THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI XI MẠ CÔNG SUẤT 60M 3 NGÀY TẠI CÔNG TY TNHH THÀNH LONG HUYỆN NHÀ BÈ TP.HỒ CHÍ MINH

Việc nghiên cứu và thiết kế hệ thống xử lý nước thải xi mạ cho công ty TNHH THÀNH LONG nhằm xử lý nước thải đạt tiêu chuẩn QCVN 24: 2009/BTNMT, loại B trước khi thải vào nguồn tiếp nhận

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP.HỒ CHÍ MINH KHOA MÔI TRƯỜNG VÀ TÀI NGUYÊN

KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP

THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI XI MẠ CÔNG SUẤT

60M 3 /NGÀY TẠI CÔNG TY TNHH THÀNH LONG

LỜI CẢM TẠ

Trong suốt thời gian học tập tại trường và thực hiện khóa luận tốt nghiệp, tôi luôn nhận được sự quan tâm và giúp đỡ nhiệt tình của các thầy cô, bạn bè, gia đình và các tổ chức

Đầu tiên, tôi xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến Th.S Lê Tấn Thanh Lâm Cảm ơn thầy đã dành nhiều tâm huyết hướng dẫn tận tình, truyền đạt nhiều kinh nghiệm quý báu và bổ ích cho tôi trong suốt quá trình thực hiện khóa luận tốt nghiệp

Xin gửi lời cảm ơn đến 2 bạn lớp công nghệ hóa : bạn Phạm Hồng Luân và bạn Nguyễn Hữu Mừng đã giúp đỡ tôi rất nhiều trong quá trình làm thí nghiệm

Xin gửi lời cảm ơn đến các thầy cô trong khoa Môi Trường và Tài Nguyên, Trường Đại Học Nông Lâm TP.HCM lời cám ơn chân thành vì đã truyền đạt cho tôi những kiến thức quý giá và bổ ích trong quá trình học tập, giúp đỡ và tạo mọi điều kiện thuận lợi cho tôi trong suốt bốn năm học tập tại trường

Xin gửi lời cảm ơn trìu mến nhất tới các bạn DH07MT đã luôn sát cánh và chia

sẻ cùng tôi những lúc vui buồn trong học tập và cuộc sống, cảm ơn vì đã cho tôi những phút giây thật đẹp thời sinh viên

Cuối cùng, tôi xin gửi lời cảm ơn chân thành và lòng kính yêu vô hạn đến cha

mẹ và những người thân trong gia đình Con luôn biết ơn công ơn sinh thành, dưỡng dục của cha mẹ, cảm ơn mọi người đã luôn che chở, động viên, là chỗ dựa vững chắc cho con, giúp con vượt qua mọi khó khăn, thử thách trong cuộc sống để có được thành công ngày hôm nay

Thành phố Hồ Chí Minh, tháng 08/2011

Sinh viên thực hiện

Vũ Ngọc Phiến

Khóa luận được đệ trình để đáp ứng yêu cầu cấp bằng kỹ sư ngành

KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

Giáo viên hướng dẫn:

Th.S Lê Tấn Thanh Lâm

Tháng 8 năm 2011

TÓM TẮT

Đề tài “Nghiên cứu và thiết kế xử lý nước thải ngành xi mạ công suất 60

m3/ngày” được tiến hành tại Công ty TNHH Thành Long và Khoa môi trường và tài nguyên Trường Đại học Nông Lâm TP HCM, thời gian từ tháng 2 năm 2011 đến tháng 7 năm 2011

Kết quả thí nghiệm được áp dụng thiết kế hệ thống xử lý nước thải xi mạ với công suất 60 m3/ngày Các thông số thiết kế sau:

 Đối với quá trình keo tụ

Giai đoạn 1:

- Hóa chất keo tụ sử dụng là : phèn sắt

- pH tối ưu : 7

- Lượng phèn tối ưu : 400 g/m3 nước thải

- Hiệu quả xử lý COD : 24,51 %

- Hàm lượng Fe : 14,2 mg/L nước thải

- Hàm lượng Zn : 11,5 mg/L nước thải

- Hàm lượng SS : 40 mg/L nước thải

- Giai đoạn 2:

- Hóa chất keo tụ sử dụng là : phèn nhôm

- pH tối ưu : 9

- Lượng phèn tối ưu : 640 g/m3 nước thải

- Hiệu quả xử lý COD : 74,17%

- Hàm lượng Fe : 3,9 mg/L nước thải

- Hàm lượng Zn: 0,33 mg/L nước thải

- Hàm lượng SS : 18 mg/L nước thải

 Đối với qúa trình keo tụ kết hợp với oxi hóa nâng cao hệ Fenton

Giai đoạn 1:

- Hóa chất keo tụ sử dụng là : phèn sắt

- pH tối ưu : 7

- Lượng phèn tối ưu : 400 g/m3 nước thải

- Hiệu quả xử lý COD : 24,51 %

- Hàm lượng Fe : 14,2 mg/L nước thải

iv

- Hàm lượng Zn: 11,5 mg/L nước thải

- Hàm lượng SS : 40 mg/L nước thải

Giai đoạn 2:

- Hóa chất keo tụ sử dụng là : H2O2, FeSO4 ( Tỉ lệ 1:08)

- pH tối ưu : 7

- Lượng phèn tối ưu : 50 g/m3 nước thải

- Lượng H2O2 : 1,625 L/m3 nước thải

- Hiệu quả xử lý COD : 82,89 %

- Hàm lượng Fe : 0,2 mg/L nước thải

- Hàm lượng Zn: 0,8 mg/L nước thải

- Hàm lượng SS : 10,5 mg/L nước thải

MỤC LỤC

LỜI CẢM TẠ i

THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI XI MẠ CÔNG SUẤT 60 M3/NGÀY ii TÓM TẮT iii

MỤC LỤC v

DANH SÁCH CÁC BẢNG viii

DANH SÁCH CÁC HÌNH x

CHƯƠNG I 1

MỞ ĐẦU 1

1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ 1

1.2 MỤC TIÊU KHÓA LUẬN 1

1.3 NỘI DUNG CỦA KHÓA LUẬN 1

1.4 PHƯƠNG PHÁP THỰC HIỆN 2

1.5 Ý NGHĨA CỦA KHÓA LUẬN 2

1.5.1 Ý nghĩa khoa học 2

1.5.2 Ý nghĩa thực tiễn 2

CHƯƠNG II 3

TỔNG QUAN 3

2.1 Tổng quan về ngành xi mạ 3

2.1.1 Khái niệm 3

2.1.2 Các loại hình xi mạ 4

2.1.3 Quy trình xi mạ và nguồn nước thải của quá trình xi mạ 7

2.1.4 Vấn đề ô nhiễm môi trường do nước thải ngành xi mạ 8

2.1.5 Ảnh hưởng của hóa chất xi mạ đến môi trường 9

2.2 Lý thuyết của quá trình keo tụ tạo bông 10

2.2.1 Khái niệm hạt keo 10

2.2.2 Các cơ chế chính của quá trình keo tụ tạo bông 12

2.2.3 Động học quá trình keo tụ tạo bông 14

2.3 Cơ sở lý thuyết của quá trình oxy hóa Fenton: 15

2.3.1 Định nghĩa 15

2.3.2 Cơ chế phản ứng của Fenton 15

2.3.3 Những nhân tố ảnh hưởng đến phản ứng Fenton 17

vi

2.4 Tổng quan về công ty TNHH Thành Long 19

2.4.1 Tổng quan về công ty 19

2.4.2 Công ty TNHH Thành Long ở lô II-3 thuộc Khu công nghiệp Hiệp Phước, xã Hiệp Phước, huyện Nhà Bè, Thành phố Hồ Chí Minh 19

2.4.3 Diện tích : 5.000 m2, cấu tạo địa chất tốt, có nhiều cây xanh tự nhiên 19

2.4.4 Thành phần nước thải tại công ty 19

CHƯƠNG III 20

CÁC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI 20

3.1 Tổng quan về các phương pháp xử lý nước thải xi mạ 20

3.1.1 Phương pháp hóa lý 20

3.1.2 Phương pháp trao đổi ion 23

3.1.3.Phương pháp điện hóa 25

3.1.4.Phương pháp hấp phụ 26

3.1.5.Phương pháp thẩm thấu ngược 27

3.1.6.Phương pháp sinh học 27

3.2.Thời gian, địa điểm, đối tượng nghiên cứu 30

3.2.1 Phương pháp nghiên cứu 30

3.2.2 Mục đích nghiên cứu 30

3.2.3 Chuẩn bị thí nghiệm 30

3.2.4 Các bước tiến hành 30

3.3 Thí nghiệm oxi hóa nâng cao (Fenton) 31

3.3.1 Phương pháp nghiên cứu 32

3.3.2 Mục đích thí nghiệm 32

3.3.3 Chuẩn bị thí nghiệm 32

3.3.4 Các bước tiến hành 32

3.4 Số lượng mẫu thí nghiệm 33

3.4.1 Số lượng mẫu thí nghiệm Jartest 33

3.4.2 Số lượng mẫu thí nghiệm Fenton 34

3.5 Phương pháp phân tích chỉ tiêu 35

3.5.1 Phương pháp phân tích chỉ tiêu COD 35

3.5.2 Phương pháp phân tích chỉ tiêu SS 37

3.6 Kết quả thí nghiệm 37

3.6.1 Thí nghiệm keo tụ đối với phèn nhôm 37

3.6.2 Thí nghiệm keo tụ đối với phèn sắt 40

3.6.3 Thí nghiệm keo tụ đối với phèn PAC 43

3.6.4 Thí nghiệm lượng phèn nhôm phản ứng tối ưu tại pH = 9 47

3.6.5 Thí nghiệm lượng phèn sắt phản ứng tối ưu tại pH = 10 48

3.6.6 Kết quả lượng PAC phản ứng tối ưu tại pH = 9 50

3.6.7 Thí nghiệm phản ứng oxi hóa nâng cao 52

3.7 Một số công nghệ xử lý nước thải xi mạ 58

3.7.1Xử lý nước thải xi mạ bằng phương pháp keo tụ (Sở khoa học công nghệ và môi trường TP HCM) 58

3.7.2Công ty TNHH YUJIN VINA 59

CHƯƠNG 4 60

ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ - TÍNH TOÁN THIẾT KẾ 60

4.1 Đề xuất phương án 60

4.1.1.Phương án 1: Phương pháp keo tụ kết hợp phèn sắt và phèn nhôm 60

4.1.2 Phương án 2: Phương pháp keo tụ phèn sắt và oxi hóa nâng cao Fenton 62

4.2Tính toán phương án 1: 64

4.2.1Tính toán lưu lượng : 64

4.3.Tính toán phương án 2 69

4.3.1Tính toán lưu lượng : 69

CHƯƠNG 5 74

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 74

5.1.Kết luận 74

5.1.1.Kết luận chung 74

5.1.2.Kết luận về công nghệ đề xuất 74

5.2.Kiến nghị 74

TÀI LIỆU THAM KHẢO 76

PHỤ LỤC 77

viii

DANH SÁCH CÁC BẢNG

Bảng 2.3 Các phương trình phản ứng xảy ra trong quá trình Fenton 16

Bảng 3.1.Các hóa chất thường sử dụng trong quá trình kết tủa 21

Bảng 3.3 Hiệu suất khử các ion kim loại bằng phương pháp sinh học 28

Bảng 3.4 Tóm tắt ưu nhược điểm của các phương pháp 29

Bảng 3.1 Bố trí thí nghiệm Jartest cho phèn nhôm 33

Bảng 3.2 Bố trí thí nghiệm Jartest cho phèn sắt 34

Bảng 3.3 Bố trí thí nghiệm Jartest cho PAC 34

Bảng 3.4 Bố trí thí nghiệm xác định pH tối ưu cho phản ứng Fenton 34

Bảng 3.5 Bố trí thí nghiệm xác định lượng phèn tối ưu cho phản ứng Fenton 35

Bảng 3.6 Bố trí thí nghiệm xác H2O2:FeSO4 tối ưu cho phản ứng Fenton 35

Bảng 3.7 Phân bố hóa chất trong ống nghiệm 36

Bảng 4.1 Thông số đầu vào thí nghiệm xác định giá trị pH tối ưu và lượng phèn phản ứng tối ưu của quá trình keo tụ bằng phèn nhôm 38

Bảng 4.2 Bảng phân tích ANOVA so sánh pH tối ưu khi dùng phèn nhôm 38

Bảng 4.3 Bảng phân tích ANOVA so sánh lượng phèn nhôm tối ưu 39

Bảng 4.4 Thông số đầu vào thí nghiệm xác định giá trị pH tối ưu và lượng phèn phản ứng tối ưu của quá trình keo tụ bằng phèn sắt 40

Bảng 4.5 Bảng phân tích ANOVA so sánh pH tối ưu khi dùng phèn sắt 41

Bảng 4.6 Bảng phân tích ANOVA so sánh lượng phèn sắt tối ưu 42

Bảng 4.7 Thông số đầu vào thí nghiệm xác định giá trị pH tối ưu và lượng phèn phản ứng tối ưu của quá trình keo tụ bằng PAC 43

Bảng 4.8 Bảng phân tích ANOVA so sánh pH tối ưu khi dùng phèn PAC 44

Bảng 4.9 Bảng phân tích ANOVA so sánh lượng phèn PAC tối ưu 44

Bảng 4.10 Kết quả so sánh và đánh giá giữa ba loại phèn sử dụng 46

Bảng 4.11 Kết quả phân tích hàm lượng kim loại ở giai đoạn 1 46

Bảng 4.12 Bảng phân tích ANOVA so sánh hiệu quả xử lý của 3 loại phèn 46

Bảng 4.13 Nước thải đầu vào khi điều chỉnh đến pH = 7 với lượng phèn sắt tối ưu 47

Bảng 4.14 Thông số đầu ra khi sử dụng phèn nhôm tại pH = 9 47

Bảng 4.15 Bảng phân tích ANOVA đầu ra khi sử dụng phèn nhôm tại pH = 9 47

Bảng 4.16 Thông số đầu ra khi sử dụng phèn sắt tại pH = 10 48

Bảng 4.17 Bảng phân tích ANOVA đầu ra khi sử dụng phèn sắt tại pH = 10 49

Bảng 4.18 Thông số đầu ra khi sử dụng PAC tại pH = 9 50

Bảng 4.19 Bảng phân tích ANOVA đầu ra khi sử dụng PAC tại pH = 9 50

Bảng 4.20 Kết quả phân tích kim loại ở giai đoạn 2 51

Bảng 4.21 So sánh và đánh giá hiệu quả xử lý của 3 loại phèn ở giai đoạn 2 51

Bảng 4.22 Bảng phân tích ANOVA hiệu quả xử lý của 3 loại phèn ở giai đoạn 2 51

Bảng 4.23 Kết quả xác định pH tối ưu và lượng phèn tối ưu của phản ứng Fenton 52

Bảng 4.24 Bảng phân tích ANOVA pH tối ưu của phản ứng Fenton 53

Bảng 4.25 Bảng phân tích ANOVA lượng phèn tối ưu của phản ứng Fenton 53

Bảng 4.26 Kết quả xác định tỉ lệ FeSO4:H2O2 tối ưu của phản ứng Fenton 53

Bảng 4.27 Bảng phân tích ANOVA tỉ lệ FeSO4:H2O2 tối ưu của phản ứng Fenton 54 Bảng 4.3 Các thông số thiết kế và khái quát kinh tế của phương án 1 64 Bảng 4.4 Các thông số thiết kế và khái quát kinh tế của phương án 2 69

x

DANH SÁCH CÁC HÌNH

Hình 2.1 Sơ đồ công nghệ và nguồn nước thải của quá trình xi mạ 7

Hình 4.1 Biểu đồ xác định pH tối ưu và lượng phèn tối ưu đối với phèn nhôm 38

Hình 4.2 Biểu đồ xác định pH tối ưu và lượng phèn tối ưu đối với phèn sắt 41

Hình 4.3 Biểu đồ xác định pH tối ưu và lượng phèn tối ưu đối với PAC 44

Hình 4.4 Biểu đồ so sánh lượng phèn nhôm tối ưu tại pH = 9 48

Hình 4.5 Biểu đồ so sánh lượng phèn sắt tối ưu tại pH = 10 50

Hình 4.6 Biểu đồ so sánh lượng PAC tối ưu tại pH = 9 52

Hình 4.7 Biểu đồ thể hiện pH tối ưu của phản ứng Fenton 54

Hình 4.8 Biểu đồ thể hiện lượng phèn tối ưu của phản ứng Fenton 55

Hình 4.9 Biểu đồ thể hiện tỉ lệ H2O2:FeSO4 tối ưu của phản ứng Fenton 55

Hình 4.1 Quy trình xử lý nước thải phương án 1 60

Hình 4.2 Quy trình xử lý nước thải phương án 2 62

CHƯƠNG I

MỞ ĐẦU 1.1 ĐẶT VẤN ĐỀ

Cùng với sự phát triển mạnh mẽ của quá trình công nghiệp hoá đất nước, chất

thải công nghiệp cũng đang ngày một gia tăng về khối lượng, đa dạng về chủng loại,

đòi hỏi phải có nhận thức đúng đắn và đầu tư thích đáng cho vấn đề xử lý Nước thải phát sinh trong quá trình mạ kim loại chứa hàm lượng các kim loại nặng rất

cao và là độc chất đối với sinh vật, gây tác hại xấu đến sức khỏe con người Nhiều

công trình nghiên cứu cho thấy, với nồng độ đủ lớn, sinh vật có thể bị chết hoặc thoái

hóa, với nồng độ nhỏ có thể gây ngộ độc mãn tính hoặc tích tụ sinh học, ảnh hưởng

đến sự sống của sinh vật về lâu về dài Do đó, nước thải từ các quá trình xi mạ kim

loại, nếu không được xử lý, qua thời gian tích tụ và bằng con đường trực tiếp hay gián

tiếp, chúng sẽ tồn đọng trong cơ thể con người và gây các bệnh nghiêm trọng, như

viêm loét da, viêm đường hô hấp, eczima,ung thư, Nước thải mạ thường gây ô nhiễm

bởi các kim loại nặng như crôm, niken và độ pH thấp Phần lớn nước thải từ các nhà

máy, các cơ sở xi mạ được đổ trực tiếp vào cống thoát nước chung của thành phố mà

không qua xử lý triệt để, đã gây ô nhiễm cục bộ trầm trọng nguồn nước

Việc nghiên cứu và thiết kế hệ thống xử lý nước thải xi mạ cho công ty TNHH

THÀNH LONG nhằm xử lý nước thải đạt tiêu chuẩn QCVN 24: 2009/BTNMT, loại B

trước khi thải vào nguồn tiếp nhận có ý nghĩa quan trọng, vừa đáp ứng những yêu cầu

phát triển của công ty trong giai đoạn phát triển hiện nay đồng thời để thực hiện các

quy định về vấn đề môi trường Đó cũng chính là lý do mà tác giả chọn đề tài “ Nghiên

cứu và thiết kế hệ thống xử lý nước thải xi mạ công ty TNHH THÀNH LONG ” với

công suất 60m3/ngày

1.2 MỤC TIÊU KHÓA LUẬN

Tính toán thiết kế hệ thống xử lý nước thải xi mạ cho cho công ty TNHH

THÀNH LONG đạt QCVN 24: 2009/BTNMT, loại B Và tính toán kinh tế

Lập bản vẽ thiết kề hệ thống xử lý nước thải

1.3 NỘI DUNG CỦA KHÓA LUẬN

Tìm hiểu quá trình xi mạ, nguồn gốc phát sinh chất thải trong quá trình xi mạ,

tính chất nước thỉa xi mạ Các biện pháp xử lý nước thải xi mạ hiện nay

2

Khảo sát hiện trạng môi trường và các thông tin về công ty xi mạ THÀNH LONG Xác định lưu lượng và tính chất nước thải xi mạ tại công ty và phương pháp

xử lý nước thải đang hoạt động của công ty

Tìm hiểu các HTXLNT của các công ty khác có loại hình sản xuất tương tự

Đề xuất công nghệ và tính toán thiết kế HTXLNT, dự toán kinh tế cho 2 công nghệ dựa trên hiệu quả xử lý và hiệu quả kinh tế

Hoàn thiện công nghệ xử lý, triển khai bản vẽ công nghệ

nước

Việc xây dựng và vận hành tốt hệ thống xử lý nước thải có hiệu quả sẽ có tính kinh tế rất cao đồng thời góp phần hạn chế việc ô nhiễm môi trường do ngành xi mạ gây ra

CHƯƠNG II TỔNG QUAN 2.1 Tổng quan về ngành xi mạ

2.1.1 Khái niệm

Trong công nghiệp xi mạ, có nhiều hình thức xi mạ khác nhau như: mạ nhúng nóng, mạ điện, mạ hóa học

Mạ điện: mạ điện là một quá trình điện hóa Qúa trình này sẽ hình thành một

lớp kim loại tương đối mỏng trên bề mặt dẫn điện Qúa trình này thực hiện bằng cách nhúng vật liệu cần mạ vào dung dịch chứa những muối kim loại và nối nó vào cực âm của nguồn điện có điện áp thấp Mạch điện được hoàn tất khi nhúng đầu anod vào trong dung dịch đó và nối chúng với cực dương của nguồn điện Sản phẩm của quá trình này là tạo một lớp kim loại cần mạ trong dung dịch lên bề mặt của vật liệu cần

mạ

Ví dụ: Mạ đồng trong dung dịch điện môi SO42-, tại cực dương:

Cu → Cu2+ + 2e-

Cu2+ + SO42- → CuSO4 CuSO4 dễ tan trong dung dịch, tại cực âm

CuSO4 → Cu2+ + SO42-

Cu2+ + 2e- → Cu

Mạ hóa học: dựa trên cơ sở khử ion kim loại

thành kim loại từ dung dịch muối của nó bằng các chất khử thích hợp Mạ hoá học được sử dụng phổ biến cho mạ đồng và mạ Niken trên chất dẻo

Bên cạnh sự phát triển mạnh mẽ công nghệ mạ điện, mạ hoá học cũng được nhiều trung tâm công nghệ các nước tập trung nghiên cứu, ứng dụng, nhằm đáp ứng các yêu cầu sau:

 Kim loại hoá các phi kim

 Góp phần tích cực trong việc phát triển công nghệ chế tạo khuôn mẫu bằng phương pháp điện hoá

4

 Mạ hoá học còn có tác dụng thay thế cho lớp mạ điện trong trường hợp bề mặt chi tiết co cấu hình phức tạp, mạ điện không đạt được độ dày đồng đều, trong khi đó

mạ hoá thoã mãn được nhu cầu này

 Nước ta trên đường công nghiệp hoá, việc nghiên cứu ứng dụng công nghệ mạ điện lẫn mạ hoá học là một đòi hỏi cấp bách

Mạ nhúng nóng: là quá trình mạ kim loại dựa trên cơ sở kim loại cần mạ sẽ

được nhúng vào bể chứa kim loại phủ bề mặt ( kim loại nguyên chất ) được nấu nóng chảy ở nhiệt độ cao

2.1.2 Các loại hình xi mạ

Ngày nay trên thế giới, trong việc xử lý bề mặt có sự phân chia thành các quá trình điện hóa ướt và các kỹ thuật khô mà điển hình là quá trình xi mạ nhờ phun nhiệt (của cả kim loại và gốm), kết tủa bằng cách bốc hơi hóa học và vật lý Hai quá trình này đòi hỏi chân không hoặc thiết bị phản ứng cho phép thực hiện quá trình xi mạ trong đó Các kỹ thuật khô này thường được quảng cáo như là các kỹ thuật mạ hiện đại

và hiển nhiên là cách xử lý bề mặt tiên tiến Còn các quá trình ướt thường được xem là không tốt về mặt môi trường Nhưng thực ra các quá trình ướt truyền thống lại chiếm một thị phần lớn nhất trên thị trường xử lý bề mặt và do vậy được ứng dụng rộng rãi nhất Ví dụ: phương pháp mạ điện có thể mạ được một số lượng cực lớn kim loại nguyên chất hoặc hợp kim

Quá trình mạ điện bị qui là có nhiều điều hạn chế như dung dịch phức tạp về mặt hóa học, khó giải quyết vấn đề xử lý nước thải Tuy nhiên công nghệ này hiện đã được hoàn thiện và nhiều vấn đề môi trường đã được giải quyết thông qua khâu thiết

kế cẩn thận và sử dụng các máy móc, thiết bị hiện đại

Nghiên cứu về mạ điện hiện vẫn đang phát triển mạnh mẽ, có lẽ có 3 lĩnh vực được quan tâm:

 Hợp kim mới - để cải thiện các tính chất hóa học và tính chất cơ lý

 Tìm vật liệu đồng kết tủa cùng với kim loại mạ điện và mạ hóa Ví dụ đồng kết tủa cacbuasilic, polytetrafluoetylen, dầu trong các vi nang cùng với Ni

 Thực hiện lớp mạ đa lớp với các tính chất cơ, điện hoặc hóa đặc biệt

Mạ kẽm

Mạ kẽm thường sử dụng để tạo lớp trang trí hay bảo vệ cho sắt thép Do thế điện động của kẽm nhỏ hơn sắt nên khi bị ăn mòn thì lớp kẽm bị ăn mòn trước Lớp

kẽm dẻo dễ kéo, dễ dát mỏng Sản phẩm mạ kẽm thường gặp như: chi tiết ốc vít, tôn lợp nhà, đường ống nước, dây thép…Mạ kẽm thường phân loại theo nền hóa chất sử dụng: dung dịch axit, dung dịch xianua, dung dịch borat, dung dịch amoniac, dung dịch pyrophophat

Mạ Niken

Niken là kim loại màu trắng, hơi mền Lớp mạ niken dẻo, dễ đánh bóng tạo độ bóng rất cao và bền nhờ màng thụ động mỏng, chịu được các điều kiện khắc nghiệt của axit,

kim loại và muối

Mạ niken lên sắt thép nhằm bảo vệ vật mạ không bị ăn mòn do thế tiêu chuẩn của niken (-0,25V) cao hơn thế tiêu chuẩn của sắt (-0,44V) Để cho vật mạ bền thường

mạ hai lớp Ni/Cu hay ba lớp Ni/Cu/Cr lớp đồng có tác dụng lót và gắn chặt nickel voi kim loại nền, làm cho lớp mạ nickel bền hơn Mạ nickel ứng dụng nhiều trong công nghiệp: Mạ bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường xâm thực mạnh, mạ chịu mài mòn,

mạ khuôn bản in, các chi tiết xe đạp, xe hơi, xe gắn máy …

Mạ Niken có nhiều phương pháp khác nhau:

+ Mạ Niken trong dung dịch axit

+ Mạ Niken bóng Mạ Niken đen

+ Mạ Niken đặc biệt khác

Mạ Crom

Crom là kim loại cứng, trắng thế tiêu chuẩn của Crom 0,744V) thấp hơn sắt 0,44V) vì vậy đáng lẽ ra Crom dễ bị ăn mòn hơn sắt Tuy nhiên, do trên bề mặt của Crom có lớp oxit rất bền vững trong môi trường xâm thực và khí quyển

(-Lớp mạ Crom có độ bóng cao, màu sáng trắng, có ánh xanh Crom rất dễ mạ lên các kim loại như Fe, Cu, Ni, Pb, Zn do đó Crom được sử dụng trong mạ trang trí,

mạ bảo vệ ( phụ tùng xe hơi, xe gắn máy, xe đạp, đồ gia dụng) mạ tăng tính phản xạ ánh sáng, làm gương phản chiếu Mạ Crom cho các chi tiết chính xác, làm tăng độ mài mòn, khuôn dập, khuôn in, các chi tiết chịu mài mòn như xilanh, vòng găng của động

H2SO4 loãng và axit HCl Mục đích của việc mạ đồng là làm lớp mạ lót trang trí, lớp

mạ các chi tiết thép khỏi bị thấm cacbon, nito…Lớp mạ đồng dùng trong kỹ thuật đúc điện và các chi tiết khác

Mạ đồng có thể thực hiện tử các dung dịch mạ khác nhau :

- Mạ đồng trong dung dịch xyanua Mạ đồng trong dung dịch không có xyanua

- Mạ đồng trong dung dịch axit Và các loại mạ đồng đặc biệt khác

2.1.3 Quy trình xi mạ và nguồn nước thải của quá trình xi mạ

`

Hình 2.1 Sơ đồ công nghệ và nguồn nước thải của quá trình xi mạ

8

2.1.4 Vấn đề ô nhiễm môi trường do nước thải ngành xi mạ

Nước thải phát sinh trong quá trình xi mạ kim loại chứa hàm lượng các kim loại nặng rất cao và là độc chất đối với sinh vật, gây tác hại xấu đến sức khỏe con người Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy, với nồng độ đủ lớn, sinh vật có thể bị chết hoặc thoái hóa, với nồng độ nhỏ có thể gây ngộ độc mãn tính hoặc tích tụ sinh học, ảnh hưởng đến sự sống của sinh vật về lâu về dài Do đó, nước thải từ các quá trình xi mạ kim loại nếu không được xử lý qua thời gian tích tụ và bằng con đường trực tiếp hay gián tiếp, chúng sẽ tồn đọng trong cơ thể con người và gây các bệnh nghiêm trọng, như viêm loét da, viêm đường hô hấp, eczima, ung thư,

Các nghiên cứu gần đây về hiện trạng môi trường ở nước ta cho thấy, hầu hết các nhà máy, cơ sở xi mạ kim loại có quy mô vừa và nhỏ, áp dụng công nghệ cũ và lạc hậu, lại tập trung chủ yếu tại các thành phố lớn như Hà Nội, Hải Phòng, TP.HCM, Biên Hoà (Đồng Nai) Trong quá trình sản xuất, tại các cơ sở này (kể cả các nhà máy quốc doanh hoặc liên doanh với nước ngoài), vấn đề xử lý ô nhiễm môi trường còn chưa được xem xét đầy đủ hoặc việc xử lý còn mang tính hình thức, chiếu lệ, bởi việc đầu tư cho xử lý nước thải khá tốn kém và việc thực thi Luật Bảo vệ môi trường chưa được nghiêm minh

Nước thải mạ thường gây ô nhiễm bởi các kim loại nặng, như crôm, niken, đồng và độ pH thấp Phần lớn nước thải từ các nhà máy, các cơ sở xi mạ được đổ trực tiếp vào cống thoát nước chung của thành phố mà không qua xử lý triệt để, đã gây

ô nhiễm cục bộ trầm trọng nguồn nước

Kết quả khảo sát tại một số nhà máy cơ khí ở Hà Nội cho thấy, nồng độ chất độc có hàm lượng các ion kim loại nặng, như crôm, niken, đồng đều cao hơn nhiều

so với tiêu chuẩn cho phép; một số cơ sở mạ điện tuy có hệ thống xử lý nước thải nhưng chưa chú trọng đầy đủ đến các thông số công nghệ của quá trình xử lý để điều chỉnh cho phù hợp khi đặc tính của nước thải thay đổi Tại TP.HCM, Bình Dương và Đồng Nai, kết quả phân tích chất lượng nước thải của các nhà máy, cơ sở xi mạ điển hình ở cả 3 địa phương này cho thấy, hầu hết các cơ sở đều không đạt tiêu chuẩn nước thải cho phép: hàm lượng chất hữu cơ cao, chỉ tiêu về kim loại nặng vượt nhiều lần tiêu chuẩn cho phép, COD dao động trong khoảng 320 - 885mg/lít do thành phần nước thải có chứa cặn sơn, dầu nhớt Hơn 80% nước thải của các nhà máy cơ sở xi mạ

không được xử lý Chính nguồn thải này đã và đang gây ô nhiễm nghiêm trọng đến môi trường nước mặt, ảnh hưởng đáng kể chất lượng nước sông Sài Gòn và sông Đồng Nai Ước tính, lượng chất thải các loại phát sinh trong ngành công nghiệp xi mạ trong những năm tới sẽ lên đến hàng ngàn tấn mỗi năm

2.1.5 Ảnh hưởng của hóa chất xi mạ đến môi trường

Nước thải phát sinh từ quá trình xi mạ kim loại chứa hàm lượng các kim loại nặng rất cao và là độc chất đối với sinh vật, gây tác hại xấu đến sức khỏe con người

Những tác nhân gây ô nhiễm chính:

- Kim loại nặng: Crom, Nickel, kẽm, đồng…

- Chất hữu cơ tổng hợp: dầu mỡ, dung môi

- Khí độc: H2S, NOx, SOx, NH3, hơi axit…

- Anion độc hại: CN-, SO4, Cl

-Các chất trên khi tích tụ trong tự nhiên, kim loại nặng không bị phân hủy mà tích tụ theo chuỗi thức ăn từ sinh vật bậc thấp đến sinh vật bậc cao Ngoài ra, khi tồn tại trong tự nhiên, các ion kim loại này có thể phản ứng hóa học qua các quá trình chuyển hóa thành các dạng khác nhau rất khó kiểm soát và gây ra các hậu quả môi trường lâu dài

- Ảnh hưởng đến môi trường và hệ sinh thái: Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy

các thành phần kim loại nặng ảnh hưởng rất lớn tới quá trình sinh trưởng phát triển của con người, động vật và thực vật Với nồng độ đủ lớn sinh vật có thể bị chết hoặc thoái hóa, với nồng độ nhỏ có thể gây ngộ độc mãn tính hoặc tích tụ sinh học Ảnh hưởng trực tiếp của nước thải xi mạ đối với cá và thức ăn, đầu độc các vi sinh vật làm mất các nguồn phù du để nuôi cá, gây bệnh cho cá và biến đổi các tính chất của nước Khi phân tích thành phần cơ thể các sinh vật có tiếp xúc với kim loại nặng các nhà khoa học đã khẳng định mức độ tích tụ đáng kể các chất độc hại Lượng kim loại nặng tích

tụ trong đất trồng trọt và chăn nuôi ảnh hưởng trực tiếp đến cây trồng, vật nuôi…

Các kim loại nặng được tích lũy trong cơ thể của thực vật hay trong mô của động vật và ảnh hưởng độc lan truyền bằng con đường thu nhận chất dinh dưỡng từ chuỗi thức ăn Nước thải chứa Crom chưa qua xử lý hoặc xử lý chưa triệt để khi thải vào các nguồn nước tự nhiên sẽ gây nguy hiểm đến nguồn nước và nguy hại đối với hệ sinh thái thủy vực, tiêu diệt các thực vật nước và các động vật

10

- Ảnh hưởng đối với con người: Xi mạ là ngành có mật độ gây ô nhiễm môi trường

cao bởi hơi hóa chất, nước thải có chứa các ion kim loại nặng, kim loại độc hại ảnh hưởng tới sức khỏe con người gây nên nhiều căn bệnh khó chữa, nguy hiểm tới tính mạng Tùy thuộc vào kim loại thuộc dạng hợp chất mà chúng có những tác động và ảnh hưởng khác nhau lên sức khỏe của con người Chẳng hạn như Crom thì có độc tính cao đối với người và động vật Độc tính Cr6+ cao hơn rất nhiều so với độc tính của

Cr3+ Crom gây ảnh hưởng đến sức khỏe con người thông qua đường hô hấp và tiêu hóa Oxyt Crom III và oxyt Crom VI là những hợp chất gây kích thích da, mắt, nếu tiếp xúc thường xuyên hoặc tiếp xúc kéo dài sẽ là tác nhân gây ung thu phổi, ung thư họng

Nước thải bị ô nhiễm kim loại nặng khi thải vào môi trường làm ô nhiễm nguổn nước mặt và suy thoái nguồn tài nguyên nước ngầm… làm cho lượng nước sạch ngày càng cạn kiệt Với ngành công nghiệp xi mạ lượng nước thải đưa vào môi trường với một dư lượng lớn các độc chất đã làm cho nước ô nhiễm nghiêm trọng Ngoài ra, nước thải xi mạ có pH rất thấp nên ăn mòn các đường ống dẫn kim loại và các cấu trúc bêtông…

2.2 Lý thuyết của quá trình keo tụ tạo bông

2.2.1 Khái niệm hạt keo

Hạt keo là những hạt có kích thước 0,001 µm < Ф < 1µm có khả năng lắng rất chậm do bị cản trở bởi chuyển động Brown Tỷ lệ giữa diện tích bề mặt và khối lượng của các hạt keo lớn hơn rất nhiều so với các hạt khác, do đó tính chất bề mặt (thế điện động và thế điện tích bề mặt) đóng vai trò quan trọng trong quá trình tách hạt keo hơn

là lắng dưới tác dụng của trọng lực

Các hạt keo thường mang điện tích tương ứng với môi trường xung quanh và có thể phân thành 2 dạng chính: keo ưu nước và keo kỵ nước

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

- Không ái lực với môi trường nước

- Dễ keo tụ

- Đa số là những hạt keo vô cơ

Keo ưu nước (protein…) là những hạt keo:

- Thể hiện ái lực với nước

- Hấp phụ nước và làm chậm quá trình keo tụ, thường cần áp dụng những phương pháp xử lý đặc biệt để quá trình keo tụ đạt hiệu quả mong muốn

- Đa số là những hạt keo hữu cơ

Khi tác nhân keo tụ chi vào nước, keo kỵ nước hình thành sau quá trình thủy phân các chất này (khi thủy phân phèn sắt sẽ tạo thành hệ keo trong đó nhân hạt keo là nhóm Fe3+) Nhờ có điện tích bề mặt 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

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 Khả năng

ổn định hạt keo là do kết quả tổng hợp giữa lực hút và lực đẩy Nếu lực tổng hợp là lực hút thì xảy ra quá trình keo tụ Khi các hạt keo kết dính với nhau, chúng tạo thành những hạt có kích thước lớn hơn gọi là bông cặn và có khả năng lắng nhanh

12

Để lực hút thắng được lực đẩy thì điện thế zeta phải nhỏ hơn 0,03 V và quá trình keo tụ càng đạt hiệu quả khi điện thế zeta tiến tới 0

2.2.2 Các cơ chế chính của quá trình keo tụ tạo bông

Các cơ chế chính của quá trình keo tụ bông gồm:

a) Quá trình nén lớp điện tích kép, giảm thế điện động Zeta nhờ ion trái dấu

Khi bổ sung các ion trái dấu vào nước thải với nồng độ cao, các ion sẽ chuyển dịch đến lớp khuếch tán vào lớp điện tích kép và tăng điện tích trong lớp điện tích kép, giảm thế điện động zeta và giảm lực tĩnh điện

b) Quá trình keo tụ do hấp phụ ion trái dấu trên bề mặt, trung hòa điện tích tạo ra điểm đẳng điện zeta bằng 0 Trong trường hợp này, quá trình hấp phụ chiếm ưu thế

c) Cơ chế hấp phụ - tạo cầu nối

Các polymer vô cơ hoặc hữu cơ có thể ion hóa, nhờ cấu trúc mạch dài của chúng tạo ra cầu nối giữa các hạt keo qua các bước sau:

- Phân tán polymer

- Vận chuyển polymer đến bề mặt hạt

- Hấp phụ polymer lên bề mặt hạt

- Liên kết giữa các hạt đã hấp phụ polymer với nhau hoặc với các hạt khác

Cơ chế tạo cầu nối có thể biểu diễn theo sơ đồ phản ứng như sau:

- Phản ứng 1: phân tử polymer kết dính với hạt keo do lực hút giữa polymer và hạt keo tích điện trái dấu

- Phản ứng 2: phần còn lại của polymer đã hấp phụ hạt keo ở trên lại liên kết với những vị trí hoạt tính trên bề mặt các hạt keo khác

- Phản ứng 3: nếu không thể liên kết với các hạt keo khác, polymer đã hấp phụ hạt keo trên sẽ cuộn lại và kết dính ở một vị trí hoạt tính khác trên bề mặt hạt keo và

do đó tái tạo ra hiện tượng tái bền hạt keo

- Phản ứng 4: nếu cho quá thừa polymer, có thể làm bão hòa điện tích bề mặt của các hạt keo nên không vị trí hoạt động nào tồn tại để tạo thành cầu nối Điều này dẫn đến hiện tượng tái bền hạt keo và có thể có hoặc không xảy ra hiện tượng đổi dấu hạt keo

- Phản ứng 5: phá vỡ liên kết giữa hạt keo và polymer nấu khuấy trộn quá mạnh

14

- Phản ứng 6: tái bền hạt keo do hiện tượng hấp phụ trên một vị trí hoạt tính khác

của cùng hạt keo như trình bày ở phản ứng 3

Quá trình keo tụ hấp phụ cùng lắng trong quá trình lắng

Ở giá trị pH thích hợp, các tác nhân keo tụ là phèn nhôm và phèn sắt cho vào

dung dịch sẽ tạo thành Al(OH)3 hoặc Fe(OH)3 và lắng xuống Trong quá trình lắng

chúng kéo theo các bông keo, các cặn bẩn hữu cơ và vô cơ, các hạt keo khác cùng

lắng Cơ chế này được gọi là cơ chế cùng lắng Qúa trình này không phụ thuộc vào

quá trình keo tụ tạo bông và không xảy ra hiện tượng tái ổn định hạt keo như trên

2.2.3 Động học quá trình keo tụ tạo bông

Quá trình keo tụ tạo bông gồm hai quá trình chính:

Quá trình keo tụ: dựa trên cơ chế phá bền hạt keo

Quá trình tạo bông: tiếp xúc/kết dính giữa các hạt keo đã bị phá bền Cơ chất

tiếp xúc giữa các hạt keo này bao gồm:

- Tiếp xúc do chuyển động nhiệt (chuyển động Brown) tạo thành hạt có kích

thước nhỏ, khoảng 1µm

- Tiếp xúc do quá trình chuyển động của lưu chất được thực hiện bằng cách

khuấy trộn hỗn hợp để tạo thành những bông cặn có kích thước lớn hơn

- Tiếp xúc do quá trình lắng của các hạt

Để khuấy trộn nước thải với hóa chất keo tụ và tạo thành bông keo, người ta dùng những thiết bị khuấy trộn khác nhau Tuy nhiên, để hiệu quả tạo bông cũng như lắng các bông cặn được cao thì các giá trị của gradien vận tốc G và thời gian t phải đảm bảo Các giá trị của những đại lượng này phụ thuộc vào:

- Thành phần hóa học của nước

- Bản chất và nồng độ keo trong nước

2.3 Cơ sở lý thuyết của quá trình oxy hóa Fenton:

O O H O H

OH OH Fe

Fe O H

* 3

2 2 2

Xúc tác sắt II (Fe2+) khi tan trong nước tạo ra gốc hydroxyl có hoạt tính rất mạnh Năng lực oxi hóa của gốc hydroxyl này rất cao, chỉ đứng sau Florine Sắt III (Fe3+) không tạo ra gốc hydroxyl và ít tan trong nước trong điều kiện pH 5-6 Trong điều kiện thích hợp sắt III có thể tái sinh trở lại sắt II nếu dư H2O2:

OOH H

Fe Fe

16

- OH* là tác nhân oxi hóa chính của hệ Fenton

- pH = 3  5, nếu pH quá cao sắt sẽ kết tủa thành Fe(OH)3 và nó sẽ phân hủy

H2O2 thành oxy

- Quá trình Fenton có thể xảy ra các phản ứng sau:

Bảng 2.3 Các phương trình phản ứng xảy ra trong quá trình Fenton

- Gốc OH* tạo ra có khả năng phản ứng với Fe2+ và H2O2 (Phản ứng (3) và (4))

- Theo phản ứng (4), (5) và (6), nếu H2O2 dư, gốc OH* sẽ phản ứng với H2O2 tạo

ra OOH* có khả năng oxi hóa thấp hơn

- OH* có khả năng phản ứng với nhiều chất hữu cơ (RH) tạo thành gốc hữu cơ

có khả năng phản ứng cao

OH* + RH  R* + H2O

- Gốc R* có thể oxi hóa Fe2+, khử Fe3+ và dimer hóa theo các phản ứng sau:

R* + Fe2+  Fe3+ + RH R* + Fe3+  Fe2+ + “sản phẩm”

R* + R*  “sản phẩm” (dimer)

- Fe3+ sẽ phản ứng với H2O2 tạo ra Fe2+ để sau đó Fe2+ tiếp tục phản ứng với

H2O2 theo phản ứng (1) và hình thành gốc OH*

- Tuy nhiên tốc độ oxi hóa bằng tác nhân H2O2/Fe3+ chậm hơn nhiều so với tác nhân H2O2/Fe2+ Nguyên nhân vì Fe3+ phải được khử thành Fe2+ trước khi gốc OH* hình thành

- Phản ứng Fenton với tác nhân H2O2/Fe3+ còn xảy ra theo kiểu sau:

2

* 2 2

2 2

2 3

HO Fe

H O Fe O

H

Fe   H    

2 2

2

* 3

O H Fe HO

- Fe2+ tạo ra sẽ phản ứng với H2O2 theo phản ứng (1) và hình thành gốc OH*

- Theo Gallard và De Laat, phản ứng của hệ H2O2/Fe3+ trong môi trường axit tạo

ra các sản phẩm trung gian sau:

Fe3+ + H2O2  FeIII(HO2) 2+ + H+ (k  3 , 1  10 3)

FeOH2+ + H2O2  FeIII(OH)(HO2) 2+ + H+ (k  2  10 4)

- Khi các phức FeIII hydroperoxyt tạo thành sẽ xảy ra quá trình phân hủy để tạo

ra Fe2+ và HO2-:

FeIII(HO2)2+  Fe2+ + HO2

-FeIII(OH)(HO2)2+  Fe2+ + HO2- + OH

Fe2+ tạo ra sẽ tiếp tục phản ứng với H2O2 để tạo ra gốc OH*

 Khả năng oxi hóa của gốc *OH: được thể hiện qua thế oxi hóa Thế oxi hóa của gốc hydroxyl *OH là 2,8 V, cao nhất trong số các tác nhân oxi hóa thường gặp Nếu so với Clo, thế oxi hóa của gốc hydroxyl *OH cao gấp 2,05 lần và so với ozon, thế oxi hóa của gốc hydroxyl *OH cao gấp 1,52

- Gốc OH* có khả năng khoáng hóa hoàn toàn chất hữu cơ theo các phản ứng sau:

RHX + H2O2  H2O + H+ + X

- Phản ứng của gốc OH* trong nước có 4 dạng:

- Dạng cộng thêm: OH* + C6H6  *(OH)C6H6

- Dạng loại hydro: OH* + CH3OH  *CH2O + H2O

- Dạng chuyển đổi electron: OH* + [Fe(CN6)]4-  [Fe(CN6)]3- + OH

Dạng tương tác giữa các gốc: OH* + OH*  H2O2

Trong quá trình Fenton xử lý nước thải, các điều kiện của phản ứng được ưu tiên xảy

ra theo 2 cơ chế đầu

2.3.3 Những nhân tố ảnh hưởng đến phản ứng Fenton

- Khi pH < 3, hiệu suất cũng giảm nhưng ít hơn

- pH giảm theo tiến triển của phản ứng do quá trình phân hủy các chất hữu cơ thành axit hữu cơ

 Ảnh hưởng của tỉ lệ Fe2+/H2O2 và loại ion Fe2+ hay Fe3+

- Tốc độ phản ứng tăng khi tăng nồng độ H2O2 Nồng độ H2O2 phụ thuộc vào nồng độ chất ô nhiễm: tỷ lệ H2O2/COD thường 0,5  1

- Tỷ lệ Fe2+ / H2O2 ảnh hưởng đến sự tạo thành và mất mát gốc OH* Tỷ lệ Fe2+ /

H2O2 tối ưu: 0,3  1/10 mol/mol

- Việc sử dụng Fe2+ hay Fe3+ không ảnh hưởng đến tác dụng xúc tác của quá trình Fenton Tuy nhiên khi sử dụng H2O2 với liều lượng thấp (< 10  15 mg/L), nên sử dụng Fe2+ sẽ tốt hơn

 Ảnh hưởng của các anion vô cơ

- Các ion như CO32-, HCO3-, Cl- sẽ tóm bắt gốc *OH làm giảm hiệu quả của quá trình Fenton

CO32- gây bất lợi cho phản ứng

- Các ion SO42-, NO3-, H2PO4- có thể tạo thành các phức chất không hoạt động với Fe(III) làm giảm hiệu quả quá trình Fenton

 Ảnh hưởng của nhiệt độ

- Các phản ứng Fenton thường xảy ra ở nhiệt độ 20  400C

- Tốc độ phản ứng tăng theo nhiệt độ, đặc biệt Khi nhiệt độ < 200C

- Khi nhiệt độ lớn trong khoảng 40  500C, hiệu suất sử dụng H2O2 giảm do sự phân hủy H2O2 tăng

 Ảnh hưởng của thời gian phản ứng

- Thời gian phản ứng phụ thuộc vào lượng xúc tác và mức độ ô nhiễm của nước thải

- Đối với oxi hóa phenol đơn giản (<250 mg/L): 30  60 phút

- Đối với nước thải phức tạp hoặc đậm đặc hơn, phản ứng mất vài giờ

2.4 Tổng quan về công ty TNHH Thành Long

2.4.1 Tổng quan về công ty

Công ty TNHH Thành Long ở lô II-3 thuộc Khu công nghiệp Hiệp Phước, xã Hiệp Phước, huyện Nhà Bè, Thành phố Hồ Chí Minh

Diện tích : 5.000 m2, cấu tạo địa chất tốt, có nhiều cây xanh tự nhiên

Sản phẩm sản xuất : cột, trụ điện cao thế

2.4.2 Thành phần nước thải tại công ty

 Lưu lượng nước thải

Lưu lượng thiết kế: 60m3/ngày đêm

 Đặc tính nước thải trước khi xử lý

Sau quá trình lấy mẫu và phân tích các chỉ tiêu nước thải của công ty, chúng tôi dựa vào các số liệu sau để làm cơ sở thiết kế hệ thống xử lý nước thải cho quý công ty

Thành phần và tính chất nước thải trước khi xử lý

 Tính chất nước thải sau xử lý

Nước thải của công ty sau quá trình xử lý được thải vào nguồn tiếp nhận, phải đảm bảo đạt tiêu chuẩn QCVN 24 : 2009/BTNMT, cột B

20

CHƯƠNG 3 CÁC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI 3.1 Tổng quan về các phương pháp xử lý nước thải xi mạ

Nước thải xi mạ có thành phần rất đa dạng, nồng độ lại thay đổi rất rộng, pH cũng luôn biến động từ axit đến trung tính hoặc kiềm Do vậy nước thải xi mạ cần được tách riêng thành các dòng: Dòng nước thải kiềm – axit và dòng nước thải kim loại nặng

Để xử lý nước thải xi mạ có thể dùng các phương pháp như: phương pháp hóa

lý, phương pháp trao đổi ion, phương pháp điện hóa, phương pháp thẩm thấu ngược, phương pháp hấp phụ, phương pháp sinh hoc

3.1.1 Phương pháp hóa lý

Cơ sở của phương pháp là dựa trên tính chất hóa học, vật lý của nước thải để tiến hành các phản ứng oxy hóa khử, kết tủa tách các chất độc hại, sau đó lắng lọc trung hòa đảm bảo tiêu chuẩn dòng thải cho phép

Phương pháp hóa lý được ứng dụng rộng rãi cho công nghệ xử lý Crom vì nó có tính kinh tế và hiệu quả làm sạch cao (98-99%) Phương pháp này gồm 3 giai đoạn:

- Giai đoạn điều chỉnh pH

- Giai đoạn khử

- Giai đoạn kết tủa

Bản chất của quá trình xử lý kim loại trong nước bằng phương pháp này là phản ứng kết tủa hóa học, do vậy hiệu quả của quá trình xử lý phụ thuộc vào hiệu suất phản ứng Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất phản ứng: Nhiệt độ, pH, hóa chất xử lý, nồng độ kim loại trong chất thải… đặc biệt là pH Do đó để tối ưu quá trình xử lý, căn

cứ vào đặc tính nước, cần lựa chọn hóa chất phù hợp và tiến hành xử lý ỡ điều kiện pH thích hợp

Giai đoạn điều chỉnh pH được thực hiện bằng cách bổ sung axit vào dòng thải sao cho pH = 2-3 Ở độ pH này sự khử Cr6+ thành Cr3+ đạt hiệu quả rất cao Trong thực tế người ta thường dùng nước thải có nồng độ axit cao để hòa với dòng thải cần xử lý Crom để làm giảm lượng axit bổ sung bằng cách đó làm giảm giá thành của quá trình

xử lý

Bảng 3.1.Các hóa chất thường sử dụng trong quá trình kết tủa

Tên hóa chất Công thức Trọng lượng

60,75 60,75

78,80 (%) 83,85 (%)

Ferric sulfate Fe2(SO4)3

Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991

 Sử dụng hóa chất để loại chất rắn lơ lửng

Phèn nhôm: khi được thêm vào nước thải có chứa calcium hay magnesium

bicarbonate phản ứng xảy ra như sau:

Al2(SO4)3.18H2O + 3Ca(HCO)3  3CaSO4 + 2Al(OH)3 + 6CO2 + 18H2O

Al(OH)3 không tan, lắng xuống với một vận tốc chậm kéo theo nó là các chất rắn

lơ lửng Trong phản ứng tên cần thiết phải có 4,5 mg/l alkalinity (tính theo CaCO3) để phản ứng hoàn toàn với 10 mg/l phèn nhôm Do đó nếu cần thiết phải sử dụng thêm vôi để alkalinity thích hợp

Vôi: khi cho vôi vào nước thải các phản ứng sau có thể xảy ra

Ca(OH)2 + H2CO3  CaCO3 + 2H2O

Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2  2CaCO3 + 2H2O

Quá trình lắng của CaCO3 sẽ kéo theo các chất rắn lơ lửng

Sulfate sắt và vôi: trong hầu hết các trường hợp sulfate sắt không sử dụng riêng lẻ mà

phải kết hợp với vôi để tạo kết tủa Các phản ứng xảy ra như sau:

FeSO4 + Ca(HCO3)2  2Fe(HCO3)2 + CaSO4 + 2H2O

Fe(HCO3)2 + Ca(OH)2  2Fe(OH)2 + 2CaCO3 + 2H2O

4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O  4Fe(OH)3

Khi Fe(OH)3 lắng xuống nó sẽ kéo theo các chất rắn lơ lửng Trong các phản ứng này ta cần thêm 3,6 mg/l alkalinity, 4,0 mg/l vôi và 0,29 mg/l oxy

22

Ferric chloride: phản ứng xảy ra như sau

FeCl3 + 3 H2O  Fe(OH)3 + 3H+ + 3Cl

-3H+ + 3HCO3- 3H2CO3

Ferric chloride và vôi: phản ứng xảy ra như sau

FeCl3 + Ca(OH)2  3CaCl2 + 2Fe(OH)3

Ferric sulfate và vôi: phản ứng xảy ra như sau

Fe2(SO4)3 + Ca(OH)2 3CaSO4 + 2Fe(OH)3

 Kết tủa các kim loại nặng

Chuyển các chất thải dạng hòa tan sang dạng không hòa tan sau đó loại khỏi dung dịch bằng quá trình lắng, lọc

pH là một nhân tố quan trọng cho quá trình kết tủa Bảng dưới đây đưa ra độ pH thích hợp cho quá trình kết tủa các kim loại nặng

Bảng 3.2 pH thích hợp cho việc kết tủa các kim loại

Những chất khử thông thường là: Na2S, NaHSO3, FeSO4, SO2… phương trình phản ứng theo lý thuyết có thể xác định như sau:

H2Cr2O4 + 3SO3  Cr2(SO4)3 + 3H2O

-Dùng FeSO 4 :

H2Cr2O7 + 6 FeSO4 + 6H2SO4  Cr2(SO4)3 + 3Fe2(SO4)3 + 7H2O

Người ta tính ra được rằng khoảng 16 phần trọng lượng của FeSO4.7H2O để giảm một phần trọng lượng của Cr6+ thành Cr3+ Phản ứng gián tiếp không phụ thuộc vào pH và do đó có thể thực hiện cho cả nước thải có tính axit hoặc kiềm

Để kết tủa, phù hợp nhất là pH= 8-9 Qúa trình trung hòa có thể thực hiện bằng cách dùng NaOH hoặc Ca(OH)2 tùy thuộc vào điều kiện cho phép Các phản ứng xảy ra:

Cr2(SO4)3 + 6NaOH  2Cr(OH)3 + 3Na2SO4

Cr2(SO4)3 + 3 Ca(OH)2  2Cr(OH)3 + 3CaSO4

 Qúa trình xử lý niken:

Nhẳm mục đích tiết kiệm công đoạn kết tủa, người ta thường trộn lẫn dòng nước thải có chứa niken với nước rửa là dung dịch kiềm ở công đoạn khác để đưa pH đến trị số 10 – 11 Ở giá trị pH này giai đoạn kết tủa của nickel sẽ đạt hiệu suất cao

Quá trình kết tủa niken thực hiện theo phản ứng:

NiSO4 + Ca(OH)2  Ni(OH)2 + CaSO4

Việc xử lý Crom và niken mặc dù xảy ra ở những bước khác nhau nhưng điều nói chung giai đoạn kết tủa hydroxyt kim loại ở pH= 8 – 11 Do đó người ta thường điều chỉnh pH của nước thải sau xử lý bằng dung dịch axit trước khi thải ra môi trường ( có thể tận dụng dung dịch tẩy rửa trong công đoạn tẩy bằng dung dịch axit để tiết kiệm chi phí cho quá trình xử lý)

Ưu điểm của phương pháp này là chi phí thấp, vận hành đơn giản, dễ cơ khí hóa

và tự động hóa, hiệu quả xử lý cao Nhược điểm là tốn hóa chất, bùn thải sinh ra có hàm lượng kim loại nặng rất cao

3.1.2 Phương pháp trao đổi ion

Quá trình xử lý nước bằng phương pháp trao đổi ion nhằm mục đích loại bỏ các ion dương Ni+, Cu+2, Fe+2, Zn+2… và ion âm SO42-, Cr2O7-, CN-… ra khỏi dung dịch dựa vào tính chất và khả năng hấp phụ chọn lọc của các ionit (nhựa trao đổi cationit và anionit) Cả 2 loại nhựa này đều sử dụng để xử lý nước thải chứa Crom, niken và các kim loại khác của quá trình xi mạ Phương pháp này có thể loại bỏ Crom ở cả 2 dạng

- Các chất vô cơ: Zeolit chủ yếu dạng Na2O.Al2O3.nSiO2, mH2O

- Dạng tổng hợp vô cơ: Silicagen, pecnutit, các oxit kim loại

- Dạng hữu cơ: Than hoạt tính, than bùn

Các ionit có nguồn gốc nhân tạo, dạng tổn hợp hữu cơ bao gồm:

-Các gốc hữu cơ của ionit: nhựa tổng hợp polyacrylic, polystryrol

-Các nhóm chức sẽ được gắn vào các gốc trên để làm nhiệm vụ trao đổi như:

SO3H-, COOH-, amin nhóm 2 hoặc nhóm 3

Quá trình trao đổi ion để xử lý nước thải xi mạ chứa Crom và niken xảy ra các phản ứng hóa học chính sau:

Khi dùng nhựa cationit gốc axit mạnh:

-Phản ứng hoàn nguyên dùng NaOH từ 3 – 5% xảy ra:

R2Cr2O7 +NaOH  2(OH)R + NaCr2O7

Các phản ứng trao đổi nêu trên diễn ra cho đến khi đạt trạng thái cân bằng Tốc

độ của quá trình trao đổi ion phụ thuộc vào các yếu tố sau:

-Chế độ thủy động lực của dòng thải trong thiết bị trao đổi

-Nồng độ các ion kim loại trong nước thải, độ sạch cơ học của nước thải ( lượng cặn bẩn trong nước thải)

-Tính chất của các hạt ionit cũng như các kim loại trong nước thải

Xử lý nước thải chứa kim loại bằng phương pháp trao đổi ion đạt hiệu quả rất cao, có thể thu hồi các sản phẩm có giá trị kinh tế Tuy nhiên, hiệu suất xử lý có thể giảm do nhiều yếu tố trong quá trình vận hành như: nhựa trao đổi bị lẫn các tạp chất cơ học, dầu mỡ, chất hữu cơ… có trong nước thải Qúa trình tái sinh thường không phục hồi lại được hoàn toàn khả năng làm việc của nhựa

3.1.3.Phương pháp điện hóa

Đây là phương pháp tiến hành quá trình oxy hóa khử để tách kim loại trên các điện cực nhúng trong nước thải xi mạ khi cho dòng điện một chiều đi qua Qúa trình này có thể tiến hành theo chế độ liên tục hoặc gián đoạn Hiệu quả của quá trình phụ thuộc vào một số yếu tố sau:

-Mật độ dòng điện: là tỷ số giữa cường độ dòng điện và bề mặt điện cực (đơn vị tính; A/m2 hoặc A/cm2)

-Điện áp trong quá trình điện phân (Vôn)

-Hiệu suất theo dòng điện: điện lượng cần thiết theo lý thuyết và điện lượng chi phí thực tế tính theo phần trăm

Trong thiết bị điện phân, vật liệu làm các điện cực rất quan trọng và cũng quyết định giá thành của thiết bị Thông thường điện cực dương (anot) làm bằng grafit hoặc dioxyt chì, còn cực âm (catot) làm bằng thép molipden hoặc hợp kim vonfram – sắt – nickel

Quá trình khử các cation xảy ra tại các catot, tại đây ion kim loại bị khử thành ion ít độc hơn ( Cr6+ thành Cr3+ ) hoặc thành kim loại bám vào điện cực

Phương trình phản ứng điện cực chung có thể viết như sau:

Me+m + ne-  Mem-n

Trong đó:

- m là hóa trị của kim loại

- n là số điện tử làm thay đổi hóa trị ( m>= n )

Đối với Crom trong nước thải xi mạ phương trình có dạng:

lý có nồng độ cao ( lớn hơn 1 g/l ) Mặc dù hiệu suất xử lý đạt tới 90 – 95% nhưng nước thải sau khi xử lý có nồng độ kim loại vẫn lớn hơn tiêu chuẩn cho phép rất nhiều

26

Mặt khác chi phí điện năng cho xử lý khá lớn, do đó phương pháp này có thể được dùng để tách sơ bộ các ion kim loại Việc ứng dụng vào nước thải còn rất nhiều hạn chế

3.1.4.Phương pháp hấp phụ

Xử lý nước thải chứa kim loại bằng phương pháp hấp phụ vật lý thực chất là quá trình di chuyển của ion kim loại từ pha lỏng sang pha rắn Các ion kim loại tiếp xúc và bị giữ bởi các tâm hấp phụ Qúa trình hấp phụ xảy ra làm hàm lượng kim loại trong nước giảm và hàm lượng kim loại trong pha rắn tăng dần cho đến khi cân bằng hấp phụ được thiết lập thì hàm lượng kim loại trong cả hai pha điều không thay đổi Sau đó tiến hành lọc tách pha rắn ra khỏi pha lỏng để thu được nước thải sau xử lý hấp phụ, còn pha rắn có thể được giải hấp để tái sinh sử dụng lại chất hấp phụ và thu hồi kim loại

Đây là một phương pháp làm sạch nước thải có hàm lượng chất độc không cao Các chất hấp phụ thường dùng để tách kim loại nặng trong nước thải xi mạ là: oxyt nhôm, than hoạt tính, mạt cưa, zeolit…có thể hấp thụ trên những hệ thống khác nhau, xuôi chiều hoặc ngược chiều Khi chất hấp phụ đầy người ta tiến hành nhả hấp phụ (tái sinh) với những loại như: zeolit, than hoạt tính, oxit nhôm và có thể đưa vào lò đốt để thu hồi kim loại đối với mạt cưa, than bùn

Hấp phụ bằng than hoạt tính là phương pháp triển vọng để loại bỏ Cr3+ và Cr6+ Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng có thể loại bỏ đến 97% muối Cr3+ và Cr6+ trong nước thải bằng phương pháp hấp phụ với than hoạt tính, tốc độ hấp phụ ion tăng lên theo quy luật số mũ với sự giảm pH Ngoài ra, thí nghiệm còn chứng tỏ rằng than hoạt tính hấp phụ tốt hơn rất nhiều khi nồng độ Crom ở mức độ thấp

Các nghiên cứu của các nhà khoa học trên thế giới về xử lý kim loại nặng đã đạt được những thành công nhất định và mang tính khả thi cao, đưa ra ý tưởng sử dụng pyrhotite (FeS2) để khử Crom Trong quá trình khoáng hóa vàng, vàng tự nhiên thường xuất hiện trên các bề mặt hoặc trong các vết nứt của khoáng vật FeS2 Khoáng vật FeS2 hấp phụ và khử các ion vàng thành vàng rắn Và quy trình xử lý có thể sử dụng FeS2 để xử lý Crom trong nước thải Bởi vì Crom hoạt động tương tự như vàng khi tiếp xúc với FeS2

3.1.5.Phương pháp thẩm thấu ngược

Trong phương pháp thẩm thấu ngược, dung dịch được làm đặc (cô đặc) bị ràng buộc bởi áp suất cao, kết quả là dung môi bị đẩy mạnh qua màng bán thấm đến vùng dung dịch loãng Dung dịch được làm đặc hơn và do vậy có thể tái sử dụng Lúc ban đầu, thẩm thấu ngược được dùng để xử lý nước mặn và khử mặn, nhưng về sau với các phát minh mới ra đời màng thẩm thấu rẻ hơn và hiệu quả hơn người ta bắt đầu sử dụng

xử lý nước thải

Thực nghiệm đã chứng tỏ rằng màng axetat xenllulo đã loại được muối Cr3+ tới 97% với dòng thấm qua liên tục khoảng 725 l/m2 ngày đêm khi pH = 7,6 và khi pH = 2,6 màng chỉ loại bỏ 98% muối Cr3+

Với quy mô các xưởng mạ không lớn như ở nước ta, việc sử dụng màng thẩm thấu ngược để xử lý nước thải tốn nhiều kinh phí Vì vậy phương pháp này ít được sử dụng ở Việt Nam

3.1.6.Phương pháp sinh học

Xử lý các kim loại nặng có trong nước thải bằng phương pháp sinh học trong những năm gần đây đã được quan tâm, có nhiều nghiên cứu đã được công bố, phần lớn các tác giả đều đưa ra những kết luận khẳng định tính ưu việt và tính khả thi cao của phương pháp này

Nguyên lý chung của phương pháp là sử dụng các loại thực vật, vi sinh vật, vi khuẩn như: bèo tổ ong, tảo, các vi sinh vật yếm khí…để tiêu hủy các kim loại nặng trong nước thải Các loại sinh vật này sử dụng các kim loại nặng có trong nước thải như một loại dinh dưỡng cho chúng tồn tại và phát triển Quá trình tiến hành phải lựa chọn và phân lập giống

Theo tác giả becker E W giới hạn cho phép để tiến hành khử kim loại nặng bằng tảo khá lớn, tới hàng chục mg/l và hiệu suât khử cũng khá cao hơn 80% đối với các kim loại như: Hg, Pb, Ni, Cr…

Theo kết quả nghiên cứu thí nghiệm của M A Aziz và W J Ng tại Singapo năm 1995 về việc dùng tảo để xử lý nước thải có kim loại nặng của nhà máy: mạ điện, pin, dệt nhuộm cho một số kết quả sau đây

Nếu dùng nước thải nêu trên pha loãng đảm bảo nồng độ kim loại nặng 60mg/l

và bổ sung thêm một số chất dinh dưỡng, vi lượng cần thiết thì hiệu suât khử kim loại

Những đặc điểm chính của phương pháp sinh học là:

- Nếu nước thải có lẫn nhiều kim loại nặng thì hiệu suất xử lý sẽ thấp

- Phương pháp xử lý sinh học dùng bèo và tảo có thể tách được kim loại nặng

ra khỏi nước thải với mức độ làm sạch tương đối cao

- Mặt bằng cần thiết cho yêu cầu xử lý lớn

- Qúa trình sinh trưởng và phát triển của vi sinh vật nói chung phức tạp, phụ thuộc vào nhiều yếu tố Phải có thời gian đủ lớn mới có thể triển khai vào thực tế

Ngoài các phương pháp trên, hiện nay trên thế giới người ta còn dùng phương pháp siêu lọc, lọc màng… nhưng do giá thành thiết bị cao nên khả năng ứng dụng còn rất hạn chế

Tóm lại, mỗi một phương pháp đều có ưu nhược điểm khác nhau Do đó khả năng ứng dụng vào thực tế cũng khác nhau tùy thuộc vào nhiều yếu tố như: công nghệ, kinh tế, kỹ thuật…

Bảng 3.4 Tóm tắt ưu nhược điểm của các phương pháp

Phương pháp

hóa lý

- Hiệu suất khử chất ô nhiễm khá cao, rất thích hợp khi hàm lượng chất ô nhiễm trong nước

- Xử lý lượng nước thải khá lớn vận hành dễ dàng, thiết bị đơn giản

- Giá thành không cao

- Không thu hồi được các chất có ích để dùng lại như kim loại, axit, kiềm, hóa

-Tạo ra chất thải rắn cần phải xử lý tiếp

Phương pháp

trao đổi ion

- Hiệu quả xử lý cao

- Thu hồi được nước sạch, các chất có ích để dùng lại

- Tạo ra ít chất thải

- Giá thành cao

- Không thích hợp để xử lý lượng nước thải lớn

- Tiêu tốn năng lượng, chi

- Không thích hợp với điều kiện kinh tế và trình độ khoa học công nghệ hiện nay ở nước ta

Phương pháp

hấp phụ

- Hiệu quả xử lý cao

- Tận thu được nước sạch và các kim loại dùng lại

- Giá thành cao

- Không thích hợp để xử lý lượng nước thải lớn

Phương pháp

sinh học

- Quá trình xử lý không tạo ra chất thải nên thân thiện với môi trường

- Giá thành thấp

- Mặt bằng cần thiết cho yêu cầu xử lý lớn

- Hiệu quả thấp nếu hàm lượng chất ô nhiễm trong dòng thải không ổn định