Bài giảng Quá trình hóa sinh trong xử lý nước

Các quá trình hóa học xử lý nước cấp Trang 5 Chương 2.. Các quá trình hóa học xử lý nước thải • Nguồn gốc phân loại và thành phần tính chất các nước thải • Trung hồ nước thải • Oxy hố

Giảng viên: Nguyễn Hoài Nam

Khoa Hóa và Môi trường – BM KT&QL Môi trường

QUÁ TRÌNH HÓA - SINH

TRONG XỬ LÝ NƯỚC

• Ứng dụng các quá trình trong công nghệ xử lý nước

Chương 1 Các quá trình hóa học xử lý nước cấp

• Các chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước và tiêu chuẩn

• Keo tụ cặn bẩn trong nước

Chương 2 Các quá trình hóa học xử lý nước thải

• Nguồn gốc phân loại và thành phần tính chất các nước thải

• Trung hoà nước thải

• Oxy hoá các chất ô nhiễm trong nước

• Quá trình hấp phụ và trao đổi ion để xử lý các chất độc hại

Chương 3 Các khái niệm cơ bản về vi sinh vật

• Hình thái, cấu tạo và nguyên tắc phân loại vi sinh vật

• Thành phần hoá học của tế bào vi sinh vật

• Quy luật sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật

• Sự phân bố của vi sinh vật trong thiên nhiên và vai trò của chúng trong quá trình chuyển hoá các chất

Chương 4 Vi sinh vật trong công trình nước cấp

• Vi sinh vật gây bệnh và chỉ tiêu vệ sinh về vi sinh vật trong nước cấp sinh hoạt

• Nguồn nước, sự nhiễm bẩn nguồn nước, quá trình tự làm sạch của nguồn nước

• Những quá trình vi sinh vật trong các công trình cấp nước

Chương 5 Vi sinh vật trong công trình nước thải

• Các loại nước thải và vi sinh vật trong nước thải đô thị

• Những quá trình vi sinh vật trong các công trình xử lý nước thải

Cơ sở hóa học các quá trình xử lý nước cấp và

nước thải

Các quá trình hóa học xử lý nước cấp

• Quan trọng do liên quan đến sức khỏe cộng đồng

• Trực khuẩn coli; các loại trứng giun…

• Phóng xạ

• Ít được quan tâm trong nhiều trường hợp

• Chất lượng nước thô

- Trong tự nhiên

• Tùy địa hình, chất lượng nước sẽ khác nhau

- Nước ở những vùng có núi đá vôi và phong hóa mạnh

- Nhiều ion Ca2+, Mg2+  độ cứng của nước rất cao

- Nước ở các hồ, ao ít lưu thông

- Tích lũy phân bón

- Dư thừa chất dinh dưỡng như nitrogen, phosphorus

- Oxy hòa tan rất thấp và thường có rong, rêu, tảo

• Chất lượng nước thô

- Các nguồn nước tiếp nhận các dòng nước thải sinh hoạt

- Thường bị ô nhiễm bởi các chất hữu cơ và các mầm bệnh

- Các nguồn nước tiếp nhận các dòng nước thải công nghiệp

- Thường ô nhiễm các chất độc hại như các kim loại nặng…

- Các nguồn nước ngầm

- Ít bị ảnh hưởng của các dòng nước thải SH và công nghiệp

- Tiêu chuẩn

- quy định về “đặc tính kỹ thuật và yêu cầu quản lý” tiêu

chuẩn do một tổ chức công bố

- Quy chuẩn kỹ thuật

- quy định về “mức giới hạn của đặc tính kỹ thuật và yêu

cầu quản lý”

- do cơ quan nhà nước ban hành

- Phải áp dụng (tuân theo)

• Hiện nay quy chuẩn chất lượng nước ăn uống và sinh hoạt được ban hành bởi Bộ Y tế

• QCVN 01:2009/BYT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước ăn uống

• QCVN 02:2009/BYT Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước sinh hoạt

• TC chất lượng nước sản xuất: theo đặc thù ngành

• Các nguồn nước trong tự nhiên:

• Nước mưa

• Nước bề mặt

• Nước ngầm

• Nước biển

Vòng tuần hoàn nước thiên nhiên

• Tuần hoàn nước trong đô thị

• Khai thác > Xử lý nước cấp > Phân phối > Sử dụng > Thải

bỏ > Thu gom > Xử lý nước thải > Xả thải

• Cộng đồng ở thượng nguồn, cuối nguồn

• Gia tăng dân số dọc theo nguồn nước, nhu cầu cấp nước ngày càng cao

• Nguồn gốc nước thải

• Nước thải hình thành trong quá trình sản xuất và sinh hoạt

• Nước thải sinh hoạt

• Nước đã được dùng cho các mục đích ăn uống, sinh hoạt, tắm rửa, vệ sinh nhà cửa,

• Ở các khu dân cư, công trình công cộng, cơ sở dịch vụ

• Một số các hoạt động dịch vụ hoặc công cộng

• Bệnh viện, trường học, bếp ăn, tương tự như NTSH

• Nước thải sản xuất

• Sử dụng như nguyên liệu sản xuất, giải nhiệt, làm sạch bụi

• Nước thải sản xuất

• Nước thải sản xuất không bẩn (làm nguội, giải nhiệt )

• Nước thải sản xuất bẩn

• Có thể chứa nhiều loại tạp chất với nồng độ khác nhau

• Các quá trình xử lý nước

1 Khai thác và vận chuyển nước thô

2 Xử lý nước và lưu trữ

3 Vận chuyển và phân phối nước sạch

• Mục tiêu cần đạt được của xử lý nước

1 Loại bỏ cặn, các chất hữu cơ

2 Loại bỏ các chất độc

3 Khử trùng

4 Ổn định nước

• Áp dụng quá trình xử lý theo đặc tính chất ô nhiễm

• Áp dụng quá trình xử lý theo đặc tính chất ô nhiễm

• Cấu tạo hạt keo bản chất hóa lý quá trình keo tụ

• Nhân thường có cấu tạo

tinh thể

• Lớp keo bao quanh là

mixen hay hạt keo (ion

• Ví dụ

• Fe(OH)3: Nhân

• Do có diện tích bề mặt lớn nên hấp phụ những ion gần giống

• Lớp này là QĐTH (lớp ximen

• Cl-: lớp trung hòa điện tích gọi là lớp ion bù

• Khi hạt keo chuyển động

• Các lực trong quá trình đông keo tụ

• Lực hút

• Diện tích bề mặt riêng hạt keo lớn

• Các hạt keo có xu hướng hút nhau nhờ các lực bề mặt

• Lực đẩy

• Các hạt keo tích điện cùng dấu đặc trưng bằng thế zeta (ξ)

• Các hạt keo đẩy nhau  ngăn tạo hạt lớn hơn

• Mối quan hệ giữa các lực tác động lên các hạt keo với khoảng cách

• Quá trình đông keo tụ

• Loại bỏ các hạt cặn lơ lửng và các hạt keo khỏi nước

• Các hạt kích thước 10-5-10-9m, không thể tự lắng

• Các hạt keo: Đất sét, oxide kim loại, protein và vi sinh vật

• Cơ chế đông keo tụ khi chưa có trợ keo tụ

1 Nén lớp điện tích kép

2 Hấp phụ và trung hòa điện tích

3 Hấp phụ và bắc cầu giữa các hạt keo

4 Đông tụ trong quá trình lắng

• Cơ chế đông-keo tụ trong dung dịch

• Chuyển động nhiệt

• Sự keo tụ của các hạt kích thước < 0,1 µm bởi khuyếch tán

• Cơ chế của sự keo tụ là chuyển động Brown

• Sau vài giây kích thước bông keo có thể đạt 1-100 µm

• Sự chuyển động của lưu chất (nước)

• Khuấy trộn là cơ chế keo tụ của hạt kích thước > 1 µm

• Sự khuấy trộn là để thúc đẩy keo tụ orthokinetic

• Cơ chế đông-keo tụ trong dung dịch

• Sự lắng của các hạt

• Kích thước khác nhau nên tốc độ lắng khác nhau

• Sự khác biệt tốc độ lắng nên các hạt va chạm và keo tụ

• Hóa chất

• Thường bổ sung chất trợ keo như các polymer

• Sau 5 – 10 phút bổ sung chất đông tụ

• Các chất trợ keo tụ này giúp tạo ra các cầu nối

• Cơ chế đông keo tụ khi có chất trợ lắng

• Phá tính bền của hệ keo do lực đẩy tĩnh điện

• Trung hòa điện tích hạt keo

• Dùng các ion kim loại đa hóa trị trong các muối vô cơ

• Tạo điều kiện để cho hạt keo va chạm với các bông kết tủa (hiệu ứng quét)

• Cơ chế đông keo tụ khi có chất trợ lắng

• Dùng chất cao phân tử để khâu (hấp phụ) các hạt keo

• Cơ chế hấp phụ bắc cầu

• Hợp chất polymer cấu trúc mạch dài

• Các phân tử polymer tạo ra cầu nối với nhau

• Tạo bông keo tụ kích thước lớn tăng độ lắng

• Phân tán dung dịch polymer vào hệ huyền phù

• Polymer di chuyển tới bề mặt hạt keo

• Polymer hấp phụ lên bề mặt hạt keo

• Liên kết giữa các hạt đã hấp phụ polymer với nhau

• Quá trình keo tụ bới Fe3+

• Giai đoạn 1: Tạo các hạt gây keo tụ

• Giai đoạn 2: Làm mất tính ổn định

• Giai đoạn 3: Tạo bông

• Các hạt Fe(OH)3 có xu thế dính với nhau tạo bông cặn lớn

• Dễ dàng lắng dưới tác dụng của trọng lực

• Polime mạch thẳng, tan trong nước

• Có 3 dạng cation, anion, và không ion

• VD: poliacrylamit, poliacrylic, polystiren…

• Phản ứng keo tụ nhờ chất trợ lắng polime

• Phản ứng keo tụ

• Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình keo tụ

6 Ảnh hưởng của anion trong dung dịch

7 Ảnh hưởng của cation trong dung dịch

8 Nhiệt độ

• Nồng độ chất keo tụ

• pH

• Jartest

• Khuấy trộn

• Sơ đồ công nghệ keo tụ, tạo bông:

1 – Thùng pha hóa chất

• Fe chiếm 5,6% và Mn < 0,1% khối lượng vỏ Trái đất

• Fe và Mn thường tồn tại cùng nhau

• Mục tiêu xử lý Fe và Mn

• Lý do cảm quan: Fe (III) và Mn (IV) gây ra màu và mùi vị

• QCVN 01:2009/BYT: Tổng Fe < 0,3 mg/L, Mn < 0,3 mg/L

• QCVN 02: 2009/BYT: Tổng Fe < 0,5 mg/L

• Sự kết tủa Fe và Mn gây cặn đường ống phân phối nước

• Fe và Mn giảm sự phát triển của vi sinh vật sinh trưởng

• Fe và Mn có thể làm hỏng màu của sản phẩm công nghiệp

• Các phương pháp xử lý Fe và Mn

• Phương pháp oxy hóa (làm thoáng hoặc chất oxy hóa)

• Trao đổi ion (Ion Exchange)

• Màng thẩm thấu ngược (RO: Reverse Omosis)

• Quá trình sinh học (bioferro và bioman)

• Xử lý bằng phương pháp oxy hóa - làm thoáng

• Nguyên tắc:

• Chuyển Fe, Mn sang không tan bằng oxy không khí

• Các phản ứng oxy hóa với oxy không khí

• pH = 7,5 – 8,0: 𝝉oxy hóa sắt ~ 15 min – 1 h

• pH = 9,5: 𝝉oxy hóa Mn ~ 1h

• pH thấp hơn: không xảy ra phản ứng

a) Làm thoáng đơn giản

• Sử dụng hóa chất oxy hóa

• pH = 5,5 không có chất hữu cơ thời gian OXH sắt ~ 5s và

Mn ~ 20s; pH cao hơn thời gian nhanh hơn

• Sử dụng hóa chất oxy hóa

• Các phản ứng với KMnO4

• pH > 5,5 Fe2+ và Mn2+ bị OXH < 20s

• Khi có chất hữu cơ để oxh hoàn toàn Fe2+ cần 1h

• OXH Fe2+ thành Fe3+ khi có mặt lớp màng MnO2

• Lớp MnO2 là xúc tác làm tăng quá trình oxh kể cả pH thấp

• Phương pháp lọc

• Vật liệu lọc: cát mangan, cát thạch anh và anthracite

• Cát mangan

• Sản xuất từ glauconite (iron potassium silicate)

• Lớp phủ MnO2 trên bề mặt vật liệu xúc tác oxy hóa Mn2+

• Các quá trình và phản ứng khi xử lý Fe và Mn bằng thoáng + lọc nhanh

• Sơ đồ công nghệ

• Xử lý sắt mangan bằng trao đổi ion

• Thích hợp với nước ngầm có Fe, Mn thấp < 0,5 mg/L

• Nồng độ cao tạo lớp oxit trên bề mặt không tái sinh được

• Phản ứng

• Loại bỏ sắt và mangan bằng màng lọc nano

• Nguyên tắc

• Màng lọc chắn những phần tử to khi đi qua các lỗ màng

• Đường kính nhỏ: 0.001 micron (1 nm)

• Sử dụng với áp suất thấp tới trung bình

• Thường loại bỏ các độc chất ô nhiễm

• Chì

• Sắt

• Niken

• Thủy ngân (II)

• Loại bỏ sắt và mangan bằng màng lọc nano

• Vật liệu nano mới

Electricity moving through a membrane

• Loại bỏ sắt và mangan bằng màng lọc nano

• Lọc màng nano (NF) hiệu quả

• Fe(OH)3 và MnO2 gây tắc màng (nồng độ nhỏ)

• Với nguồn nước yếm khí có thể kiểm soát không oxh Fe và

Mn  lọc rất hiệu quả

• Tiền xử lý chất hữu cơ, NH3 và H2S

• Trao đổi ion hoặc lọc màng

• Cơ chế khử trùng bằng hóa chất

• Trong nước (thải) tồn tại vi sinh vật gây bệnh  khử trùng

• Mặc dù tiêu diệt phần lớn (90 – 95%) nhưng vẫn còn số lượng đáng kể

• Tác nhân khử trùng hủy hoại thành tế bào,…ức chế hoạt động của enzyme

• Các yếu tố ảnh hưởng tới khử trùng

• Thời gian tiếp xúc

• Cường độ của tác nhân

• Tuổi của vi sinh vật

• Tính chất dòng nước

• Nhiệt độ

• Ảnh hưởng của pH

• Hypoclorit là axit yếu phân ly không hoàn toàn

• HOCl chiếm ưu thế khi pH < 7,5

• pH = 7,5 thì HOCl và OCl- bằng nhau

• pH > 7,5 thì OCl chiếm ưu thế

• Thời gian tiếp xúc

• Thời gian khử trùng giảm khi cường độ tác nhân tăng

• Ngược lại thời gian tăng khi cường độ tác nhân giảm

• t: thời gian tiếp xúc

• I: cường độ tác nhân khử trùng (mg/L hoặc W/m2)

• m: hằng số (tổng quát hóa phương trình)

Với k: hằng số tỷ lệ thì có thể viết

• Tuổi thọ vi khuẩn

• Vi khuẩn non dễ dàng bị tiêu diệt

• Vi khuẩn già thì khả năng chống chịu tốt hơn

• Do lớp polysaccharide phát triển bao bọc quanh tế bào

• Trường hợp đặc biệt bào tử (bacterial spore) rất bền vững

• Nhiều tác nhân khử trùng rất ít hoặc không có ảnh hưởng

• Ảnh hưởng của tính chất của nước

• Các thành phần

• Fe2+, Mn2+, H2S có thể phản ứng với chlorine trước

• Làm giảm khả năng khử trùng

• Độ đục cũng ảnh hưởng

• Ảnh hưởng của nhiệt độ

• Khi nhiệt độ tăng

• Độ nhớt giảm, chuyển động nhiệt tăng

• Quá trình khuếch tán chất khử trùng qua vỏ tế bào nhanh hơn

• Đối với chloramine nhiệt độ có ảnh hưởng nhiều hơn chlorine tự do

• Ảnh hưởng của nhiệt độ đến thời gian tiếp xúc

• Biểu diễn qua phương trình (từ phương trình Van’t Hoff):

n: hằng số thực nghiệm liên quan đến nồng độ chất khử trùng k: hằng số cho biết khả năng vô hoạt

• Động học quá trình khử trùng

• Phương trình Chick-Watson (1908)

• Tuyến tính hóa phương trình Watson:

nlogC + logt = logk

• n là hệ số góc của đường thẳng logc-logt

• n được gọi là hệ số pha loãng vì liên quan đến sự pha loãng nồng độ chất khử trùng

• Nếu n> thì hiệu quả của chất khử trùng giảm khi pha loãng

• Nếu n < 1 thì thời gian khử trùng quan trọng hơn nồng độ

• Nếu n = 1 thời gian khử trùng và nồng độ quan trọng như nhau

• Động học quá trình khử trùng

• Phương trình Chick-Watson (1908)

• Động học quá trình khử trùng

• Chú ý:

• Phương trình Chick - Watson giả thiết nồng độ chất khử trùng không đổi theo thời gian

• Giả thiết này chấp nhận được trong điều kiện PTN

• hoặc trong thực tế với chlorine tổ hợp tương đối bền và chlorine tự do với thời gian tiếp xúc ngắn

• Thực tế chất khử trùng giảm theo thời gian (ozon)

• Với tia UV thì các phương trình trên cũng áp dụng được

• Thay C mg/L bằng I cường độ tia uv (mW/cm2)

• Động học quá trình khử trùng

• Phương trình Collins-Selleck (1971, hiêu chính 1978)

• Mô hình hóa động học quá trình vbởi chlorine

• Mô hình có giá trị so với các mô hình khác

• cs: hệ số từ vong riêng Collins-Selleck

• b: hệ số thích nghi, mg.min/L

• Ý nghĩa của b

• Quá trình không thể xảy ra cho đến khi C

• Động học quá trình khử trùng

• Dạng nguyên bản của phương trình Collins-Selleck

• Sử dụng để thiết kế quá trình khử trùng bằng chlorine (với b

= 4 và cs = -3)

C: nồng độ chlorine dư sau thời gian tiếp xúc, mg/L t: thời gian tiếp xúc, min

N: MPN trong nước ở thời điểm sau tiếp xúc

N0: MPN trong nước trước khi chlorine hóa

• So sánh hai công thức

• Cơ chế khử trùng bằng clo

• Khi trong nước không có NH3

• HOCl là chất trung tính  khuếch tán vào tế bào vi khuẩn  phá hủy cấu trúc của các enzyme  tiêu diệt VSV

• OCl - mang điện tích âm  khó xâm nhập vào tế bào vi khuẩn

•  pH trong nước càng thấp  HOCl càng nhiều  hiệu quả khử trùng càng tốt

• Các phản ứng phụ của khử trùng

• Phân hủy bởi ánh sáng mặt trời

• Cl2(aq) bền trong nước (tinh khiết)

• Không bền dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời

• Năng lượng của ánh sáng mặt trời bẻ gãy phân tử

• Các phản ứng phụ của khử trùng

• Phản ứng với các chất vô cơ

• Các sản phẩm này đều có khả năng gây ung thư

• Liều lượng clo cần thiết

• Nhu cầu chlorine

• Khi chlorine vào nước, một phần sẽ phản ứng với các thành phần của nước

• Nồng độ chlorine sẽ giảm theo thời gian

• Lượng chlorine đã phản ứng là nhu cầu chlorine

• Nhu cầu chlorine thay đổi tùy theo

• Chất lượng nước, pH, nhiệt độ

• Thời gian tiếp xúc

• Liều lượng clo cần thiết

• Đối với nước cấp

• Thường quy định dư lượng chlorine

• Tránh vi sinh vật tái sinh trưởng trong hệ thống phân phối

• Nếu biết clo cho vào và dư lượng trung bình trong một khoảng thời gian

• Tính được dư lượng clo trung bình và ngược lại

• Dư lượng chlorine tự do và kết hợp phụ thuộc vào pH

• Dư lượng chlorine tự do 0,2 mg/L ở pH thấp hơn 9,2

• 0,3 mg/L ở pH 9,5 và 0,5 mg/L ở pH 10

• Liều lượng clo cần thiết

• QCVN 02:2009/BYT quy định dư lượng chlorine tự do 0,3-0,5 mg/L ở pH 6,0-8,5

• Liều lượng chlorine thường xác định bằng thực nghiệm

• Quá trình khử trùng nước thải bằng chlorine khó khăn hơn

• Do sự có mặt thường xuyên của các hợp chất nitrogen

• Đặc biệt là ammonia do tạo thành chloramine

• Liều lượng clo cần thiết

• Đồ thị quan hệ lượng chlorine thêm vào với dư lượng

• Liều lượng clo cần thiết

• Đồ thị quan hệ lượng chlorine thêm vào với dư lượng

• Từ lúc bắt đầu thêm tới điểm A

• Chlorine phản ứng với các chất Fe2+, Mn2+, H2S hay NO2-

• Không có dư lượng chlorine cho tới điểm A

• Trong nước có thể có amine hữu cơ và sản phẩm phân hủy như ammonia

• Ammonia có thể được thêm vào nước để tạo chloramine