Nghiên cứu các quá trình keo tụ trong xử lý nước thải nhà máy dệt nhuộm phong phú hòa khánh

Nghiên cứu các quá trình keo tụ trong xử lý nước thải nhà máy dệt nhuộm phong phú hòa khánh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM

KHOA HÓA

- -

LÊ THỊ MINH HUYÊN

NGHIÊN CỨU CÁC QUÁ TRÌNH KEO TỤ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI NHÀ MÁY DỆT NHUỘM PHONG PHÚ – HÒA KHÁNH

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP CỬ NHÂN KHOA HỌC

Đà Nẵng - 2012

ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG CỘNG HÒA XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

NHIỆM VỤ KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

Họ và tên sinh viên : Lê Thị Minh Huyên

1 Tên đề tài : “Nghiên cứu các quá trình keo tụ trong xử lý nước thải nhà

máy dệt nhuộm Phong Phú – Hòa Khánh”

2 Nguyên liệu, dụng cụ, thiết bị

 Mẫu nước

Mẫu nước thải dùng cho nghiên cứu là mẫu nước thải của nhà máy dệt nhuộm Phong Phú – Hòa Khánh, mẫu nước thải được lấy vào buổi sáng và buổi chiều

 Hóa chất

3 Nội dung nghiên cứu

Nghiên cứu xử lý nước thải nhà máy dệt nhuộm Phong Phú – Hòa Khánh bằng phương pháp keo tụ với các hệ keo tụ lần lượt là FeCl3/Bentonit Thuận Hải,

4 Giáo viên hướng dẫn: TS Bùi Xuân Vững

5 Ngày giao đề tài:

6 Ngày hoàn thành: 15 / 5/ 2012

Sinh viên đã hoàn thành và nộp báo cáo cho khoa ngày tháng năm 2012

Kết quả điểm đánh giá

Ngày tháng năm 2012

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

( Kí và ghi rõ họ tên)

LỜI CẢM ƠN

Với lòng biết ơn sâu sắc, em xin chân thành cảm ơn thầy Bùi Xuân Vững đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo, động viên em trong suốt thời gian học tập, nghiên cứu

và hoàn thành khóa luận

Em xin chân thành cảm ơn thầy cô giáo giảng dạy các bộ môn và các thầy cô công tác tại Phòng thí nghiệm khoa Hóa – Trường Đại học Sư phạm – Đại học Đà Nẵng đã dìu dắt em trong thời gian học tập và nghiên cứu tại trường

Em xin gởi lời cảm ơn tới cô chú phòng Kĩ thuật nhà máy dệt nhuộm Phong Phú – Hòa Khánh, Đà Nẵng

Em xin chân thành cảm bạn bè đã động viên và giúp đỡ em hoàn thành khóa luận tốt nghiệp

Cuối cùng, em xin cảm ơn Chủ tịch hội đồng, giáo viên phản biện và ủy viên hội đồng đã dành thời gian quý báu để đọc và nhận xét khóa luận này

Lê Thị Minh Huyên

Hình 2.1 Quy trình xử lý nước thải dệt nhuộm bằng phương pháp keo tụ Error!

Bookmark not defined

Hình 3.1 Dung dịch nước thải ban đầu Error! Bookmark not defined

Bookmark not defined

Hình 3.3 Ảnh hưởng của nồng độ Bentonit đến hiệu suất xử lý màu Error!

Bookmark not defined

Hình 3.4 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý màu Error! Bookmark not

defined

Hình 3.6 Ảnh hưởng của C hoạt tính đến hiệu suất xử lý màu Error! Bookmark

not defined

Hình 3.7 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý màu Error! Bookmark not

defined

Bookmark not defined

Hình 3.9 Ảnh hưởng của nồng độ Polime Anion đến hiệu suất xử lý màu Error!

Bookmark not defined

Hình 3.10 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý màu Error! Bookmark not

defined

Bookmark not defined

Hình 3.12 Ảnh hưởng của nồng độ Polime Cation đến hiệu suất xử lý màu Error!

Bookmark not defined

Hình 3.13 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất xử lý màu Error! Bookmark not

Bảng 3.5 Ảnh hưởng của C hoạt tính đến hiệu suất xử lý màuError! Bookmark not defined.

defined.

Bookmark not defined.

Bảng 3.8 Ảnh hưởng của nồng độ Polime Anion đến hiệu suất xử lý màu Error! Bookmark not defined.

defined.

Bookmark not defined.

Bảng 3.11 Ảnh hưởng của nồng độ Polime Cation đến hiệu suất xử lý màu Error! Bookmark not defined.

defined.

Bảng 3.13 Các thông số nước thải đầu vào và đầu ra sau khi keo tụ với

FeCl3/Polime Cation Error! Bookmark not defined.

MỞ ĐẦU

Việt Nam đang trong giai đoạn đổi mới, nền kinh tế chuyển mình phát triển mạnh mẽ Cũng như các ngành công nghiệp khác, ngành dệt nhuộm ở Việt Nam đang phát triển không ngừng, nhu cầu về các sản phẩm may mặc hiện nay là rất lớn với chủng loại sản phẩm ngày càng đa dạng Tuy nhiên, do đặc thù của một ngành sản xuất phức tạp, sử dụng nhiều hóa chất nên nước thải dệt nhuộm chứa một phần lớn chất độc hại và các chất hữu cơ, mà hiện nay hầu hết các nhà máy chưa xử lý hoặc xử lý chưa triệt để rồi thải ra môi trường làm ảnh hưởng đến hệ sinh thái, sức khỏe của con người và đời sống của sinh vật

Đặc điểm nước thải dệt nhuộm là chứa nhiều tạp chất xơ sợi, các chất lơ lửng

và chất màu nên xử lý nước thải dệt nhuộm không phải là đơn giản Việc xử lý nước thải dệt nhuộm thường kết hợp nhiều phương pháp, bao gồm xử lý cơ học, sinh học,

lý hóa và trong đó phương pháp xử lý keo tụ kết hợp với oxi hóa nâng cao Fenton là phương pháp mong đợi đem lại hiệu quả cao nhất Với mong muốn tìm ra được loại hóa chất keo tụ có khả năng hấp phụ màu tốt nhất, giảm đáng kể lượng chất lơ lửng

và xơ sợi, làm giảm giá thành xử lý mà vẫn mang lại hiệu quả cao, hỗ trợ tốt cho quá trình oxi hóa nâng cao Fenton phía sau, nên trong khóa luận này chúng tôi tiến

hành trình bày đề tài: “Nghiên cứu các quá trình keo tụ trong xử lý nước thải nhà

máy dệt nhuộm Phong Phú – Hòa Khánh”

Nghiên cứu các quá trình keo tụ tạo bông nước thải dệt nhuộm với các chất

Đối tượng: Nước thải dệt nhuộm nhà máy Phong Phú – Hòa Khánh

Phạm vi nghiên cứu: Trong giới hạn của đề tài, chúng tôi tập trung nghiên

cứu thực nghiệm những nội dung sau: Sử dụng phương pháp keo tụ tạo bông với

chất keo tụ FeCl3 và các chất trợ keo tụ để xử lý nước thải nhà máy dệt nhuộm Phong Phú, Hòa Khánh trước khi đưa vào bể lắng và bể oxi hóa nâng cao Khảo sát

các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình như pH, nồng độ chất keo tụ và trợ keo tụ Quá

trình được thực hiện tại phòng thí nghiệm khoa Hóa – Đại học Sư phạm Đà Nẵng

4.1 Nghiên cứu lí thuyết

Nghiên cứu tài liệu tham khảo có liên quan đến đề tài

Phân tích tổng hợp lý thuyết: nghiên cứu cơ sở khoa học của đề tài

Trao đổi với giáo viên hướng dẫn

4.2 Nghiên cứu thực nghiệm

Đo các thông số COD, BOD, TSS, TDS, hàm lượng kim loại nặng trước và sau khi xử lý keo tụ, gởi mẫu tại Đài Khí tượng Thủy văn khu vực Trung Trung Bộ

Sử dụng phương pháp quang phổ hấp thụ phân tử UV – VIS để xác định hiệu

Nghiên cứu các quá trình keo tụ tạo bông để tìm ra một giải pháp xử lý nước thải đạt hiệu suất cao nhất, đơn giản, rẻ tiền trước khi chuyển nước thải vào bể xử lý oxi hóa nâng cao

Ngoài phần mở đầu, kết luận và kiến nghị, nội dung khóa luận gồm 3 chương như sau:

Chương 1 - Tổng quan

Chương 2 - Thực nghiệm

Chương 3 - Kết quả và bàn luận

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1 Giới thiệu công nghệ dệt nhuộm

1.1.1 Sự phát triển ngành dệt nhuộm trên thế giới và ở Việt Nam [18], [26]

Ngành dệt nhuộm là một trong những ngành quan trọng và có từ lâu đời vì đó

là một trong các nhu cầu cơ bản của con người Với sự tiến bộ vượt bật của khoa học kĩ thuật, ngày nay, kỹ thuật dệt - nhuộm không những gia tăng về sản lượng mà còn gia tăng về chất lượng, đa dạng về màu sắc, mẫu mã sản phẩm

Ở Việt Nam, ngành công nghiệp dệt may trở thành những ngành mũi nhọn, giải quyết một lượng lớn lao động, có kim ngạch xuất khẩu lớn Ngành dệt may hiện là mặt hàng xuất khẩu hàng đầu của Việt Nam và có tốc độ tăng trưởng cao qua các năm Tư cách thành viên của ASEAN, WTO, APEC… và các hiệp định thương mại tự do song phương, đa phương, đã tạo điều kiện thuận lợi cho hàng dệt may Việt Nam có mặt nhiều hơn và rộng hơn trên các thị trường quốc tế, đã thiết lập được vị thế trên các thị trường khó tính như Mỹ, EU và Nhật Bản Theo số liệu của trung tâm Thương mại thế giới, Việt Nam đứng trong danh sách Top 10 các nước có kim ngạch xuất khẩu lớn nhất thế giới về hàng Dệt may trong giai đoạn

2007 – 2009 và đứng vị thứ 3 năm 2010 với thị phần xuất khẩu gần 3%, sau Trung Quốc (36,6%), Bangladesh (4,32%)… [18], [26]

Tuy vậy, ngành dệt may vẫn chưa chú trọng đến việc quản lý và xử lý chất thải Với sự phát triển nhanh và mạnh như hiện nay, ngành dệt may đã thải ra một lượng lớn chất thải rắn và nước thải khó xử lý đòi hỏi cần phải giải quyết

1.1.2 Công nghệ sản xuất và nguồn phát sinh nước thải dệt nhuộm [1], [11], [12]

Do yêu cầu phong phú về mẫu mã, màu sắc, chủng loại nên quá trình sản xuất

sử dụng nhiều công nghệ, nguồn nguyên liệu và hóa chất rất đa dạng Để sản xuất các loại vải cotton và vải pha, nguyên liệu chủ yếu là xơ bông và xơ nhân tạo

Ngoài ra còn sử dụng các loại nguyên liệu như lông thú, đay, gai, tơ tằm để sản xuất các mặt hàng tương ứng

 Các công đoạn dệt nhuộm và sự phân phối nước trong nhà máy dệt như sau:

Hình 1.1 Sơ đồ nguyên lý dệt nhuộm và các nguồn nước thải

Nước thải Dung dịch nhuộm Nhuộm, in hoa

1.1.3 Đặc điểm nước thải và tác động của nước thải đến môi trường

1.1.3.1 Đặc điểm của nước thải [11]

Đặc trưng quan trọng nhất của nước thải từ các cơ sở dệt nhuộm là sự dao động rất lớn cả về lưu lượng và tải lượng các chất ô nhiễm Thành phần của chất thải thay đổi theo mặt hàng sản xuất, chất lượng sản phẩm, tỉ lệ sử dụng sợi tổng hợp, loại hình công nghệ sản xuất và đặc tính máy móc sử dụng Mức độ gây ô nhiễm phụ thuộc vào chủng loại, khối lượng và công nghệ áp dụng

Bảng 1.1 Các chất ô nhiễm và đặc tính nước thải dệt nhuộm [11]

Hồ sợi, giũ

hồ

Tinh bột, glucose, carboxy metyl, xenlulo, polyvinyl ancol, nhựa, chất béo, sáp

BOD cao (34 – 50% tổng sản

lượng BOD)

soda, xơ sợi vụn

Độ kiềm cao, màu tối, BOD cao (30% tổng sản lượng BOD)

muối kim loại, axit

Độ màu rất cao, BOD khá cao,

dẫu mỡ nhiều

Bảng 1.2 Đặc tính nước thải của một số xí nghiệp dệt nhuộm Việt Nam [7]

Từ bảng 1.1 và 1.2 cho thấy thành phần nước thải công nghiệp dệt rất đa dạng, bao gồm các chất ô nhiễm dạng hữu cơ (thuốc nhuộm, tinh bột, tạp chất), và dạng

vô cơ (các muối trung tính, các chất trợ nhuộm)

Dựa vào tính độc của nước thải có thể chia thành phần nước thải làm 3 nhóm: [1]

 Nhóm các chất ít độc, có thể phân giải được

- Xơ sợi, các hợp chất thiên nhiên có trong xơ sợi bị loại bỏ trong các công đoạn tiền xử lý

 Nhóm các chất khó phân giải sinh học

ankyl

- Tạp chất dầu khoáng, thuốc nhuộm

 Nhóm các chất độc với vi sinh và cá

lý trước vải sợi pha

1.1.3.2 Tác động của nước thải đến môi trường [4], [26]

Ảnh hưởng của chất gây ô nhiễm trong nước thải ngành dệt nhuộm tới nguồn tiếp nhận có thể tóm tắt như sau:

thủy sinh, gây ăn mòn các công trình thoát nước và hệ thống xử lý nước thải Các thuốc nhuộm hữu cơ nói chung được xếp loại từ ít độc đến không độc đối với con người Các kiểm tra về tính kích thích da, mắt cho thấy đa số thuốc nhuộm không

gây kích thích với vật thử nghiệm (thỏ) ngoại trừ một số cho kích thích nhẹ [26]

sẽ gây tác hại đối với các loài thủy sinh do làm tăng áp suất thẩm thấu, ảnh hưởng tới quá trình trao đổi chất của tế bào

với đời sống thủy sinh do làm giảm lượng oxy hòa tan

tiếp nhận, ảnh hưởng tới quá trình quang hợp của các loài thủy sinh, cảnh quan của quần thể Các chất độc như sunfit, kim loại nặng, hợp chất halogen hữu cơ có khả năng tích tụ trong cơ thể sinh vật với hàm lượng tăng dần theo chuỗi thức ăn trong

hệ sinh thái nguồn nước, gây ra một số bệnh mãn tính hay ung thư đối với người và động vật [26]

nước, ảnh hưởng tới sự sống của các loài thủy sinh

Hình 1.2: Nước thải dệt nhuộm làm ô nhiễm nguồn nước

1.2 Thuốc nhuộm trong công nghệ dệt nhuộm

1.2.1 Khái quát về thuốc nhuộm [20]

Thuốc nhuộm là những hợp chất hữu cơ có màu, có khả năng nhuộm màu và giữ trên một số vật liệu

Thuốc nhuộm có thể có nguồn gốc từ tự nhiên hoặc tổng hợp Tuy nhiên thuốc nhuộm thiên nhiên ít màu, công nghệ thu nhận phức tạp, số lượng ít nên trong dệt nhuộm, lượng thuốc nhuộm được sử dụng chủ yếu là thuốc nhuộm tổng hợp

Đặc điểm nổi bật của các loại thuốc nhuộm là độ bền màu - tính chất không bị phân hủy bởi những điều kiện, tác động khác nhau của môi trường, đây vừa là yêu cầu với thuốc nhuộm lại vừa là vấn đề với xử lý nước thải dệt nhuộm Màu sắc của thuốc nhuộm có được là do cấu trúc hóa học của nó: một cách chung nhất, cấu trúc thuốc nhuộm bao gồm nhóm mang màu và nhóm trợ màu Nhóm mang màu là những nhóm chứa các nối đôi liên hợp với hệ điện tử π linh động như >C=C<,

>C=N-, >C=O, -N=N- Nhóm trợ màu là những nhóm thế cho hoặc nhận điện tử,

bằng cách dịch chuyển năng lượng của hệ điện tử

Thuốc nhuộm tổng hợp rất đa dạng về thành phần hóa học, màu sắc, phạm vi

sử dụng Tùy thuộc cấu tạo, tính chất và phạm vi sử dụng, thuốc nhuộm được phân chia thành các họ, các loại khác nhau Có hai cách phân loại thuốc nhuộm phổ biến

nhất:

+ Phân loại theo cấu trúc hóa học

+ Phân loại theo đặc tính áp dụng

1.2.2 Phân loại, đặc điểm thuốc nhuộm

1.2.2.1 Phân loại theo cấu trúc hóa học [12]

Đây là cách phân loại dựa trên cấu tạo của nhóm mang màu, theo đó thuốc nhuộm được phân thành 20 – 30 họ thuốc nhuộm khác nhau Các họ chính là:

nhuộm có một (monoazo) hay nhiều nhóm azo (diazo, triazo, polyazo) Đây là họ thuốc nhuộm quan trọng nhất và có số lượng lớn nhất, chiếm khoảng 60-70% số lượng các thuốc nhuộm tổng hợp, chiếm 2/3 các màu hữu cơ trong Color Index

nhóm antraquinon hoặc các dẫn xuất của nó:

Họ thuốc nhuộm này chiếm đến 15% số lượng thuốc nhuộm tổng hợp

nguyên tử C trung tâm sẽ tham gia liên kết vào mạch liên kết của hệ mang màu:

diaryl metan

triaryl metan

Họ thuốc nhuộm này phổ biến thứ 3, chiếm 3% tổng số lượng thuốc nhuộm

hợp khép kín Họ thuốc nhuộm này có độ bền màu với ánh sáng rất cao, chiếm khoảng 2% tổng số lượng thuốc nhuộm

Ngoài ra, còn các họ thuốc nhuộm khác ít phổ biến, ít có quan trọng hơn

như: thuốc nhuộm nitrozo, nitro, polymetyl, arylamin, azometyn, thuốc nhuộm lưu huỳnh

1.2.2.2 Phân loại theo đặc tính áp dụng [12]

Theo đặc tính áp dụng, người ta quan tâm nhiều nhất đến thuốc nhuộm sử dụng cho xơ sợi xenlullo (bông, visco ), đó là các thuốc nhuộm hoàn nguyên, lưu hóa, hoạt tính và trực tiếp Sau đó là các thuốc nhuộm cho xơ sợi tổng hợp, len, tơ tằm như: thuốc nhuộm phân tán, thuốc nhuộm bazơ (cation), thuốc nhuộm axit

* Thuốc nhuộm hoàn nguyên, bao gồm:

trong nước, chứa nhóm xeton trong phân tử và có dạng tổng quát: R=C=O Trong quá trình nhuộm xảy ra sự biến đổi từ dạng layco axit không tan trong nước nhưng tan trong kiềm tạo thành layco bazơ:

môi trường axit và bị oxi hóa về dạng không tan ban đầu Khoảng 80% thuốc

nhuộm hoàn nguyên thuộc nhóm antraquinon

* Thuốc nhuộm lưu hóa: chứa nhóm disunfua đặc trưng (D-S-S-D, D- nhóm mang màu thuốc nhuộm) có thể chuyển về dạng tan (layco: D-S-) qua quá trình khử Giống như thuốc nhuộm hoàn nguyên, thuốc nhuộm lưu hóa dùng để nhuộm vật liệu xenllulo qua 3 giai đoạn: hòa tan, hấp phụ vào xơ sợi và oxi hóa trở lại

* Thuốc nhuộm trực tiếp: đây là loại thuốc nhuộm anion có khả năng bắt

nước, nó phân ly cho về dạng anion thuốc nhuộm và bắt màu vào sợi Trong mỗi màu thuốc nhuộm trực tiếp có ít nhất 70% cấu trúc azo, còn tính trong tổng số thuốc nhuộm trực tiếp thì có đến 92% thuộc lớp azo

* Thuốc nhuộm phân tán: đây là loại thuốc nhuộm dùng để nhuộm các loại

xơ sợi tổng hợp kị nước Xét về mặt hóa học có đến 59% thuốc nhuộm phân tán

thuộc cấu trúc azo, 32% thuộc cấu trúc antraquinon, còn lại thuộc các lớp hóa học

khác

* Thuốc nhuộm bazơ – cation:

Các thuốc nhuộm bazơ trước đây dùng để nhuộm tơ tằm, ca bông cầm màu

bằng ta-nanh, là các muối clorua, oxalat hoặc muối kép của bazơ hữu cơ Chúng dễ

tan trong nước cho cation mang màu

* Thuốc nhuộm axit: là muối của axit mạnh và bazơ mạnh nên chúng tan

nhuộm tạo liên kết ion với tâm tích điện dương của vật liệu Thuốc nhuộm axit có

khả năng tự nhuộm màu xơ sợi protein (len, tơ tằm, polyamit) trong môi trường

axit

xơ sợi trong những điều kiện áp dụng tạo thành liên kết cộng hóa trị với xơ sợi

Trong cấu tạo của thuốc nhuộm hoạt tính có một hay nhiều nhóm hoạt tính khác

nhau, quan trọng nhất là các nhóm: vinylsunfon, halotriazin và halopirimidin

Dạng tổng quát của thuốc nhuộm hoạt tính: S – R – T – Y, trong đó:

-SO2CH3)

+ R: nhóm mang màu của thuốc nhuộm

+ Y: nhóm nguyên tử phản ứng, trong điều kiện nhuộm nó tách khỏi phân tử

-CH=CH2, )

+ T: nhóm mang nguyên tử hay nhóm nguyên tử phản ứng, thực hiện liên kết

giữa thuốc nhuộm và xơ

Là loại thuốc nhuộm duy nhất có liên kết cộng hóa trị với xơ sợi tạo độ bền

màu giặt và độ bền màu ướt rất cao nên thuốc nhuộm hoạt tính là một trong những

thuốc nhuộm được phát triển mạnh mẽ nhất trong thời gian qua đồng thời là lớp

thuốc nhuộm quan trọng nhất để nhuộm vải sợi bông và thành phần bông trong vải

sợi pha

Tuy nhiên, thuốc nhuộm hoạt tính có nhược điểm là: trong điều kiện nhuộm, khi tiếp xúc với vật liệu nhuộm (xơ sợi), thuốc nhuộm hoạt tính không chỉ tham gia vào phản ứng với vật liệu mà còn bị thủy phân

Do tham gia vào phản ứng thủy phân nên phản ứng giữa thuốc nhuộm và xơ sợi không đạt hiệu suất 100% Để đạt độ bền màu giặt và độ bền màu tối ưu, hàng nhuộm được giặt hoàn toàn để loại bỏ phần thuốc nhuộm dư và phần thuốc nhuộm thủy phân Vì thế, mức độ tổn thất đối với thuốc nhuộm hoạt tính cỡ 10 ÷ 50%, lớn nhất trong các loại thuốc nhuộm Hơn nữa, màu thuốc nhuộm thủy phân giống màu thuốc nhuộm gốc nên nó gây ra vấn đề màu nước thải và ô nhiễm nước thải

1.3 Các phương pháp xử lý nước thải dệt nhuộm [2], [9], [11]

Với đặc thù của công nghệ, nước thải dệt nhuộm chứa tổng hàm lượng chất rắn TSS, chất lơ lửng, độ màu, BOD, COD cao Chọn phương pháp xử lý thích hợp cần phải dựa vào nhiều yếu tố như lượng nước thải, đặc tính nước thải, tiêu chuẩn thải, xử lý tập trung hay cục bộ Để tăng hiệu suất xử lý cần có hệ thống phân luồng dòng thải, đặc biệt đối với những cơ sở có năng suất sản xuất hàng dệt nhuộm lớn

Về nguyên lý xử lý, có thể sử dụng các phương pháp sau để xử lý nước thải dệt nhuộm:

1.3.1.2 Bể điều hòa

Lưu lượng thành phần nước thải phụ thuộc vào thời gian trong ngày, trong ca sản xuất, trong mùa, công nghệ, thay đổi theo các công trình phía sau

Bể điều hòa dùng dể duy trì sự ổn định của dòng thải, khắc phục những vấn đề vận hành do sự dao động của thành phần và lưu lượng nước thải, nâng cao hiệu quả

xử lý của hệ thống xử lý nước thải

Sử dụng phương pháp sinh học để làm sạch nước thải khỏi các hợp chất hữu

cơ và một số hợp chất vô cơ như H2S, S2-, NH3 Dựa trên hoạt động của vi sinh vật

để phân hủy hợp chất hữu cơ nhiễm bẩn có trong nước thải Do vậy, chúng thường được dùng sau khi loại các tạp chất phân tán thô ra khỏi nước thải

Vi sinh vật nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng, sinh sản, tăng sinh khối Quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ nhờ vi sinh vật là quá trình oxi hóa sinh hóa Nước thải được xử lý bằng phương pháp sinh học được đặt trưng bởi COD, BOD

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học được chia làm 2 loại:

Tùy điều kiện cụ thể như địa hình, tính chất và khối lượng nước thải, khí hậu, mặt bằng nơi cần xử lý, kinh phí cho phép với công nghệ thích hợp, người ta sẽ chọn một trong những phương pháp trên hay kết hợp với nhau

1.3.3 Phương pháp hóa lý

Phương pháp cơ học và sinh học chỉ được ứng dụng trong trường hợp cần loại

ra khỏi nước rác, cặn, các chất vô cơ và các chất hữu cơ dễ phân hủy Vì vậy cần thiết phải xử lý hóa lý thì mới loại bỏ tối đa chất ô nhiễm Các phương pháp hóa lý được ứng dụng để xử lý nước thải gồm đông tụ và keo tụ, tuyển nổi, hấp phụ, trao đổi ion, thẩm thấu ngược, siêu lọc, thẩm tách và điện thẩm tách,…Các phương pháp này được ứng dụng để loại ra khỏi nước thải các hạt phân tán lơ lửng (rắn và lỏng), các khí tan những chất vô cơ và hữu cơ hòa tan

1.3.3.1 Phương pháp đông tụ và keo tụ [10], [11]

Quá trình lắng chỉ tách được một số dạng hạt rắn huyền phù nhưng không tách được dạng keo hòa tan vì đây là những hạt rắn có kích thước quá nhỏ, để tách các hạt nhỏ đó thì cần tăng kích thước nó lên nhờ tác động tương hỗ giữa các hạt phân tán, liên kết lại thành các hạt lớn hơn làm tăng vận tốc lắng

Việc khử các hạt keo rắn bằng lắng trọng lượng đòi hỏi trước hết cần trung hòa điện tích của chúng, tiếp theo là liên kết chúng với nhau Quá trình trung hòa điện tích thường được gọi là quá trình đông tụ (coagulation), còn quá trình tạo thành các bông lớn hơn từ những hạt nhỏ gọi là quá trình keo tụ (flocculation)

Các chất đông tụ thường dùng là muối phèn nhuôm, sunfat sắt, kali nhôm sunfat, aluminat nhôm Ngoài ra còn dùng các chất trợ đông, đây là các hợp chất cao phân tử giúp cho quá trình lắng bông keo dễ dàng, giảm thời gian lắng, giảm lượng hóa chất đông tụ [11]

1.3.3.2 Tuyển nổi [11]

Là quá trình hóa lý phức tạp trong đó các phân tử có bề mặt kị nước sẽ có khả năng dính kết vào các bọt khí Khi các bọt khí và các phân tử phân tán chuyển động trong nước thì chúng sẽ tập trung lại với nhau, nổi lên trên mặt nước

Áp dụng phương pháp này để tách các chất lơ lửng, làm đặc bùn sinh học Ưu điểm là có thể tách được hoàn toàn các hạt nhỏ, nhẹ, lắng chậm Khi các hạt nổi lên trên mặt nước có thể vớt bằng bộ phân vớt bọt

1.3.3.3 Hấp phụ

Phương pháp này thường được dùng để xử lý các chất không có khả năng phân hủy sinh học hoặc khó phân hủy sinh học Trong công nghiệp xử lý nước thải dệt nhuộm người ta dùng chúng để khử màu nước thải thuốc nhuộm hòa tan và thuốc nhuộm hoạt tính

Hấp phụ là quá trình tụ tập (chất chứa, thu hút…) các phân tử khí, hơi hoặc các phân tử, ion của chất tan lên bề mặt phân chia pha Bề mặt phân chia pha có thể

là lỏng – rắn, khí – lỏng, khí – rắn Chất mà trên bề mặt của nó có sự hấp phụ xảy ra gọi là chất hấp phụ (adsorbate), còn chất mà được tụ tập trên bề mặt phân chia pha

được gọi là chất bị hấp phụ (adsorbent) Quá trình ngược lại của hấp phụ gọi là quá

trình giải hấp phụ hay nhả hấp phụ Bản chất của hiện tượng hấp phụ là sự tương tác giữa các phân tử chất hấp phụ và chất bị hấp phụ Tuỳ theo bản chất của lực tương tác mà người ta phân biệt hai loại hấp phụ là hấp phụ vật lý và hấp phụ hoá học

[10]

 Hấp phụ vật lý: Các phân tử chất bị hấp phụ liên kết với những tiểu phân

(nguyên tử, phân tử, các ion ) ở bề mặt phân chia pha bởi lực liên kết Van Der Walls yếu Đó là tổng hợp của nhiều loại lực hút khác nhau: tĩnh điện, tán xạ, cảm ứng và lực định hướng Lực liên kết này yếu nên dễ bị phá vỡ Trong hấp phụ vật

lý, các phân tử của chất bị hấp phụ và chất hấp phụ không tạo thành hợp chất hoá học (không hình thành các liên kết hoá học) mà chất bị hấp phụ chỉ bị ngưng tụ trên

bề mặt phân chia pha và bị giữ lại trên bề mặt chất hấp phụ Ở hấp phụ vật lý, nhiệt hấp phụ không lớn [10]

hợp chất hoá học với các phân tử chất bị hấp phụ Lực hấp phụ hoá học khi đó là lực liên kết hoá học thông thường (liên kết ion, liên kết cộng hoá trị, liên kết phối trí ) Lực liên kết này mạnh nên khó bị phá vỡ Nhiệt hấp phụ hoá học lớn, có thể đạt tới giá trị 800 kJ/mol [10]

 Đặc tính của chất hữu cơ trong môi trường nước: Trong môi trường nước,

các chất hữu cơ có độ tan khác nhau Khả năng hấp phụ trên vật liệu hấp phụ đối với các chất hữu cơ có độ tan cao sẽ yếu hơn với các chất hữu cơ có độ tan thấp hơn Như vậy, từ độ tan của chất hữu cơ trong nước có thể dự đoán khả năng hấp phụ chúng trên vật liệu hấp phụ Phần lớn các chất hữu cơ tồn tại trong nước dạng phân tử trung hoà, ít bị phân cực Do đó quá trình hấp phụ trên vật liệu hấp phụ đối với chất hữu cơ chủ yếu theo cơ chế hấp phụ vật lý Khả năng hấp phụ các chất hữu

cơ trên vật liệu hấp phụ phụ thuộc vào: pH của dung dịch, lượng chất hấp phụ, nồng

độ chất bị hấp phụ…

 Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir: Quá trình hấp phụ là một quá

trình thuận nghịch Các phân tử chất bị hấp phụ khi đã hấp phụ trên bề mặt chất hấp phụ vẫn có thể di chuyển ngược lại pha mang Theo thời gian, lượng chất bị hấp phụ tích tụ trên bề mặt chất rắn càng nhiều thì tốc độ di chuyển ngược lại pha mang càng lớn Đến một thời điểm nào đó, tốc độ hấp phụ bằng tốc độ giải hấp thì quá trình hấp phụ đạt cân bằng [10]

Phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir được xây dựng dựa trên các giả thuyết:

phân là như nhau và không phụ thuộc vào sự có mặt của các tiểu phân hấp phụ trên các trung tâm bên cạnh

Phương trình hấp phụ đẳng nhiệt Langmuir

q = qmax

f

f

b.C1

b.C



Khi b.Cf << 1 thì q = qmax.b.Cf mô tả vùng hấp phụ tuyến tính

Khi b.Cf >> 1 thì q = qmax mô tả vùng hấp phụ bão hòa

Khi nồng độ chất hấp phụ nằm giữa hai giới hạn trên thì đường đẳng nhiệt biểu diễn là một đoạn cong Để xác định các hằng số trong phương trình đẳng nhiệt hấp phụ Langmuir có thể sử dụng phương pháp đồ thị bằng cách đưa phương trình

trên về phương trình đường thẳng:

.bq

1C

.q

1q

C

max f

max

số b, qmax trong phương trình (hình 1.3)

Phương pháp này có ưu điểm là hoạt động liên tục, phạm vi ứng dụng rộng rãi, chi phí đầu tư và vận hành không lớn, hiệu quả xử lý cao, thiết bị đơn giản, thu cặn

có độ ẩm nhỏ và có thể thu hồi tạp chất trong cặn Ngoài ra, nước thải được xử lý bằng phương pháp tuyển nổi sẽ được thông khí, giảm được hàm lượng chất hoạt động bề mặt, chất dễ bị oxy hóa

Hình 1.3 Xây dựng đồ thị biễu diễn sự phụ thuộc C f /q vào C f

Phương pháp hấp phụ được dùng rộng rãi để làm sạch triệt để nước thải khỏi các chất hữu cơ hòa tan sau khi xử lý sinh học cũng như xử lý cục bộ khi trong nước thải có chứa một hàm lượng rất nhỏ các chất đó Những chất này thường không phân hủy bằng con đường sinh học và thường có độc tính cao Nếu các chất này bị hấp phụ tốt và khi chi phí riêng lượng chất hấp phụ không lớn thì việc ứng

dụng phương pháp này là hợp lí hơn cả [3], [11]

Trong xử lý nước thải công nghiệp, hấp phụ được ứng dụng để khử độc nước thải khỏi thuốc diệt cỏ, phenol, thuốc sát trùng, các hợp chất hữu cơ vòng thơm, chất hoạt động bề mặt, thuốc nhuộm, màu hoạt tính

keo nhôm, một số chất tổng hợp hoặc chất thải sản xuất như: xỉ, mạt sắt,…Trong số này, than hoạt tính và bentonite là được dùng phổ biến nhất [11]

hữu cơ, kim loại nặng và các chất màu dễ bị than hấp phụ Lượng chất này tùy thuộc vào khả năng hấp phụ của từng chất và hàm lượng chất bẩn có trong nước Phương pháp này có khả năng hấp phụ được 58-95% các chất hữu cơ và màu Các chất hữu cơ có thể bị hấp phụ được tính đến là phenol, alkylbenzen, sunfonic axit, thuốc nhuộm, các hợp chất thơm [3]

Khi dùng để xử lý nước thải công nghiệp phải có những tính chất đặc biệt khác với những loại than để hấp phụ khí hoặc hơi dung môi Than hoạt tính phải xốp và có rỗng lớn để bề mặt có thể hút được phân tử của các chất bẩn hữu cơ tổng hợp, phải có khả năng chống mài mòn và dễ thấm ướt trong nước Than dùng để xử

lý nước thải nên có hoạt tính xúc tác nhỏ nhất đối với các phản ứng oxy hoá, ngưng

tụ hoặc không được làm mất giá trị sản phẩm đã thu hồi

Ưu điểm của phương pháp này là hiệu quả cao, có khả năng xử lý nhiều chất trong nước thải và có thể thu hồi các chất này Xử lý nước hấp phụ có thể tái sinh, tức thu hồi và tận dụng chất thải, phân hủy và tiêu hủy chất thải cùng với chất hấp phụ

khoáng sét thuộc nhóm smetic gồm Montmorilonit và một số khoáng khác Bentonite có cấu trúc lớp và thành phần hóa học có khả năng trao đổi cation lớn, các bề mặt giữa các lớp có đặc điểm hidrat hóa bất thường và đôi khi làm thay đổi khả năng lưu biến của các chất lỏng một cách mạnh mẽ Vì vậy, bentonite có ứng dụng rộng rãi trong công nghiệp và nhiều lĩnh vực của nền kinh tế quốc dân

Bentonite được sử dụng rộng rãi trong các ngành công nghiệp hóa học, thực phẩm, xây dựng, khoan dò khoáng sản, đặc biệt là trong lĩnh vực dầu khí Hiện nay phạm vi ứng dụng của bentonite ngày càng được phát triển và mở rộng nhờ khả năng hấp phụ và trao đổi ion nên được dùng để chế tạo các vật liệu hấp phụ dùng cho mục đích xử lý môi trường, dùng làm sạch dầu thực vật và một số chế phẩm hữu cơ… Bentonite được coi là chất đệm, chất xúc tác, chất hấp phụ, chất tạo khung nền

1.3.3.4 Trao đổi ion

Dùng các cationit có khả năng trao đổi ion dương và anionic có khả năng trao đổi ion âm để thực hiện quá trình trao đổi Mục đích để làm sạch nước thải khỏi các kim loại: Zn, Cu, Cr, Pb…

Các chất hay sử dụng như ion vô cơ tự nhiên: đất sét, Al2(SiO3)3

Các chất trao đổi ion vô cơ tổng hợp như silicagen, oxit khó tan, hidroxit của các kim loại Al, Cr…

Các chất trao đổi ion hữu cơ tự nhiên như axit humic, than đá

Các chất trao đổi ion hữu cơ tổng hợp như nhựa có bề mặt riêng lớn

1.3.4 Phương pháp điện hóa [11]

Phương pháp này đã được ứng dụng để xử lý nước thải dệt nhuộm Phương pháp này dựa trên cơ sở quá trình oxy hóa khử xảy ra trên các điện cực Ở anot,

tác nhân oxy hóa các chất hữu cơ trong dung dịch

Quá trình khử điện hóa các hợp chất hữu cơ như thuốc nhuộm, ở catot, kết hợp với phản ứng oxy hóa điện hóa và quá trình tuyển nổi, keo tụ điện hóa dẫn đến hiệu suất xử lý màu và khoáng hóa cao Đây là phương pháp được chứng minh hiệu quả đối với việc xử lý độ màu, COD, BOD, TOC, kim loại nặng, chất rắn lơ lửng của nước thải dệt nhuộm Tuy nhiên phương pháp điện hóa có giá thành cao do tiêu tốn năng lượng và kim loại làm điện cực

1.3.5 Phương pháp hóa học [1], [3], [11]

Ưu điểm nổi bật của các phương pháp hóa học so với các phương pháp hóa lý

là biến đổi, phân hủy chất ô nhiễm (chất màu) thành các chất dễ phân hủy sinh học hoặc không ô nhiễm chứ không phải chuyển chúng từ pha này sang pha khác So với phương pháp vi sinh thì tốc độ xử lý chất thải bằng phương pháp hóa học nhanh hơn nhiều

Các phương pháp hóa học dùng trong xử lý nước thải gồm có: trung hòa, oxy hóa và khử

1.3.5.1 Phương pháp trung hòa [3], [11]

Nước thải chứa các axit vô cơ hoặc kiềm cần được trung hòa pH về khoảng 6,5 ÷ 8,5 trước khi thải vào nguồn nước hoặc sử dụng cho công nghệ xử lý tiếp theo

Trung hòa nước thải có thể được thực hiện bằng nhiều cách khác nhau:

+ Trộn lẫn nước thải axit với nước thải kiềm:

+ Trung hòa bằng cách dùng hóa chất:

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

+ Trung hòa bằng khí thải khói lò hơi

1.3.5.2 Phương pháp oxi hóa khử

Thuốc nhuộm có màu là do trong phân tử của nó có chứa các nối đôi tiếp cách,

do đó để xử lý nước thải dệt nhuộm người ta thường dùng các chất oxi hóa mạnh để phá vỡ cấu trúc cầu nối và như vậy phân tử thuốc nhuộm bị pha vỡ một phần hay toàn bộ, chuyển về dạng đơn giản khác

Các chất oxi hóa thường dùng là: Clo, H2O2, ozon

 Oxy hóa bằng clo

Chất oxi hóa mạnh lại rẻ tiền nên Clo được sử dụng nhiều trong công nghệ môi trường Nó có thể khử màu nhanh thuốc nhuộm axit và thuốc nhuộm hoạt tính Với thuốc nhuộm phân tán và thuốc nhuộm trực tiếp thì ngay ở nồng độ Clo cao cũng không thu được hiệu quả đáng kể Nhìn chung, Clo không được ưa thích trong

xử lý màu nước thải vì sinh ra các hợp chất cơ Clo gây ung thư và độc hại với môi trường

 Oxy hóa bằng hydro peoxit

Chất oxi hóa thân thiện với môi trường nhưng do có tính khử màu yếu nên

hình thành có khả năng oxi hóa rất cao H2O2 được dùng để oxy hóa các nitrit,

xyanua, phenol, các chất thải chứa lưu huỳnh và các chất nhuộm mạnh Trong môi

năng khử Trong môi trường axit, H2O2 chuyển Fe2+thành Fe3+, HNO2 thành HNO3,

SO3

2-, CN- bị oxy hóa trong môi trường kiềm ( pH = 9 ÷ 12 ) thành

nước

 Oxy hóa bằng ozon

Ozon là chất oxi hóa mạnh và có thể oxi hóa thuốc nhuộm trong nước thải

mà không sinh ra các hợp chất hữu cơ thứ cấp độc hại pH < 5, ozon tồn tại ở dạng

oxi hóa tiên tiến) Ozon có hiệu quả nhất trong loại bỏ thuốc nhuộm hoạt tính Nhược điểm lớn nhất của phương pháp này nằm ở giá thành cao và thời gian tồn tại của ozon ngắn, chi phí cho thiết bị tạo ozon cao

1.4 Phương pháp xử lý nước thải bằng keo tụ

1.4.1 Cấu tạo hạt keo [10]

Hạt keo Fe(III) có cấu tạo như sau:

Granun

Lớp điện tích kép

Khi hòa tan FeCl3 trong nước xảy ra quá trình thủy phân:

mặt lớn nên chúng hấp thụ những ion có trong thành phần của tố hợp Hạt ion gần giống với ion trong tổ hợp về tính chất và kích thước tạo thành nhân mixen Ion được hấp thụ gọi là ion quyết định thế hiệu (QĐTH) Thế trên bề mặt nhân gọi là thế nhiệt động, bằng điện tích của tất cả ion bề mặt nhân (ion QĐTH)

[mFe(OH)3] + n Fe3+ ↔ [mFe(OH)3] n Fe3+

sẽ có một lớp

-, lớp ion được hấp thụ trên bề mặt nhân mixen gọi là lớp ion nghịch, lớp này gồm 2 phần: một phần gắn chặt với ion

1.4.2 Cơ chế của quá trình keo tụ tạo bông

Phương pháp keo tụ thường được dùng để xử lý độ đục, độ màu của nước thải nhuộm

1.4.2.1 Nguyên tắc [4], [5]

Do có độ phân tán lớn, diện tích bề mặt riêng lớn nên các hạt keo có xu hướng hút nhau nhờ các lực bề mặt Song, do các hạt keo cùng loại tích điện cùng dấu đặc trưng bằng thế zeta (ξ) nên các hạt keo luôn đẩy nhau bởi lực đẩy tĩnh điện, ngăn chúng hút nhau tạo hạt lớn hơn và lắng xuống Như vậy thế ξ càng lớn hệ keo càng bền (khó kết tủa), thế ξ càng nhỏ hạt keo càng dễ bị keo tụ, trong trường hợp lý tưởng khi ξ bằng 0 thì hạt không tích điện và dễ dàng hút nhau bởi lực bề mặt tạo hạt lớn hơn có thể lắng được Đó là cơ sở của phương pháp keo tụ [22]

 Để thực hiện keo tụ hệ keo, có thể sử dụng các cách:

tới thế ξ = 0, điều này được thực hiện khi cho hạt keo hấp phụ đủ điện tích trái dấu

để trung hòa điện tích hạt keo Điện tích trái dấu này thường là các ion kim loại đa hóa trị trong các muối vô cơ (chất keo tụ)

keo tụ nhờ hiện tượng hấp phụ- bám dính (hiệu ứng quét)

keo nhỏ lại với nhau tạo hạt có kích thước lớn (bông cặn) dễ lắng

muối sắt hoặc hỗn hợp của chúng Đây là hai loại hóa chất rất thông dụng trong xử lý nước cấp nhất là xử lý nước sinh hoạt

- Các muối nhôm gồm có: Al2(SO4)3.18 H2O, NH4Al(SO4)2.12 H2O, NaAlO2

Al2(OH)5Cl, KAl(SO4)2.12 H2O Trong đó được sử dụng rộng rãi nhất là Al2(SO4)3

vì Al2(SO4)3 hòa tan tốt trong nước, chi phí thấp, hoạt động có hiệu quả cao trong khoảng pH= 5 ÷ 7,5 [8]

- Các muối sắt Fe2(SO4)3 2H2O, Fe2(SO4)3 3H2O, FeSO4 7H2O và FeCl3cũng thường được dùng làm chất keo tụ [8]

1.4.2.2 Quá trình keo tụ bởi muối Fe(III) gồm các giai đoạn sau [1], [8]

)

trung hòa điện tích âm của hạt keo, khi được trung hòa, điện tích bề mặt các hạt keo

dễ dàng hút nhau nhờ lực phân tử để tạo thành các hạt lớn hơn, lắng được

- Giai đoạn 3: Tạo bông, trước hết Fe3+

thủy phân tạo thành Fe(OH)3 Tiếp

dưới tác dụng của trọng lực Các bông này có diện tích bề mặt lớn, dễ dàng hấp phụ các chất khác trong quá tình kết tủa và làm sạch nước

được đưa vào nước trực tiếp Ở pH trung tính 6 – 8 quá trình thủy phân xảy ra quá nhanh, kết tủa được hình thành ngay và các dạng hạt không thể kiểm soát được

muối

Nhưng các muối sắt có nhược điểm là chúng tạo thành các phức hòa tan nhuộm màu qua phản ứng của các cation sắt với một số chất hữu cơ

Trong quá trình tạo bông keo của hiđroxit nhôm hoặc sắt, người ta thường thêm các chất trợ keo tụ như: tinh bột, các ete, xenlulozơ,…, với liều lượng 1-5mg/l, hay chất trợ keo tụ tổng hợp nhất là polyarylamit nhằm giảm liều lượng chất keo tụ, giảm thời gian keo tụ và nâng cao tốc độ lắng của các bông keo

Phương pháp keo tụ được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước thải dệt nhuộm

có các thuốc nhuộm phân tán và không tan Đây là phương pháp khả thi về mặt kinh

tế Tuy nhiên nó không xử lý được tất cả các loại thuốc nhuộm: thuốc nhuộm axit, thuốc nhuộm trực tiếp, thuốc nhuộm hoàn nguyên keo tụ tốt nhưng không kết lắng

dễ dàng, bông cặn chất lượng thấp, thuốc nhuộm hoạt tính rất khó xử lý bằng các tác nhân keo tụ thông thường và còn ít được nghiên cứu Bên cạnh đó phương pháp keo tụ cũng tạo ra một lượng bùn thải lớn và không làm giảm tổng chất rắn hòa tan nên gây khó khăn cho tuần hoàn nước