PHẦN MỘT – XỬ LÍ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI CHƯƠNG 1. CÁC PHƯƠNG PHÁP TIỀN XỬ LÝ pdf

Các nhà máy trung bình hoặclớn đều sử dụng hệ chắn rác cơ khí, các nhà máy nước thải nhỏ nhưng có rác đặc trưngkhó tách bằng chắn rác tiêu chuẩn cũng sử dụng các loại chắn rác cơ khí...

PHẦN MỘT – XỬ LÍ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI

CHƯƠNG 1 CÁC PHƯƠNG PHÁP TIỀN XỬ LÝ

Chương này trình bày nguyên lí của các đơn vị xử lí sử dụng nguyên lí vật líhoặc hoá học theo trình tự gần đúng từ khi nước thô vào tới khi ra khỏi hệ xử lí

Về nguyên tắc một nhà máy xử lý nước (nước thải) trước khi nhận nước phải có

hố thu (hố tiếp nhận nước/nước thải) Đây chỉ là cơ cấu xây dựng đơn thuần cóchức năng nhận/gom nước để nước bắt đầu qua các đơn vị xử lí nên gần nhưkhông có yêu cầu đặc biệt về công nghệ Các yêu cầu về kĩ thuật xem trongTCXDVN 51:2008 (nâng cấp bản 1984) và các tài liệu giảng dạy của TrườngĐHXD HN (Trần Hiếu Nhuệ, Lâm Minh Triết, 1974.) Sau hố thu nước qua đơn vị

xử lí đầu tiên là song chắn rác

Nghiền rác

Chicago Pump Co.; Clow Corporation; Infilco; Worthington Pump Corp.; Yeomans

Đây là đơn vị xử lí đầu tiên, tiếp sau với hệ công suất lớn sẽ là lắng cát và bể điều hòa

Chức năng chắn rác:

Loại bỏ rác thô (khe thông thủy tính bằng cm), chống tắc cho hệ thống phía sau Cũng cóthể dùng máy lọc tinh với khe hở cỡ mm Lượng chất rắn tách từ nước thải sinh hoạtthành phố bằng lọc tinh thường ở mức 0,28 đến 0,99 m3/ngày tính cho 3785 m3/ngày(0,0074 đến 0,026% thể tích nước thải vào) hay 5 - 20% tổng SS trong nước thải, phụthuộc vào kích thước khe thông nước

Chắn rác thường được lắp đặt ngay đầu vào hệ xử lí Chức năng của nó là: tách loại rác,

vật nổi, bảo vệ các thiết bị cơ khí, giảm thiểu trục trặc kĩ thuật do rác gây ra như tắc bơm,kẹt van, tắc đường ống Các thiết bị chắn rác hoạt động như cái rây tách rác thô, rác thugom được sẽ được thu gom và ứng xử như chất thải rắn, ví dụ thải bỏ bằng cách chôn lấphoặc đốt, đôi khi được nghiền nhỏ và đưa vào dòng thải

Vị trí: số 1

Hình XX Sơ đồ nhà máy xử lí nước thải sinh hoạt (công nghệ BHT cổ điển)

Một số kĩ thuật chắn rác:

Ta phân biệt:

 Chắn rác thô (khe hở thông thủy, kích thước 2,4 – 15,2 cm (VN: 2 – 20cm)

 Chắn rác tính: khe hở nhỏ hơn CR thô, hệ thủ công thô hơn hệ cơ khí

/tmp/jodconverter_c4b40bb7-5466-4ade-8f2f-9f08fb8ff556/tempfile_1350.doc 1

 Máy lọc (dùng lưới lọc hoặc tấm lọc xẻ rãnh như mặt sàng/rây) kích thước khethông thủy tới mm.

Chắn rác thô thường là các chấn song chế tạo từ các thanh kim loại hình trụ hoặc vuông,

chữ nhật xếp song song, khe hở giữa các thanh thường là 5,1 tới 15,2 cm Chúng có chức

năng tách loại rác thô, thường được đặt trước các lọc rác tinh hoặc nghiền rác.

Chắn rác và lọc rác có thể được lắp đặt vuông góc với dòng nước hoặc phổ biến hơn là tạomột góc với mặt nước để tăng thiết diện làm việc Chúng được lắp đặt trước các thiết bị

cơ khí như bơm nước thải, lắng cát, điều hòa, lắng sơ cấp Khi sử dụng chắn rác, nghiền

rác hoặc cả hai cần có đường chảy tắt trong trường hợp vệ sinh hoặc tắc dòng (Hình 1)

b1) Chắn rác làm sạch thủ công 2,4-4,4

b2) Chắn rác làm sạch cơ giới 1,4-2,5 Thường = 1,9 cm

Rác tích luỹ gây mùi, tăng tổn thất áp nên cần được thu gom thường xuyên Thu gom cóthể được thực hiện bằng thủ công hoặc máy cào (lược)

Theo tiêu chuẩn của Mỹ (The Ten states’ standards (Great Lakes-Upper Mississippi

River Board of State Sanitary Engineers 1968)) tốc độ nước chảy trung bình qua songchắn rác vệ sinh thủ công phải vào khoảng 1 fps (0,3048 m/s), tốc độ tối đa (khi trời mưa)qua chắn rác làm sạch cơ khí không vượt quá 2.5 fps (0,762 m/s) Tốc độ phải tính theohình chiếu đứng của khe chắn rác Các tài liệu của VN chấp nhận khe hở lớn hơn Tốc độnước vào và qua khe chắn rác tính trên cơ sở TCVN (chọn giá trị thấp), từ đó tính ra bềrộng và độ sâu kênh dẫn phù hợp

Tổn thất áp qua chắn rác phụ thuộc vào cấu tạo và hoạt động của cơ cấu chắn rác Công

thức tính tổn thất áp như sau:

7 , 0

Công thức này tính theo hệ US (ft), sau đó kết quả phải chuyển sang SI (m) Rõ ràng tốc

độ nước vào V càng lớn thì H càng cao Giới hạn V của Việt Nam cũng cao hơn của Mỹ

Các loại chắn rác

CHẮN RÁC THỦ CÔNG

Những hệ nhỏ thường trang bị chắn rác thủ công

Thường chắn rác thủ công được đặt thành góc nghiêng 30°-45° so với phương nằm ngang,khi đó diện tích thông thuỷ sẽ tăng 40 - 100% so với đặt thẳng đứng 90o, dễ vớt dọn ráchơn, thông thuỷ tốt hơn Khoảng thông thuỷ giữa hai thanh chắn rác phải vào khoảng 2,4đến 8,255 cm, tần suất thu gom rác, làm sạch càng cao càng tốt, thường là 2 – 5 lần/ngày.Trong trường hợp không chảy kịp có thể cho nước chảy qua nhánh vòng (Hình 1) có chắnrác rộng hơn (8 – 10 cm)

CHẮN RÁC CƠ KHÍ

Chắn rác cơ khí được gọi là chắn rác cơ khí hoặc cào rác Các nhà máy trung bình hoặclớn đều sử dụng hệ chắn rác cơ khí, các nhà máy nước thải nhỏ nhưng có rác đặc trưngkhó tách bằng chắn rác tiêu chuẩn cũng sử dụng các loại chắn rác cơ khí Khe hở trong

/tmp/jodconverter_c4b40bb7-5466-4ade-8f2f-9f08fb8ff556/tempfile_1350.doc 3

Hình 2 Chắn rác làm sạch mặt sau bằng cơ cấu cào (lược) cơ khí

chắn rác thường nằm trong khoảng 1,6 đến 2,5 cm Do kích thước khe thông thuỷ nhỏ hơn

ở trên nên người ta đôi khi coi là chắn rác tinh Thuật ngữ “tinh” ở đây là tương đối, nhiềunhà máy nước thải công nghiệp phải sử dụng khe chắn rác chỉ vài mm nếu quá nhiều cặnhoặc cặn khó tách bằng chắn rác thông thường

Hình 3, 4 Chắn rác cơ khí và thu gom rác

Hệ chắn rác cơ khí có thể làm sạch từ phía trước hoặc từ phía sau Cơ cấu cào rác thường

có dạng như “lược” chải qua các khe hở của chắn rác để kéo rác ra, thời gian thực hiệnmỗi chu kì “chải” có thể từ vài giây tới 60 phút Các chắn rác cơ khí thường được chế tạosẵn và có rất nhiều dạng Trong chắn rác cơ khí thường bố trí cơ cấu nhận rác tự động(Hình 2-4) Cơ cấu chắn rác cũng có thể được phối hợp với cơ cấu lắng cát và thu gom rác

tự động (Hình 4)

LỌC RÁC “TINH”

Do lọc rác chỉ tách được khoảng 10 – 20% so với 60% của lắng cấp 1 nên đôi khi người ta

bỏ qua đơn vị xử lí này Tuy nhiên trong công nghiệp lọc tinh vẫn được ứng dụng rộngrãi, ví dụ công nghiệp thực phẩm, len, dệt nhuộm Trong một số nhà máy, lọc tinh đượcdùng thay thế lọc cát để xử lí SS trước khi xả ra môi trường

Lọc tinh thường lắp trước các đơn vị xử lí sinh học Thường diện tích thông thuỷ của lọctinh là 0,186 m2 /3785 m 3 /ngày hay 20.300 m3/ngày/m2 đối với nước thải sinh hoạt và

0,280 m 2 /3785 m 3 /ngày hay 13.500 m3/ngày/m2 đối với nước thải hỗn hợp Lọc tinh cũngthường được lắp trước lọc nhỏ giọt để ngăn ngừa hiện tượng tắc các vòi phun

Thiết kế và làm sạch mặt sàng lọc tinh

/tmp/jodconverter_c4b40bb7-5466-4ade-8f2f-9f08fb8ff556/tempfile_1350.doc 5

Do lỗ thoát nhỏ nên rây lọc tinh phải thường xuyên được làm sạch Có thể làm sạch bằngchổi, thanh quét tự động, bằng tia nước hoặc khí từ mặt sau Hiệu quả làm sạch phụ thuộcvào kích thước lỗ cho nước qua Kích thước lỗ thường chọn như sau:

Mặt sàng có kích thước lỗ 0,8 – 2,4 mm Nếu dùng chổi để làm sạch thì mặt sàng làmbằng thép tấm Nếu dùng lưới đan thì kích thước lỗ thường vào khoảng 3 mm Vải lọc cókích thước lỗ nhỏ hơn

Trống lọc

Hình 5 Trống quay lọc rác nhận nước vào từ phía trong

Trống lọc là cơ cấu tách rác bằng cách lọc qua tang trống được làm bằng lưới thép không

gỉ hoặc thép tấm đục lỗ Nếu là lưới đan thì thường dùng loại lưới No.12 đến No.20 mesh(kích thước lỗ 1,68 – 0,84 mm) Khi trống quay quanh trục của nó một phần sẽ ngập trongnước (Hình 5)

Chắn rác kiểu trống quay nhận nước ở trong

Trong loại chắn rác này nước thải vào trống theo hướng song song với trục quay Nướcthải vào, lọc qua lưới trống lọc, đi ra theo hướng vuông góc với trục quay (Hình 5) Ráctích tụ ở bên trong tang trống lọc gây ra trở lực làm dâng mức nước bên ngoài, vì vậythỉnh thoảng phải dùng tia nước hoặc khí nén để rửa, rác bị đẩy ra rơi vào máng dẫn tựchảy ra ngoài Như vậy, thực tế là trống làm việc liên tục và tự động

Chắn rác kiểu trống quay nhận nước ở ngoài

Trong loại chắn rác này nước thải vào trống từ ngoài theo hướng vuông góc với trục quay.Sau khi lọc qua lưới trống lọc, nước đi ra theo song song với trục quay Rác tích tụ ở bênngoài tang trống lọc gây ra trở lực làm dâng mức nước bên ngoài, vì vậy thỉnh thoảngphải dùng chổi, tia nước hoặc khí nén để rửa cào rác vào máng dẫn tự chảy ra ngoài Nhược điểm chính của phương pháp lọc rác này là chi phí nước rửa

Đĩa quay thẳng đứng

Rác cũng có thể được tách bằng cơ cấu đĩa đục lỗ quay, đĩa đục lỗ sẽ được đặt chắn ngangdòng chảy và được động cơ quay từ từ (Hình 6) Nước sạch sẽ qua, rác đọng lại sẽ đượcdao gạt gạt vào máng hay ống nhận rác

Hình 6 Đĩa quay chắn rác đặt thẳng

Cơ cấu này sẽ hoạt động kém hiệu quả nếu chất rắn có tính bám dính, bầy nhày thườnggặp trong công nghiệp chế biến thực phẩm từ hải sản, giết mổ Tương tự như trống quay,người ta cũng có thể dùng bổ xung tia nước để rửa đĩa

Kiểu đĩa quay nghiêng

Đĩa quay cũng có thể đặt nghiêng 10°-25° so với phương nằm ngang (Hình 7) Đĩa quaythường có khe 1,6 - 0.8 mm cho nước qua Làm sạch được thực hiện bằng chổi thép

Hình 7 Đĩa quay chắn rác đặt nghiêng

/tmp/jodconverter_c4b40bb7-5466-4ade-8f2f-9f08fb8ff556/tempfile_1350.doc 7

Các nhà máy đều phải có hệ tách rác loại này, chúng thường được đặt trước cácgiếng bơm hoặc nghiền rác (nếu có) Các nhà máy xử lí nước thải thường có ít nhất

là 2 hệ thống này nếu là hệ thủ công hoặc 1 hệ thống tự động kềm theo đường tắt

Có ba loại lắng cát và rác dạng hạt, chủ yếu theo cách làm sạch: loại thủ công, loại

cơ khí, và loại dùng khí hoặc tạo lốc xoáy (kiểu vortex) Về kĩ thuật lắng chúng có

thể là lắng đứng, lắng ngang, lắng li tâm Về hình dạng công trình chúng có thể cóhình khối vuông, hộp chữ nhật hoặc hình trụ (xem Chương 5 Lắng)

Hình XX Lắng cát kiểu lốc xoáy

Đối với chất rắn gốc hữu cơ thì tốc độ nước là 0,3m/s Cường độ sục khí thường sửdụng mức 4,6-7,7 L/s trên 1m dài ngăn lắng là tốc độ của khí tính theo bề mặtchiếm chỗ của ngăn lắng Tốc độ chảy bề mặt phải là 0,6-0,8 m/s (WEF 1996a).Thời gian lưu nước = 35 phút Tính thể tích phải tính theo Qh tối đa; tỷ lệ sâu

: rộng = d:w = (1,5-2,0):1

Các thông số thiết kế chi tiết có thể tham khảo trong TCXDVN 51:2008

VÍ DỤ: Tính hệ lắng cát-vật liệu dạng hạt cho nhà máy nước thải sinh hoạt công

suất 0,438m3/s Tính ngăn lắng cặn thô với thời gian lưu 4,0 phút vào giờ cao điểm(thường = 3-5 min)

Dầu mỡ và vật nổi gây bọt, cản trở quá trình hòa tan khí, phân tán sinh khối trong

bể sục khí Có thể lắng đơn giản bằng bể 2-3 ngăn lấy nước ở giữa ở phía đối diệnđầu vào, sau vách ngăn Thời gian lưu nước trong bể chỉ khoảng 30 phút, đủ để dầu

mỡ nổi tạo lớp váng Váng dầu gạt ra bằng các hệ gạt cơ khí hoặc thủ công

Hình XX Thiết bị tách dầu mỡ

Có thể kết hợp với tuyển nổi (xem Ch.5)

3 Điều hoà

Chức năng: Dùng để duy trì sự ổn định của dòng thải, khắc phục những vấn đề

vận hành do sự dao động của lưu lượng dòng nước thải gây ra, điều hòa chất lượngnước vào hệ thống, tránh sốc cho các hệ xử lí đi sau, từ đó nâng cao độ ổn định vàhiệu suất xử lí của dây chuyền xử lý

Như vậy bể điều hòa phải trữ đủ nước khi nước vào có lưu lượng thấp để hệ thống

đi sau có nước, trữ nước khi lưu lượng vào quá lớn

Để tính thể tích bể điều hòa ta phải có số liệu về lưu lượng nước thải theo giờ và vẽ

đường cong Thể tích nước thải – Thời gian Từ đây sử dụng phương pháp đồ thị

xác định các điểm bụng của đường cong thực nghiệm để xác định V đh (cách tínhxem Hình xx) Nếu không có số liệu, đối với nhà máy sản xuất có thể tính theolượng nước thải của 1 ca sản xuất

Hình XX Xác định dung tích bể điều hòa bằng phương pháp đồ thị

Bể điều hòa được hỗ trợ bằng hệ thống khuấy trộn Có thể khuấy bằng máy khuấy

7.41 Sử dụng bể điều hòa khuấy trộn bằng không khí nén để điều hòa nồng độ

nước thải khi nồng độ chất lơ lửng dưới 500 mg/l với độ lớn thủy lực 10 mm/s

- Thể tích bể điều hòa khi xả tập trung nước thải được tính toán theo các công thứcsau:

/tmp/jodconverter_c4b40bb7-5466-4ade-8f2f-9f08fb8ff556/tempfile_1350.doc 11

2,1





yc yc

z w đh

K K

t q W

khi K yc < 5 (7.7 TCXDVN)

tt w

đh q t

TCXDVN)

Trong đó :

q w = lưu lượng nước thải, m3/h

t tt = thời gian xả nước tập trung, h

K yc = hệ số điều hòa yêu cầu, xác định theo công thức (7-9 TCXDVN)

cp TB

TB yc

C C

C C

C max = Nồng độ lớn nhất của chất bẩn Nn khi xả tập trung, mg/L

C TB = Nồng độ trung bình của chất bẩn Nn trong nước thải, mg/L

C cp = Nồng độ cho phép của chất bẩn Nn sau khi điều hòa, phụ thuộc vàođiều kiện hoạt động của công trình phía sau, mg/L

7.42 Thể tích bể điều hòa W đh (m3), khi nồng độ dao động theo chu kỳ, được xácđịnh theo công thức:

1 21

W  1 , 3 khi K yc  5 (7.11 TCXDVN)Trong đó :

t ck = chu kỳ dao động nồng độ, h

K yc = hệ số điều hòa yêu cầu, xác định theo công thức (7-9 TCXDVN)

Khi nồng độ dao động bất kỳ, thể tích bể sẽ tính theo phương pháp tiệm cận gầnđúng

7.43 Việc phân phối nước thải theo bề mặt bể điều hòa sục khí phải đảm bảo đồngđều Có thể dùng ống phân phối có lỗ hay máng tràn tiết diện chữ V, chữ U đểphân phối Vận tốc dòng nước trong máng không dưới 0,4 m/s

7.44 Hệ thống sục khí của bể điều hòa như sau :

- Thiết bị sục khí: các ống có lỗ khoan đường kính lỗ d = 5mm cách nhau từ

3 đến 6cm, nằm ở mặt dưới ống Ống phải đặt tuyệt đối theo phương ngang, dọctheo tường dọc của bể trên các giá đỡ để ở độ cao 6 - 10 cm so với đáy

- Nếu đặt thiết bị sục khí chỉ ở một phía và sát thành bể thì khoảng cách từ thiết bịtới thành bể đối diện lấy bằng 1 đến 1,5 H.

- Đường kính của thiết bị sục khí lấy bằng 50 mm nếu cường độ sục khí nhỏ hơn8m3/h cho 1m dài và bằng 75mm nếu cường độ sục khí lớn hơn

7.45 Bể điều hòa khuấy trộn cơ khí được sử dụng để điều hòa với hàm lượng chất

lơ lửng trên 500 mg/l với chế độ nước vào bể bất kỳ Thể tích bể điều hòa khuấytrộn cơ khí cũng được tính toán tương tự như bể điều hòa sục khí

7.46 Dung tích bể điều hòa kiểu nhiều hành lang khi xả nước thải tập trung đượcxác định theo công thức:

1 21 , 0

 t tt yc

đh

K t q

Trong đó:

q t = lưu lượng nước thải (m3/h),

t tt = khoảng thời gian xả nước thải tập trung, (h),

K yc = hệ số điều hòa yêu cầu

/tmp/jodconverter_c4b40bb7-5466-4ade-8f2f-9f08fb8ff556/tempfile_1350.doc 13

Chương 2 Trung hoà

2.1 Cơ chế trung hoà

Nớc tinh khiết có công thức hoá học H2O và là một chất phân li rất kém, phơng

trình phân li viết nh sau:

Phản ứng (2.1) đợc gọi là “phản ứng” phân li Thuật ngữ “phản ứng” đợc đặt trong

dấu ngoặc kép có ý nghĩa là đây không phải là phản ứng hoá học theo nghĩathông thờng tức là chất A phản ứng với chất B mà là phơng tiện để mô tả quá trìnhphân tử nớc trung hoà phân li để tạo hai ion nghịch dấu nhau là ion H+ - proton vàion hyđroxyl OH

ở điều kiện tiêu chuẩn, phân tử khối của nớc, H2O là 1x2 + 16 = 18 đơn vị C, vậy

1 lít hay 1000 gram nớc tinh khiết có nồng độ là 1000 : 18 = 55,6 mol/L (hay M).Trong khi đó ở 25 oC nồng độ H+ và OH trong nớc tinh khiết bằng nhau và chỉbằng 107 M Giá trị [H+] = [OH] = 107 M là đại lợng quá nhỏ so với nồng độ của n-

ớc (107 : 55,6 = 1,8.109), nó có nghĩa là trong số một tỷ phân tử nớc chỉ có 1,8

phân tử phân li, điều này có nghĩa là nớc là một chất phân li rất kém

Giả thiết ta có dung dịch axit, ví dụ HCl là một chất phân li mạnh, nghĩa là phân li

hoàn toàn 100%, có nồng độ 0,1 M:

Do HCl là một chất phân li mạnh nên ta tính đợc nồng độ các hạt nh sau:

Một mol HCl phân li hoàn toàn tạo 1 mol ion H+ và 1 mol Cl

Vậy 0,1 mol/L HCl phân li sẽ tạo 0,1 mol H+/L, hay [H+] = 101 M

So với nớc tinh khiết có [H+] = 107 M thì nồng độ H+ ở đây lớn hơn một triệu lần.Tơng tự, nếu có dung dịch kiềm, ví dụ NaOH cũng là một chất phân li hoàn toàn

và có nồng độ 0,1 M, ta có phản ứng phân li:

Do NaOH là một chất phân li mạnh nên ta cũng tính đợc nồng độ các hạt nh vậy:

Một mol NaOH phân li hoàn toàn tạo 1 mol ion Na+ và 1 mol OH

Vậy 0,1mol/L NaOH phân li sẽ tạo 0,1mol OH/L, hay [OH]= 101 M

So với nớc tinh khiết có [OH] = 107 M thì nồng độ OH ở đây cũng lớn hơn một

triệu lần (xem thêm phần kiến thức bổ xung dới đây).

Trong ví dụ đầu với dung dịch HCl nớc chứa nhiều ion H+ hơn nớc tinh khiết, ta nói

nớc có tính axit; trong trờng hợp sau nớc có tính kiềm.

Nếu lấy mỗi dung dịch nói trên 1 lít và trộn đều chúng với nhau ta có phản ứngsau:

HCl + NaOH NaCl + H2O (2.3)Nếu viết dới dạng phân li đầy đủ ta có:

H+ + Cl + Na+ + OH Cl + Na+ + H2O (2.4)Gạch bỏ Cl + Na+ ở hai vế ta có phơng trình dạng ion rút gọn (2.5) trong đó H2O

là phân tử phân li kém

Nh vậy thực chất của phản ứng (2.3) là phản ứng giữa các ion H+ và OH (p.ư

2.3) tạo thành sản phẩm là nớc trung tính phân li rất kém, nồng độ các ion H+ và

OH lại trở về 10-7 M, hay là dung dịch lại có tính trung tính tức là pH = 7 (pH =

log[H+])

Phản ứng giữa chất có tính axit và chất có tính bazơ, hay tổng quát hơn giữa ion

H + và ion OH dẫn tới pH của dung dịch sau phản ứng bằng 7 đợc gọi là phản ứng trung hoà.

Trong thực tế, tuỳ nguồn gốc nớc ban đầu trớc xử lí có thể có tính axit hoặc tínhbazơ, trong đó tính axit phổ biến hơn Tuy nhiên nớc sau xử lí tuỳ mục đích sử

dụng có thể có yêu cầu dải pH khác nhau, ví dụ nớc cấp cho sinh hoạt thờng cóyêu cầu pH = 6,58,5 [1], nớc sản xuất sữa pH = 6,57,5 [yêu cầu của p Kỹthuật, Vinamilk], nớc thải sinh hoạt pH = 59 [2] Vì vậy cần hiệu chỉnh pH tới cácyêu cầu cụ thể, khi đó trung hoà chính xác tới pH7 là điều không cần thiết, tốn

kém và nhiều khi không khả thi về mặt kĩ thuật Trong trờng hợp này ta cần hiệu

chỉnh pH tới giá trị mong muốn.

Quá trình này có thể đợc thực hiện bằng cách trung hoà một phần H+ hoặc OH có

d trong nớc ban đầu tới giá trị pH mong muốn, khi đó ta có quá trình đợc gọi là

hiệu chỉnh pH

Nh vậy, về bản chất quá trình hiệu chỉnh pH cũng có nghĩa là phản ứng trung hoànhng có nghĩa rộng hơn trung hoà: trung hoà nhằm đạt pH = 7, còn hiệu chỉnh pHnhằm đạt một giá trị pH cụ thể

Kiến thức bổ xung - Khái niệm pH

Quá trình phân li nớc nh pt (14.1) thực chất là phản ứng thuận nghịch:

2





Trong đó dấu [ ] chỉ nồng độ các hạt, đơn vị M (mol/L).

Do [H2O] lớn hơn nhiều so với [H + ] hay [OH - ] và H2O phân li rất kém nên có thể coi [H2O] là hằng

số, khi đó ở nhiệt độ chuẩn là 25 o C ta có:

Tính nồng độ H+ khi giá trị pH đo đợc là 3

Giá trị pH = 3 nghĩa là lg[H+] = 3 hay lg[H+] = 3

Tính [H+] từ giá trị lg[H+] ta đợc [H+] = 103 M

Bài toán nghịch: tính pH của dung dịch HCl 0,1M và NaOH 0,1M ở trên.

Lời giải:

Với dung dịch HCl 0,1 M ta có [H+] = 10 1 M, vậy pH = lg10–1 –1 = 1

Từ định nghĩa (c) ta có KH2O = const = 10–14 = [H+][OH–]; biết [H+] = 10–1 tatính đợc [OH–] = KH2O : [H+] = 10–14 : 10–1 = 10–13 M

Với dung dịch NaOH 0,1 M ta có: [OH–] = 10–1 M,

Mặt khác [H+][OH] = 1014, vậy [H+] = 1013 M, vậy pH = – lg10–13 = 13

2.2 Vật liệu và hoá chất trung hoà - hiệu chỉnh pH

Nếu cần nâng pH của nớc ta cần thêm các hoá chất có tính bazơ, nếu cần hạ pH

ta dùng các hoá chất có tính axit, khi đó trong nớc sẽ xảy ra phản ứng trung hoà,

pH sẽ tăng hoặc giảm tuỳ vào loại và lợng hoá chất sử dụng

Khi sử dụng các tác nhân bazơ hoặc axit để hiệu chỉnh pH, để tính l ợng hoá chấtcần thiết ta viết phơng trình phản ứng trung hoà tơng ứng nh mô tả ở các phơngtrình (2.3) hoặc (2.5), hoặc sử dụng khái niệm “khả năng trung hoà là ” là lợng tơng

/tmp/jodconverter_c4b40bb7-5466-4ade-8f2f-9f08fb8ff556/tempfile_1350.doc 15

đối của chất trung hoà so với lợng CaO cần để trung hoà độ axit tơng đơng 1 mg CaCO 3 /L Các số liệu về khả năng trung hoà của các chất thông dụng đợc trình

bày ở bảng 2.1

Bảng 4.1 - Khả năng trung hoà so sánh với CaO của các hoá chất, vật liệu phổ biến

(các hoá chất vật liệu đợc coi là có hàm lợng theo công thức bằng 100%) [ 3]

N

o Tên hoá chất Công thức hoá học

Lợng cần để trung hoà 1 mg CaCO 3 /L

độ axit hoặc độ kiềm, mg/L

Khả năng trung hoà so sánh với CaO

6 Đolomit nung (CaO) 0,6 (MgO) 0,4 0,497 0,497/0,56 = 1,89

7 Đolomit hyđrat [Ca(OH) 2 ] 0,6 [Mg(OH) 2 ] 0,4 0,677 0,677/0,56 = 1,21

Nớc có pH đo đợc bằng 3, hãy tính lợng NaOH, Na2CO3, đôlômit nung ((CaO)0,6

(MgO)0,4) cần để trung hoà 1 m3 Bỏ qua khả năng đệm của nớc, coi hoá chất là100% Hãy cho so sánh lợng hoá chất tiêu thụ và rút ra kết luận cho mình

Lời giải:

Từ pH = 3  tính đợc nồng độ H+ trong nớc cần xử lí:

[H+] = 10–3 mol/L

Lợng H+ trong 1 m3 nớc = 10–3 (mol/L) 1000 (L) = 1 mol

Tính lợng NaOH cần để trung hoà Viết phơng trình phản ứng dạng ion:

H+ + Na+ + OH– = H2O + Na+

Theo phơng trình tính lợng NaOH, mNaOH tiêu tốn (n là số mol):

mNaOH = nNaOH.40 = nH.40 = 1.40 = 40 (g)Tơng tự, tính lợng Na2CO3 cần để trung hoà:

H+ + Na+ + CO32- = Na+ + HCO3

-mNa2CO3 = nNa2CO3.106 = nH+.106 = 106 (g)Tơng tự, tính lợng đôlômit ((CaO)0.6 (MgO)0.4) nung cần để trung hoà:

2H+ + CaO = Ca2+ + H2O2H+ + MgO = Mg2+ + H2O

mđôlômit = nđôlômit.(56.0,6 + 40.0,4) = 1/2 nH+.49,6 = 1/2 1.49,6 = 24,8 (g)

Nh vậy lợng đolomit tiêu thụ là thấp nhất Đolomit là đá tự nhiên nên giá thấp ợng thấp nhất x giá thấp nhất = chi phí thấp nhất

L-4.2.1 Xử lí nớc có tính axit

Về nguyên tắc hoá chất để xử lí nớc có tính axit phải là các chất có tính bazơ (cho

OH trực tiếp) nh NaOH, Ca(OH)2 hặc các muối có tính bazơ nh sôđa (cho OH

gián tiếp thông qua phản ứng thuỷ phân)

Muối có tính bazơ là muối của kim loại kiềm hoặc kiềm thổ với axit yếu, phổ biếnnhất là cacbonat, đợc sử dụng nhờ khả năng thuỷ phân Khi cho sôđa vào nớc ta

nó sẽ phân li theo phơng trình sau:

Na2CO3 + 2H2O  2Na+ + CO32 + 2H+ + 2OH

Do Na2CO3 phân li hoàn toàn; H2O kém phân li và (2H+ + CO32) tạo thành H2CO3

cũng kém phân li nên phản ứng trên đúng hơn là viết dới dạng:

2Na+ + CO32– + 2H2O  2Na+ + 2OH + H2CO3 (4.6)

Bỏ qua 2Na+ ở hai vế, lu ý K phân li của H2CO3 ta có phơng trình dạng ion:

CO32– + H2O  OH + HCO3 (4.7)

Nh vậy trong nớc có d ion OH nghĩa là dung dịch có tính kiềm

Có thể trung hoà bằng nhiều cách

 Nếu là nớc thải có tính axit có thể dùng dòng nớc thải có tính kiềm (nếunhà máy có) trung hoà dòng thải có tính axit

 Nếu là nớc axit có thể cho chảy qua lớp đã vôi hay đolomit, trờng hợp nàynớc không đợc chứa các ion có khả năng tạo hợp chất kết tủa bám trên bềmặt vật liệu trung hoà, cản trở phản ứng giữa CaCO3 với H+ Các hợp chấtkết tủa với Ca2+ có thể là CaF2, CaSO4

 Có thể dùng các hợp chất Ca, đolomit dới dạng huyền phù làm tác nhântrung hoà nớc có tính axit

 Trờng hợp cuối cùng mới dùng các hoá chất đắt tiền khác nh NaOH, sođa

nh trong bảng 4.1

4.2.2 Xử lí nớc có tính bazơ

Ngợc lại trờng hợp trên phải dùng axit để hạ pH tức giảm nồng độ OH

Khi pH trên 8,5 thờng phải hạ pH bằng cách thêm các tác nhân có tính axit, ví dụhạ pH nớc thải sau công đoạn vôi hoá để xử lí phốt pho

Tính lợng axit để trung hoà bằng lí thuyết rất khó chính xác vì tính đệm của n ớcchứa bicarbonat (độ kiềm), hơn nữa không có mối tơng quan chặt chẽ giữa độkiềm và giá trị pH Con đờng tốt nhất để định lợng chính xác lợng axit, bazơ cầntrung hoà hoặc hiệu chỉnh pH là phơng pháp chuẩn độ tới pH cần thiết [4]

Những con số sau mang tính định hớng nếu dùng axit quy về 100%:

Để trung hoà 1,0 mg/L độ kiềm (tính theo CaCO3) cần 0,98 mg/L H2SO4; 0,73 mg/

L HCl, 2*0,63 mg/L HNO3 Vì axit thơng mại có nồng độ rất khác nhau nên cầntính toán lại trên cơ sở nồng độ axit mua đợc Thông thờng axit H2SO4, HCl, HNO3

kĩ thuật có nồng độ 9394; 3031; 67% tơng ứng Tốt nhất cần xác định lại nồng

độ axit khi mua về và mua ở các nguồn cung cấp ổn định và tin cậy Không nêndùng các loại axit đóng chai loại P hoặc PA vì giá thành rất cao Nồng độ axit cóthể xác định bằng phơng pháp chuẩn độ tiêu chuẩn hoặc thông qua các bảng tracứu khối lợng riêng, tính chuyển đổi khi biết khối lợng riêng

2.2.3 Các loại axit, bazơ phổ biến

1 Axit sulphuric

Axit sulphuric công nghiệp thờng đợc bán dới dạng dung dịch 9394 hoặc 98% (d = 1,83-1,84) Nồng độ axit còn đợc thể hiện dới dạng độ Bôme (o B), axitnói trên là axit 66o B Để tra cứu các tính chất hoá - lí của các dung dịch axit cóthể sử dụng các dạng sổ tay hoá học khác nhau hoặc tra trong internet, địa chỉ

97-http://www.gooogle.com

/tmp/jodconverter_c4b40bb7-5466-4ade-8f2f-9f08fb8ff556/tempfile_1350.doc 17

Axit sulphuric đậm đặc là chất lỏng có độ nhớt cao (0,0267 N.s/m , 10 C), rất háonớc, có thể gây bỏng da, đặc biệt nguy hiểm đối với niêm mạc mắt.

Khi sử dụng axit cần pha loãng bằng nớc sạch Khi pha loãng với nớc dung dịchphát nhiệt rất mạnh, có thể sôi và bắn ra xung quanh gây ăn mòn nhà xởng thiết

bị, gây bỏng cho ngời Vì vậy cần pha từ từ axit vào nớc, do tỷ khối cao hơn nớcaxit chìm nhanh xuống dới đáy bồn pha; cần khấy tốt khi pha để tránh tích nhiệtcục bộ gây nổ, bắn lung tung, gây hại khó kiểm soát

Axit sulphuric loãng là một axit mạnh, phân li 100%

Axit đặc nh trên không ăn mòn sắt, nhng nếu pha loãng sẽ ăn mòn sắt rất nhanh.Vì vậy rất ít khi ngời ta chứa axit đặc lâu trong bồn sắt (trừ ở nhà máy và khi vậnchuyển khối lợng lớn, thờng dùng các bồn, can nhựa khi phân phối Khi sang can

từ bồn lớn cần dùng bơm axit hoặc áp dụng nguyên lí tự chảy, cần hết sức lu ýtránh để da tiếp xúc trực tiếp, đeo kính phòng hộ bảo vệ mắt

Nếu bị axit bắn vào ngời cần rửa nhanh bằng dòng nớc sạch càng mạnh càng tốt,sau đó có thể dùng dung dịch sôđa loãng có tính kiềm nhẹ rửa chỗ bị dây, rửa lạibằng nớc sạch Nếu bị bắn vào mắt phải xối nhanh bằng lợng lớn nớc sạch rồi đicấp cứu bệnh viện gần nhất

ở Việt Nam axit sulphuric đợc sản xuất ở Công ty super phốtphát Lâm Thao,Công ty hoá chất cơ bản miền Nam

2 Axit clohyđric

Axit clohyđric thờng có độ Bôme là 20-22o B ở Bắc Việt Nam có hai nguồn: Công

ty hoá chất Việt Trì và Công ty giấy Bãi Bằng; ở phía Nam có Công ty hoá chất cơbản miền Nam sản xuất Axit Việt Nam có nồng độ đăng kí là 30-31% khối l ợng, d

= 1,05-1,10 Axit có thể đựng lâu dài trong các bồn can PVC, compozit

Axit clohyđric là một axit mạnh, phân li 100%

Axit clohyđric không gây bỏng nh axit sulphuric nhng rất dễ bay hơi, gây độc đờnghô hấp và ăn mòn thiết bị rất mạnh Khi pha loãng tính bay hơi giảm mạnh, antoàn hơn Pha axit clohyđric không gây nổ nh axit sulphuric

3 Vôi

Vôi đợc sản xuất từ đá vôi bằng cách nung ở nhiệt độ gần 1000 oC, phơng trìnhcủa phản ứng nh sau:

Sản phẩm rắn thu đợc có màu trắng gọi là vôi sống, hàm lợng CaO trong sản

phẩm phụ thuộc vào chất lợng đá vôi nguyên liệu, thờng ở mức 92-98% Vôi sốnghút ẩm mạnh, để sử dụng nh tác nhân trung hoà cần cho phản ứng với nớc, quá

trình này trong thực tế gọi là tôi vôi, sản phẩm gọi là vôi tôi:

CaO + H2O  Ca(OH)2 + Q (2.9)

Đây là phản ứng toả nhiệt (Q) mạnh, Q lớn tới 1 MJ/mol CaO nên hỗn hợp phảnứng sôi rất mạnh nên khi thao tác phải chú ý phòng ngừa Ngoài ra, phản ứngphải đợc tiến hành trong điều kiện d nớc để tránh hiện tợng vón cục hay là khê“ ” là

hoặc sống , CaO phản ứng không hoàn toàn.“ ” là

Sản phẩm thu đợc là hyđroxit canxi ở dạng bột nhão Do độ tan của vôi thấp(trong khoảng 2030 oC, độ tan của Ca(OH)2 bằng 1,651,53 g/L) nên vôi thờng

đợc sử dụng dới dạng huyền phù Ca(OH)2, định lợng bằng bơm tự động hoặcthông qua hệ kiểm soát pH tự động

ở Việt Nam vôi thờng có trên thị trờng dới dạng vôi sống, do công nghệ sản xuất

đơn giản, nhu cầu khá lớn nên có khá nhiều cơ sở sản xuất để phục vụ côngnghiệp sản xuất bột nhẹ – CaCO3, ở quy mô nhỏ vôi sống đợc sản xuất chủ yếu

để phục vụ xây dựng

Sử dụng vôi để hiệu chỉnh pH có chi phí hoá chất thấp nhất, có khả năng kết hợp

xử lí độ cứng bằng phơng pháp hoá học (xem chơng Kết tủa hoá học) Nhợc

điểm lớn khi sử dụng vôi là công tác chuẩn bị khá cồng kềnh, cần có thiết bị tôivôi, bồn bể chuẩn bị huyền phù (có khuấy), cơ cấu lọc, thiết bị định lợng Khi sửdụng huyền phù vôi hệ thống đờng dẫn hay bị tắc do cặn vôi lắng đọng trên cácthiết bị, kể cả trên đầu đo pH của hệ kiểm soát pH tự động gây sai số Ngoài ra

sử dụng vôi dẫn tới sự gia tăng đáng kể lợng bùn thải

H2O Ngoài khả năng tăng pH sôđa còn là tác nhân xử lí độ cứng Sôđa có u điểm

là làm tăng pH không đột ngột nhờ tính đệm của hệ cacbonat

5 Xút - NaOH

Xút thờng đợc sản xuất và bán dới dạng rắn gần 100% hoặc dung dịch trên 30%.Việt Nam cha sản xuất xút rắn nên chỉ có các loại xút lỏng, xút rắn thờng nhậpcủa Trung Quốc

Cũng nh sôđa, xút tan rất tốt trong nớc, không vấp phải những nhợc điểm nh củavôi nh khả năng gây cặn Tuy nhiên sử dụng NaOH cần lu ý tính ăn da mạnh củadịch kiềm, tính bazơ rất mạnh của NaOH làm cho việc sử dụng dung dịch NaOH

để hiệu chỉnh pH sẽ khó hơn sôđa, nhất là khi cần hiệu chỉnh chính xác, dễ gâyquá liều

Xút là kiềm mạnh nên nó ăn da, ngoài ra nó phá huỷ nhanh các đồ đựng có gốceste bằng phản ứng xà phòng hoá nên không dùng bồn compozit (mặc dù đựngaxit rất tốt) để chứa đụng lâu đợc

Định lợng xút vào hệ phản ứng cũng nh các hoá chất đã nêu tốt nhất là dùng bơm

định lợng

Đối với một hệ xử lí dùng hoá chất bất kì, khi sử dụng hoá chất cần quan tâm đếnlợng hoá chất tiêu thụ trong một đơn vị thời gian, tính chất của hoá chất sử dụng(nồng độ, độ tan, độ nhớt, áp suất hơi, hiệu ứng nhiệt khi hoà tan, nhiệt độ sôi,

đông đặc) từ đó tính ra nồng độ dung dịch sẽ cấp vào hệ, chọn hệ cấp định lợnghoá chất phù hợp (các loại bơm, thiết bị định lợng) Từ tính chất hoá học, nhất làtính ăn mòn chọn vật liệu van, ống, bồn, bơm cho phù hợp

2.3 Tác hại của pH quá cao hoặc quá thấp và Độ ổn định của nớc

Nớc nếu có tính axit (pH < 6) hoặc kiềm (pH > 9) thì có hại không những đối với

hệ thu gom, hệ xử lý mà còn cả đối với môi trờng nhận nớc và ngời sử dụng Đặc

biệt nớc sẽ có tính không ổn định.

Nếu nớc hay khí có tính quá axit hoặc bazơ chúng đều gây ra những hậu quảkhông mong muốn nh sau:

 Gây ăn mòn đờng ống, thiết bị từ nguồn nớc tới nhà máy xử lí và toàn bộ

hệ phân phối cho tới ngời sử dụng (nhất là tính axit); tính kiềm thì có hại

đối với vật liệu gốc polyeste

 Sự ăn mòn thiết bị do axit thể hiện ở hiện tợng gỉ đờng ống, van, bồn chứa không những làm hao mòn thiết bị mà còn gây ra nhiễm bẩn thứ cấpbởi kim loại trong vật liệu bị ăn mòn Điều này thể hiện rõ ở các thành phốvới các hệ ống phân phối cũ: nớc máy hay bị đục bởi cặn sắt, nhiễm Zn,

Pb, Cu hoà tan từ hệ thống ống, van cũ (trớc năm 1970 nhiều nơi dùngống lót chì để chống ăn mòn)

 pH thấp hay quá cao là yếu tố không tốt đối với nhiều hệ xử lí nớc thảibằng phơng pháp sinh học rất phổ biến vì phần lớn các hệ vi khuẩn hiếukhí bị mất hoạt tính ở pH < 6 và pH > 9

 Cây trồng và động vật, kể cả ngời cũng phản ứng tiêu cực với pH quá caohoặc thấp, điều này dẫn đến đòi hỏi khắt khe về pH ở các tiêu chuẩn n ớccấp và cả nớc thải đổ vào môi trờng [1, 2]

 pH thấp quá hoặc cao quá có thể gây ra chuyển dịch một số cân bằngtheo hớng không mong muốn, gây hại cho môi trờng sống

Ví dụ 2.2: Nớc thải thờng có hàm lợng sulphua hyđrô nhất định gây mùi thối.

Trong nớc ta có cân bằng H2S ⇋ HS– + H+ Nếu pH thấp ta thấy mùi nhiều hơntrờng hợp pH cao Tại sao?

Trả lời:

/tmp/jodconverter_c4b40bb7-5466-4ade-8f2f-9f08fb8ff556/tempfile_1350.doc 19

pH thấp nghĩa là trong nớc nhiều H , theo nguyên lí chuyển dịch cân bằng Lơ

Satelie cân bằng sẽ dịch về bên trái, tạo H2S có khả năng bay hơi mạnh gây mùinhiều hơn Ngợc lại, khi pH cao ([OH–1] lớn), OH– sẽ phản ứng với H+ làm giảm[H+], cân bằng sẽ chuyển dịch về bên phải làm giảm nồng độ H2S nghĩa là giảmmùi

Ví dụ 2.3: Tôm, cá non rất nhạy cảm đối với amôniac, HNO2 Trong nớc amôniactồn tại trong cân bằng với amôni: NH4 ⇋ NH3 + H+ (a); HNO2 nằm trong cân bằngvới ion nitrit: HNO2 ⇋ NO2– + H+ (b) Nếu pH thấp cân bằng (a) sẽ chuyển dịch vềbên trái (lí do nh ví dụ 2.2) Khi đó amômiac sẽ biến thành ion amôni ít hại hơn.Ngợc lại, cân bằng (b) cũng sẽ chuyển dịch về bên trái nhng tạo thành HNO2 độchơn nitrit Vì vậy, hiệu chỉnh pH là rất quan trọng trong nghề nuôi trồng thuỷ sản,thông thờng phải duy trì pH ở >6,8 và < 8,4 , khống chế nồng độ amôni (< 1,5 mg

NH3/L), giảm thiểu HNO2 độc hại [5]

Bổ xung kiến thức – Nguyên lí Lơ Satelie

Nguyên lí Lơ Satelie (Hoá đại cơng): Cân bằng sẽ chuyển dịch theo hớng chống lại tác động bên

ngoài vào nó

Ví dụ với nớc có amoniac ta có cân bằng: NH3 + H + ⇋ NH4 với hằng số K đặc trng Khi ta cho thêm axit, nghĩa là H + vào, nồng độ H + trong nớc tăng lên, khi đó tích [NH3][H + ] sẽ tăng, để chống lại điều này cân bằng sẽ dịch về bên phải (làm tăng nồng độ NH4 ) sao cho K vẫn không đổi.

Đối với nớc cấp pH càng quan trọng Nếu pH quá thấp khi uống nớc ta sẽ có cảmgiác chua, nếu quá cao ta sẽ cảm thấy ngay vị nồng của nớc cấp Ngoài ra pH

cao sẽ dẫn đến hiện tợng không ổn định của nớc, nghĩa là kết tủa CaCO3

Trong thực tế sản xuất nớc cấp ta hay gặp hiện tợng sau: nớc tự nhiên luôn chứa

một lợng độ kiềm  ĐK, chủ yếu dới dạng HCO3, nhất định Trong trờng hợp nớcchứa Ca2+, mà điều này là phổ biến, khi đó nớc có xu thế tạo kết tủa CaCO3 do độ

cứng tạm thời Sự có mặt của lớp màng mỏng kết tủa CaCO3 này thậm chí có ích

vì lớp màng sẽ hạn chế hiện tợng ăn mòn gây ô nhiễm thứ cấp Nớc đợc gọi là ổn

định nếu nó không hoà tan cũng nh không tạo kết tủa CaCO3

Nếu pH thấp nớc sẽ hoà tan trớc hết CaCO3, Ca trong beton, sau đó là kim loại

trong đờng ống, thiết bị , khi đó ta nói nớc “quá hoạt động Khi đó để ” là tìm quan

hệ [Ca 2+ ], pH, ĐK ta có thể viết các cân bằng ứng với các hằng số sau:

Đối với cân bằng thứ hai (2.11) ta có:

3

2

HCO

CO H

HCO

CO H

K

K

H

HCO Ca

Các đại lợng đều tính cho nớc nằm trong các cân bằng đã nêu, kết hợp (*) vậy:

pHS = lgK  lgCa2+[Ca2+]  lgHCO3[HCO3]

= lgKpl  lgK2  lgCa2+[Ca2+]  lgHCO3[HCO3]

= lgKpl  lgK2  lgCa2+ lg[Ca2+]  lgHCO3  lg[HCO3]

Nếu SI < 0 (pH < pH S ) ta có nớc axit, gây ăn mòn ống, thiết bị Nếu SI > 0 nớc có

nguy cơ kết tủa CaCO3 Trong công nghiệp nớc cấp sinh hoạt thờng ngời ta chấpnhận SI = + 0,2 để ngăn ngừa ăn mòn và hạn chế lắng đọng CaCO3 ở mức chấpnhận đợc

Kiến thức bổ xung – Khái niệm hoạt độ

Khi ta pha dung dịch của một chất ta có đại lợng nồng độ đợc biểu diễn bằng C thể hiện lợng tơng

đối của chất tan trong dung dịch, ví dụ C mol/L Nh vậy trong 1 L dung dịch có C mol chất tan ứng với C.NA phân tử (NA là số Avogadro), nếu chất tan là chất phân li thì số hạt tức là số ion bằng C.NA nhân với số ion mà một phân tử phân li tạo ra Trong thực tế do trong dung dịch luôn có tơng tác ở mức độ phân tử giữa hạt  hạt, hạt  dung môi nên các phân tử (hoặc ion) trong nuớc không

“tự do” Vì vậy trong các tính chất của dung dịch, ví dụ các cân bằng mà ta xét, phơng trình hằng

số K chỉ thể hiện một phần trong tổng số các phân tử hoặc ion có trong nớc Để tính đến hiện tợng

này ngời ta đa ra khái niệm hoạt độ kí hiệu a, hiểu trực diện là phần nồng độ C thực sự hoạt động

đợc thể hiện trong các phơng trình mô tả các tính chất của dung dịch Mối liên hệ giữa C và a là biểu thức: ai = iCi, trong đó i  1 đợc gọi là hệ số hoạt độ của chất (ion) i

Kiến thức bổ xung – Khái niệm độ kiềm

Độ kiềm là thông số chất lợng nớc rất quan trọng, không nên lẫn với [OH  ] Độ kiềm đợc xác định bằng cách chuẩn độ nớc bằng axit tới pH 4,5 Trong phần lớn các trờng hợp độ kiềm gây ra do HCO3  Khi chuẩn độ bằng axit tới pH = 4,5 ta có:

Độ kiềm (ĐK) = số mol H + tiêu tốn = [HCO3  ] + 2[CO3 2 ] + [OH  ] Nớc tự nhiên thờng có pH nằm trong khoảng 68 nên

Độ kiềm (ĐK) = số mol H + tiêu tốn = [HCO3  ] + 2[CO3 2 ]

Lu ý các hạt cacbonat nằm trong các cân bằng:

H2CO3  ⇋ H + + HCO3  pK1 = 6,35 HCO3  ⇋ H + + CO3 2 pK2 = 10,33 Vì vậy ta có:

1 Nếu pH < 4,5 độ kiềm của nớc là âm

2 Nếu pH = 7,58,3 độ kiềm của nớc chủ yếu = [HCO3  ]

3 Nếu pH > 11,5 ta chỉ có cacbonat dạng [CO3 2 ] và độ kiềm = 2[CO3 2 ] + [OH  ]

4.4 ứng dụng

Khác với các thí nghiệm theo mẻ, trong thực tế xử lí nớc ta thờng gặp các quátrình liên tục, vì vậy quá trình hiệu chỉnh pH thờng phải đợc thực hiện trên đờng đicủa dòng nớc Trong trờng hợp này ngời ta thờng áp dụng hệ pH-controller hay hệkiểm soát pH tự động, khi đó giá trị pH đợc đo liên tục, hoá chất (dung dịch axithoặc bazơ) đợc bơm tự động cấp vào để hiệu chỉnh pH tự động theo tín hiệu nhận

từ điện cực đo pH Sơ đồ hệ kiểm soát pH đợc mô tả trong hình 4.4.1

/tmp/jodconverter_c4b40bb7-5466-4ade-8f2f-9f08fb8ff556/tempfile_1350.doc

1

2

34

Hình 2.1- Sơ đồ hệ kiểm soát pH tự động

1 Màn hình điều khiển-hiển thị giá trị pH 2 Điện cực đo pH

Chú ý khi thiết kế hệ điều chỉnh pH tự động

Để hiệu chỉnh pH tự động ba yếu tố sau rất quan trọng: một là cờng độ khuấytrộn, hai là thời gian lu nớc trong bồn, và ba là thời gian đáp ứng của điện cực đo

pH và hệ cấp hoá chất tự động (bơm hoá chất và hệ điều khiển điện tử)

Cần có thiết bị pha axit thơng phẩm tới nồng độ sử dụng; hệ định lợng axit (có thểbằng bơm định lợng hoặc tự chảy), hệ đo và kiểm soát pH (pH-controller), hệkhuấy trộn, hệ van ống cần thiết Vật liệu bơm, van, ống bồn chứa phải chịu axit,tốt nhất là thép không gỉ, PVC Nếu dùng bơm tự động cần lắp trớc bơm hệ lọcbằng bông hoặc sợi thuỷ tinh, tránh cặn gây tắc van một chiều

pH thay đổi không tuyến tính với lợng axit hoặc bazơ cho thêm, vì vậy để kiểmsoát đợc pH trong khoảng giao động hẹp tốt nhất là sử dụng hệ trung hoà đa bậc(h 3.15, Eckenfelder, tr 86), trong đó khoảng 10% độ axit (hoặc bazơ) cuối cùng

đợc trung hoà bằng bazơ hoặc axit yếu

Khuấy trộn:

Thời gian l u khi trung hoà trong bể khuấy trộn ~ 5 phút Nếu dùng vôi cần 30phút

Nếu dùng máy khuấy cơ học cần công suất áp đặt 40  80 W/m3

Nếu bồn khuấy hình trụ thì D cánh khuấy : đờng kính bồn ~ 0,33 Tỷ lệ này càngnhỏ thì chi phí năng lợng khuấy cần càng cao nếu là cùng thời gian lu (h 3.16,Eckenfelder, tr 87)

Tỷ lệ mức nớc : đờng kính = gần 1 Bồn cần có vách chắn (ít nhất 2 vách đốixứng), bề rộng vách = 1/12-1/20 đờng kính, vách chắn cách quỹ đạo quay củacánh khuấy 61 cm

Nếu khuấy trộn bằng không khí cần cờng độ sục khí ít nhất là 0,3 – 0,9 m3/

m2.phút với độ sâu H = 2,7 m

Ngoài các tiêu chuẩn về nớc yêu cầu nớc sản phẩm hoặc thải ra môi trờng phải

đạt vùng giá trị pH quanh giá trị trung hoà, khá nhiều quá trình xử lí n ớc yêu cầuthực hiện ở các pH nhất định, khi đó phải áp dụng hệ hiệu chỉnh pH theo yêu cầu

Có thể liệt kê một số quá trình sau:

1 Xử lí sắt(II) trong nớc cấp bằng ôxy không khí:

Phản ứng ôxy hoá Fe2+ tạo Fe3+ lắng lọc tốt xảy ra nhanh ở pH ≥ 6,8, trong phầnlớn các trờng hợp xử lí nớc ngầm nớc thô có pH xấp xỉ 6, chủ yếu do nớc ngầmgiàu CO2 Để nâng pH nớc ngầm trong trờng hợp này ngời ta thực hiện bằng cáchlàm thoáng thông thờng: cho nớc ngầm bão hoà không khí thông qua các thiết bịtrao đổi khí/nớc nh dàn ma, tháp tiếp xúc (hình 2.2, 2.3) Khi đó không khí sẽbão hoà vào nớc ngầm, đuổi CO2 ra và làm tăng pH

2 Xử lí mangan(II) trong nớc cấp bằng ôxi không khí:

Ôxy hoá Mn2+ thành MnO2 lọc đợc yêu cầu pH 9,5, điều này về nguyên tắc chỉ≥ 9,5, điều này về nguyên tắc chỉ

có thể đạt đợc bằng cách bổ xung kiềm, sau phản ứng lại phải hạ pH bằng hoáchất, dẫn tới phức tạp trong vận hành, tăng chi phí xử lí Trong thực tế ng ời ta hay