 và có áp suất thẩm thấu nhỏ ( như vi khuẩn, tinh bột, protêin, đất sét,…). Còn thẩm thấu ngược thường được sử dụng để khử các vật liệu có khối lượng phân tử thấp và có áp suất thẩm thấu cao.
− Siêu lọc thường được sử dụng để khử đất sét, vi sinh vật, các chất thực vật, tách nước cho bùn .
− Cơ chế của quá trình siêu lọc hoàn toàn khác so với cơ chế của quá trình thẩm thấu ngược. Chất tan bị giữ trên màng lọc vì kích thước phân tử của chúng lớn hơn đường kính lỗ xốp hoặc do ma sát phân tử với thành lỗ xốp của màng. Quá trình này phức tạp hơn nhiều.
Khi sử dụng kết hợp thẩm thấu ngược và siêu lọc có thể làm đậm đặc và phân tách các chất hòa tan hữu cơ và vô cơ trong nước thải. Ví dụ theo sơ đồ dưới đây, thì sau quá trình siêu lọc ta nhận được phần đậm đặc chứa các chất hữu cơ, còn trong quá trình thẩm thấu ngược sẽ nhận được phần đậm đặc của các chất vô cơ và nước sạch.
5.2. Trích ly
5.2.1. Nguyên lý cơ bản
Trong hỗn hợp hai chất lỏng không hoà tan lẫn nhau, bất kỳ một chất thứ ba nào khác sẽ hoà tan trong hai chất lỏng trên theo quy luật phân bố. Như vậy trong nước thải chứa các chất bẩn, nếu chúng ta đưa vào một dung môi và khuấy đều thì các chất bẩn đó hoà tan vào dung môi theo đúng quy luật phân bố đã nói và nồng độ chất bẩn trong nước sẽ giảm đi. Tiếp tục tách dung môi ra khỏi nước thì nước thải coi như được làm sạch. Phương pháp tách chất bẩn hoà tan như vậy gọi là phương pháp trích ly.
Hiệu suất xử lý nước thải tuỳ thuộc vào khả năng phân bố của chất bẩn trong dung môi, giá trị của hệ số phân bố hay khả năng trích ly của dung môi.
5.2.2. Kỹ thuật trích ly
Kỹ thuật trích ly có thể tiến hành như sau: cho dung môi vào trong nước thải và trộn đều cho tới khi đạt trạng thái cân bằng. Tiếp đó cho qua bể lắng. Do sự chênh lệch về trọng lượng riêng nên hỗn hợp sẽ phân ra hai lớp và dễ tách biệt chúng ra bằng phương pháp cơ học.
Nếu trích ly một lần mà không đạt yêu cầu tách chất bẩn ra khỏi nước thải thì phải trích ly nhiều lần. Nếu dung môi có tỉ trọng bé hơn tỉ trọng nước thải thì dẫn nước thải từ trên xuống và dung môi từ dưới lên. Ngược lại nếu dung môi có tỉ trọng lớn hơn tỉ trọng nước thải thì cho nước chuyển động từ dưới lên, dung môi từ trên xuống.
5.2.3. Phân loại
Tháp trích ly với vòng tiếp xúc (vòng đệm)
Tháp trích ly với vòng đệm được ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và cho hiệu suất cao. Biện pháp này dùng để khử phenol bằng benzen hoặc dầu than đá hay bằng butylaxetat hoặc bằng ete điisopropyl. Dung môi dẫn vào tháp qua các vòi phun. Chiều cao tháp thường lấy bằng 6m.
Tháp trích ly kiểu vòi phun tia.
Đối với vòi phun, mức độ phân tán dung môi nhờ các vòi phun là yếu tố quyết định. Nếu chọn đúng loại vòi phun, kích thước và điều kiện công tác của nó có thể đạt được mức độ phân tán cao.
Tháp trích ly với đĩa roto quay
Tháp trích ly với đĩa rôto là một tháp trụ, theo chiều cao chia thành nhiều ngăn bằng các vách có thể trích ly được các chất bẩn dạng nhũ tương trong nước thải. Hiệu suất và khả năng vận chuyển cũa thiết bị trích ly này tuỳ thuộc vào kích thước bên trong: đường kính tháp, đường kính đĩa, đường kính các vòng stato và chiều cao mỗi ngăn.
Tháp trích ly kiểu rung
Tháp trích ly kiểu rung tạo ra trong tháp các pha nước – dung môi được phân tán