Các biện pháp khoa học làm giảm ô nhiễm nguồn nước thải công nghiệp

Gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cũng như sinh hoạt của người dân... Tùy theo kích thước khe hở, song chắn rác được phân thành loại thô, trung bình và mịn.. Tiết diệ

SỞ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO HÀ NỘI Phòng Giáo dục và Đào tạo quận Bắc Từ Liêm

Trường THPT Xuân Đỉnh

Địa chỉ: Xuân Đỉnh – Bắc Từ Liêm – Hà Nội

Điện thoại: 0438387717

Email: c3xuandinh@hanoiedu.vn

BÀI DỰ THI CUỘC THI VẬN DỤNG KIẾN THỨC LIÊN MÔN ĐỂ GIẢI QUYẾT CÁC TÌNH HUỐNG THỰC TIỄN

DÀNH CHO HỌC SINH THPT

Đề tài:

Các biện pháp khoa học làm giảm ô nhiễm nguồn nước thải công nghiệp

Thành viên trong nhóm:

1) Họ và tên: Nguyễn Tiến Đạt

Ngày sinh: 19/10/1998

Lớp: 11A5

Địa chỉ: ntdhl1998@gmail.com

2) Họ và tên: Nguyễn Đức Anh

Ngày sinh: 7/11/1998

Lớp: 11A5

Địa chỉ: nducanh255@gmail.com

Hà Nội, năm 2015

1, Tên tình huống:

Các biện pháp khoa học làm giảm ô nhiễm nguồn nước công nghiệp.

Nước là một dạng tài nguyên vô cùng quan trọng và không thể thiếu được đối với sự sống của con người và các sinh vật trên trái đất Nhưng với tốc độ đô thị hóa, công nghiệp hóa nhanh chóng và sự bùng nổ dân số trên thế giới nói chung, của Việt Nam nói riêng đã dẫn đến tình trạng nguồn nước tự nhiên ngày càng trở nên thiếu hụt và ô nhiễm nặng, ảnh hưởng nghiêm trọng đến đời sống xã hội Vì

vậy nhóm em đã nghiên cứu đề tài: “ Các biện pháp khoa học làm giảm ô nhiễm

nguồn nước công nghiệp ” giúp môi trường sống và xã hội tốt đẹp hơn.

2, Mục tiêu giải quyết tình huống:

Chúng em đã vận dụng kiến thức của các môn vật lý, hóa học, sinh học, để áp dụng vào các biện pháp khoa học làm giảm và loại bỏ các chất độc hại, các chất dư thừa có trong nước thải công nghiệp, làm sạch nước thải công nghiệp trước khi thải ra môi trường nhằm giảm ô nhiễm môi trường nước, bảo vệ sức khỏe của con người và các sinh vật, cũng như góp phần phát triển kinh tế

3, Tổng quan khái quát về các nghiên cứu có liên quan để giải quyết tình huống:

a, Nước sạch, nước ô nhiễm, nước thải công nghiệp, xử lí nước thải:

 - Nước sạch: là nước thoả mãn các yêu cầu chất lượng: không màu, không mùi,

không vị , không chứa thành phần có thể gây ảnh hưởng đến sức khoẻ con người, sinh vật và môi trường Nước sạch có vai trò quan trọng đối với cuộc sống của con người và sinh vật trên Trái đất: Nước hòa tan nhiều chất dinh dưỡng cần thiết cho cơ thể sống, tham gia vào nhiều quá trình sinh lý, hóa học ở người và động vật, cần thiết cho cuộc sống hằng ngày, sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, xây dựng,…

- Nước ô nhiễm:  Là nước bị là thay đổi theo chiều xấu đi các tính chất vật lý –

hoá học – sinh học, với sự xuất hiện các chất lạ ở thể lỏng, rắn làm cho thành phần và chất lượng nước vượt quá tiêu chuẩn cho phép, nguồn nước trở nên độc hại với con người và sinh vật

- Nước thải công nghiệp: Là nước thải được sinh ra trong quá trình sản xuất

công nghiệp từ các công đoạn sản xuất và các hoạt động phục vụ cho sản xuất Tính chất của nước thải công nghiệp rất đa dạng do thành phần và nồng độ các chất ô nhiễm rất khác nhau Nước thải công nghiệp thường rất độc hại và có nguy cơ ô nhiễm rất cao

- Xử lí nước thải: là quá trình loại bỏ chất ô nhiễm ra khỏi nước thải, bao gồm

các quá trình vật lý, hóa học, và sinh học để loại bỏ các chất ô nhiễm có nguồn gốc vật lý, hóa học và sinh học

b, Nguyên nhân và thực trạng nguồn nước ô nhiễm:

- Nguyên nhân:

+ Chất thải nhà máy và khu chế xuất và việc khai thác các khoáng sản, mỏ dầu khí

+ Chất thải khu chăn nuôi gia súc, gia cầm, thủy sản, chất thải khu giết mổ, chế biến thực phẩm; và họat động lưu thông với khí thải và các chất thải hóa chất cặn sau sử dụng

+ Chất thải phóng xạ

+ Sự hòa tan nhiều chất muối khoáng có nồng độ quá cao, trong đó có chất gây ung thư như Arsen, Fluor và các chất kim loại nặng…

- Thực trạng:

Hiện nay ô nhiễm nguồn nước đang được cả thế giới quan tâm Ở Việt Nam, chất thải công nghiệp (khoảng 260.000 m3 nhưng chỉ có 10% được xử lý) đều không được xử lý, mà đổ thẳng vào các ao hồ, sau đó chảy ra các con sông lớn tại vùng Châu Thổ sông Hồng và sông Mê Kông Ngoài ra, nhiều nhà máy và cơ sở sản xuất như các lò mổ và ngay bệnh viện (khoảng 7.000 m3 mỗi ngày, chỉ 30% là được xử lý) cũng không được trang bị hệ thống xử lý nước thải Lượng nước ô nhiễm này sẽ được người dân sử dụng, nó sẽ làm ô nhiễm nguồn nước ngầm, Gây ảnh hưởng trực tiếp đến sức khỏe cũng như sinh hoạt của người dân Nếu cứ thế này, khoảng 50 năm nữa, toàn thế giới sẽ cạn kiệt nước, chỉ toàn nước bẩn để sinh hoạt, lúc đó sẽ không làm gì được nữa

c, Cơ sở vận dụng kiến thức liên môn:

Chúng em đã vận dụng các kiến thức của nhiều môn học như: vật lý, hóa học, sinh học,… cùng với việc giáo dục ý thức để giải quyết vấn đề ô nhiễm nguồn nước đang đặt ra hiện nay:

+) Về vật lý:

Sử dụng các màng lưới, lọc qua các vật có khả năng cản lại các chất độc hại Sử dụng các lực để tách các chất bẩn ra

Dựa vào tính chất của nước và tính chất của các chất bẩn nhằm loại bỏ

+) Về hóa học: Nước ô nhiễm chứa nhiều chất hóa học độc hại, vd: các kim loại

nặng ( Pb, Hg, ), các chất hữu cơ, các ion vô cơ hòa tan ( Cl-, SO42-, ) Vận

dụng các phản ứng, phương pháp hóa học để làm giảm bớt các chất hóa học gây độc hại cho cơ thể.:

Phương pháp trung hòa axit – bazo

Bổ sung các tác nhân, tạo phản ứng xảy ra

Phương pháp oxi hóa, xà phòng hóa, điện hóa,

+) Về sinh học:

Áp dụng các loài vi sinh vật, động vật, thực vật (tảo, )

Sử dụng các phương pháp sinh học

4, Giải pháp giải quyết tình huống:

-Tìm hiểu kiến thức các môn học

-Tìm hiểu và đưa ra các biện pháp khoa học chống ô nhiễm nguồn nước

-Vận dụng kiến thức của các môn học để áp dụng vào các biện pháp khoa học làm giảm ô nhiễm nguồn nước

5, Thuyết minh tiến trình giải quyết tình huống:

Tiến trình:

Thành lập nhóm nghiên cứu  họp nhóm, đưa ra ý tưởng và chọn tên đề tài nghiên cứu  viết đề cương (các ý chính) cho đề tài  phân công nhóm tìm hiểu và nghiên cứu về mặt lý thuyết  trao đổi và thống nhất trong nhóm  viết thành bài hoàn chỉnh

Để tìm hiểu và nghiên cứu chúng em đã:

 Thành lập nhóm nghiên cứu và tiến hành các nghiên cứu về mặt lý thuyết

 Vận dụng các kiến thức ở các môn học: hóa, lý, sinh,

 Tham khảo trên báo đài, ứng dụng công nghệ thông tin, máy tìm kiếm google

 Tìm hiểu cách làm của một số các công ty xử lý nước

 Hỏi các thầy cô giáo bộ môn

Từ các tiến trình trên, chúng em đã tìm hiểu và vận dụng các biện pháp khoa học vào qui trình xử lý ô nhiễm nguồn nước thải công nghiệp như sau: Xử lý nước thải nhìn chung bao gồm ba giai đoạn, được gọi là xử lý sơ cấp, thứ cấp và hoàn thiện Đầu tiên bể xử lý sơ cấp loại để loại bỏ rác thải, chất rắn,

đất bùn bằng phương pháp vật lý, tiếp theo cho sang bể thứ hai để loại bỏ các chất hóa học độc hại, cân bằng pH, kết tủa các ion, oxi hóa các chất… bằng các phương pháp hóa học Tiếp đến là bể sinh học loại bỏ các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật, tảo Cuối cùng là bể hoàn thiện, xử lý màu, mùi vị để thải ra môi

trường Tùy từng nhà máy công nghiệp có thể phân tích và lựa chọn các phương pháp thích hợp để xử lý

A Xử lý sơ cấp bằng phương pháp vật lý :

a, Lọc bằng màng lọc

- Mục đích: Loại bỏ chất thải, rác, các chất có kích thước to

- Cách xử lý: Sử dụng màng lọc để lọc các loại rác thải, chất có kích thước to bằng màng lọc Sau đó vớt lên và đưa vào khu xử lý, tiêu hủy Nước thải dẫn vào hệ thống xử  xử lý nước thải trước hết phải qua song chắn rác Tại đây các thành phần có kích thước lớn (rác) như giẻ, rác, vỏ đồ hộp, rác cây, bao

nilon… được giữ lại Nhờ đó tránh làm tắc bơm, đường ống hoặc kênh dẫn Đây là bước quan trọng nhằm đảm bảo an toàn và điều kiện làm việc thuận lợi cho cả hệ thống xử lý nước thải

Tùy theo kích thước khe hở, song chắn rác được phân thành loại thô, trung bình và mịn Song chắn rác thô có khoảng cách giữa các thanh từ 60 – 100 mm và song chắn rác mịn có khoảng cách giữa các thanh từ 10 – 25 mm Theo hình dạng có thể phân thành song chắn rác và lưới chắn rác Song chắn rác cũng có thể đặt cố định hoặc di động

Song chắn rác được làm bằng kim loại, đặt ở cửa vào kênh dẫn, nghiêng một góc  45o – 60o nếu làm sạch thủ công hoặc nghiêng một góc 75o – 85o nếu làm sạch bằng máy Tiết diện của song chắn có thể tròn, vuông hoặc hỗn hợp Song chắn tiết diện tròn có trở lực nhỏ nhất nhưng nhanh bị tắc bởi các vật giữ lại Do đó, thông dụng hơn cả là thanh có tiết diện hỗn hợp, cạnh vuông góc phía sau và cạnh tròn phía trước hướng đối diện với dòng chảy Vận tốc nước chảy qua song chắn giới hạn trong khoảng từ 0,6 -1m/s Vận tốc cực đại giao động trong khoảng 0,75 -1m/s nhằm tránh đẩy rác qua khe của song Vận tốc cực tiểu là 0,4m/s nhằm tránh phân hủy các chất thải rắn

Rác, bùn

Hình 1: Lọc bằng màng

b, Phương pháp bể lắng

- Mục đích: Loại bỏ các chất rắn nặng, dẫu mỡ

- Cách xử lý: Phương pháp xử lý sơ bộ bao gồm lưu giữ nước thải tạm thời trong bể  tĩnh tại đây các chất rắn nặng có thể lắng xuống đáy trong khi dầu, mỡ

nhẹ hơn các chất rắn nổi lên bề mặt (Vận dụng kiến thức vật lý: trọng lực của trái đất tác dụng lên vật lớn hơn lực đẩy Ac-si-mét khiến các vật nặng chìm xuống đáy bể và d nước < d dầu,mỡ nên mỡ ,dầu nổi lên) Các vật lắng cặn và các

vật liệu  nổi được loại bỏ và các chất lỏng còn lại có thể được thải hoặc bị xử lý thứ cấp  Bể lắng sơ cấp thường được trang bị máy cào bùn được điều khiển hoạt động liên tục, bùn được thu bằng một phễu đặt trong đáy của bể, tại đó bùn được

bơm về nơi xử lý Mỡ và dầu được thu hồi có thể là nguyên liệu để xà phòng hóa Bể lắng có nhiệm vụ lắng các hạt cặn lơ lửng có sẵn trong nước thải (bể

lắng đợt 1) hoặc cặn được tạo ra từ quá trình keo tụ tạo bông hay quá trình xử lý sinh học (bể lắng đợt 2) Theo dòng chảy, bể lắng được phân thành: bể lắng ngang và bể lắng đứng

Trong bể lắng ngang, dòng nước chảy theo phương ngang qua bể với vận tốc không lớn hơn 0,01 m/s và thời gian lưu nước thừ 1,5 – 2,5 h Các bể lắng ngang thường được sử dụng khi lưu lượng nước thải lớn hơn 15000 m3/ngày Đối với

bể lắng đứng, nóc thải chuyển động theo phương thẳng đứng từ dưới lên đến vách tràn với vận tốc từ 0,5 – 0,6 m/s và thời gian lưu nước trong bể dao động khoảng 45 – 120 phút Hiệu suất lắng của bể lắng đứng thường thấp hơn bể lắng ngang từ 10 – 20 %

Nước sau khi xử lý

Hình 1: Lọc bằng màng

Quy trình lọc bằng màng

Hình 2: Lọc bằng bể lắng

c, Các cách khác như:

Xyclon thủy lực :

- Khi chất lỏng chuyển động quay tròn trong xyclon thủy lực, lực ly tâm tác dụng lên các hạt rắn làm chúng văng ra khỏi thành Bên cạnh đó, các hạt còn chịu tác dụng của lực cản dòng chuyển động, trọng lực và lực quán tính Khi tốc độ quay lớn thì lực quán tính rất nhỏ và có thể bỏ qua, lực ly tâm sẽ lớn hơn

trọng lực rất nhiều ( Vận dụng bài 21: Hệ quy chiếu có gia tốc lực quán tính -SGK Vật lý lớp 10 nâng cao).

- Tốc độ chuyển động của các hạt rắn trong chất lỏng dưới tác dụng của lực ly tâm phụ thuộc vào đường kính hạt, hiệu số khối lượng riêng của các pha, độ

nhớt, khối lượng riêng của nước thải và gia tốc của trường ly tâm ( Vận dụng Bài 18: Chuyển động của vật bị ném - SGK Vật lý lớp 10 nâng cao).

Lọc qua lớp vật liệu cát: Các vật có kích thước và khối

lượng lớn sẽ được giữ lại trong cát còn nước có thể đi

qua

Than hoạt tính: để tẩy các chất bẩn vi lượng, diệt khuẩn và khử mùi

Vì than hoạt tính có khả năng hấp phụ mạnh các chất bẩn, độc hại ( Bài 20 Cacbon – SGK Hóa 11 nâng cao).

Máy thu chất nổi Màng lọc

Hình 3: Lọc nước bằng thanh hoạt tính

Máy ly tâm:

Lọc ly tâm được thực hiện bằng cách quay tròn huyền phù trong thùng quay, chất lỏng đi qua lưới lọc hoặc vải lọc và các lỗ trên thùng quay ra ngoài, còn những hạt rắn được giữ lại trên lưới hoặc vải lọc trên thành thùng quay Dùng để tách huyền phù khi cặn bùn tách ra yêu cầu có độ ẩm thấp và cần rửa

triệt để ( Áp dụng kiến thức Bài 22: Lực hướng tâm, lực quán tính ly tâm -Hiện tượng tăng giảm mất trọng lượng - SGK Vật lý lớp 10 nâng cao).

Lắng ly tâm phân riêng huyền phù nhờ lực thể tích của pha phân tán (các hạt rắn) Quá trình này gồm các quá trình vật lý là lắng và nén các hạt rắn theo

nguyên lý thủy động lực ( Vận dụng Bài 41: Áp suất thủy tĩnh-Nguyên lý Pascal - SGK Vật lý lớp 10 nâng cao).

Lọc nước thải công nghiệp còn có thể dùng cách sau:

Nước thải Cát, sỏi Than (cacbon hoạt tính) Các màng lọc khác ( ngăn vi khuẩn, virut gây bệnh)

Hình 4: Phương pháp lọc nước đơn giản

B Xử lý thứ cấp:

B.1, Xử lý thứ cấp bằng các phương pháp hóa học:

a, Phương pháp trung hòa:

Nước sạch

- Mục đích: Do chất thải công nghiệp có thể có môi trường axit hoặc bazơ, gây ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe người dân Nên phương pháp trung hòa

để đưa môi trường nước thải có chưa axit hoặc bazơ về môi trường trung tính

- Cách xử lý:

( Áp dụng Phản ứng : H+ + OH -  H 2O trong Bài 4 - SGK hóa nâng cao 10: Sự điện ly của nước pH Chất chỉ thị axit-bazơ) nên trung hòa nước thải

được thực hiện bằng nhiều cách khác nhau, để đưa môi trường nước thải có chứa các axit vô cơ hoặc kiềm về trạng thái trung tính pH=6.5 – 8.5

+) Trộn nước thải với axit hoặc kiềm:

 Xác định môi trường nước thải bằng chỉ thị vạn năng hoặc máy đo pH

 Nếu chỉ thị vạn năng có màu đỏ hoặc máy đo pH< 7, môi trường axit thì từ từ cho thêm dung dịch kiềm OH- như Ca(OH)2

 Nếu chỉ thị vạn năng có màu xanh hoặc máy đo pH> 7, môi trường bazo thì thêm từ từ một lượng axit H+ vừa đủ

 Cho đến khi chỉ thị vạn năng có màu tím hoặc máy đo pH= 7, môi trường trung hòa thì ngừng cho

+) Lọc nước axit qua vật liệu lọc có tác dụng trung hòa: Như là các muối

K2CO3, Na2CO3, dư Khi đó có phản hóa học xảy ra:

CO32- + 2H+  CO2 + H2O

+) Hấp thụ các khí axit thải ra bằng chất kiềm: Các khí như CO2, SO2, có thể hấp thụ bằng dung dịch Ca(OH)2 một lượng vừa đủ

CO2 + Ca(OH)2  CaCO3 + H2O

SO2 + Ca(OH)2  CaSO3 + H2O

b, Phương pháp ion:

- Mục đích: Vì trong nước thải công nghiệp có các ion như: Hg2+, Pb2+, Cd2+,

Mn2+, Fe3+, NO3-, SO42-, gây ảnh hưởng đến con người và môi trường Vd:

Hg2+, Pb2+ với hàm lượng lớn trong cơ thể, gây ung thư và có thể tử vong nên phương pháp ion để loại bỏ các ion này ra khỏi nước

- Cách xử lý:

Xác định các ion có trong nước thải

+) Nếu có các ion kim loại nặng như Pb 2+ , Cd 2+ , Mn 2+ , Kết tủa các ion bằng

dung dịch Ca(OH)2 hoặc dùng Na2CO3, CaCO3 vừa đủ

Pb2+ + 2OH-  Pb(OH)2

Pb2+ + CO32-  PbCO3

+) Nếu trong nước thải có các ion SO 4 2- , CO 3 2- Loại bỏ các ion này bằng cách

dùng dung dịch Ca(OH)2 rồi lọc bỏ kết tủa

Ca2+ + SO42-  CaSO4

Ca2+ + CO32-  CaCO3

( Chúng em đã vận dụng kiến thức:Trong dung dịch các chất điện ly, các ion phản ứng với nhau tạo thành chất kết tủa hoặc bay hơi hoặc điện li yếu, ở Chương 1 Sự điện li – SGK Hóa 11 nâng cao) Trong đây, chúng em đã bổ xung thêm ion để tạo kết tủa với các ion trong nước thải và lọc bỏ chúng.

+) Nếu trong nước thải có các ion Cl - , NO 3 -

Ion Cl- khi có Na+, K+ gây nên vị mặn, không gây hại đến sức khỏe con người nên không cần xử lý

Ion NO3- xử lý bằng cách thẩm thấu ngược RO, điện phân, trao đổi ion trong các

bể lọc ionit, lọc qua màng Cd Cadimi

c, Phương pháp oxi hóa khử:

Để làm sạch nước thải có thể dùng các chất oxy hóa như Clo ở dạng khí và hóa lỏng, dioxyt clo, clorat canxi, hypoclorit canxi và natri, pemanganat kali, bicromat kali, oxy không khí, ozon

Trong quá trình oxy hóa, các chất độc hại trong nước thải được chuyển thành các chất ít độc hơn và tách ra khỏi nước thải Quá trình này tiêu tốn một lượng lớn tác nhân hóa học, do đó quá trình oxy hóa học chỉ được dùng trong những trường hợp khi các tạp chất gây nhiễm bẩn trong nước thải không thể tách bằng những phương pháp khác

- Oxy hóa bằng Clo:

( Áp dụng kiến thức: Clo là phi kim rất hoạt động, là chất oxi hóa mạnh Clo được dùng để xát trùng nước, xử lý nước thải, trong Bài 30 Clo và Bài 32 -SGK Hóa 10 nâng cao: Các hợp chất có oxi của clo) Clo và các chất có chứa

clo hoạt tính là chất oxy hóa thông dụng nhất nên người ta sử dụng chúng để tách H2S, hydrosunfit, các hợp chất chứa metylsunfit, phenol, xyanua ra khỏi nước thải

Khi clo tác dụng với nước thải xảy ra phản ứng:

Cl2  +  H2O  =  HOCl  +  HCl

HOCl  ↔  H+  +  OCl

-Tổng clo, HOCl và OCl- được gọi là clo tự do hay clo hoạt tính

Các nguồn cung cấp clo hoạt tính còn có clorua vôi (CaOCl2), hypoclorit, clorat, dioxyt clo, clorua vôi được nhận theo phản ứng

Ca(OH)2  +  Cl2  =  CaOCl2  +  H2O

Lượng clo hoạt tính cần thiết cho một đơn vị thể tích nước thải là: 10 g/m3 đối với nước thải sau xử lý cơ học, 5 g/m3 sau xử lý sinh học hoàn toàn