TỔNG QUAN 3
1 1 Quá trình hấp phụ loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước
1 1 1 Các chất ô nhiễm chủ yếu cần ưu tiên trong xử lý nước
Ô nhiễm nước xuất phát từ nhiều tác nhân với tính chất hóa lý và độc tính khác nhau, bao gồm cả nguồn gốc tự nhiên và nhân tạo Các chất ô nhiễm nước được phân loại thành bốn nhóm chính: chất vô cơ, chất hữu cơ, chất phóng xạ và chất ô nhiễm sinh học Trong số này, kim loại nặng (như asen), amoni, thuốc nhuộm, hóa chất dược phẩm, vi khuẩn coli, coliform và một số hợp chất vô cơ, hữu cơ mới thường được ưu tiên kiểm soát do tính phổ biến, khả năng tích lũy sinh học và độc tính cao Những chất ô nhiễm này có thể gây hại cho sức khỏe con người ở nồng độ từ ng/l đến mg/l.
Ô nhiễm kim loại nặng (HM) chủ yếu bao gồm các kim loại như Cd, Pb, Mn, Cr và As, trong đó As thường được phân loại là kim loại nặng mặc dù là á kim Nhiều kim loại nặng tồn tại ở mức vi lượng trong môi trường đất và nước, và một số trong số chúng là cần thiết cho con người Tuy nhiên, khi có mặt với hàm lượng lớn, chúng có thể gây ra ngộ độc cấp tính hoặc mãn tính, chẳng hạn như với Se và Co.
Ô nhiễm kim loại nặng (HM) do con người gây ra chủ yếu từ các hoạt động sản xuất công nghiệp và nông nghiệp như mạ kim loại, khai thác mỏ, luyện kim, sản xuất pin, thuộc da, dầu khí, sơn, thuốc trừ sâu và bột màu Các kim loại nặng này đặc biệt được ưu tiên trong việc kiểm soát ô nhiễm môi trường, trong đó As, Cd, Cr, Hg và Pb là những kim loại cần chú ý nhất đối với nguồn nước sinh hoạt.
Amoni trong nguồn nước tự nhiên thường có nồng độ thấp, nhưng ô nhiễm từ nước thải nông nghiệp, công nghiệp và sinh hoạt đã làm tăng nồng độ amoni trong nước ngầm và nước mặt Mặc dù amoni không quá độc hại, nhưng khi nồng độ vượt quá mức cho phép, nó có thể chuyển hóa thành các chất gây ung thư và các bệnh nguy hiểm khác Amoni với nồng độ cao dễ dàng tạo thành nitrat và nitrit, cũng như chuyển hóa thành N-nitroso, một chất tiền ung thư trong cơ thể động vật Ô nhiễm amoni và phosphat còn gây ra hiện tượng phú dưỡng, làm cạn kiệt oxy hòa tan và gây độc cho các loài thủy sinh Thêm vào đó, amoni gây khó khăn trong công nghệ xử lý nước cấp, làm giảm hiệu quả khử trùng do phản ứng với clo tạo thành monocloamin, chất sát trùng kém hiệu quả hơn 100 lần so với clo.
Trong nước, amoni xuất hiện dưới hai dạng chính là NH3 hòa tan và cation NH4+ Sự tồn tại của hai dạng này phụ thuộc vào pH của nước, tạo nên trạng thái cân bằng giữa chúng.
NH 4+ + OH - NH 3 H 2 O NH 3 + H 2 O (1 1) Khi pH ≤ 7, amoni chủ yếu tồn tại ở dạng NH 4+ , pH tăng từ 7 đến 9,5 nồng độ
NH3 phát triển nhanh chóng và chiếm ưu thế trong môi trường nước có pH trên 9,5 Trong tự nhiên, nước thường có độ pH trung tính, do đó khi bị ô nhiễm, amoni sẽ tồn tại chủ yếu ở dạng này.
Thuốc nhuộm đóng vai trò quan trọng trong nhiều ngành công nghiệp, bao gồm sơn, thuộc da, giấy, cao su, nhựa và đặc biệt là ngành dệt nhuộm Trên toàn cầu, việc sử dụng thuốc nhuộm đang ngày càng gia tăng.
Mỗi năm, ngành công nghiệp sản xuất thuốc nhuộm đạt tới 700.000 tấn, trong đó ngành dệt may tiêu thụ hơn 100.000 loại thuốc nhuộm, với hơn 1.000 tấn được sử dụng hàng năm Khoảng 10-15% lượng thuốc nhuộm này thải ra môi trường, gây ra mối nguy hại lớn Các loại thuốc nhuộm có thể được phân loại thành nhiều loại như thuốc nhuộm axit, bazơ, phân tán, hoạt tính và trực tiếp, nhiều trong số đó có cấu trúc phức tạp và trọng lượng phân tử cao Những hợp chất này có tính bền hóa học, kháng ánh sáng và vi sinh vật, khiến chúng rất khó phân hủy Các chất này và sản phẩm chuyển hóa của chúng có thể gây độc, gây đột biến và ung thư cho nhiều sinh vật sống.
1 1 1 4 Dược phẩm và các sản phẩm chăm sóc cá nhân
Dược phẩm và sản phẩm chăm sóc cá nhân (PPCP) đã trở thành một lớp chất gây ô nhiễm mới trong môi trường nước, được phát hiện ở nồng độ rất thấp nhờ vào các kỹ thuật phân tích hiện đại Những hợp chất này tiềm ẩn mối đe dọa đối với sức khỏe con người và động vật, tùy thuộc vào đặc tính của từng hợp chất ở cả nồng độ cao và thấp PPCP có khả năng tích lũy trong nguồn tài nguyên nước, gây ra rủi ro cho cả hệ sinh thái và con người Các loại PPCP phổ biến bao gồm thuốc kháng sinh, thuốc giảm đau, thuốc chống viêm, và mỹ phẩm.
1 1 2 Các công nghệ phổ biến hiện nay để loại bỏ các chất ô nhiễm trong nước
Nhiều kỹ thuật đã được phát triển để xử lý nước và nước thải, bao gồm kết tủa, keo tụ, lắng - tách trọng lực, tuyển nổi, lọc, hấp phụ, trao đổi ion, thẩm tách điện, điện phân, oxy hóa, chưng cất, thẩm thấu ngược và phân hủy sinh học Mỗi phương pháp có ưu điểm và hạn chế riêng về chi phí, hiệu quả, tính khả thi và tác động môi trường Hiện tại, chưa có phương pháp nào có khả năng xử lý hoàn toàn nguồn nước ô nhiễm, và mỗi phương pháp thường chỉ phù hợp với một số mục tiêu xử lý nhất định Do tính phức tạp của nguồn nước ô nhiễm, các quy trình xử lý thường kết hợp nhiều kỹ thuật để đạt được chất lượng nước mong muốn một cách kinh tế Các công nghệ hiện tại và ví dụ về các kỹ thuật được trình bày trong Hình 1, trong khi Bảng 1 liệt kê ưu và nhược điểm của các công nghệ xử lý nước và nước thải khác nhau.
Công nghệ loại bỏ các chất ô nhiễm
Các công nghệ thông thường
- Hấp phụ sử dụng than hoạt tính Đã thiết lập quy trình phục hồi Đã thiết lập quy trình thu hồi
- Màng phản ứng sinh học
- Trao đổi ion, hấp phụ
- AOPs (quá trình oxy hóa nâng cao)
- Hấp phụ lên các chất hấp phụ mới đặc hiệu
Hình 1 1 Các công nghệ phổ biến hiện đang được sử dụng để xử lý nước
Quá trình Ưu điểm Nhược điểm
Kết tủa chất ô nhiễm và tách các sản phẩm hình thành
- Công nghệ và thiết bị đơn giản
- Thích hợp với nguồn nước có tải lượng ô nhiễm cao
- Rất hiệu quả khi loại bỏ kim loại nặng và florua
- Tiêu thụ hóa chất cao (vôi, chất oxy hóa, H 2 S, v v )
- Cần giám sát các thông số của nước đầu ra (pH)
- Hiệu suất loại các kim loại ở nồng độ thấp không cao
- Cần thêm bước tiền oxy hóa và xử lý bùn (quản lý, chi phí) Tính chọn lọc thấp
Hấp phụ các chất ô nhiễm và tách các sản phẩm hình thành
- Công nghệ và thiết bị đơn giản với các hóa chất sẵn có và rẻ, vốn đầu tư thấp
- Đặc tính lắng cặn tốt, loại bỏ nhanh và hiệu quả các chất bẩn không tan (chất rắn lơ lửng, hạt keo)
- Giảm đáng kể BOD và COD
- Có khả năng khử hoạt tính của vi khuẩn
- Tiêu thụ hóa chất (chất keo tụ, chất tạo bông, )
- Cần giám sát các tính chất hóa lý của nước đầu ra
- Tạo lượng bùn lớn (quản lý, xử lý, chi phí)
Quá trình tách rắn/ lỏng
- Công nghệ và thiết bị đơn giản
- Loại bỏ tốt các hạt nhỏ đặc biệt là các hạt có tỷ trọng thấp cần thời gian lắng lâu
- Thời gian lưu thấp, sử dụng hiệu quả trong ngành công nghiệp giấy và bột giấy
- Chi phí vốn ban đầu cao
Chi phí vận hành trong quá trình kiểm soát tính kỵ nước giữa các hạt và duy trì các đặc tính bọt thích hợp là tương đối cao, đặc biệt là chi phí cho điện và hóa chất.
- Tính chọn lọc phụ thuộc vào pH
Sử dụng các tác nhân oxy hóa
- Là một quá trình hóa lý nhanh chóng và hiệu quả
- Tạo ozon tại chỗ (không cần thiết bị lưu trữ)
- Hiệu quả để loại bỏ xyanua và sulfua
- Tăng khả năng phân hủy sinh học của nước sau xử lý
- Hiệu quả bị ảnh hưởng mạnh bởi loại chất oxy hóa
- Hình thành các chất trung gian khó quản lý
- Hiệu quả xử lý COD thấpBảng 1 1 Ưu, nhược điểm của các kỹ thuật được sử dụng để loại bỏ các chất ô nhiễm [25]
- Lưu lượng cao, không tạo bùn, có thể tái chế nước
- Khử trùng (vi khuẩn, vi rút)
- Thời gian bán hủy ngắn (O 3 ), tạo ra các hợp chất dễ bay hơi và các amin thơm (ClO 2 )
- Đòi hỏi bước tiền xử lý
- Thiết bị phản ứng sinh học
- Là một quá trình đơn giản, kinh tế
- Số lượng lớn các chủng vi sinh được nuôi cấy
- Có thể tạo ra nhiều loại enzym ngoại bào với khả năng phân hủy sinh học cao
- Loại bỏ hiệu quả các chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học, NH 3 , NH 4+ , sắt, khử màu tốt
- Loại bỏ BOD và chất rắn lơ lửng cao
- Tốc độ chậm, không hiệu quả với một số tác nhân khó phân hủy sinh học (thuốc nhuộm, các hợp chất hữu cơ khó phân hủy mới nổi)
- Tạo ra bùn và các sản phẩm không kiểm soát được
- Thành phần của các chất nuôi cấy hỗn hợp có thể thay đổi trong quá trình phân hủy
- Cần thiết phải có kiến thức tốt về các quá trình enzym điều chỉnh sự phân hủy các chất
- Cần duy trì môi trường tối ưu để quản lý hoạt động của vi sinh vật
6 Hấp phụ và trao đổi ion
Sử dụng chất hấp phụ rắn (than hoạt tính, nanocomposite, polyme, chất hấp phụ lai vô cơ hữu cơ )
- Công nghệ, thiết bị đơn giản, nhiều chất hấp phụ có sẵn
- Hoạt động ổn định, dễ dàng kiểm soát và bảo trì
- Dễ kết hợp các kỹ thuật khác (kết tủa và lọc, oxy hóa )
- Có thể áp dụng ở cả hai chế độ liên tục và gián đoạn
- Tốc độ nhanh và rất hiệu quả đối với nguồn nước có nồng độ ô nhiễm thấp Khả năng tái sinh cao
- Tạo ra nước sau xử lý có chất lượng cao
- Đầu tư tương đối cao, chi phí vật liệu có thể cao
- Độ chọn lọc thấp đối với các chất hấp phụ và nhựa thông thường
- Hiệu suất phụ thuộc vào loại vật liệu
- Các cột vật liệu nhồi dễ bị tắc
- Yêu cầu có phương pháp loại bỏ chất hấp phụ khi bão hòa (tái sinh hoặc thay thế vật liệu, xử lý khi hết khả năng sử dụng)
- Tái sinh có thể tốn kém và dẫn đến thất thoát vật liệu
- Có thể xử lý được đại đa số chất ô nhiễm khi có chất hấp phụ tương ứng
- Cân bằng hấp phụ có thể đạt tới mức rất thấp (ppb)
- Hiệu quả cao khi sử dụng thu hồi các chất có giá trị
- Hữu ích cho nước thải cô đặc hoặc bùn thải
- Loại bỏ tất cả các loại chất hữu cơ
- Sản xuất ra năng lượng
- Chi phí đầu tư ban đầu cao
- Vận chuyển và lưu trữ nước thải
- Chi phí vận hành cao
- Hình thành đioxin và các chất ô nhiễm khác
8 Keo tụ/ oxyhóa - khử điện hóa
Tuyển nổi điện Oxy hóa điện hóa Khử điện hóa
Hiệu quả trong việc thu hồi và tái chế kim loại có giá trị cao ngày càng trở nên quan trọng, đặc biệt khi phải thích ứng với các tải lượng ô nhiễm và lưu lượng thay đổi Việc này không chỉ giúp tối ưu hóa quy trình tái chế mà còn tăng cường khả năng phân hủy sinh học, góp phần bảo vệ môi trường và phát triển bền vững.
Phương pháp tách chất hữu cơ nhanh chóng và hiệu quả hơn so với keo tụ truyền thống, không yêu cầu kiểm soát pH Nó tạo ra chất keo tụ tại chỗ, mang lại tính khả thi về mặt kinh tế và hiệu quả trong việc loại bỏ chất rắn lơ lửng, kim loại, tannin và thuốc nhuộm.
- Loại bỏ hiệu quả chất rắn lơ lửng, dầu, mỡ
- Đầu tư thiết bị, chi phí bảo trì cao (cực dương tan, v v ), yêu cầu bổ sung hóa chất (chất keo tụ, tạo bông, muối )
- Thụ động hóa dương cực và lắng đọng bùn trên các điện cực gây ức chế quá trình khi hoạt động liên tục
- Yêu cầu xử lý sau điện phân để loại bỏ các ion kim loại (Al, Fe) ở nồng độ cao
- Hình thành bùn, nảy sinh các vấn đề về lọc và chi phí xử lý bùn
RO, (vi lọc, siêu lọc, lọc
- Tách màng mà không phá hủy chất ô nhiễm
- Nhiều loại màng cấu hình mô-đun thương mại có sẵn
- Yêu cầu không gian nhỏ, đơn giản, nhanh chóng và hiệu quả, ngay cả ở nồng độ cao
- Chất lượng nước được xử lý cao, không cần hóa chất
- Yêu cầu năng lượng cao
- Thiết kế của hệ thống lọc màng có thể khác nhau
- Chi phí đầu tư, bảo trì và vận hành cao
- Tắc nghẽn màng nhanh Lưu lượng thấp nano, thẩm thấu ngược )
- Loại bỏ tất cả các loại thuốc nhuộm, muối
- Loại bỏ hiệu quả các hạt, chất rắn lơ lửng, vi sinh vật, các chất hữu cơ, chất vô cơ hòa tan
- Sự lựa chọn của màng được xác định bởi ứng dụng cụ thể (giảm độ cứng, loại bỏ hạt hoặc tổng carbon hữu cơ, sản xuất nước uống, v v )
Kỹ thuật cô đặc, Quá trình tách bằng nhiệt
- Hiệu quả khi sản xuất nước rửa để đưa lại vào quy trình làm sạch các bể xử lý
- Hiệu quả khi tách phenol bằng chưng cất hơi nước
- Chi phí vận hành cao (tiêu thụ năng lượng, khối lượng chất cô đặc và chi phí xử lý)
- Chi phí đầu tư cao
Sự ăn mòn của các bộ phận làm nóng trong thiết bị bay hơi đang trở thành một vấn đề nghiêm trọng, chủ yếu do tính xâm thực hóa học của nước thải cô đặc Việc này không chỉ ảnh hưởng đến hiệu suất hoạt động của thiết bị mà còn có thể dẫn đến những hư hỏng nghiêm trọng, đòi hỏi các biện pháp khắc phục kịp thời để đảm bảo an toàn và hiệu quả trong quá trình vận hành.
- Yêu cầu lắp đặt hệ làm sạch ngăn ô nhiễm không khí
Tách bằng quá trình chiết
- Công nghệ hiệu quả để tái chế nước thải được sử dụng cho các hoạt động quy mô lớn, nơi có lượng chất gây ô nhiễm cao
- Thao tác đơn giản, chi phí vận hành thấp, dễ kiểm soát và giám sát
- Có khả năng tái chế chất chiết
- Hiệu quả để loại bỏ kim loại (cation, anion, cặp ion)
- Hiệu quả để tách phenol
- Đầu tư thiết bị cao, không kinh tế khi nồng độ thấp (
