Chương 1. Công nghệ xử lý khí thải
2.2. Các phương pháp xử lý nước thải
2.2.2. Các phương pháp xử lý lý hóa – hóa học
- Tạo điều kiện cho các công trình xử lý sinh học và các công trình xử lý tiếp theo hoạt động ổn định;
- Xử lý các chất ô nhiễm mà các phương pháp cơ học hay sinh học không xử lý được;
- Chuyển các chất khó xử lý thành chất dễ xử lý bằng biện pháp sinh học hoặc các phương pháp đơn giản hơn.
a. Tuyển nổi
Khái niệm: Tuyển nổi là quá trình tách các hạt rắn trong pha lỏng, hoặc tách dầu, mỡ ra khỏi nước khi khối lượng riêng của các hạt này nhỏ hơn khối lượng riêng của nước. Khi nguồn nước có nhiều cặn nhẹ (như các chất hữu cơ, tảo...) khó lắng, dùng bể tuyển nổi sẽ giảm được thời gian lắng và dung tích bể.
Nguyên lý của quá trình tuyển nổi: do lực nổi (lực đẩy) thắng lực ma sát và lực trọng trường (quá trình lắng và tuyển nổi thường được thực hiện trong cùng một bể).
Để đạt được hiệu quả xử lý cao, quá trình tuyển nổi thường được tăng cường bằng cách thổi khí vào nước, các hạt lơ lửng sẽ bám vào bọt khí và nổi nhanh lên trên mặt nước.
Hiện nay trong công nghệ xử lý nước cấp và nước thải thường đưa không khí hoà tan vào nước dưới áp lực nhất định, trong nước không khí hoà tan sẽ tách ra thành các bọt khí rất nhỏ kết dính với các hạt lơ lửng và nổi dần lên mặt nước. Hiện tại có các phương pháp tuyển nổi phổ biến là:
- Phương pháp thổi khí vào nước: phương pháp này tạo ra một hỗn hợp khí - nước và chất rắn, thường được sử dụng để làm nổi một số chất nhất định như quặng than. Hạt khí thổi vào có kích thước khoảng 1mm;
- Phương pháp tuyển nổi bằng điện cực: nguyên lý của phương pháp dựa vào quá trình điện ly nước thành những dòng khí rất nhỏ (chủ yếu là khí H2 và O2). Các điện cực được đặt ở dưới đáy các thiết bị tuyển nổi. Ưu điểm của phương pháp là khí sinh ra đồng đều;
- Phương pháp dùng chân không: ở áp suất thường, nước bão hoà không khí, khi thiết bị tuyển nổi được chân không hoá cưỡng bức thì xuất hiện các dòng khí, bọt khí tạo ra có đường kính nhỏ hơn 0,1mm và kích tích quá trình tuyển nổi;
- Phương pháp giãn áp: nguyên lý của phương pháp đó là nước được bơm vào bình áp lực, sau đó sử dụng không khí áp lực 300kPa đến 650kPa thổi vào nước đến cân bằng bão hoà (không khí thổi vào nhờ máy nén khí). Do sự giãn áp đột ngột của nước, các bọt khí với đường kính nhỏ hơn 0,2mm xuất hiện. Trong xử lý nước, tuyển nổi bằng phương pháp giãn áp được chia làm ba loại:
+ Phương pháp toàn dòng (tuyển nổi trực tiếp): khi đó, toàn bộ thể tích nước thô chảy vào bình áp lực. Nhược điểm của phương pháp là có thể làm vỡ bông keo tụ.
Hình 2.10. Quy trình tuyển nổi trực tiếp
Phương pháp một phần của dòng: trong phương pháp này thì chỉ có khoảng 30 – 70% nước thô chảy vào bình áp lực, phần còn lại chảy thẳng vào bể tuyển nổi. Phương pháp này hạn chế được sự phá vỡ bông keo tụ nhưng cũng không thích hợp để tuyển nổi nước thô đã tạo bông;
Phương pháp hồi lưu: trong phương pháp này, một phần nước trong tạo ra sau quá trình tuyển nổi (khoảng 20 -50%) sẽ được tăng áp bằng cách thổi khí vào và trộn với dòng nước thô. Phương pháp này được sử dụng nhiều do đơn giản và cho kết quả tốt.
Hình 2.11. Quy trình tuyển nổi hồi lưu
Trong các phương pháp nói trên thì phương pháp tuyển nổi áp lực được ứng dụng rộng rãi nhất.
Cơ sở lý thuyết của tuyển nổi giãn áp: để quá trình tuyển nổi đạt hiệu quả cao thì ngoài việc cần tạo ra bọt khí có kích thước đạt yêu cầu thì việc trộn đều hai loại nước (nước áp lực sau khi đã thổi khí và nước thô) cũng rất quan trọng. Khi trộn nước áp lực vào nước thô thì các bọt khí lớn lên do giãn áp và thực hiện quá trình tuyển nổi. Nếu sử dụng lượng nước áp lực quá lớn hoặc áp lực dòng vào cao thì có thể tạo ra hiện tượng xoáy trong bể và phá vỡ các bông keo tụ, hiệu suất quá trình tuyển nổi giảm đi. Do đó, cần xác định lượng nước áp lực để trộn vào nước thô sao cho quá trình tuyển nổi có hiệu quả và không ảnh hưởng đến quá trình lắng của các bông keo tụ. Các công đoạn trong quá trình tuyển nổi áp lực gồm có:
- Cấp không khí vào nước;
- Hòa tan không khí vào nước;
- Tạo bọt khí từ dung tích quá bão hoà khí;
- Kết dính bọt khi: sự kết dính các bọt khí riêng rẽ tạo thành tổ hợp các bọt khí có thể làm tăng hiệu quả của quá trình tuyển nổi nhưng thông thường làm giảm hiệu quả tuyển nổi (cản trở quá trình này) do sự kết dính bọt khí làm giảm diện tích bề mặt tiếp xúc với các hạt cặn lơ lửng trong nước, giảm thời gian lưu bọt khí trong nước (do sự kết dính làm tăng dung tích khí và do đó tăng lực đẩy bọt khí lên trên mặt nước) nên cũng làm giảm tần suất tiếp xúc với các hạt cặn lơ lửng trong nước;
Quá trình bám dính cặn vào bọt khí: quá trình này được chia làm ba dạng:
- Các hạt cặn va chạm vào bọt khí và dính bám;
- Các bọt khí phát sinh trong lớp cặn lơ lửng (giá thể đương nhiên cho các hạt cặn dính bám);
- Đầu tiên các bọt khí nhỏ hình thành trong lớp cặn, sau đó chúng va chạm và dính bám với nhau tạo thành các bọt khí lớn hơn có khả năng tuyển nổi.
Quá trình tách cặn ra khỏi nước trong bể tuyển nổi.
Khi số Reynolds nhỏ hơn 1, tốc độ nổi của hạt khí – rắn được tính theo Định luật Stokes:
VT = b. Hấp phụ
Hấp phụ tách các chất hữu cơ và khí hòa tan ra khỏi nước bằng cách tập trung các chất đó trên bề mặt vật liệu hấp phụ (hấp phụ vật lý) hay bằng cách tương tác với bề mặt vật liệu (hấp phụ hóa học).
Phương pháp hấp phụ được dùng để loại bỏ các chất bẩn hòa tan trong nước mà phương pháp xử lý sinh học và các phương pháp khác không xử lý được. Thông thường đây là các hợp chất hòa tan có độc tính cao hoặc các chất có mùi, vị và màu. Trong phần lớn các trường hợp, phương pháp hấp phụ được dùng như là phương pháp xử lý cuối cùng, sau xử lý sinh học.
Vật liệu hấp phụ: than hoạt tính, đất sét hoạt tính, silicagen, keo nhôm, một số chất tổng hợp hoặc chất thải trong sản xuất, như xỉ tro, xỉ mạt sắt... Trong số đó, than hoạt tính được sử dụng phổ biến nhất và cho hiệu quả cao. Than hoạt tính có hai dạng: dạng hạt và dạng bột đều được sử dụng để hấp phụ. Các chất hữu cơ, kim loại nặng và các hợp chất màu dễ bị than hấp phụ. Phương pháp này có thể hấp phụ được 58 – 95% các chất hữu cơ và màu. Các chất hữu cơ có thể bị hấp phụ được tính đến là phenol, alkylbenzen, sulfonic axit, các hợp chất thơm. Để loại bỏ kim loại nặng, các chất hữu cơ, vô cơ độc hại người ta dùng than bùn để hấp phụ và nuôi bèo tây trên mặt hồ.
Chất hấp phụ phải thỏa mãn các yêu cầu sau:
- Hấp phụ chọn lọc;
- Bề mặt riêng lớn;
- Dễ hoàn nguyên;
- Đảm bảo độ bền cơ và nhiệt;
- Không có hoạt tính xúc tác với các phản ứng oxy hoá;
- Dễ kiếm, rẻ tiền.
Quá trình hấp phụ bị chi phối bởi các yếu tố sau:
- Diện tích bề mặt hấp phụ;
- Bản chất của sự hấp phụ;
- Độ pH;
- Nồng độ dung dịch;
- Thời gian tiếp xúc;
- Bản chất của hệ tiếp xúc.
c. Trao đổi ion
Trao đổi ion là một quá trình trong đó các ion trên bề mặt của chất rắn trao đổi với các ion có cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau. Các chất này gọi là các ionit (chất trao đổi ion), chúng hoàn toàn không tan trong nước.
Phương pháp này được sử dụng chủ yếu nhằm tách kim loại ra khỏi nước, như Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, Hg, Cd, V, Mn..., cũng như các hợp chất chứa asen, phospho, xianua và cả chất phóng xạ. Phương pháp này được dùng phổ biến để làm mềm nước, loại Ca+2 và Mg+2 ra khỏi nước cứng.
Các chất trao đổi ion có thể là các chất vô cơ hoặc hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên hoặc tổng hợp.
Các chất vô cơ:
+ Các chất có nguồn gốc tự nhiên gồm có zeolit, đất sét, fenspat, nhôm silicat Na2O.
Al2O3.nSiO2.mH2O (có tính trao đổi cation), chất fluor qpatit [Ca5(PO4)3]F và hidroxit apatit [Ca5(PO4)3]OH;
+ Các chất vô cơ tổng hợp có khả năng trao đổi ion là silicagen, pecmutit (chất làm mềm nước), các oxit khó tan và hydroxit của một số kim loại như nhôm, crom, ziriconi...
Các chất hữu cơ:
+ Các chất hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên gồm: chất mùn có trong đất, các chất dẫn xuất sulfo từ than, các chất điện ly cao phân tử... Các chất ionit hữu cơ tự nhiên có độ bền cơ học, hoá học thấp, dung lượng không lớn.
+ Các chất trao đổi ion là hợp chất hữu cơ tổng hợp rất phongphú. Chúng là cá cao phân tử, có bề mặt riên lớn. Các gốc hidro của chúng tạo thành lươi không gian với các nhóm chức trao đổi ion cố định. Các loại nhựa tổng hợp cũng có tính chất trao đổi ion, người ta chia thành hai loại: nhựa anionit và cationit. Nhựa anionit có độ bền nhiệt kém hơn nhựa cationit. Cả hai loại nhựa này thường được tạo hình ở dạng hạt và khi sử dụng được chứa trong các cột để xử lý nước đi qua.
d. Phương pháp trung hòa
Nguyên lý phương pháp: dựa vào các phản ứng hóa học giữa axit và kiềm hoặc giữa muối với axit hoặc kiềm có trong nước thải, sản phẩm tạo ra là các muối tan hoặc không tan trong nước. Chất được chọn để thực hiện phản ứng trung hoà được gọi là tác nhân trung hòa.
Ý nghĩa: Biện pháp trung hòa nước tránh được hiện tượng ăn mòn, phá hủy vật liệu của hệ thống ống dẫn, công trình thoát nước, tạo điều kiện thuận lợi cho các công trình xử lý tiếp theo, cũng như đảm bảo độ pH cho phép theo Tiêu chuẩn TCVN5945 – 1995 cho các loại nước thải trước khi đi ra nguồn tiếp nhận.
Tác nhân trung hòa: tác nhân trung hòa thường được dùng để xử lý nước thải chứa axit là: đá vôi, đá đôlômit, vôi các loại, xút, sôđa; xử lý nước thải chứa kiềm là: khí CO2,
axit sunfuric. Quá trình trung hòa có thể được thực hiện theo phương thức gián đoạn hay liên tục. Tuy nhiên, việc chọn tác nhân trung hòa và phương thức trung hòa thích hợp phải dựa trên một số yếu tố cơ bản sau:
- Lượng nước thải cần xử lý;
- Loại nước thải ( nước thải chứa kiềm hay axi);
- Yêu cầu xử lý (độ pH cần đạt);
- Tác nhân trung hòa cần rẻ tiền, dễ kiếm;
- Thiết bị trung hòa đơn giản, dễ vận hành, dễ chế tạo;
- Tổng chi phí sao cho nhỏ nhất.
d1. Xử lý nước thải chứa axit
Nước thải axit thường được tạo ra từ dây chuyền công nghệ sản xuất của các ngành công nghiệp như: công nghiệp nhẹ, công nghệ vật liệu và công nghệ hóa chất. Để xử lý nước thải chứa axit, hiện nay có một số phương pháp được sử dụng phổ biến gồm:
Phương pháp trộn nước thải
Về mặt nguyên lý, đây là phương pháp được thực hiện bằng cách trộn nước thải axit và kiềm với nhau. Tùy thuộc vào dây chuyền công nghệ sản xuất của từng xí nghiệp, nhà máy mà nước thải tạo ra có thể mang tính axit, tính kiềm hoặc cả hai. Nếu một xí nghiệp thải ra cả hai loại nước thải chứa axit và kiềm, quá trình trộn được thực hiện vào một thời điểm thích hợp trong các thiết bị trung hòa đặt ngay trong trạm xử lý nước thải của xí nghiệp. Bên cạnh đó, việc trộn nước thải cũng có thể thực hiện giữa các xí nghiệp sản xuất khác nhau tạo ra hai loại nước thải axit và nước thải kiềm (nước thải chứa kiềm được bơm đến trạm xử lý nước thải chứa axit nhưng phải đảm bảo trong điều kiện khả thi về mặt kinh tế và công nghệ).
Nhược điểm: không đảm bảo được hiệu quả xử lý triệt để do nồng độ axit và kiềm trong nước thải có thể không đảm bảo cân bằng hoặc thay đổi theo thời gian phát sinh. Để khắc phục nhược điểm này, nước thải cần được điều hòa trước khi đưa vào khu vực trộn.
Ưu điểm: Phương pháp trộn nước thải mang tính chất khác nhau là phương pháp xử lý đơn giản và kinh tế nhất. Phương pháp này không tiêu tốn thêm hóa chất (thông thường), thiết bị đơn giản, tận dụng dòng thải của xí nghiệp này để xử lý nước thải của xí nghiệp khác.
Cho dòng thải chảy qua lớp đệm đá vôi
Lớp đá vôi có thể coi như một lớp đệm có hoạt tính hóa học. Phản ứng hóa học xảy ra liên tục khi lớp đệm còn hoạt tính hóa học. Phản ứng hóa học có thể xảy ra:
CaCO3 + H2SO4 →CaSO4 + H2CO3
Vật liệu lớp đệm ngoài đá vôi CaCO3 còn có thể dùng magie cacbonat MgCO3, đá đôlômit…
Ưu điểm: đơn giản, dễ vận hành.
Nhược điểm:
- Tính hoạt hóa của lớp đệm giảm theo thời gian vận hành do đó cần phải thay bằng lớp mới. Chu kỳ thay lớp đá vôi phụ thuộc vào khối lượng và chất lượng nước thải cần xử lý;
- Nếu dòng thải chứa nhiều ion SO2-4 thì sản phẩm phản ứng có thể là CaSO4.nH2O ở dạng kết tủa mịn sẽ bao bọc CaCO3, tạo ra lớp màng trên bề mặt lớp đệm, mặt khác nếu nước thải có nồng độ axit lớn thì sản phẩm tạo ra khí CO2 từ axit yếu H2CO3 theo phản ứng:
H2CO3 → H2O + CO2
- Bọt khí tạo thành trên bề mặt lớp đệm đá vôi cũng làm giảm hiệu quả xử lý.
Xử lý nước thải bằng vôi
Vôi được sử dụng làm tác nhân trung hòa có thể ở dạng bột của canxi cacbonat CaCO3, magie cacbonat MgCO3, hay dạng sữa vôi canxi hydroxyt Ca(OH)2. Phản ứng xảy ra khi nước thải có chứa axit sunfuric:
CaCO3 + H2SO4 →CaSO4 + H2CO3 – Q hoặc Ca(OH)2 + H2SO4 →CaSO4 + 2H2O – Q
Ưu điểm: tác nhân trung hòa rẻ tiền, rễ kiếm, vận hành đơn giản.
Nhược điểm: sử dụng vôi tôi (sữa vôi) thường hay gặp hiện tượng đóng rắn tạo thành bờ ở các cửa nạp vôi vào thiết bị trung hòa vì khi canxi hydroxyt Ca(OH)2 gặp không khí sẽ tác dụng với CO2 tạo thành CaCO3, CaCO3 sẽ đóng rắn và làm giảm lưu lượng nước vào cũng như làm tắc đường ống.
Xử lý nước thải bằng xút NaOH Các phản ứng có thể xảy ra:
2NaOH + H2CO3 →Na2CO3 + 2H2O Na2CO3 + H2CO3 →2NaHCO3
Hay: NaOH + H2SO4 →NaHSO4 + H2O NaHSO4 + NaOH →Na2SO4 + H2O
Ưu điểm: Xử lý nhanh và có hiệu quả cao; Sản phẩm của phản ứng phần lớn ở dạng tan và không làm tăng độ cứng của nguồn nước tiếp nhận.
Nhược điểm: xút là hóa chất đắt hơn các tác nhân trung hòa khác như vôi nên phương pháp này được sử dụng khi xút là phế liệu của một công nghệ khác.
d2. Xử lý nước thải chứa kiềm
Nước thải chứa kiềm thường được tạo ra trong công nghiệp dệt và công nghiệp hóa chất.
Trung hòa bằng khí cacbonic CO2
Nguyên lý: sục khí CO2 vào nước. Khí CO2 tan vào nước và tác dụng với nước tạo thành axit cacbonic H2CO3. Khi trong nước thải chứa kiềm (NaOH) thì axit này sẽ phản ứng với kiềm tạo muối:
CO2 + H2O→ H2CO3
H2CO3 + 2NaOH → Na2CO3 + 2H2O Nếu H2CO3 dư thì tiếp tục xảy ra phản ứng:
Na2CO3 + H2CO3 →2NaHCO3
Khí cacbonic có thể được chứa trong bình CO2 tinh khiết. Nhưng nếu dùng khí CO2
tinh khiết thì chi phí xử lý nước thải lớn. Do đó, người ta thường tận dụng nguồn CO2 phế thải có sẵn trong nhà máy. Nguồn CO2 rẻ tiền, dễ kiếm và có ở bất kỳ nhà máy nào là khí CO2 trong khí thải ống khói - CO2 chiếm khoảng 14% trong tổng các khí được thải ra. Thiết bị gồm có một quạt để hút khí thải, ống dẫn khí đến trạm xử lý, một phễu lọc khí để tách lưu huỳnh và bụi than trước khi sục vào bể trung hòa, bộ phận phân phối khí để khí được khuếch tán đều trong nước thải. Ngoài ra, CO2 còn được tạo ra bằng các phương pháp khác như: tạo CO2 bằng cách đốt kí cháy dưới nước (sự cháy chìm) hay tạo CO2 bằng phương pháp lên men (lên men cồn rượu để tận dụng nguồn CO2 tạo ra hoặc người ta cho lên men kị khí nước thải chứa kiềm hoặc nước thải chứa các chất hữu cơ nhờ vi khuẩn sinh axit làm cho độ pH của môi trường giảm).
Xử lý nước thải chứa kiềm bằng axit sunfuric
Nếu nước thải chứa NaOH thì phản ứng xảy ra như sau:
2NaOH + H2SO4 → Na2SO4 + 2H2O Ưu điểm:
- Lượng tác nhân trung hòa nhỏ;
- Tốc độ phản ứng lớn, quá trình xảy ra nhanh dẫn đến hiệu quả quá trình cao.
Nhược điểm: giá thành tác nhân trung hòa cao, ngoài ra, axit có đặc tính ăn mòn nên gây khó khăn cho quá trình chứa, dẫn và nạp axit vào bể trung hòa.
e. Phương pháp keo tụ e1. Nguyên lý phương pháp
Trong quá trình lắng cơ học chỉ tách được các hạt chất rắn huyền phù có kích thước
≥10-2mm, còn các hạt nhỏ hơn ở dạng keo không lắng được hoặc lắng được nhưng với hiệu suất rất thấp. Bằng phương pháp keo tụ, ta có thể làm tăng kích thước của các hạt này nhờ vào tác dụng tương hỗ giữa các hạt phân tán liên kết thành các tập hợp hạt có kích thước và khối lượng lớn hơn nên có thể lắng được. Quá trình keo tụ diễn ra thông qua hai giai đoạn:
giai đoạn đông tụ (coagulation – là quá trình trung hòa điện tích của các hạt) và giai đoạn keo tụ (floculation – quá trình keo tụ).