Giáo trình Cơ sở công nghệ môi trường

Công nghệ môi trường là tổng hợp các biện pháp vật lý, hoá học, sinh học nhằm ngăn ngừa và xử lý các chất độc hại phát sinh từ quá trình sản xuất và hoạt động của con người. Công nghệ môi trường bao gồm các tri thức dưới dạng nguyên lý, quy trình và các thiết bị kỹ thuật thực hiện nguyên lý và quy trình đó

MỤC LỤCBộ giáo trình Cơ Sở Công Nghệ Môi Trường Bộ giáo trình này gồm các chương:

CHƯƠNG 1 GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 Một Số Khái Niệm Cơ Bản

1.2 Công Nghệ Môi Trư ờng

1.2.1 Công nghệ xư û lý nư ớc cấp 1.2.2 Công nghệ xư û lý nư ớc thải 1.2.3 Công nghệ xư û lý khí thải 1.2.4 Công nghệ xư û lý chất thải rắn

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ CÁC QUÁ TRÌNH LÝ HỌC

CHƯƠNG 4 CƠ SỞ CÁC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ HÓA LÝ

4.1 Quá Trình Keo Tụ– Tạo Bông

4.2 Quá Trình Kết Tủa

4.3 Quá Trình Tuyển Nổi Hóa Học

4.4 Quá Trình Điện Phân

4.5 Quá Trình Hấp Phụ

4.6 Quá Trình Trao Đổi Ion

4.7 Quá Trình Thẩm Thấu

4.8 Quá Trình Trích Ly

4.9 Quá Trình Làm Thoáng và Tách Khí

CHƯƠNG 5 CƠ SỞ CÁC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ SINH HỌC

5.1 Động Học Quá Trình Sinh Học Xư û Lý Chất Thải 5.2 Quá Trình Sinh Học Hiếu Khí

5.2.1 Quá trình sinh học tăng trư ởng lơ lư ûng 5.2.2 Quá trình sinh học tăng trư ởng dính bám 5.3 Quá trình sinh học kỵ khí

5.4 Quá trình sinh học tư ï nhiên & Hồ sinh vật

CHƯƠNG 1

GIỚI THIỆU CHUNG

1.1 CÁC THÔNG SỐ ĐÁNH GIÁ CHẤT LƯỢNG NƯỚC

Để đánh giá chất lượng nước, người ta đưa ra các chỉ tiêu về chất lượng nước như sau:

- Các chỉ tiêu vật lý cơ bản như: độ đục, độ màu, độ pH, độ nhớt, tính phóng xạ, độ cứng, nhiệt độ…

- Các chỉ tiêu hóa học của nước như: chỉ tiêu về nhu cầu ôxy hóa học COD (Chemical Oxygen Demand), lượng ôxy hòa tan DO, hàm lượng H2S, Cl-, SO42-,

PO43-, F-, I-, Fe2+, Mn2+, các hợp chất nitơ, các hợp chất của axít cacbonic…

- Các chỉ tiêu vi sinh: số vi trùng gây bệnh E.coli, các loại rong tảo, virut…

1.1.1 Các Chỉ Tiêu Vật Lý

Độ Đục

Nước nguyên chất là một môi trường trong suốt và có khả năng truyền ánh sáng tốt, nhưng khi trong nước có tạp chất huyền phù, cặn rắn lơ lửng, các vi sinh vật và cả các hóa chất hòa tan thì khả năng truyền ánh sáng của nước giảm đi Dựa trên nguyên tắc đó mà người ta xác định độ đục của nước Nước có độ đục cao tức là nước có nhiều tạp chất chứa trong nó và do vậy khả năng truyền ánh sáng qua nước giảm Có nhiều phương pháp để xác định độ đục của nước và do vậy kết quả thường được biểu thị bằng các đơn vị khác nhau

Theo tiêu chuẩn Việt Nam, độ đục được xác định bằng chiều sâu lớp nước thấy được, gọi là độ trong, ở độ sâu đó người ta có thể đọc được hàng chữ tiêu chuẩn Đối với nước sinh hoạt, độ đục phải lớn hơn 30 cm

Độ Màu

Nước nguyên chất không màu, nước có màu là do các chất bẩn hòa tan trong nước tạo nên Nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp thường tạo ra màu xám hoặc đen cho nguồn nước

Độ Cứng

Độ cứng của nước là đại lượng biểu thị hàm lượng các ion canxi, magiê có trong nước Trong xử lý nước thường phân biệt ba loại độ cứng: độ cứng toàn phần, độ cứng tạm thời và độ cứng vĩnh cửu

Hàm Lượng Chất Rắn Trong Nước

Hàm lượng chất rắn trong nước gồm có chất rắn vô cơ, chất rắn hữu cơ Trong xử lý nước khi nói đến hàm lượng chất rắn, người ta đưa ra các khái niệm sau:

- Tổng hàm lượng cặn lơ lửng TSS (Total Suspended Solid) là trọng lượng khô tính bằng miligam của phần còn lại sau khi bay hơi 1 lít mẫu nước trên nồi cách thủy rồi say khô ở 1030C tới khi trọng lượng không đổi, đơn vị mg/l

- Cặn lơ lửng SS (Supended Solid), phần trọng lượng khô tính bằng mg của phần còn lại trên giấy lọc khi lọc 1 lít mẫu nước qua phễu say khô ở 103oC – 1050C khi có trọng lượng không đổi, đơn vị là mg/l

- Chất rắn hòa tan DS (Dissolved Solid) bằng hiệu giữa tổng lượng cặn lơ lửng TSS và cặn lơ lửng SS: DS = TSS – SS

- Chất rắn bay hơi VS (Volatile Solid) là phần mất đi khi nung ở 550oC trong một thời gian nhất định Phần mất đi là chất rắn bay hơi, phần còn lại là chất rắn không bay hơi

• Các chất gây mùi có nguồn gốc hữu cơ trong chất thải công nghiệp, chất thải mạ, dầu mỡ, phenol…

• Các chất gây mùi từ các quá trình sinh hóa, các hoạt động của vi khuẩn, rong tảo

Độ Phóng Xạ Trong Nước

Nước nhiễm phóng xạ do sự phân hủy phóng xạ trong nước thường có nguồn gốc từ các nguồn nước thải Phóng xạ gây nguy hại cho sự sống nên độ phóng xạ trong nước thường được xem như là một trong những chỉ tiêu quan trọng về chất lượng nước

1.1.2 Các Chỉ Tiêu Hoá Học

Hàm Lượng Oxy Hoà Tan DO (Dissolved Oxygen)

Oxy hoà tan trong nước phụ thuộc vào các yếu tố như áp suất, nhiệt độ, đặc tính của nguồn nước bao gồm các thành phần hoá học, vi sinh, thuỷ sinh Các nguồn nước mặt có bề mặt thoáng tiếp xúc trực tiếp với không khí nên thường có hàm lượng oxy hoà tan cao Ngoài ra qúa trình quang hợp và hô hấp của sinh vật trong nước cũng làm thay đổi oxy hoà tan trong nước mặt Nước ngầm thường có hàm lượng oxy hoà tan thấp do các phản ứng oxy hoá khử xảy ra trong lòng đất đã tiêu thụ một phần oxy

Oxy hoà tan trong nước không tác dụng với nước về mặt hoá học Khi nhiệt độ tăng, khả năng hoà tan oxy trong nước giảm, khi áp suất tăng khả năng oxy hoà tan vào nước cũng tăng Hàm lượng oxy hoà tan trong nước tuân theo định luật Henry, trong nước ngọt, ở điều kiện 1at và 0oC , lượng oxy hoà tan trong nước đạt tới 14,6 mg/l, ở 35oC và 1 at, giá trị oxy hoà tan trong nước chỉ còn 7mg/l Thông thường nồng độ oxy bão hoà trong nước ở điều kiện tới hạn là 8mg/l Khi nhiệt độ tăng lượng oxy hoà tan trong nước giảm đi, đồng thời lượng oxy tiêu tốn cho các quá trình oxy hoá sinh học lại tăng lên, do đó DO trong các nguồn nước thường giảm đi đáng kể vào mùa hè

Nhu Cầu Oxy Hoá Học COD (Chemical Oxygen Demand)

COD là lượng oxy cần thiết để oxy hoá hết các hợp chất hữu cơ trong nước, tạo thành CO2và H2O COD là một đại lượng dùng để đánh giá sơ bộ mức độ nhiễm bẩn của nguồn nước COD biểu thị cả lượng chất hữu cơ không thể bị oxy hoá bằng vi khuẩn Chất oxy hoá thường dùng ở đây là kali permanganat hoặc kali bicromat

Nhu Cầu Oxy Sinh Học BOD (Biological Oxygen Demand)

BOD là lượng oxy cần thiết để vi khuẩn phân huỷ các chất hữu cơ ở điều kiện hiếm khí Trong môi trường nước, khi quá trình oxy hoá sinh học xảy ra thì các vi khuẩn sử dụng oxy hoà tan Phản ứng xảy ra như sau:

Chất hữu cơ + O2→ CO2 + H2O

Vận tốc của quá trình oxy hoá nói trên phụ thuộc vào số vi khuẩn có trong nước và nhiệt độ của nước

BOD cũng là chỉ tiêu để xác định mức độ nhiễm bẩn của nước

BOD có thể xác định bằng phương pháp hoá học khi sử dụng kali permanganat, xanh metylen, xác định từ COD Hoặc có thể dùng phương pháp sinh học, dùng chai BOD hay phương pháp hô hấp Nhược điểm của phương pháp xác định này là tốn nhiều thời gian Sau

5 ngày khoảng 70 đến 80% các chất hữu cơ bị oxy hoá, do đó BOD5 biểu thị một phần tổng BOD Theo lý thuyết để oxy hoá gần hết hoàn toàn các chất hữu cơ (98 đến 99%) đòi hỏi sau 20 ngày Thông thường BOD5 / COD = 0,5 – 0,7

Khí Hydrosunfua H

2 S

Khí hydrosunfua H2S là sản phẩm của quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ, phân rác có trong nước thải Khí hydrosunfua làm cho nước có mùi trứng thối khó chịu Với nồng độ cao, khí hydrodunfua mang tính ăn mòn vật liệu

Các Hợp Chất Của Nitơ

Các hợp chất của nitơ trong nước là kết quả của quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ trong tự nhiên, trong chất thải và trong các nguồn phân bón mà con người trực tiếp hoặc gián tiếp đưa vào nguồn nước Các hợp chất này thường tồn tại dưới dạng amo6nia8c, nitrit, nitrat và cả dạng nguyên tố nitơ (N2)

Các Hợp Chất Của Axít Cacbonic

Độ ổn định của nước phụ thuộc vào trạng thái cân bằng giữa các dạng hợp chất của axit cacbonic Axit cacbonic là một axit yếu, trong nước hợp chất này phân ly như sau:

H2CO3→ H+ + HCO3

-2HCO3-→ CO32- + CO2 + H2O

Các Hợp Chất Của Axít Silic

Trong nước thiên nhiên thường có các hợp chất của axít silic, mức độ tồn tại của chúng phụ thuộc vào độ pH của nước Các hợp chất này có thể tồn tại ở dạng keo hay ion hoà tan Sự tồn tại của hợp chất này gây lắng đọng cặn silicat trên thành ống, nồi hơi, làm giảm khả năng vận chuyển và khả năng truyền nhiệt

Các Hợp Chất Clorua

Clo tồn tại trong nước ở dạng ion Cl- Ở nồng độ cho phép không gây độc hại, ở nồng độ cao (250mg/l) cho làm nước có vị mặn Các nguồn nước ngầm có thể có hàm lượng clo lên tới 500÷1000 mg/l Sử dụng nước có hàm lượng clo cao có thể gây bệnh thận Nước chứa nhiều ion Cl- có tính xâm thực đối với bê tông Ion Cl- có trong nước do sự hoà tan các muối khoáng hoặc do quá trình phân huỷ các hợp chất hữu cơ

Các Hợp Chất Sunfua

Ion SO42- có trong nước do khoáng chất hoặc có nguồn gốc hữu cơ, với hàm lượng sunfat lớn hơn 250 mg/l, nước gây tổn hại đến sức khoẻ con người Hàm lượng SO42- lớn hơn 300 mg/l, nước gây tính xâm thực mạnh đối với bêtông

Ở điều kiệm yếm khí, SO42- phản ứng với các chất hữu cơ tạo thành khí H2S là khí mang tính độc hại

Các Hợp Chất Photphat

Khi nguồn nước bị nhiễm bẩn phân rác và các hợp chất hữu cơ, quá trình phân huỷ giải phóng ion PO42- Sản phẩm của quá trình có thể tồn tại ở dạng H2PO4-, HPO42-, PO43-,

Na3(PO3), các hợp chất hữu cơ photpho…Khi trong nước có hàm lượng photphat cao sẽ thúc đẩy quá trình phì dưỡng

Các Hợp Chất Florua

Nước ngầm ở giếng sâu hoặc ở các vùng đất có chứa quặng apatit thường có hàm lượng các hợp chất florua cao (2,0 đến 2,5 mg/l), tồn tại ở dạng cơ bản là canxi forua và magiê florua

Các hợp chất florua khá bền vững, khó bị phân huỷ ở quá trình tự làm sạch Hàm lượng florua trong nước cấp ảnh hưởng đến việc bảo vệ răng Nếu thường xuyên dùng nước có hàm lượng florua lớn hơn 1,3 mg/l hoặc nhỏ hơn 0,7 mg/l đều dễ mắc bệnh loại men răng

Các Hợp Chất Iođua

Các hợp iođua có trong nguồn nước thiên nhiên với hàm lượng nhỏ, iođua cần thiết cho sự phát triển bình thường của con người Ở những vùng nước thiếu iot thường xuất hiện bệnh bướu cổ Mặc dù vậy, khi sử dụng thường xuyên nước có hàm lượng iođua cao cũng có hại cho sức khoẻ

1.1.3 Các Chỉ Tiêu Vi Sinh

Trong nước thiên nhiên có nhiều loại vi trùng, siêu vi trùng, rong, tảo và các loại thuỷ sinh khác Tuỳ theo tính chất, các loại vi sinh trong nước được chia thành hai nhóm: nhóm vi sinh có hại và nhóm vi sinh vô hại Nhóm vi sinh có hại bao gồm các vi trùng gây bệnh, các loại rong rêu, tảo, nhóm này cần loại bỏ khỏi nước trước khi sử dụng

Vi Trùng Gây Bệnh

Đó là các vi trùng trong nước gây bệnh lỵ thương hàn, dịch tả, bại liệt…Việc xác định sự có mặt của của các loại vi trùng gây bệnh thường rất khó và mất nhiều thời gian do sự đa dạng về chủng loại Vì vậy, trong thực tế thường áp dụng phương pháp xác định chỉ số vi trùng đặc trưng Nguồn gốc của vi trùng gây bệnh trong nước là các nguồn nhiễm bẩn phân rác, chất thải của người và động vật Trong chất thải của người và động vật luôn có loại vi khuẩn Ecoli sinh sống và phát triển Sự có mặt của E.coli trong nước chứng tỏ nguồn nước đã bị ô nhiễm bởi phân rác, chất thải của nhười và động vật và ó khả năng tồn tại các loại vi trùng gây bệnh Số lượng E.coli nhiều hay ít tuỳ thuộc vào mức nhiễm bẩn của nguồn nước Đặc tính của E.coli nhiều hay ít tuỳ thuộc vào mức nhiễm bẩn của nguồn nước Đặc tính của vi khuẩn E.coli là khả năng tồn tại cao hơn các loài vi trùng gây bệnh khác, do đó sau khi xử lý nếu trong nước không vòn phát hiện thấy vi khuẩn E.coli chứng tỏ các loài vi trùng gây bệnh khác đã bị tiêu diệt hết Mặc khác, việc xác định số lượng vi khuẩn E.coli thường đơn giản và nhanh chóng cho nên loại vi khuẩn này được chọn làm vi khuẩn đặc trưng trong việc xác định mức nhiễm bẩn do vi trùng gây bệnh trong nước

Người ta phân biệt trị số E.coli và chỉ số E.coli Trị số E.coli là đơn vị thể tích nước có chứa

1 vi khuẩn E.coli, còn chỉ số E.coli là số lượng vi khuẩn E.coli có trong một lít nước

Tiêu chuẩn nước cấp cho sinh hoạt ở các nước tiên tiến qui định trị số E.coli không nhỏ hơn

100 ml nước, nghĩa là cho phép có 1 vi khuẩn E.coli trong 100 ml nước, chỉ số E.coli tương ứng sẽ là 10 Tiêu chuẩn vệ sinh Việt Nam qui định chỉ số E.coli của nước sinh hoạt phải nhỏ hơn 20

Ngoài ra, trong một số trường hợp, số lượng vi khuẩn hiếm khí và kỵ khí cũng được xác định

Các Loại Rong Tảo

Các loại rong tảo trong nước làm cho nước nhiễm bẩn chất hữu cơ và làm cho nước có màu xanh Trong nước có rất nhiều loại rong tảo sinh sống Các loại gây hại chủ yếu và khó laoi5 trừ là nhóm taỏ diệp lục và tảo đơn bào Trong kỹ thuật xử lý nước cấp, hai loại tảo đó thường đi qua bể lắng và đọng lại trên bề mặt lọc làm cho tổn thất áp lực trong bể tăng nhanh và thời gian giữa hai lần rửa lọc ngắn đi Khi phát triển trong đường ống dẫn nước, rong tảo có thể làm tắc ống, đồng thời làm cho nước có tính ăn mòn do quá trình quang hợp hô hấp thải ra khí cacbonic Vì vậy để tránh tác hại của rong tải cần có các biện pháp phòng ngừa sự phát triển của chúng ngay tại nguồn nước Tảo rong chỉ tồn tại trong nước mặt và có bốn nhóm chính có thể phát triển trong nước sông, hồ, hồ chứa: tảo lục giống vi khuẩn hơn là giống các loại tảo khác; tảo lam, tảo hai nhân và tảo có đuôi

Nguyên nhân của sự phát triển tảo trong các nguồn nước mặt là do có sự tồn tại của các chất dinh dưỡng như NH4+, NH3, N2, PO43-…trong nước và nhờ ánh sáng mặt trời chiếu vào nguồn nước

Các tác hại của tảo có trong nước ngoài việc làm tắt bể lọc ống dẫn, hệ thống, còn gây tình trạng thừa, thiếu oxy trong nước, tạo ra các chất gây mùi trong nước, tăng nồng độ các chất hữu cơ trong nước, tạo ra các chất độc hại trong nước…

CHƯƠNG 3

CƠ SỞ QUÁ TRÌNH HÓA HỌC

3.1 QUÁ TRÌNH TRUNG HÒA

Cơ sở: Phản ứng trung hòa: Acid + Bazờ → Muối + Nước

Ứng dụng

- Nước thải acid + nước thải kiềm → được trung hòa đến trung tính

- Nước thải acid + hóa chất kiềm → được trung hòa đến trung tính

- Nước thải kiềm + hóa chất acid → được trung hòa đến trung tính

3.1.1 Trung Hòa Nước Thải

Nước thải chứa các axít vô cơ hoặc kiềm cần được trung hòa đưa pH về khoảng 8,5 trước khi thải vào nguồn nhận Quá trình trung hòa nước thải có thể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau:

6,5 Trộn lẫn nước thải axít với nước thải kiềm;

- Bổ sung tác nhân hóa học;

- Lọc nước thải có tính axít qua vật liệu có tác dụng trung hòa;

- Trung hòa nước thải kiềm bằng các khí axít

Việc lựa chọn phương pháp trung hòa tùy thuộc vào thể tích và nồng độ nước thải, chế độ thải nước thải, khả năng sẵn có và giá thành của các tác nhân hóa học Lượng bùn cặn sinh ra từ quá trình trung hòa phụ thuộc vào nồng độ và thành phần nước thải cũng như liều lượng và loại tác nhân sử dụng

Trung hòa bằng cách bổ sung tác nhân hóa học

Để trung hòa nước thải axít có thể sử dụng các tác nhân hóa học như NaOH, KOH,

Na2CO3, NaHCO3, NH4OH, CaCO3, MgCO3, đôlômít (CaCO3.MgCO3) Song tác nhân rẻ tiền nhất là sữa vối 5%-10% Ca(OH)2, tiếp đến là sôđa và NaOH công nghiệp.

Trong nước thải axít và kiềm thường chứa các ion kim loại, vì vậy liều lượng tác

nhân tham gia phản ứng trung hòa cần tính đến cả yếu tố tạo thành cặn muối các kim loại nặng

Trung hòa nước thải axít bằng cách lọc qua vật liệu có tác dụng trung hòa

Trong trường hợp này người ta thường dùng các vật liệu như manhêtít (MgCO3), đôlômít, đá vôi, đá phấn, đá hoa và các chất thải rắn như xỉ và xỉ tro làm lớp vật liệu lọc Các vật liệu trên được sử dụng ở dạng cục với kích thước 30 đến 80 mm Quá trình có thể được tiến hành trong thiết bị lọc đặt nằm ngang hay thẳng đứng

Khi lọc nước thải chứa HCl và HNO3 qua lớp đá vôi, thường chọn vận tốc lọc từ 0,5-1 m/h Trong trường hợp lọc nước thải chứa 0,5% H2SO4 qua lớp đôlômít, tốc độ lọc lấy từ 0,6-0,9 m/h, nếu nồng độ 2% H2SO4 thì tốc độ lọc lấy bằng 0,35 m/h

Trung hòa nước thải kiềm bằng các khí axít

Để trung hòa nước thải kiềm, trong những năm gần đây người ta đã sử dụng các khí thải chứa CO2, SO2, NO2, N2O,… Việc sử dụng khí axít không những cho phép trung hòa nước thải mà đồng thời tăng hiệu suất làm sạch chính khí thải khỏi các cấu tử độc hại

3.1.2 Ổn Định Hóa Nước

Xử lý ổn định nước bằng axít

Xử lý ổn định nước bằng axít được áp dụng để ngăn ngừa quá trình lắng đọng canxi cacbonat Hợp chất Ca(HCO3)2 là hợp chất không bền vũng và do vậy thường tồn tại dưới dạng phân ly:

Ca(HCO3)2 ⇔ Ca2+ + 2HCO3

-Ca2+ + 2HCO3- ⇔ CaCO3 + H2O + CO2

Nếu chỉ số bão hòa I có giá trị dương, chứng tỏ lượng CO

2 tự do trong nước nhỏ hơn hàm lượng cân bằng Để bù lại sự thiếu hụt CO2 phản ứng sẽ chuyển dịch sang phía phải, khi đó hàm lượng HCO3- trong nước giảm đi, hàm lượng CaCO3 và CO2 tăng lên Muốn tăng hàm lượng CO2 mà không tạo ra CaCO3, người ta phải thêm axít vào nước để có phản ứng sau:

HCO3- + H+ → CO2 + H2O

Lượng axít cần thiết cho quá trình ổn định nước nói trên được xác định theo độ pH0ban đầu của nước và giá trị pHs cân bằng sau khí bão hòa nước bằng CaCO3

Xử lý ổn định nước bằng kiềm

Xử lý ổn định nước bằng kiềm được áp dụng để ngăn ngừa quá trình xâm thực Khi nước có dư lượng CO2 xâm thực, cần sử dụng kiềm để khử CO2 tự do theo phản ứng sau:

CO

2 + OH- → HCO

3 -

Lượng kiềm cần thiết được xác định theo giá trị pH0 và pHs của nước

3.2 QUÁ TRÌNH TRAO ĐỔI

Cơ sở: Phản ứng trao đổi: AB + CD → AD + CB

Ứng dụng: Quá trình làm mềm nước bằng phương pháp hóa học

Cơ sở của phương pháp hóa học là mềm nước là đưa các hóa chất có khả năng kết hợp với các ion Ca2+, Mg2+ có trong nước tạo thành các kết tủa CaCO3, MgCO3, Mg(OH)2,… và loại trừ chúng bằng biện pháp lắng lọc Các hóa chất sử dụng có thể là Ca(OH)2, Na2CO3, NaOH,…

Làm mềm nước bằng vôi kết hợp với sô đa:

MgSO4 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2↓ + CaSO4

MgCl2 + Ca(OH)2 → Mg(OH)2↓ + CaCl2

CaSO4 + Na2CO3 → CaCO3↓ + Na2SO4

CaCl2 + Na2CO3 → CaCO3↓ + 2NaCl

Làm mềm nước bằng trinatriphophat (Na3PO4)

3CaCl2 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2↓ + 6NaCl

3MgSO4 + 2Na3PO4 → Mg3(PO4)2↓ + 3Na2SO4

3Ca(HPO4)2 + 2Na3PO4 → Ca3(PO4)2↓ + 6NaHCO3

3Mg(HCO)2 + 2Na3PO4 → Mg3(PO4)2↓ + 6NaHCO3

3.3 QUÁ TRÌNH OXY HÓA KHỬ

Cở sở: Phản ứng oxy hóa khử

Ứng dụng

- Khử sắt trong nước ngầm;

- Xử lý nước thải chứa các hợp chất hóa học khó phân hủy;

- Khử trùng

3.3.1 Quá Trình Khử Trùng (Disinfection)

Quá trình khử trùng là quá trình tiêu hủy các vi sinh vật gây bệnh Khác với quá trình tiệt trùng (sterilization) là quá trình tiêu diệt toàn bộ vi sinh vật có trong nước hoặc nước thải, quá trình khử trùng chỉ tiêu diệt một cách có chọn lọc những vi sinh vật gây bệnh Trong lĩnh vực xử lý nước thải, ba nhóm vi sinh vật gây bệnh quan trọng nhất là vi khuẩn (bacteria), vi trùng (virus) và amoebic cyst (nang bào) Những loại bệnh do vi khuẩn lan truyền qua môi trường nước bao gồm bệnh thương hàn (typhoid), bệnh dịch tả (cholera), bệnh phó thương hàn (paratyphoid), bệnh kiết lỵ (bacillary dysentery) Những bệnh do vi trùng lan truyền qua môi trường nước bao gồm bệnh bại liệt (poliomyeitis) và bệnh viêm gan siêu vi (infectious hepatitis)

Quá trình khử trùng hầu hết được thực hiện bằng cách sử dụng (1) hóa chất, (2) tác nhân vật lý, (3) phương pháp cơ học và (4) phương pháp bức xạ

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 clo

Các hợp chất clo thường dùng ở các trạm xử lý nước thải bao gồm (Cl2), Calcium Hypochlorite [Ca(OCl)2], Sodium Hypochlorite [NaOCl] và Chlorine Dioxide [ClO2]

Khi khí Cl2 được hòa tan vào nước sẽ có hai phản ứng xảy ra: phản ứng thủy phân và phản ứng ion hóa Quá trình thủy phân xảy ra như sau:

Cl

2 + H

2 O ⇔ HOCl + H+ + Cl

-Hằng số bền của phản ứng này là:

Quá trình phân ly HOCl xảy ra như sau:

HOCl ⇔ H+ + OCl

-Hằng số phân ly HOCl:

Lượng HOCl và OCl- tồn tại trong nước được gọi là clo tự do (free available chlorine) Sự phân bố của hai nhóm này có ý nghĩa rất quan trọng vì hiệu quả khử trùng của HOCl lớn hơn so với OCl- khoảng 40-80 lần Sự phân bố HOCl được tính toán theo phương trình sau:

Giá trị hằng số phân ly Hypochloric acid theo nhiệt độ được trình bày trong Bảng 3.1

Bảng 3.1 Giá trị hằng số phân ly Ki theo nhiệt độ

Nhiệt độ (0C) Ki x 108 (mol/L)

Ca(OCl)2 + 2H2O → 2HOCl + Ca(OH)2

NaOCl + H2O → HOCl + NaOH

Khả năng diệt trùng của clo phụ thuộc vào sự tồn tại của ion HOCl trong nước, mà quá trình tạo thành và phân ly HOCl lại phụ thuộc vào nồng độ ion

H + , tức là giá trị pH của dung dịch:

- pH tăng, nồng độ HOCl giảm, nồng độ OCl- tăng;

- pH = 7, nồng độ HOCl cân bằng với nồng độ OCl-

`

Hình 3.1 Quan hệ giữa thành phần HOCl và OCl- theo giá trị pH

Kết quả thực nghiệm cho thấy quá trình thủy phân Cl2 chỉ xảy ra hoàn toàn khi pH

> 4 Mức độ phân ly HOCl phụ thuộc vào pH ở 200C được trình bày trong Bảng 3.2

Bảng 3.2 Mức độ phân ly của HOCl phụ thuộc vào pH ờ 200C

Thành phần HOCl là thành phầnkhử trùng chính trong nước chỉ tồn tạo ở pH thấp,

do đó quá trình khử trùng chỉ đạt hiệu quả cao ở pH thấp

Nước tự nhiên thường không tinh khiết và các phản ứng với các tạp chất chứa trong nước sẽ ảnh hưởng đến sự hình thành clo tự do dư Ví dụ nếu nước có chứa các chất hữu cơ, ammonia, nitites, sắt, mangan, … thì clo sẽ phản ứng với các thành phần này theo phương trình phản ứng như sau:

Trong hệ thống khử trùng chứa ammonia và các hợp chất amonium Lượng clo tham gia phản ứng để tạo thành cloramin được gọi là clo kết hợp, tổng lượng clo tự

do dưới dạng Cl2, HOCl, và OCl- và lượng clo kết hợp được gọi là clo hoạt tính khử trùng Do khả năng diệt trùng của clo tự do và clo kết hợp khác nhau mà lượng clo

dư cần thiết để đảm bảo khử trùng triệt để cũng được đánh giá ở các mức khác nhau Tổng lượng clo cần thiết cho vào nước để đảm bảo sau quá trình khử trùng có được lượng clo dư mong muốn thường được xác định trực tiếp bằng thực nghiệm

Khử Clo (Dechlorination)

Tính độc hại của clo dư Do trong nước thường chứa nhiều loại hợp chất hữu cơ có

thể phản ứng với clo tạo thành những hợp chất có tính độc và gây tác hại lâu dài

Do đó, để giảm đến thấp nhất tác hại của các hợp chất này đến môi trường, cần phải khử lượng clo dư vượt quá yêu cầu có trong nước thải được xử lý bằng clo theo một trong những phương pháp trình bày dưới đây

Phản ứng với SO

2 Khí SO2 có thể khử clo tự do, monocloramin (NH2Cl), dichloramin (NHCl2), trichloride nitrogen (NCl3) và các hợp chất clo cao phân tử theo các phương trình phản ứng sau:

Các phản ứng với clo:

Phương pháp dùng than hoạt tính

Quá trình hấp phụ bằng than hoạt tính có thể khử hoàn toàn cả clo tự do và clo kết hợp theo các phương trình phản ứng sau:

Phản ứng với clo:

C + 2Cl2 + 2H2O → 4HCl + CO2

Phản ứng với cloramin:

2NaClO2 + Cl2 → 2ClO2 + 2NaCl

Hiệu quả của ClO

2 Tác nhân khử trùng hoạt tính trong hệ thống ClO2 là ClO2 tự

do Tính chất hóa học của ClO2 trong môi trường nước chưa được xác định rõ ràng Tuy nhiên, do ClO2 là tác nhân oxy hóa rất mạnh do đó có chế diệt khuẩn có thể xảy ra do khả năng làm mất hoạt tính của hệ thống enzyme của tế bào vi sinh vật hoặc làm mất khả năng tổng hợp protein của tế bào

Sự hình thành sản phẩm phụ Một số sản phẩm phụ là các muối chlorite và

chlorate có thể tạo thành trong quá trình khử trùng với ClO2 Tuy nhiên, các hợp chất này có khả năng phân hủy nhanh hơn các hợp chất clo dư do đó mức độ tác hại của chúng thấp hơn

Một trong những ưu điểm của quá trình khử trùng bằng ClO2 là ClO2 không phản ứng với ammonia và các hợp chất ammonium nên không tạo thành các hợp chất cloramne có tính độc Thêm vào đó, các phản ứng tạo thành các hợp chất hữu cơ clo hóa cũng không xảy ra trong bất cứ điều kiện nào

Sự hình thành các sản phẩm phụ Các hợp chất hữu cơ bromate hóa sẽ hình thành

trong quá trình khử trùng bằng BrCl và những hợp chất này dễ dàng bị phân hủy quang hóa và thủy phân Một số nhiên cứu cho thấy các hợp chất hữu cơ bromate có khả năng tích lũy sinh học torng cá tiếp xúc với nước thải xử lý bằng BrCl Tuy nhiên, hàm lượng các chất hữu cơ bromate trong cá thấp hơn những hóa chất khác (như PCBs và chlordane) Hiện tại chưa có nhiều số liệu về các tác động đến môi trường do khử trùng bằng BrCl, do đó vẫn cần nghiên cứu chi tiết hơn

Khử trùng bằng ozone

Khử trùng bằng ozone là phương pháp khá tiên tiến và ngày càng được ứng dụng rộng rãi Cơ chế khử trùng sử dụng ozone là dựa trên khả năng phái hủy enzyme và nguyên sinh chất của tế bào Trong môi trường nước, ozone phân ly tạo thành các gốc tự do có khả năng oxy hóa mạnh theo các phương trình phản ứng sau:

O3 + H2O → HO3+ + OH

HO3+ + OH- → 2HO2

O3 + HO2 → HO +2O2

HO + HO2 → H2O + O2

Các gốc tự do HO2 và HO có tính oxy hóa và là tác nhân khử trùng Các gốc tự do này cũng tham gia phản ứng với các tạp chất có trong dung dịch

Hiệu quả khử trùng bằng ozone Ozone có tính oxy hóa mạnh và khả năng khử

trùng lớn hơn nhiều so với clo Quá trình khử trùng bằng ozone không tạo thành các chất rắn hòa tan và không bị ảnh hưởng của các ion ammonium cũng như pH Thêm vào đó, do khả năng phân hủy nhanh tạo thành oxy, nên nồng độ oxy hòa tan trong nước sau khi xử lý bằng ozone đạt trạng thái gần bão hòa nên không cần sục khí để đảm bảo nồng độ DO theo tiêu chuẩn xả thải Ozone có khả năng phân hủy nhanh nên cũng không cần các quá trình phụ để khử ozone thừa như đối với các tác nhân khử trùng khác Nhược điểm của phương pháp khử trùng bằng ozone là chi phí xử lý cao

Khử trùng bằng các hóa chất khác

Các hóa chất khác có thể sử dụng để khử trùng như iot, H2O2 và kim loại Các kim loại nặng ở nồng độ rất thấp có thể tiêu diệt được một số loại vi sinh vật và rong tảo, tuy nhiên, đòi hỏi thời gian tiếp xúc lâu, chi phí cao và dễ gây ảnh hưởng đến sức khỏe của con người nên ít được sử dụng

Bảng 3.3 Nồng độ diệt trùng của các ion kim loại nặng

Nồng độ diệt trùng (mg/L) Kim loại

E Coli Rêu, tảo

Cl2 + H2O → HOCl + HCl

Hypocloric acid phản ứng với ion CN- theo phương trình phản ứng sau:

CN- + HOCl → CNCl + OH- (1)

CNCl + OH-→ Cl- + HOCl (2)

Phản ứng 1 xảy ra không phụ thuộc vào pH, trong khi đó phản ứng 2 phải được thực hiện ở pH lớn hơn 10 Acid cyanic tạo thành bị phân hủy thành CO2 và N2 theo phương trình phản ứng sau:

2CNO- + 3OCl- + H2O → 2CO2 + N2 + 3Cl- + 2OH-

Phản ứng này xảy ra chậm hơn ở pH cao hơn, do đo phải duy trì pH trong khoảng từ 7,5 – 8,0 Vì lý do này việc khống chế pH hai giai đoạn phải được thực hiện chặt chẽ cùng với việc cung cấp đủ lượng chất oxy hóa Hypoclorat natri cũng có thể được sử dụng thay thế clo

KHỬ CYANIDE BẰNG OZONE

Cyanide cũng có thể bị o xy hóa bằng ozon và tạo thành các sản phẩm không độc hại thero phương trình phản ứng sau:

2 H2CrO4 + 6 FeSO4 + 6H2SO4 → Cr2(SO4)3 + 3Fe2(SO4)3 +6H2SO4 + 8H2O

Cr(OH)3 Fe(OH)3

4-1

CHƯƠNG 4

CƠ SỞ QUÁ TRÌNH HÓA LÝ

4.1 QUÁ TRÌNH KEO TỤ, TẠO BÔNG

Các hạt trong nước thiên nhiên thường đa dạng về chủng loại và kích thước, có thể bao gồm các hạt cát, sét, mùn, vi sinh vật, sản phẩm hữu cơ phân hủy,… Kích thước hạt có thể dao động từ vài μm đến vài mm Bằng các phương pháp xử lý cơ học (lý học) chỉ có thể loại bỏ được

dùng quá trình lắng tĩnh thì phải tốn thời gian rất dài (Bảng 4.1) và khó đạt được hiệu quả xử lý cao, do đó cần phải áp dụng phương pháp xử lý hóa lý

Bảng 4.1 Mối liên hệ giữa kích thước hạt và thời gian lắng

4-2

4.1.1 Mục Đích Quá Trình Keo Tụ Tạo Bông

Quá trình keo tụ tạo bông được áp dụng để tách loại các hạt cặn có kích thước 0,001 μm < φ <

1 μm, không thể tách loại được bằng các quá trình lý học thông thường như lắng, lọc hoặc tuyển nổi

Bảng 4.2 Mối liên hệ giữa ích thước hạt và diện tích bề mặt

Keo kỵ nước (ví dụ đất sét, oxyt kim loại,…) là những hạt keo:

Keo ưa nước (ví dụ protein) là những hạt keo:

- Thể hiện ái lực đối với nước;

đặc biệt để quá trình keo tụ đạt hiệu quả mong muốn;

- Đa số là những hạt hữu cơ

Khi cho tác nhân keo tụ vào nước, keo kỵ nước hình thành sau quá trình thủy phân các chất

Nhờ có điện tích bề mặt lớn nên chúng có khả năng hấp phụ chọn lọc một loại ion trái dấu bao bọc quanh bề mặt nhân hạt keo Lớp vỏ ion này cùng với lớp phân tử bên trong tạo thành hạt keo Bề mặt nhân hạt keo mang điện tích của lớp ion gắn chặt lên đó, có khả năng hút một số ion tự do mang điện tích trái dấu Như vậy, quanh nhân hạt keo có hai lớp ion mang điện tích trái dấu bao bọc, gọi là lớp điện tích kép của hạt keo Lớp ion ngoài cùng do lực liên kết yếu nên thường không có đủ điện tích trung hòa với điện tích bên trong và do vậy hạt keo luôn mang một điện tích nhất định Để cân bằng điện tích trong môi trường, hạt keo lại thu hút quanh mình một số ion trái dấu ở trạng thái khuếch tán (Hình 4.1)

Hạt mang điện tích âm

Lớp điện tích kép Lớp khuếch tán

Điện thế zêta

Hình 4.1 Cấu tạo hạt keo

Các lực hút và lực đẩy tĩnh điện hoặc lực Van der Waals tồn tại giữa các hạt keo Độ lớn của lực này thay đổi tỷ lệ nghịch với khoảng cách giữa các hạt (Hình 4.2) Khả năng ổn định hạt

4-3