Nghiên cứu chế tạo mô hình jartest keo tụ tạo bông dùng trong phòng thí nghiệm

Các công trình và thiết kế để xử lý cơ học thường dùng trong các hệ thống xử lý bao gồm lưu lượng kế, song chắn rác, thiết bị nghiền rác, bể điều lưu, thiết bị khuấy trộn, bể lắng, bể tu

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT

KHOA TÀI NGUYÊN MÔI TRƯỜNG

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÔ HÌNH JARTEST

– KEO TỤ TẠO BÔNG DÙNG TRONG

PHÒNG THÍ NGHIỆM CÔNG SUẤT 2 LÍT/H

Mã số:

Chủ nhiệm đề tài: ThS ĐÀO MINH TRUNG

Bình Dương, 09/2015

KHOA MÔI TRƯỜNG

BÁO CÁO TỔNG KẾT

ĐỀ TÀI KHOA HỌC VÀ CÔNG NGHỆ CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU CHẾ TẠO MÔ HÌNH JARTEST

– KEO TỤ TẠO BÔNG DÙNG TRONG

PHÒNG THÍ NGHIỆM

Mã số:

Xác nhận của đơn vị chủ trì đề tài Chủ nhiệm đề tài

Bình Dương, 12/2015

MỤC LỤC

DANH MỤC BẢNG vi

DANH SÁCH HÌNH vii

MỞ ĐẦU 1

1 Tính cấp thiết của đề tài 1

2 Mục tiêu nghiên cứu 1

3 Cách tiếp cập 2

4 Sản phẩm ứng dụng của mô hình 2

4.1 Ứng dụng trong giảng dạy 2

4.2 Ứng dụng trong nghiên cứu khoa học 2

5 Đối tượng và phạm vi nghiên cứu 2

5.1 Đối tượng 2

5.2 Phạm vi 2

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 3

1.1.Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước 3

1.1.1 Ngoài nước 3

1.1.2 Trong nước 3

1.2.Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải 4

1.2.1.Công nghệ xử lý lý học 4

1.2.2.Công nghệ xử lý hóa học 6

1.2.3.Công nghệ xử lý sinh học 10

1.3.Tổng quan phương pháp hóa lý 22

1.3.1.Trung hòa nước thải 22

1.3.2.Phương pháp tuyển nổi 26

1.3.3.Phương pháp hấp phụ 27

1.3.4.Phương pháp trao đổi ion 28

1.3.5.Phương pháp keo tụ tạo bông 29

CHƯƠNG 2 NỘI DUNG VÀ PHƯƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU 34

2.1 Nội dung nghiên cứu 34

2.1.1 Chế tạo và hướng dẫn vận hành mô hình Jatest 34

2.1.2 Thí nghiệm và khảo sát xác định pH tối ưu 34

2.1.3 Xác định hiệu quả xử lý nước thải theo nồng độ tối ưu 34

2.2 Phương pháp nghiên cứu 34

2.2.1 Thu thập thông tin, số liệu 34

2.2.2 Phương pháp chuyên gia 34

2.2.3 Phương pháp phân tích 34

2.3.4 Tổng hợp, xử lý phân tích số liệu 35

CHƯƠNG 3 KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU VÀ THẢO LUẬN 36

3.1 Kết quả chế tạo mô hình và vận hành mô hình 36

3.1.1 Kết quả chế tạo mô hình 36

3.1.2 Kết quả vận hành mô hình 37

3.2 Bố trí thí nghiệm 41

3.2.1 Thí nghiệm với nước thải dệt nhuộm 41

3.2.2 Thí nghiệm với nước thải xi mạ 42

3.2.3 Thí nghiệm với nước thải thủy sản 44

3.3 Đánh giá hiệu quả xử lý với nước thải dệt nhuộm 48

3.3.1 Kết quả phân tích mẫu nước thải dệt nhuộm 48

3.3.4 Xác định liều lượng PAC tối ưu 50

3.4 Hiệu quả xử lý với nước thải xi mạ 54

3.4.1 Kết quả phân tích mẫu nước thải xi mạ 54

3.4.2 Xác định loại phèn tối ưu đạt hiệu quả xử lý 54

3.4.3 Xác định pH tối ưu đối với phèn Fe 55

3.4.4 Xác định lượng phèn tối ưu 56

3.5 Hiệu quả xử lý với nước thải thủy sản 57

3.5.1 Kết quả phân tích mẫu nước thải chế biến thủy sản 57

3.5.2 Xác định pH tối ưu cho quá trình keo tụ 58

3.5.3 Xác định liều lượng PAC thích hợp kết hợp với gel 59

3.5.4 Xác định liều lượng gel thích hợp với PAC 60

3.5.5 Xác định liều lượng Polymer thích hợp PAC 63

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66

1 Kết luận 66

2.Kiến nghị 66

TÀI LIỆU THAM KHẢO 67

PHỤ LỤC 69

Phụ lục bản vẽ 69

Phụ lục hình 70

BOD : Nhu cầu oxi sinh học

Bảng 1: Ứng dụng của các công trình và thiết bị để xử lý cơ học lý học .6

Bảng 2 Ứng dụng quá trình xử lý hóa học 8

Bảng 3: Độ kiềm của một số hóa chất thường sử dụng trong quá trình trung hòa 24 Bảng 4: Các hóa chất thường sử dụng để trung hòa nước thải 25

Bảng 5: Các thông số kỹ thuật của mô hình Jartest 37

Bảng 6 Các mức tốc độ và thời gian khuấy 38

Bảng 7: Kết quả xác định thời gian khuấy tối ưu 38

Bảng 8: Các mức tốc độ và thời gian khuấy 39

Bảng 9: Kết quả xác định tốc độ khuấy tối ưu 39

Bảng 10: Các mức thời gian lắng cần nghiên cứu 40

Bảng 11: Kết quả xác định thời gian lắng tối ưu 40

Bảng 12: Một số loại PAC sử dụng trong thí nghiệm 41

Bảng 13: Liều lượng PAC cần dùng 42

Bảng 14: Các chất trợ keo tụ cần sử dụng Error! Bookmark not defined Bảng 15 Thí nghiệm xác định loại phèn tối ưu 42

Bảng 16 Thí nghiệm xác định pH tối ưu 43

Bảng 17 Tiến hành xác định lượng phèn tối ưu 44

Bảng 18: Kết quả phân tích các thông số đầu vào của mẫu nước thải 48

Bảng 19: Kết quả xác định chất keo tụ PAC phù hợp cho nước thải nghiên cứu 49

Bảng 20: Kết quả xác định pH tối ưu 49

Bảng 21: Liều lượng PAC tối ưu 50

Bảng 22 Các thông số đầu vào của mẫu nước 54

Bảng 23 Lượng hoá chất cho vào cốc nước thải khi xác định loại phèn tối ưu 54

Bảng 24 Kết quả chuẩn độ bằng dung dịch FAS và COD 54

Bảng 25 Lượng hoá chất và kết quả khi xác định pH tối ưu 55

Bảng 26 Kết quả chuẩn độ bằng dung dịch FAS và COD khi xác định pH tối ưu 55 Bảng 27 Kết quả chuẩn độ bằng dung dịch FAS và COD khi xác định lượng phèn tối ưu 56

Bảng 28 Kết quả phân tích các thông số đầu vào của mẫu nước thải 57

Hình 2 Bể bùn hoạt tính tiếp xúc - ổn định 14

Hình 3 Hệ thống bể bùn hoạt tính thông khí kéo dài 15

Hình 4 Bể Aerotank thông khí cao có khuấy đảo hoàn chỉnh 15

Hình 5 Quá trình phân hủy kỵ khí 18

Hình 6 Cấu tạo bể xử lý nước thải áp dụng công nghệ xử lý kỵ khí 19

Hình 7 Điện tích trên hạt lơ lửng khi giải thích bằng lý thuyết hai lớp 31

Hình 8 Thêm các ion trái dấu hóa trị 3 để giảm điện tích thực trên các hạt rắn 31

Hình 9 Hình thành bông cặn theo cơ chế hấp phụ bắc cầu bởi các polymer 32

Hình 10 Cấu tạo mô hình Jartest 36

Hình 11: Thí nghiệm xác định pH tốt nhất cho quá trình keo tụ 45

Hình 12: Thí nghiệm xác định liều lượng PAC thích hợp kết hợp với gel 46

Hình 13: Thí nghiệm xác định liều lượng gel thích hợp kết hợp với PAC 47

Hình 14: Thí nghiệm xác định liều lượng Polymer thích hợp PAC 48

Hình 15: Xác định liều lượng PAC tối ưu dựa trên hiệu quả xử lý độ màu 50

Hình 16: Xác định liều lượng PAC tối ưu dựa trên hiệu quả xử lý độ màu 51

Hình 17: Xác định liều lượng PAC tối ưu dựa trên hiệu quả xử lý SS 51

Hình 18 Hiệu quả xử lý COD khi xác định loại phèn tối ưu 55

Hình 19 Hiệu quả xử lý COD khi xác định pH tối ưu 56

Hình 20 Hiệu quả xử lý COD khi xác định lượng phèn tối ưu 57

Hình 21 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất loại bỏ COD 58

Hình 22 Ảnh hưởng của pH đến hiệu suất loại bỏ độ đục 58

Hình 23 Biểu đồ loại bỏ COD sau keo tụ bằng PAC và cố định 0,5 mg/L gel 59

Hình 24 Biểu đồ loại bỏ độ đục sau keo tụ bằng PAC và cố định 0,5 mg/L gel 59

Hình 25 Ảnh hưởng kết quả keo tụ của PAC kết hợp gel đến hiệu suất loại bỏ COD 60

Hình 26 Ảnh hưởng kết quả keo tụ của PAC kết hợp gel đến hiệu suất loại bỏ độ đục 61

Hình 27 Ảnh hưởng kết quả keo tụ của PAC kết hợp gel đến hiệu suất loại bỏ photpho 61

Hình 28 Ảnh hưởng kết quả keo tụ của PAC kết hợp gel đến hiệu suất loại bỏ SS 62

Hình 29 Ảnh hưởng kết quả keo tụ của PAC kết hợp gel đến hiệu suất loại bỏ nitơ 62

Hình 30 Ảnh hưởng kết quả keo tụ của PAC kết hợp polymer đến hiệu suất loại bỏ COD 63

Hình 31 Ảnh hưởng kết quả keo tụ của PAC kết hợp polymer đến hiệu suất loại bỏ độ đục 63

Hình 32 Ảnh hưởng kết quả keo tụ của PAC kết hợp polymer đến hiệu suất loại bỏ photpho 64

Hình 33 Ảnh hưởng kết quả keo tụ của PAC kết hợp polymer đến hiệu suất loại bỏ nitơ 64

Hình 34 Ảnh hưởng kết quả keo tụ của PAC kết hợp polymer đến hiệu suất loại bỏ SS 65

TRƯỜNG ĐẠI HỌC THỦ DẦU MỘT

Đơn vị: Khoa Tài nguyên Môi trường

THÔNG TIN KẾT QUẢ NGHIÊN CỨU

1 Thông tin chung:

- Tên đề tài: Nghiên cứu chế tạo mô hình Jartest – keo tụ tạo bông dùng

trong phòng thí nghiệm công suất 2 lít/h

- Mã số:

- Chủ nhiệm: ThS Đào Minh Trung

- Đơn vị chủ trì: Khoa Tài Nguyên Môi trường

- Thời gian thực hiện: tháng 02/2015 - 9/2015

2 Mục tiêu: Nghiên cứu chế tạo mô hình Jartest với mục tiêu chính là giảng dạy

và nghiên cứu khoa học trong của sinh viên và giảng viên trong trường Đại Học

Thủ Dầu Một

3 Tính mới và sáng tạo: sử dụng bảng điều khiển tự động trong cài đặt và vận

hành từ đó có thể chủ động trong việc xác định chính xác các thông số vận hành

tối ưu

4 Kết quả nghiên cứu: nhằm phục vụ cho công tác giảng dạy và nghiên cứu

khoa học của sinh viên và giáo viên

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Ngành dệt nhuộm ở nước ta đã có những bước phát triển mạnh mẽ, tạo ra

nhiều sản phẩm đa dạng, đa màu sắc, chất lượng cao đáp ứng nhu cầu ngày càng tăng và đa dạng của thị trường Ngành cũng là nơi thu hút nhiều lao động, thúc đẩy tăng trưởng nhanh kim ngạch xuất khẩu cho đất nước Tuy vậy, nước thải sau sản xuất dệt nhuộm chứa nhiều loại hoá chất độc hại gây ô nhiễm cho các con sông, ao hồ, tiêu diệt các loài thuỷ sinh, gây tác động xấu tới sản xuất, sinh hoạt của con người, ô nhiễm dạng hữu cơ thuốc nhuộm, tinh bột, tạp chất và dạng vô cơ các muối trung tính, các chất trợ nhuộm Còn về nước thải rỉ rác hiện nay, lượng nước rác rỉ ra hằng ngày tại các bãi chôn lấp rất lớn khoảng 1.000 m3, chưa kể đến lượng nước rác còn tồn đọng trong nhiều năm qua tại các bãi vẫn chưa được xử lý Với lượng nước rỉ rác lớn như vậy đã gây khó khăn cho việc xử lý cũng như gây ô nhiễm môi trường xung quanh khu vực bãi chôn lấp, đặc biệt là gây ô nhiễm nguồn nước ngầm Về ngành Chế biến Thủy sản cũng là một trong những ngành gây ô nhiễm nghiêm trọng đến môi trường Nước thải sản xuất trong chế biến thủy sản chiếm 85-90% tổng lượng nước thải, chủ yếu từ các công đoạn: rửa trong xử lý nguyên liệu, chế biến, hoàn tất sản phẩm, vệ sinh nhà xưởng và dụng cụ, thiết bị, và nước thải sinh hoạt Do vậy, vấn đề xử lý nước thải một số ngành công nghiệp đang là một thực tế cần có giải pháp xử lý và là

nhiệm vụ rất cần thiết

Trong và ngoài nước có nhiều công nghệ để xử lý nước thải, một trong những mô hình có lợi ích tốt trong việc xử lý nước công nghiệp là mô hình Jartest, có nhiều khả năng như khử độ đục, độ màu của nước cấp, khử độ đục, độ màu, COD, BOD5, SS của nhiều loại nước thải Nên việc nghiên cứu, áp dụng

mô hình Jartest để xử lý nước thải tại phòng thí nghiệm là rất cần thiết

Vì thế đề tài ―Nghiên cứu chế tạo mô hình Jartest – keo tụ tạo bông dùng trong phòng thí nghiệm công suất 2 lít/h‖ là rất cần thiết Nhằm tìm hiểu các

thông số vận hành tối ưu của mô hình Jartest Tiến hành thí nghiệm tìm ra giải pháp tối ưu nhất để xử lý nước thải bằng một số loại chất keo tụ khác nhau, đồng thời nghiên cứu nhằm giảm tối đa nồng độ các chất ô nhiễm trước khi thải ra nguồn tiếp nhận

2 Mục tiêu nghiên cứu

- Giảng dạy

- Nghiên cứu khoa học:

 Xác định thông số vận hành của mô hình Jartest

 Thí nghiệm và khảo sát xác định pH tối ưu

 Xác định hiệu quả xử lý nước thải theo nồng độ tối ưu

3 Cách tiếp cập

Vận dụng ―công nghệ xử lý hóa lý - ứng dụng mô hình Jartest trong nghiên cứu thí nghiệm‖ thầy việt – thầy ngân và ―Đề tài nghiên cứu sử dụng mô hình jartest ‖ tạp chí xúc tác hấp phụ) công tác điều tra thu thập thông tin, phân tích, đánh giá các mô hình trong và ngoài nước

Kế thừa các tài liệu, số liệu, các đề tài, dự án nghiên cứu khoa học công nghệ có liên quan

4 Sản phẩm ứng dụng của mô hình

4.1 Ứng dụng trong giảng dạy

Giảng dạy môn học thí nghiệm công nghệ môi trường Học kỳ II năm 2014

-2015

- Đồ án/ tiểu luận môn học lớp C12MT01 - Học kỳ II năm 2014 -2015

4.2 Ứng dụng trong nghiên cứu khoa học

Đề tài nghiên cứu khoa học: 02 đề tài đã nghiệm thu

- Lớp D12MT03 - Ứng dụng xử lý nước rỉ rác bằng chất trợ keo tụ sinh học được điều chế từ hạt Muồng Hoàng Yến

- Lớp D12MT02 - Ứng dụng xử lý nước thải dệt nhuộm bằng chất trợ keo tụ sinh học được điều chế từ hạt Muồng Hoàng Yến

Khóa luận tốt nghiệp: 02 sinh viên đại học ngành KHMT

- Nguyễn Thị Minh Thảo – D11MT01 – Khảo sát và đánh giá hiệu quả xử lý nước thải dệt nhuộm bằng phương pháp keo tụ tạo bông

- Lê Quốc Triệu – D11MT01 - Khảo sát và đánh giá hiệu quả xử lý nước thải thủy sản bằng phương pháp keo tụ tạo bông

Tiểu luận tốt nghiệp: 01 đề tài sinh viên chuyên ngành KHMT

- Nguyễn Thị Minh Thảo – D11MT01 – Vận hành mô hình Jartest với nước thải dệt nhuộm

5 Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước

1.1.1 Ngoài nước

Smith et.al năm 1975 đã sử dụng chất keo tụ Al2(SO4)3 để xử lý nước thải công đoạn trước tẩy của quá trình dệt nhuộm Lượng phèn sử dụng là 70-100mg/l, hiệu quả xử lý đạt được đối với SS là 95% và BOD5 là 38% [2]

Knocke et.al năm 1986 đã xử lý màu nước thải công đoạn tẩy của quá trình dệt nhuộm bằng phèn sắt FeCl3 và FeSO4 Khi sử dụng 300mg/l FeCl3 thì hiệu quả

xử lý màu là 95-99% Khi sử dụng 500mg/l FeSO4 thì hiệu quả xử lý màu là 100%[13]

Trong nghiên cứu của Duk Jong Joo, Won Sik Shin và Jeong Hak Choi năm

2005 đã tiến hành xử lý nước thải chứa thuốc nhuộm hoạt tính bằng phèn nhôm, phèn sắt và sử dụng thêm chất trợ lắng polime tổng hợp Kết quả cho thấy, khi sử dụng lượng phèn 1g/l thì hiệu quả loại bỏ màu đạt được nhỏ hơn 20%, khi kết hợp phèn và chất trợ lắng thì màu của nước thải được loại hầu như hoàn toàn Hiệu quả xử lý tăng khi tăng lượng chất trợ lắng Ngoài ra, hiệu quả keo tụ còn phụ thuộc vào điều kiện pH và loại chất keo tụ sử dụng [2]

1.1.2 Trong nước

Trong Tạp chí Đại học Thủ Dầu Một, ISSN: 1859-4433 của Ngô Kim Định, Đào Minh Trung, Phan Thị Tuyết San với đề tài ―Nghiên cứu khả năng ứng dụng hiệu quả xử lý nước thải của hỗn hợp phèn nhôm và phèn sắt bằng phương pháp hóa lý‖ Ở đề tài này, đối tượng nghiên cứu là nước thải dệt nhuộm với các thông

số nghiên cứu : pH = 9; COD = 480 mgO2/l); độ màu = 1200 Pt – Co cố định trong quá trình thí nghiệm Kết quả nghiên cứu với các loại phèn và phèn hỗn hợp Fe : Al 1:1; 1:2; 1:3; 1:4; 1:5 Thí nghiệm được tiến hành trên mẫu nước thải dệt nhuộm trong phòng thí nghiệm Quá trình nghiên cứu kết quả cho thấy với loại phèn hỗn hợp Fe:Al với tỉ lệ 1:2 đạt hiệu quả xử lí tối ưu, hiệu suất xử lí COD là 89% và hàm lượng sử dụng 18ml/ lít nước thải nghiên cứu

Báo cáo nghiên cứu khoa học Bộ môn Môi trường - ĐHDLHP Chủ nhiệm đề tài – ThS Bùi Thị Vụ, chất trợ lắng polime tổng hợp Kết quả cho thấy, khi sử dụng lượng phèn 1g/l thì hiệu quả loại bỏ màu đạt được nhỏ hơn 20%, khi kết hợp phèn và chất trợ lắng thì màu của nước thải được loại hầu như hoàn toàn Hiệu quả xử lý tăng khi tăng lượng chất trợ lắng

Nghiên cứu xử lý nước thải dệt nhuộm bằng phương pháp keo tụ - tuyển nổi điện hóa với Anode hòa tan nhôm, sắt của tác giả Đinh Tuấn thì hiệu suất xử lý COD là 66,7%

* Nhận xét chung: đã có nhiều nghiên cứu về xử lý nước thải bằng phương pháp

keo tụ tạo bông và đều đạt hiệu quả xử lý cao

1.2 Tổng quan về công nghệ xử lý nước thải

Vận tốc dòng chảy thường lấy 0,8 – 1 m/s để tránh lắng cát

Lưới chắn rác [10]

:

Để xử lí sơ bộ, thu hồi các sản phẩm quý ở dạng chất không tan trong nước thải, các chất bị giữ lại như sợi, len, lông động vật Lưới lọc phân biệt thành 2 loại phẳng và loại trụ Theo phương pháp làm sạch thì phân loại thành loại khô

lắng xuống đáy và kéo theo một phần chất đông tụ

Cát lắng ở bẫy cát thường ít chất hữu cơ Sau khi lấy ra khỏi bể lắng cát, sỏi

ở phần hình nón hoặc chóp cụt phía dưới

 Bể lắng ngang[10]

Bể lắng ngang có hình dạng chữ nhật trên mặt bằng, tỷ lệ giữa chiều rộng và

trạm xử lý có công suất lớn hơn 15.000m3/ngày.đêm Trong bể lắng nước thải chuyển động theo phương ngang từ đầu bể đến cuối bể và được dẫn tới các công trình xử lý tiếp theo, vận tốc dòng chảy trong vùng công tác của bể không được vượt quá 40mm/s Bể lắng ngang có hố thu cặn ở đầu bể và nước trong được thu vào ở máng cuối bể

 Bể lắng ly tâm

Bể lắng ly tâm có dạng hình tròn trên mặt bằng Bể lắng ly tâm được dùng cho các trạm xử lý có công suất lớn hơn 20.000m3/ngàyđêm Trong bể lắng nước chảy từ trung tâm ra quanh thành bể Cặn lắng được dồn vào hố thu cặn được xây dựng ở trung tâm đáy bể bằng hệ thống cào gom cặn ở phần dưới dàn quay hợp với trục 1 góc 450o Đáy bể thường được thiết kế với độ dốc i = 0,02 – 0,05 Dàn quay với tốc độ 2-3 vòng trong 1 giờ Nước trong được thu vào máng đặt dọc theo thành bể phía trên

Bể điều hòa [10]

:

Công dụng điều hòa lưu lượng và điều hòa nồng độ Giảm các chất độc hại đi vào công trình xử lí sinh học Trung hòa pH phù hợp cho hoạt động của vi sinh

vật Bể điều hòa được phân loại như sau:

- Bể điều hòa lưu lượng

- Bể điều hòa nồng độ

- Bể điều hòa cả nồng độ và lưu lượng

 Hiệu quả của phương pháp xử lý cơ học:

Có thể loại bỏ được đến 60% tạp chất không tan trong nước thải và giảm BOD đến 30% Để tăng hiệu suất công tác của các công trình xử lý cơ học có thể dùng biện pháp làm thoáng sơ bộ, hiệu quả xử lý có thể đạt 75% theo hàm lượng

chất lơ lửng và 40 – 50% theo BOD

Ƣu điểm:

- Hiệu quả xử lý chất rắn lơ lững cao

- Giữ vai trò chính trong trạm xử lý khi mức độ cần thiết làm sạch nước thải không cao lắm

- Hạn chế sử dụng hóa chất trong quá trình xử lý

- Áp dụng được khoa học kĩ thuật tiên tiến

Nhƣợc điểm:

- Đây chỉ là giai đoạn làm sạch sơ bộ

- Công đoạn tính toán và thiết kế rất phức tạp

- Chi phí nhân công cao

- Tốn chi phí bảo trì thiết bị

- Chỉ hiệu quả đối với các chất không tan

Các công trình và thiết kế để xử lý cơ học thường dùng trong các hệ thống xử

lý bao gồm lưu lượng kế, song chắn rác, thiết bị nghiền rác, bể điều lưu, thiết bị

khuấy trộn, bể lắng, bể tuyển nổi, bể lọc…

Bảng 1: Ứng dụng của các công trình và thiết bị để xử lý cơ học lý học

Công trình ho c thiết ị Ứng dụng

Lưu lượng kế Theo d i, quản lý lưu lượng nước thải; là một bộ phận cần thiết cho việc điều khiển tự động hệ thống Song chắn rác, lưới lược

Thiết bị nghiền rác Nghiền các loại rác có kích thước lớn, tạo nên một hỗn hợp nước thải đồng nhất

Bể điều lưu Điều hòa lưu lượng nước thải cũng như khối lượng các chất ô nhiễm Thiết bị khuấy trộn Khuấy trộn các hóa chất và chất khí với nước thải, giữ các chất rắn ở trạng thái lơ lửng

Bể tạo bông cặn Tạo điều kiện cho các hạt nhỏ liên kết lại với nhau thành một bông cặn để chúng có thể lắng được

Bể tuyển nổi Loại các chất rắn có kích thước nhỏ và có tỉ trọng gần bằng với tỉ trọng của nước

Bể lọc Loại bỏ các chất rắn có kích thước nhỏ còn sót lại sau khi xử lý nước thải bằng quá trình sinh học hay hóa học Siêu lọc Như bể lọc, cũng được ứng dụng để lọc tảo trong các hồ cố định chất thải

Làm bay hơi và khử các

chất khí

Khử các chất hữu cơ bay hơi trong nước thải, chuyển amoni thành ammoniac và loại bỏ

(Nguồn: Metcalf & Eddy, 1991)

Khi mức độ cần thiết làm sạch nước thải không cao lắm và các điều kiện vệ

sinh cho phép thì phương pháp cơ học giữ vai tró chính trong trạm xử lý Trong

những trường hợp khác phương pháp cơ học chỉ là giai đoạn làm sạch sơ bộ

trước khi xử lý sinh học

1.2.2 Công nghệ xử lý hóa học

1.2.2.1 Phương pháp trung hòa

Nước thải sản xuất của nhiều ngành công nghiệp có thể chứa axit hoặc kiềm Để

ngăn ngừa hiện tượng xâm thực và để tránh cho quá trình sinh hóa ở các công

trình làm sạch và nguồn nước không bị phá hoại, ta cần phải trung hòa nước thải

Trung hòa còn nhằm mục đích tách loại một số ion kim loại nặng ra khỏi nước

thải Mặt khác muốn nước thải được xử lý tốt bằng phương pháp sinh học phải

tiến hành trung hòa và điều chỉnh pH về 6,6 -7,6 Trung hòa bằng cách dùng các dung dịch axit hoặc muối axit, các dung dịch kiềm hoặc oxit kiềm để trung hòa dịch nước thải[1]

Một số hóa chất dùng để trung hòa: CaCO3, CaO, Ca(OH)2, MgO, Mg(OH)2, CaO 0,6MgO 0,4,(Ca(OH)2)0,6(Mg(OH)2)0,4, NaOH, Na2CO3, H2SO4, HCl, HNO3,… Ngoài ra, có thể tận dụng nước thải có tính acid trung hòa nước thải có tính kiềm hoặc ngược lại Ví dụ như trong dây chuyền công nghệ sản xuất xi mạ,

do có 2 công đoạn: làm sạch bề mặt nguyên liệu cần mạ đây là công đoạn tạo ra nước thải có tính kiềm mạnh và công đọan tẩy rỉ kim loại công đoạn này lại tạo

ra nước thải có tính acid mạnh Ta có thể tận dụng 2 loại nước thải này để trung hòa lẫn nhau[1]

a Trung hoà bằng trộn nước thải chứa axit và nước thải chứa kiềm

Phương pháp này cho xử lý nước thải chứa axit hoặc chứa kiềm trong khu công nghiệp được tập trung lai để xử lý vì chế độ thải của các nhà máy không giống nhau Nước thải chứa axit thường được thải một cách điều hoà ngày đêm và có nồng độ nhất định Nước thải chứa kiềm lại thải theo chu kỳ, một hoặc hai lần trong một ca tuỳ thuộc vào chế độ công nghệ[3]

b Trung hoà bằng cách cho thêm hoá chất vào nứơc thải

Phương pháp này dùng để trung hoà nước thải có chứa axit Người ta phân biệt

ba loại nước thải có chứa axit như sau :

- Nước thải chứa axit yếu H2CO3, CH3COOH)

- Nước thải chứa axit mạnh HCl, HNO3 , các muối canxi của chúng dễ tan trong nước

- Nước thải chứa axit mạnh H2SO4, H2CO3 các muối canxi của chúng khó tan trong nước

Bản chất của phương pháp hóa học là đưa vào nước thải một hóa chất nào đó, hóa chất này phản ứng với các chất ô nhiễm trong nước thải để tạo thành cặn lắng, chất hòa tan, hay các sản phẩm không độc hại Ví dụ phương pháp trung hòa phản ứng axít hay bazơ, phương pháp ô-xy hóa, kết tủa các kim loại… là những phương pháp hóa học[3]

Bảng 2 Ứng dụng quá trình xử lý hóa học

Quá trình Ứng dụng

Trung hòa Để trung hòa các nước thải có độ a-xít hoặc bazơ cao

Keo tụ Loại bỏ phốt-pho và tăng hiệu quả lắng của các chất rắn lơ lửng trong các công trình lắng sơ cấp Hấp phụ

Loại bỏ các chất hữu cơ không thể xử lý được bằng các phương pháp hóa học hay sinh học thông dụng Cũng được dùng để khử clo của nước thải sau khi xử lý, trước khi thải vào môi trường

Khử trùng Để loại bỏ các vi sinh vật gây bệnh Các phương pháp thường sử dụng như chlorine, chlorine dioxide, bromide chlorine, ozone… Khử chlor Loại bỏ các hợp chất của chlorine còn sót lại sau quá trình khử trùng bằng chlor Các quá trình

khác

Nhiều lọai hóa chất được sử dụng để đạt được mục đích nhất định nào đó; ví dụ dùng hoá chất để kết tủa các kim loại nặng trong nước thải

(Nguồn: Metcalf & Eddy, 1991)

1.2.2.2 Phương pháp oxy hóa khử

Để làm sạch nước thải người ta có thể sử dụng các chất oxy hóa như clo ở dạng khí và hóa lỏng, dioxyt clo, clorat canxi, hypoclorit canxi và natri, pemanganat kali, bicromat kali, peoxythydro (H2O2 , oxy của không khí, ozôn, pyroluzit (MnO2) [7]

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 Quá trình này tiêu tốn một lượng lớn các tác nhân hóa học, do đó quá trình oxy hóa 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[7]

Các phương pháp oxy hóa và khử bao gồm:

- Oxy hóa bằng clo

- Oxy hóa bằng peoxyt hydro H2O2)

- Oxy hóa bằng oxy trong không khí

- Oxy hóa bằng pyroluzit

- Làm sạch bằng khử

1.2.2.3 Khử trùng nước thải

Sau khi xử lý sinh học, phần lớn các vi khuẩn trong nước thải bị tiêu diệt Khi

xử lý trong các công trình sinh học nhân tạo Aerophin hay Aerotank số lượng

vi khuẩn giảm xuống còn 5%, trong hồ sinh vật hoặc cánh đồng lọc còn 1-2%

Nhưng để tiêu diệt toàn bộ vi khuẩn gây bệnh, nước thải cần phải khử trùng Chlor hoá, Ozon hoá, điện phân, tia cực tím

 Phương pháp phổ biến nhất hiện nay là phương pháp Chlor hoá [21]

Chlor cho vào nước thải dưới dạng hơi hoặc Clorua vôi Lượng Clor 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 Clor phải được trộn đều với nước và

để đảm bảo hiệu quả khử trùng, thời gian tiếp xúc giữa nước và hoá chất là 30 phút trước khi nước thải ra nguồn Hệ thống Clor hoá nước thải Clor hơi bao gồm thiết bị Clorato, máng trộn và bể tiếp xúc Clorato phục vụ cho mục đích chuyển Clor hơi thành dung dịch Clor trước khi hoà trộn với nước thải và được chia thành 2 nhóm: nhóm chân không và nhóm áp lực Clor hơi được vận chuyển

về trạm xử lý nước thải dưới dạng hơi nén trong banlon chịu áp Trong trạm xử

lý cần phải có kho cất giữ các banlon này Phương pháp dùng Clor hơi ít được dùng phổ biến

 Phương pháp Clor hoá nước thải bằng Clorua vôi [21]

Áp dụng cho trạm nước thải có công suất dưới 1.000 m3/ngđ Các công trình

và thiết bị dùng trong dây chuyền này là các thùng hoà trộn, chuẩn bị dung dịch Clorua vôi, thiết bị định lượng máng trộn và bể tiếp xúc Với Clorua vôi được hoà trộn sơ bộ tại thùng hoà trộn cho đến dung dịch 10 -15% sau đó chuyển qua thùng dung dịch Bơm định lượng sẽ đưa dung dịch Clorua vôi với liều lượng nhất định đi hoà trộn vào nước thải Trong các thùng trộn dung dịch, Clorua vôi được khuấy trộn với nước cấp bằng các cánh khuấy gắn với trục động cơ điện

 Phương pháp Ozon hoá [21]

Ozon hoá tác động mạnh mẽ với các chất khoáng và chất hữu cơ, oxy hoá bằng Ozon cho phép đồng thời khử màu, khử mùi, tiệt trùng của nước Bằng Ozon hoá có thể xử lý phenol, sản phẩm dầu mỏ, H2S, các hợp chất Asen, thuốc nhuộm … Sau quá trình Ozon hoá số lượng vi khuẩn bị tiêu diệt đến hơn 99% Ngoài ra Ozon còn oxy hoá các hợp chất Nito, Photpho … Nhược điểm chính của phương pháp này là giá thành cao và thường được ứng dụng rộng rãi trong

+ Chi phí hoá chất cao

+ Có khả năng tạo ra một số chất ô nhiễm thứ cấp

+ + H2S + Tế bào vi sinh vật+ Trong điều kiện hiếu khí NH4

+

và H2S cũng bị phân huỷ nhờ quá trình Nitrat hóa, sunfat hóa bởi vi sinh vật tự dưỡng: NH4

+ + 2O2 ^ NO3

+ 2H+ H2O + AH ; H2S + 2O2 ^

về quá trình xử lý đầy đủ hơn Hiệu quả xử lý cao hơn và triệt để hơn, không gây

ô nhiễm thứ cấp như phương pháp hoá học, hoá lý

Nhưng phương pháp hiếu khí cũng có các nhược điểm là thể tích công trình lớn

và chiếm nhiều mặt bằng hơn Chi phí xây dựng công trình và đầu tư thiết bị lớn hơn Chi phí vận hành cho năng lượng sục khí tương đối cao Không có khả năng thu hồi năng lượng Không chịu được những thay đổi đột ngột về tải trọng hữu

cơ khi nguyên liệu khan hiếm Sau xử lý sinh ra một lượng bùn dư cao và lượng bùn này kém ổn định đòi hỏi chi phí đầu tư để xử lý bùn Xử lý với nước thải có tải trọng không cao như phương pháp kỵ khí

O Cơ chế quá trình xử lý hiếu khí gồm

3 giai đoạn (Eckenfelder w.w và Conon D.J, 1961)

+Giai đoạn 1- Oxy hóa toàn bộ chất hữu co có trong nước thải để đáp ứng nhu cầu năng lượng của tế bào Men CxHyOzN + (x + y/4 + z/3 + %) O2 ^ xCO2 + [(y-3)/2] H2O+ NH3

+Giai đoạn 2 Quá trình đồng hóa)- Tổng hợp để xây dựng tế bào

Men CxHyOzN + NH3 + O2 ^ xCO2 + C5H7NO2

+Giai đoạn 3 (Quá trình dị hóa)- Hô hấp nội bào

Khi không đủ chất dinh dưỡng quá trình chuyển hoá các chất của tế bào bắt đầu xảy ra bằng sự tự oxi hóa chất liệu tế bào

b Các yếu tố ảnh hưởng [5]

Quá trình xử lý hiếu khí chịu ảnh hưởng nồng độ bùn hoạt tính tức phụ thuộc vào chỉ số bùn Chỉ số bùn càng nhỏ thì nồng độ bùn cho vào công trình xử lý càng lớn hoặc ngược lại Nồng độ oxi cũng ảnh hưởng mạnh mẽ đến quá trình này Khi tiến hành quá trình cần phải cung cấp đầy đủ lượng oxy một cách liên tục sao cho lượng oxy hòa tan trong nước ra khỏi bể lắng đợt II > 2 (mg/l)

Khác với quá trình xử lý kỵ khí, tải trọng hữu cơ trong xử lý hiếu khí thường thấp hơn nên nồng độ các chất bẩn hữu cơ nước thải qua Aerotank có BOD toàn phần phải < 1000 (mg/l) còn trong bể lọc sinh học thì BOD toàn phần của nước thải < 500 mg/l Ngoài ra trong nước thải cũng cần có đủ các nguyên tố vi lượng, nguyên tố dinh dưỡng Thông thường các nguyên tố vi lượng như K, Na,

Mg, Ca, Mn, Fe, Mo, Ni, Co, Zn, Cu, S, Cl thường có đủ trong nước thải Tùy theo hàm lượng cơ chất hữu cơ trong nước thải mà có yêu cầu về nồng độ các nguyên tố dinh dưỡng cần thiết là khác nhau Thông thường cần duy trì các nguyên tố dinh dưỡng theo một tỷ lệ thích hợp: BOD toàn phần: N: P = 100: 5:1 hay COD: N: P = 150: 5: 1 Nếu thời gian xử lý là 20 ngày, đêm thì giữ ở tỷ lệ: BOD toàn phần: N: P = 200: 5: 1 (M.X Moxitrep, 1982)

c Các dạng công nghệ sinh học hiếu khí [5]

 Bùn hoạt tính

Công nghệ bùn hoạt tính hay bể hiếu khí (Aerotank) là quá trình xử lý sinh học hiếu khí, trong đó nồng độ cao của vi sinh vật mới được tạo thành được trộn đều với nước thải trong bể hiếu khí Quy trình xử lý nước thải bằng bùn hoạt tính được thực hiện ở nước Anh từ năm 1914, và đã được duy trì và phát triển đến ngày nay với phạm vi ứng dụng rộng rãi để xử lý nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp Bùn hoạt tính bao gồm những sinh vật sống kết lại thành dạng hạt hoặc dạng bông với trung tâm là các chất nền rắn lơ lửng (40%) Chất nền

trong bùn hoạt tính có thể đến 90% là phần chết rắn của rêu, tảo và các phần sót rắn khác nhau Bùn hiếu khí ở dạng bông bùn vàng nâu, dễ lắng là hệ keo vô định hình còn bùn kỵ khí ở dạng bông hoặc dạng hạt màu đen Những sinh vật sống trong bùn là vi khuẩn đơn bào hoặc đa bào, nấm men, nấm mốc, xạ khuẩn, các động vật nguyên sinh và động vật hạ đẳng, dòi, giun, đôi khi là các ấu trùng sâu

bọ Vai trò cơ bản trong quá trình làm sạch nước thải của bùn hoạt tính là vi khuẩn có thể chia ra làm 8 nhóm:

8 Hỗn hợp các vi khuẩn khác; Ecoli, Micrococus

Aerotank được phân loại theo chế độ thuỷ động lực dòng chảy vào; Chế độ làm việc của bùn hoạt tính; Cấu tạo Aerotank;

Quá trình sinh học xảy ra qua 3 giai đoạn:

Giai đoạn 1: Bùn hoạt tính hình thành và phát triển Lúc này, cơ chất và chất

dinh dưỡng đang rất phong phú, sinh khối bùn còn ít Theo thời gian, quá trình thích nghi của vi sinh vật tăng, chúng sinh trưởng rất mạnh theo cấp số nhân, sinh khối bùn tăng mạnh Vì vậy, lượng oxy tiêu thụ tăng dần vào cuối giai đoạn này rất cao Tốc độ tiêu thụ oxy vào cuối giai đoạn này có khi gấp 3 lần ở giai đoạn 2 Tốc độ phân hủy chất bẩn hữu cơ tăng dần

Giai đoạn 2: Vi sinh vật phát triển ổn định, hoạt lực enzym đạt Max và kéo dài

trong thời gian tiếp theo Tốc độ phân hủy chất hữu cơ đạt Max, các chất hữu cơ

bị phân hủy nhiều nhất Tốc độ tiêu thụ oxy gần như không thay đổi sau một thời gian khá dài

Giai đoạn 3: Tốc độ tiêu thụ oxy có chiều hướng giảm dần và sau đó lại tăng lên

Tốc độ phân hủy chất bẩn hữu cơ giảm dần và quá trình Nitrat hóa amoniac xảy

ra Sau cùng, nhu cầu tiêu thụ oxy lại giảm và quá trình làm việc của Aerotank kết thúc

Hình 1 Bể bùn hoạt tính

Hệ thống bể bùn hoạt tính gồm các loại: bể bùn hoạt tính truyền thống, bể bùn hoạt tính tiếp xúc-ổn định, bể bùn hoạt tính thông khí kéo dài, bể bùn hoạt tính thông khí cao có khuấy đảo hoàn chỉnh, bể bùn hoạt tính chọn lọc

Bể bùn hoạt tính truyền thống: Bùn hoạt tính dòng truyền thống đầu tiên được sử dụng là các bồn hiếu khí dài, hẹp Lượng oxy cần dùng thay đổi dọc theo chiều dài của bể phản ứng sinh hóa Do đó hệ thống này sử dụng các thiết bị thông gió làm thoáng bề mặt để lượng oxy cung cấp phù hợp với nhu cầu sử dụng dọc theo chiều dài bể Bể phản ứng thường có dạng hình chữ nhật, với dòng vào và tuần hoàn bùn hoạt tính đi vào bể ở 1 đầu và chất lỏng trong bể được hòa trộn (dòng thải) sẽ đi ra ở đầu đối diện Mô hình dòng chảy gần giống như hệ thống dòng chảy đều, với sự phân bố thời gian lưu chất phụ thuộc vào tỷ lệ chiều dài và chiều rộng của bồn chứa, hỗn hợp trong bể gồm oxy do thiết bị cung cấp, các chất nền có sẵn trong dòng vào và dòng ra[9]

Lượng gió cấp vào từ 55 m3

/1kg BOD5 đến 65 m3/1kg BOD5 cần khử Chỉ số thể tích bùn thường dao động từ 50 - 150 ml/g, tuổi của bùn thường từ 3 - 15 ngày Nồng độ BOD đầu vào thường < 400mg/l, hiệu quả làm sạch thường từ 80 - 95% Bể bùn hoạt tính tiếp xúc-ổn định: Hệ thống này chia bể phản ứng thành 2 vùng: vùng tiếp xúc là nơi xảy ra quá trình chuyển hóa các vật chất hữu cơ trong nước thải đầu vào, và vùng ổn định là nơi bùn hoạt tính tuần hoàn từ thiết bị lọc được sục khí để ổn định vật chất hữu cơ Do nồng độ chất rắn lơ lửng trong nước khá cao trong bể ổn định tương đương với nồng độ bùn hoạt tính tuần hoàn), tổng thể tích bể phản ứng sinh hóa (vùng tiếp xúc và ổn định) có thể nhỏ hơn, giống như ở loại bể bùn kiểu truyền thống, trong khi vẫn duy trì thời gian lưu bùn như cũ Vì vậy, bể bùn loại này được sử dụng để có thể vừa làm giảm thể tích bể phản ứng, hoặc có thể làm gia tăng khả năng lưu chứa của bể bùn truyền thống[9]

Trong vùng tiếp xúc, thời gian tiếp xúc từ 20 - 60 phút (phụ thuộc lưu lượng dòng vào Dòng bùn tái sinh thường chiếm 25 - 75% dòng nước thải đầu vào để

xử lý Thể tích của vùng ổn định chiếm 50 - 60% tổng thể tích của toàn hệ thống, với thời gian lưu nước thường từ 0,5 - 2 giờ, trong khi thể tích vùng tiếp xúc là

30 - 35% tổng thể tích chung, với thời gian lưu nước là 4 - 6 giờ tùy thuộc vào dòng bùn hoạt tính tuần hoàn Hiệu quả xử lý của hệ thống này thường đạt 85 - 95% khả năng loại bỏ BOD5 và các chất rắn lơ lửng khỏi nước thải xử lý

Bể bùn tiếp xúc-ổn định thường dùng trong xử lý nước thải sinh hoạt với số lượng đáng kể các hợp chất hữu cơ dưới dạng các phân tử chất rắn

Hình 2 Bể bùn hoạt tính tiếp xúc - ổn định

Bể bùn hoạt tính thông khí kéo dài: Thường có thời gian lưu bùn kéo dài để ổn định lượng sinh khối rắn từ quá trình chuyển hóa của các vật chất hữu cơ bị phân hủy bởi vi khuẩn Thời gian lưu bùn thường kéo dài từ 20 - 30 ngày, đồng nghĩa với việc cần thời gian lưu nước khoảng 24 giờ để duy trì khả năng pha trộn nồng

độ các chất rắn lơ lửng trong nước Thời gian lưu nước kéo dài có 2 tác dụng: làm giảm lượng chất rắn bị loại bỏ và làm tăng sự ổn định của quá trình Tuy nhiên, đối với bể phản ứng loại lớn thì yếu tố này sẽ gây một số bất lợi, đó là làm hạn chế khả năng pha trộn[12]

Hình 3 Hệ thống bể bùn hoạt tính thông khí kéo dài

Bể bùn hoạt tính thông khí cao có khuấy đảo hoàn chỉnh: Bể hiếu khí có tốc độ thông khí cao và khuấy đảo hoàn chỉnh là loại Aerotank tương đối lý tưởng để xử

lý nước thải có độ ô nhiễm cũng như nồng độ các chất lơ lửng cao Aerotank loại này sẽ có thời gian làm việc ngắn Rút ngắn được thời gian thông khí bằng vận hành ở tỷ số F/M cao, giảm tuổi thọ bùn hoạt tính (thời gian lưu nước trong bể ngắn) Trong bể Aerotank khuấy đảo hoàn chỉnh, nước thải, bùn hoạt tính, oxy hòa tan được khuấy trộn đều, tức thời Do vậy, nồng độ bùn hoạt tính và oxi hòa tan được phân bố đều ở mọi nơi trong bể và dẫn đến quá trình oxy hóa được đồng đều, hiệu quả cao[15] Ưu điểm của công nghệ này là:

- Pha loãng ngay tức khắc nồng độ các chất nhiễm bẩn, kể cả các chất độc hại (nếu có)

- Không xảy ra hiện tượng quá tải cục bộ ở một nơi nào trong bể

- Thích hợp cho xử lý các loại nước thải có tải trọng cao, chỉ số thể tích bùn cao, cặn khó lắng

Hình 4 Bể Aerotank thông khí cao có khuấy đảo hoàn chỉnh

Thông gió

Dựa trên nguyên lý làm việc của aerotannk khuấy đảo hoàn chỉnh, người ta thay không khí nén bằng cách sục oxy tinh khiết Bể phản ứng thường có nhiều ngăn, kín, và cung cấp các dòng nước giàu oxy ở dạng khí hòa trộn trong chất lỏng Dòng nước thải vào và dòng bùn hoạt tính tuần hoàn chỉ được đưa vào ở ngăn đầu tiên cùng với oxy thường tinh khiết 98%) Ở mỗi ngăn có sự pha trộn hoàn toàn trong từng ô Sự pha trộn các chất rắn lơ lửng và oxy hòa tan được cung cấp cho mỗi ngăn Các loại máy móc sử dụng trong loại bể này là: máy thổi khí bề mặt tốc độ nhỏ và tuabin đặt trong nước Việc sử dụng nguồn oxy có độ tinh khiết cao sẽ có tác dụng làm gia tăng áp suất oxy tham gia trong mỗi ngăn, vì vậy

sẽ làm tăng tỷ lệ chuyển hóa thể tích oxy hơn so với hệ thống sử dụng không khí Điều này sẽ làm cho thể tích bể phản ứng sinh hóa cần sử dụng nhỏ lại, vì vậy thời gian lưu nước chỉ còn khoảng 2 - 4 giờ Thời gian lưu bùn tối thiểu từ 1 - 2 ngày thường được sử dụng để xử lý nước thải sinh hoạt, còn đối với nước thải công nghiệp cần thời gian lưu bùn dài hơn[24]

 Bể hiếu khí gián đoạn - SBR (Sequencing Batch Reactor) [10]

Bể SBR là hệ thống xử lý nước thải với bùn hoạt tính lơ lửng theo kiểu làm đầy

và xả cặn, hoạt động theo chu kỳ gián đoạn (do quá trình làm thoáng và lắng trong được thực hiện trong cùng 1 bể Các bước xử lý trong chu kỳ hoạt động của hệ thống như sau: 1- làm đầy, 2- sục khí (khử BOD), 3- lắng trong, 4- xả cặn

dư và xả nước ra, 5- nghỉ Tiếp tục thực hiện xử lý theo chu kỳ mẻ nước thải khác

Pha làm đầy có thể là các trạng thái: tĩnh, khuấy trộn hoặc thông khí, tùy thuộc vào đối tượng cần xử lý Trạng thái tĩnh là do năng lượng đầu vào thấp và nồng

độ các chất nền cao ở cuối giai đoạn trạng thái khuấy trộn là do có sự khử nitrat (khi có sự hiện diện của nitrat) các chất lơ lửng sẽ làm giảm nhu cầu oxy và năng lượng đầu vào, và cần phải có điều kiện thiếu hoặc kỵ khí cho quá trình loại bỏ sinh hóa P Trạng thái thông khí là do các phản ứng hiếu khí ban đầu, làm giảm thời gian tuần hoàn và giữ nồng độ chất nền mức thấp, điều này là quan trọng nếu tồn tại thành phần các chất hữu cơ dễ bị phân hủy với nồng độ độc tính cao Nếu không có phản ứng sinh hóa xảy ra trong suốt pha làm đầy tĩnh, nồng độ chất nền trong bể SBR sẽ đạt tối đa ở cuối pha này Nếu trạng thái khuấy trộn được chọn, nồng độ chất nền, nồng độ oxy hòa tan và nồng độ nitrat sẽ thay đổi trong suốt quá trình Khi không có oxy hiện diện, nitrat sẽ trở thành tác nhân nhận điện tử và phản ứng sinh hóa thiếu khí sẽ làm giảm chất nền Cuối cùng, sự lên men hoặc các phản ứng sinh hóa kỵ khí sẽ bắt đầu một khi oxy và nitrat được lấy hết ra Trạng thái thông khí được tiến hành khi khí được cung cấp trong suốt quá trình làm đầy tốc độ phân hủy chất nền được giới hạn bởi tốc độ phản ứng

sinh hóa là hàm của sinh khối, và nồng độ chất nền khi nồng độ oxy hòa tan cao hơn so với nồng độ tối thiểu, hoặc là hàm của tốc độ với oxy được cung cấp từ thiết bị thổi khí Trong trường hợp đầu tiên, kích thước bể SBR thường nhỏ hơn, nhưng thiết bị thổi khí lớn hơn và năng lượng cung cấp lớn hơn Trong trường hợp thứ hai, đòi hỏi có bể phản ứng lớn hơn, nhưng hệ thống thông gió nhỏ hơn

và năng lượng cần cung cấp ít hơn Khi các phản ứng sinh hóa bị giới hạn bởi tốc

độ thông gió, nồng độ oxy hòa tan tiến gần tới 0

1.2.3.2 Khái quát quá trình xử lý sinh học kỵ khí

a Cơ Sở Lý Thuyết [27]

Nguyên tắc của phương pháp này là sử dụng các vi sinh vật kị khí và vi sinh vật tùy nghi để phân hủy các hợp chất hữu cơ và vô cơ có trong nước thải, ở điều kiện không có oxi hòa tan với nhiệt độ, pH… thích hợp để cho các sản phẩm dạng khí CO2, CH4 Quá trình phân hủy kị khí có thể mô tả bằng sơ đồ tổng quát: (CHO)n NS → CO2 + H2O + CH4 + NH4 + H2 + H2S + Tế bào vi sinh Quá trình sinh học kị khí có thể xử lý nước thải có hàm lượng chất bẩn hữu cơ cao BOD ≥ 10 – 30 g/l Có nhiều chủng loại vi sinh vật cùng nhau làm việc để biến đổi các chất ô nhiễm hữu cơ thành khí sinh học Một cách tổng quát, quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra theo 4 giai đoạn Hình 2.1

- Giai đoạn 1: Thủy phân, cắt mạch các hợp chất cao phân tử;

- Giai đoạn 2: Acid hóa;

- Giai đoạn 3: Acetate hóa;

- Giai đoạn 4: Methane hóa

Các chất thải hữu cơ chứa các nhiều chất hữu cơ cao phân tử như proteins, chất béo, carbohydrates, celluloses, lignin,… trong giai đoạn thủy phân, sẽ được cắt mạch tạo thành những phân tử đơn giản hơn, dễ phân hủy hơn Các phản ứng thủy phân sẽ chuyển hóa protein thành amino acids, carbohydrate thành đường đơn, và chất béo thành các acid béo Trong giai đoạn acid hóa, các chất hữu cơ đơn giản lại được tiếp tục chuyển hóa thành acetic acid, H2 và CO2 Các acid béo

dễ bay hơi chủ yếu là acetic acid, propionic acid và lactic acid Bên cạnh đó, CO2

và H2, methanol, các rượu đơn giản khác cũng được hình thành trong quá trình cắt mạch carbohydrat Vi sinh vật chuyển hóa methane chỉ có thể phân hủy một

số loại cơ chất nhất định như CO2 + H2, formate, acetate, methanol, methylamines và CO Các phương trình phản ứng xảy ra như sau:

- 4H2 + CO2  CH4 + 2H2O

- 4HCOOH  CH4 + 3CO2 + 2H2O

- CH3COOH  CH4 + CO2

- 4CH3OH  3CH4 + CO2 + 2H2O

- 4(CH3)3N + H2O  9CH4 + 3CO2 + 6H2O + 4NH3

Hình 5 Quá trình phân hủy kỵ khí

Tùy theo trạng thái của bùn, có thể chia quá trình xử lý kỵ khí thành:

- Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng lơ lửng như quá trình tiếp xúc kỵ khí Anaerobic Contact Process , quá trình xử lý bằng lớp bùn kỵ khí với dòng nước đi từ dưới lên Upflow Anaerobic Sludge Blanket - UASB);

- Quá trình xử lý kỵ khí với vi sinh vật sinh trưởng dạng dính bám như quá trình lọc kỵ khí Anaerobic Filter Process

Phức chất hữu cơ Acid hữu cơ

Hình 6 Cấu tạo bể xử lý nước thải áp dụng công nghệ xử lý kỵ khí

b Các công nghệ xử lý

 Công nghệ xử lý ể kỵ khí [14]

Trong quá trình xử lý nước thải bằng công nghệ kỵ khí, các chất hữu cơ trong nước thải được chuyển hoá thành mêtan và khí cacbonic, quá trình được thực hiện không có mặt của oxy Hệ thống xử lý kỵ khí có thể là các ao kỵ khí hoặc các dạng khác nhau của bình phản ứng tải trọng cao

Hồ kỵ khí được sử dụng để xử lý nước thải có nồng độ chất hữu cơ và hàm lượng cặn cao Độ sâu hồ kỵ khí phải lớn 2,4m 8ft , có thể đạt đến 9,1m với thời gian lưu nước dao động trong khoảng 20–50 ngày

Quá trình ổn định nước thải trong hồ xảy dưới tác dụng kết hợp của quá trình kết tủa và quá trình chuyển hoá chất hữu cơ thành CO2, CH4, các khí khác, các acid

hữu cơ và tế bào mới Hiệu suất chuyển hoá BOD5 có thể đạt đến 70 – 80%

 Công nghệ sinh học kỵ khí UASB [14]

Đây là một trong những quá trình kị khí được ứng dụng rộng rãi nhất trên thế

giới do 2 đặc điểm chính sau:

Cả 3 quá trình phân huỷ – lắng bùn – tách khí, được lắp đặt trong cùng một công trình;

Tạo thành các loại bùn hạt có mật độ vi sinh vật rất cao và tốc độ lắng vượt xa so với bùn hoạt tính hiếu khí dạng lơ lửng

Bên cạnh đó, quá trình xử lý sinh học kỵ khí sử dụng UASB còn có những ưu điểm so với quá trình bùn hoạt tính hiếu khí như:

- Ít tiêu tốn năng lượng vận hành;

- Ít bùn dư, nên giảm chi phí xử lý bùn;

- Bùn sinh ra dễ tách nước;

- Nhu cầu dinh dưỡng thấp nên giảm được chi phí bổ sung dinh dưỡng;

- Có khả năng thu hồi năng lượng từ khí methane;

- Có khả năng hoạt động theo mùa vì kỵ khí có thể phục hồi và hoạt động được sau một thời gian ngưng không nạp liệu

Hệ thống UASB Up-flow Anaerobic Slugle Blanked được phát triển từ hệ thống xử lý kỵ khí đối với các loại nước thải có nồng độ các chất ô nhiễm hữu cơ cao Trong những năm gần đây UASB đã được nghiên cứu chuyên sâu và triển khai áp dụng rộng rãi trên thế giới do các ưu điểm sau:

- Tải trọng phân huỷ hữu cơ cao do vậy mặt bằng yêu cầu cho hệ thống xử lý nhỏ

- Nhu cầu tiêu thụ năng lượng thấp do không cần phải cung cấp oxy

- Có khả năng thu hồi năng lượng

 Sinh học kị khí 2 giai đoạn [19]

Hệ thống xử lý nước thải sinh học phân hủy kị khí 2 giai đoạn thường được thiết

kế cho vùng dân cư từ 30.000 – 50.000 người Ở giai đoạn đầu, các hoạt động sinh hóa chỉ là sự lỏng hóa các chất rắn hữu cơ, phân hủy các hợp chất hữu cơ đã hòa tan và sự khí hóa Ở gian đoạn thứ hai xảy ra chủ yếu la sự khí hóa, tuy nhiên, vẫn còn sự phân chia ở bề mặt chứa khí và phân hủy bùn

Giai đoạn đầu thường là quá trình phân hủy tải trọng cao với sự hòa trộn liên tục các chất trong khi đó ở giai đoạn 2 thường là sự hòa trộn ở tải trọng thấp với sự nổi trên bề mặt và pha trộn không liên tục Các chất hữu cơ cung cấp ban đầu ở dòng vào trong giai đoạn 1 thường lớn hơn so với giai đoạn 2

Carbon dioxide (CO

Chu trình trong tự nhiên:

- Phân hủy kỵ khí có thể chia làm 6 quá trình:

1 Thủy phân polymer: thủy phân các protein, polysaccaride, chất béo

2 Lên men các amino acid và đường

3 Phân hủy kỵ khí các acid béo mạch dài và rượu alcohols

4 Phân hủy kỵ khí các acid béo dễ bay hơi ngoại trừ acid acetic

5 Hình thành khí methane từ acid acetic

- Acetic hoá (Acetogenesis):

- Methane hóa (methanogenesis):

1.2.4.3 Các phản ứng sinh hóa của quá trình yếm khí

Các hệ thống yếm khí ứng dụng khả năng phân hủy chất hữu cơ của vi sinh vật trong điều kiện không có oxy Quá trình phân hủy yếm khí chất hữu cơ rất phức tạp liên hệ đến hàng trăm phản ứng và sản phẩm trung gian Tuy nhiên người ta thường đơn giản hóa chúng bằng phương trình sau đây[20]

Quá trình phân hủy yếm khí được chia thành 3 giai đoạn chính như sau:

1 Phân hủy các chất hữu cơ cao phân tử

2 Tạo nên các axít

3 Tạo methane

1.3 Tổng quan phương pháp hóa lý

1.3.1 Trung hòa nước thải

Nước thải có pH bazơ hay axít cao không được thải trực tiếp vào các nguồn nước hoặc không thích hợp cho các quá trình xử lý sinh học về sau Do đó, người ta sử dụng nhiều phương pháp khác nhau để trung hòa nước thải Các phương pháp bao gồm[17]

:

- Trộn các loại nước thải có độ pH khác nhau để đạt được pH gần trung tính

- Cho nước thải có pH axít chảy qua một nền đá vôi

- Trộn nước thải có pH axít với dung dịch vôi

- Cho thêm một lượng chính xác NaOH hoặc Na2CO3 vào nước thải có pH axít

- Thổi các khí thải từ lò đốt qua nước thải có pH bazơ

- Cho nén CO2 vào nước thải có pH bazơ

- Cho axít sulfuric vào nước thải có pH bazơ

1 Trong dây chuyền sản xuất của nhà máy có thể có nhiều công đoạn khác nhau,

và ở mỗi công đoạn có thể sinh ra nước thải có pH khác nhau Do đó, nếu quản lý tốt lịch sản xuất chúng ta có thể trữ và trộn lẫn các nước thải này với nhau để trung hòa chúng trước khi thải vào môi trường hoặc tạo pH thích hợp cho giai đoạn xử lý sinh học Trong một khu công nghiệp có nhiều loại nhà máy khác nhau, việc quản lý nước thải các nhà máy này để trộn lẫn với nhau nhằm đạt đến

pH gần trung tính tạo điều kiện cho các xử lý về sau, và mang lại hiệu quả kinh tế cao Hyde 1965 đã báo cáo về việc sử dụng một hồ chứa có thể tích 1.900 m3

để trộn lẫn nước thải với nhau trước khi chuyển sang xử lý sinh học hiếu khí pH của nước thải sau khi trộn đạt từ 6,5 – 8,5 nằm trong khoảng pH thích hợp cho các hoạt động của VSV [4]

2 Nước thải có thể được trung hòa bằng cách bơm cho chảy qua một nền đá vôi

từ trên xuống hay từ dưới lên với lưu lượng 40,7 L/m2 *phút để bảo đảm thời gian lưu tồn đủ để trung hòa nước thải Nồng độ axít H2SO4 phải ở mức thấp để bảo đảm lượng CaSO4 sinh ra không bao phủ đá vôi làm mất hoạt tính của nó[5] Phương trình phản ứng diễn ra như sau: CaCO3 + H2SO4 = CaSO4 + H2CO3

Phản ứng này được duy trì cho đến khi nào đá vôi không còn hoạt tính

Có hai điều kiện để thành công trong việc áp dụng phương pháp này:

- Cung cấp đủ lượng đá vôi

- Nước thải chứa axít sulfuric phải được pha loãng để đạt nồng độ từ 0,3% trở xuống và bơm với lưu lượng 203,7 L/m2*phút để tránh cặn lắng

Khi trung hòa nước thải chứa axít sulfuric không nên sử dụng lưu lượng nhỏ hơn 40,7 L/m2*phút, do tính hòa tan yếu của CaSO4 nó sẽ kết tủa và bao phủ lên đá vôi làm giảm hoạt tính của đá vôi Không nên áp dụng biện pháp này với nước thải chứa 0,3% axít sulfuric trở lên vì ở nồng độ cao nó sẽ tạo nên phản ứng mãnh liệt với đá vôi tạo thành một lớp áo CaSO4 bao bên ngoài làm cho phần ruột CaCO3 bên trong không còn tác dụng[8]

Thời điểm cần thay mới nền đá vôi tùy thuộc vào tính chất và thể tích của nước thải chảy qua nó Việc thải bỏ đá vôi đã qua sử dụng là một hạn chế lớn nhất của phương pháp này

3 Khuấy trộn nước thải có pH axít với dung dịch vôi đặc là một biện pháp hữu hiệu để trung hòa nước thải Phản ứng hóa học của phương pháp này giống như phương pháp trên Dung dịch vôi được đưa vào và CaSO4 theo nước thải ra khỏi

bể trung hòa một cách liên tục Mặc dù các phản ứng diễn ra chậm nhưng vôi có khả năng trung hòa cao và tốc độ phản ứng có thể được đẩy nhanh bằng cách đun nóng hoặc ô-xy hóa dung dịch nước thải và vôi[11]

Trong thực tiễn để trung hòa nước thải có chứa axít nitric hoặc axít sulfuric nồng

độ khoảng 1,5% người ta sử dụng đá Dolomit đã qua nung chứa 47,5% CaO, 34,4% MgO, 1,8% CaCO3 Loại đá này có ưu điểm hơn so với đá vôi có hàm lượng calcium cao do ít tạo kết tủa sulfate hơn[16]

Hoak 1944 đã đưa ra 1 thước tính lượng hóa chất cần thiết trung hòa nước thải

Để sử dụng thước tính này ta phải biết giá trị axít của nước thải acid value và

độ bazơ của hóa chất dùng để trung hòa basidity factor Trước tiên chúng ta xác

định giá trị giá trị axít của nước thải bằng cách cho vào 5mL nước thải một lượng thừa dung dịch NaOH 0,5N với chất chỉ thị màu là phenolphtalein Sau đó tính toán để tính giá trị axít tính bằng gram SO4/L)

Độ kiềm của hóa chất sử dụng được xác định bởi việc cho vào 1g hóa chất đó một lượng thừa dung dịch HCl 0,5 N, đun mẫu trong vòng 15phút, sau đó chuẩn

độ bằng dung dịch NaOH 0,5 N để xác định lượng HCl sử dụng dùng phenolphtalein làm chất chỉ thị màu Bây giờ ta đã có hai điểm trên trục A và B, nối hai điểm này lại, điểm cắt trục C chính là lượng hóa chất cần sử dụng tính bằng lb/gal [18]

Bảng 3: Độ kiềm của một số hóa chất thường sử dụng trong quá trình trung hòa

Tên hóa chất Độ kiềm (g tương đương với 1

( Nguồn: Gốc Hoak, 1944; trích lại từ Nemerow, 1978 )

4 Việc đưa dung dịch NaOH hay Na2CO3 đậm đặc vào nước thải axít với một liều lượng chính xác sẽ trung hòa nước thải nhanh hơn nhưng rất đắc tiền Quá trình này cần một lượng dung dịch chất trung hòa nhỏ hơn do NaOH hay Na2CO3

có hoạt tính mạnh hơn vôi hoặc đá vôi Một ưu điểm khác của quá trình là các sản phẩm là các chất hòa tan và không làm tăng độ cứng của nguồn nước nhận nước thải sau quá trình xử lý Đối với nước thải có tính axít có lưu lượng thấp,

Na2CO3 được đưa vào đầu hút của máy bơm nước thải Với nước thải có lưu lượng cao cần phải có thiết bị châm định lượng Na2CO3 theo lưu lượng nước thải

và bể chứa Na2CO3 Khi NaOH được sử dụng làm chất trung hòa nước thải có chứa H2CO3 và H2SO4, các phương trình phản ứng diễn ra như sau[22]

:

Na2CO3 + CO2 + H2O = 2 NaHCO3

2 NaOH + CO2 = Na2CO3 + H2O NaOH + H2SO4 = NaHSO4 + H2O NaHSO4 + NaOH = Na2SO4 + H2O

Cả hai phản ứng trung hòa đều xảy ra qua 2 bước và sản phẩm cuối cùng phụ thuộc vào pH mà chúng ta muốn đạt đến Nếu pH cuối cùng muốn đạt đến là 6 thì NaHSO4 sẽ chiếm phần lớn; nếu pH cuối là 8 thì Na2SO4 sẽ chiếm phần lớn

5 Sử dụng khí thải để trung hòa nước thải có pH bazơ là một phương pháp mới

và có hiệu quả kinh tế Một số thí nghiệm đã tiến hành tại các nhà máy dệt ở Mỹ

để chứng minh hiệu quả của phương pháp này Khí thải từ các lò đốt có hiệu suất đốt tốt chứa khoảng 14% CO2 CO2 hòa tan trong nước sẽ tạo thành H2CO3 và có khả năng trung hòa nước thải có pH bazơ[26]

Các phản ứng diễn ra như sau:

CO2 + H2O = H2CO3

H2CO3 + 2 NaOH = Na2CO3 + 2 H2O

H2CO3 + Na2CO3 = 2 NaHCO3 + H2O Các thiết bị cần thiết bao gồm một bơm thổi khí, một đường ống dẫn khí thải đến khu vực xử lý nước thải, một thiết bị lọc khí thải để loại bỏ các hạt cacbon và sulfua chưa cháy và một hệ thống phân phối khí vào trong nước thải

6 Các cơ chế xảy ra tương tự 5 nhưng sử dụng khí CO2 nén trong các bình chứa Phương pháp này vận hành dễ dàng hơn nhưng tốn kém, do đó ít được sử dụng

7 Việc sử dụng axít sulfuric để trung hòa nước thải có độ kiềm cao tốn kém và phải sử dụng các thiết bị có khả năng chống lại sự ăn mòn của axít

Bảng 4: Các hóa chất thường sử dụng để trung hòa nước thải

Tên hóa chất Công thức hóa chất

Lƣợng hóa chất cần thiết tính ằng mg/L để khử 1 mg/L axít ho c 1 mg/L azơ tính theo lƣợng kiềm và axít

CaCO 3 (mg/L)

( Nguồn: Trịnh Xuân Lai, 2000)

Để thiết kế công đoạn trung hòa người kỹ sư phải dựa trên các số liệu thí nghiệm

về đặc tính hóa học của nước thải, loại hóa chất sử dụng, diện tích đất và việc phân tích chi phí Các bộ phận của công đoạn này bao gồm: một bể dùng để trung hòa nước thải có thể sử dụng bể điều lưu ; kho trữ hóa chất; bồn trữ dung dịch hóa chất sử dụng hàng ngày; bơm định lượng để châm hóa chất vào bể; hệ thống khuấy[25]

1.3.2 Phương pháp tuyển nổi

Tuyển nổi là một quá trình tách các rắn trong pha lỏng khi khối lượng riêng của các hạt này nhỏ hơn khối lượng riêng của nước Về nguyên lý, tuyển nổi là quá trình ngược lại với quá trình lắng Quá trình tuyển nổi thường được tăng cường bằng cách thổi khí vào nước, các hạt lơ lửng sẽ lớn dần lên nhờ bám vào bọt khí

và nổi nhanh lên phía trên do tỷ trọng của bọt khí và cặn bám lên đó nhỏ hơn tỷ trọng của nước rất nhiều[6]

Trong quá trình xử lý nước thải, về nguyên tắc, tuyển nổi thường được sử dụng

để khử các chất lơ lửng và làm đặc bùn sinh học Ưu điểm cơ bản của phương pháp này so với phương pháp lắng là có thể khử được hoàn toàn các hạt nhỏ hoặc nhẹ, lắng chậm trong một thời gian ngắn Khi các hạt đã nổi lên bề mặt, chúng có thể được thu gom bằng bộ phận vớt bọt[6]

Các phương pháp tuyển nổi[6]

Phương pháp thổi khí vào nước: phương pháp này tạo ra một hỗn hợp khí nước

và chất rắn, người ta làm nổi một số chất nhất định như quặng than và làm trong một khối lượng nhất định trong xử lý nước thải Hạt khí thổi vào có kích thước khoảng 1mm

Phương pháp tuyển nổi bằng điện cực: phương pháp này dựa trên cơ sở sự điện

ly của nước tạo thành những dòng khí rất nhỏ Các điện cực sử dụng đặt ở dưới đáy của thiết bị tuyển nổi Phương pháp này có ưu điểm là khí sinh ra dưới đáy bình xuất hiện đồng đều và không cần cho vào gradient vận tốc

Phương pháp dùng chân không: dưới áp suất thường, nước bão hòa không khí, khi thiết bị tuyển nổi được chân không hóa cưỡng bức thì xuất hiện các dòng khí với đường kính nhỏ hơn 0,1 mm và kích thích quá trình tuyển nổi Nhược điểm của phương pháp này là lượng khí có thể tạo thành bọt rất nhỏ so với các phương pháp khác

Phương pháp giãn áp: phương pháp này sử dụng không khí áp lực 300 kPa đến

650 kPa thổi vào nước đến cân bằng bão hòa Nhờ sự giãn áp đột ngột của nước, các bọt khí với đường kính nhỏ hơn 0,2 mm xuất hiện

- Phương pháp toàn dòng: toàn bộ nước thô bão hòa khí cho vào được giãn áp Nhược điểm của phương pháp này là làm phá vỡ bông keo tụ

- Phương pháp một phần của dòng: một phần nước thô dược tăng áp bằng cách thổi khí vào và sau đó được giãn áp bằng cách trộn đều với một phần nước thô chưa bão hòa khí Phương pháp này hạn chế được sự phá vỡ bông keo tụ

so với phương pháp toàn dòng Tuy nhiên, phương pháp này không thích hợp

để tuyển nổi nước thô đã tạo bông

- Phương pháp hồi lưu: một phần nước trong tạo ra sau quá trình tuyển nổi sẽ được tăng áp bằng cách thổi khí vào và trộn với dòng nước thô Phương pháp này rất thông dụng do đơn giản và cho kết quả tốt

1.3.3 Phương pháp hấp phụ

a Khái niệm về phương pháp hấp phụ [21]

Phương pháp này được dùng để loại bỏ hết các chất bẩn hoà tan vào nước mà phương pháp xử lý sinh học và các phương pháp khác không loại bỏ được với hàm lượng rất nhỏ Thông thường đây là các hợp chất hoà tan có độc tính cao hoặc các chất có mùi vị và màu khó chịu

b Mục đích của phương pháp [21]

Loại bỏ: Các chất hòa tan trong nước mà phương pháp xử lý sinh học và các phương pháp không loại được

Hợp chất hòa tan có độc tính cao

Chất có mùi vị và màu khó chịu

Kim loại nặng, các chất hưu cơ, vô cơ độc hại

c Các chất hấp phụ [21]

Các chất hấp phụ thường dùng là: than hoạt tính, đất sét hoặc silicagel, keo nhôm, một số chất tổng hợp hoặc chất thải trong sản xuất như xỉ mạ sắt….Trong

số này, than hoạt tính được dùng phổ biến nhất Các chất hữu cơ kim loại nặng

và các chất màu dễ bị than hấp phụ Lượng chất hấp phụ này tuỳ thuộc vào khả năng hấp phụ của từng chất và hàm lượng chất bẩn trong nước thải Các chất hữu

cơ có thể bị hấp phụ: phenol, allcyllbenzen, sunfonicacid, thuốc nhuộm, các hợp chất thơm

d Cơ chế hoạt của phương pháp [21]

Chất lỏng được chuyển từ tháp nọ sang tháp kia nhờ bơm Để lấy nhiệt ra trên đường chất lỏng đi đối khí trên đường khí giữa các tháp người ta đặt các thiết bị làm nguội khi nối tiếp nhiều tháp hấp phụ thì trong mỗi tháp có thể thực hiện tuần hoàn chất lỏng

Trong mỗi tháp hấp phụ chất lỏng chuyển động theo chu trình kín Chất lỏng từ tháp ra đi vào bơm và lại được bơm về tháp ấy qua thiết bị làm nguội ra khỏi chu trình chất lỏng đi vào chu trình tưới tiếp theo, theo đường đi của chất lỏng

Từ tháp cuối theo chiều chuyển động của chất lỏng chất lỏng qua thiết bị trao đổi nhiệt rồi đi vào tháp nhả, ở đây khí hòa tan được tách khỏi chất hấp phụ Chất hấp phụ tái sinh từ tháp nhả đi vào thiết bị trao đổi nhiệt, ở đây nó cấp nhiệt cho dung dịch trước khi vào tháp nhả và tiếp tục qua thiết bị làm nguội, rồi vào tháp đầu tiên theo chiều chuyển động của chất lỏng

1.3.4 Phương pháp trao đổi ion

a Một số khái niệm về quá trình trao đổi ion [23]

Trao đổi ion là một quá trình trong đó các ion với các ion cùng điện tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau Các chất này gọi là các ionit chất trao đổi ion , chúng hoàn toàn không tan trong nước

Các chất có khả năng hút các ion dương từ dung dịch điện ly gọi là các cationit Những chất này mang tính axit Những chất có khả năng hút các ion âm gọi là anionit và chúng mang tính kiềm Nếu như các ion nào đó trao đổi cả cation và antion thì người ta gọi chúng là các ion lưỡng tính

b Các chất trao đổi ion [23]

Các chất trao đổi ion có thể là các chất vô cơ có nguồn gốc tự nhiên hay tổng hợp nhân tạo Nhóm các chất trao đổi ion vô cơ tự nhiên gồm có các zeolit, kim loại khoáng chất, đất sét, fenspat, chất mica khác nhau,

- Các chất chứa nhôm silicat loại : Na2O.Al2O3.nSiO2.mH2O

- Các chất florua apatit [Ca5(PO4)3]F và hydroxyt apatit [Ca5(PO4)3]OH

- Các chất có nguồn gốc từ các chất vô cơ tổng hợp gồm silicagen, permutit chất làm mềm nước ,…

- Các chất trao đổi ion hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên gồm axit humit của đất chất mùn và than đá, chúng mang tính axit yếu

- Các chất trao đổi ion hữu cơ tổng hợp là các nhựa có bề mặt riêng lớn, chúng

là những hợp chất cao phân tử Ví dụ, các chất trao đổi cation cacboxxylic :

R - COOH; cation phenolic : R - OH; cation photpho : R - PO3 – H

c Cơ sở quá trình trao đổi ion [23]

Cơ chế trao đổi ion có thể bao gồm những giai đoạn sau :

- Di chuyển ion A từ nhân của dòng chất lỏng tới bề mặt của lớp biên giới màng chất lỏng bao quanh hạt trao đổi ion

- Khuếch tán lớp ion qua lớp niêm giới

- Khuếch tán ion A bên trong hạt nhựa trao đổi tới các nhóm chức năng trao đổi ion

- Phản ứng hóa học trao đổi ion A và B

- Khuếch tán ion B qua bên trong hạt trao đổi ion tới biên giới phân pha

- Chuyển các ion B qua biên giới phân pha ở bề mặt trong của màng chất lỏng

- Khuếch tán các ion B qua màng

- Khuếch tán các ion b vào nhân dòng chất lỏng

1.3.5 Phương pháp keo tụ tạo ông

a Khái niệm

Keo tụ là hiện tượng các hạt lơ lửng kết dính lại với nhau thành tập hợp lớn hơn

hay bị lắng xuống dưới tác dụng của trọng lực Khi hai hạt keo tiến lại gần nhau,

có hai lực đối lập nhau đồng thời xuất hiện: lực hút phân tử và lực đẩy tĩnh điện Lực hút phân tử tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa hai hạt keo Lực đẩy tĩnh điện chỉ xuất hiện ở khoảng cách gần khi lớp khuếch tán của các hạt keo bắt đầu phủ lên nhau, phụ thuộc vào khoảng cách giữa hai hạt keo, hiệu thế φo và điện thế ξ của hệ Hiệu số giữa năng lượng đẩy và năng lượng hút được gọi là thế năng tương tác của hệ Ngoài ra, trong chuyển động Brown, các hạt keo mang năng lượng xác định và va chạm vào nhau ứng với một xác suất nào đó Như vậy, muốn hiện tượng keo tụ xảy ra phải làm giảm thế năng tương tác của hệ và tăng xác suất va chạm hiệu quả của các hạt keo[6]

Trong nguồn nước, một phần các hạt thường tồn tại ở dạng các hạt keo mịn phân tán, kích thước các hạt thường dao động từ 0,1 – 10 micromet Các hạt này không nổi cũng không lắng, và do đó tương đối khó tách loại Vì kích thước hạt nhỏ, tỷ

số diện tích bề mặt và thể tích của chúng rất lớn nên hiện tượng hóa học bề mặt trở nên rất quan trọng Theo nguyên tắc, các hạt nhỏ trong nước có khuynh hướng keo tụ do lực hút Vander Waals giữa các hạt Lực này có thể dẫn đến sự kết dính giữa các hạt ngay khi khoảng cách giữa chúng đủ nhỏ nhờ va chạm Sự

va chạm xảy ra nhờ chuyển động Brown và do tác động của sự xáo trộn Tuy nhiên trong trường hợp phân tán cao, các hạt duy trì trạng thái phân tán nhờ lực đẩy tĩnh điện vì bề mặt các hạt mang tích điện, có thể là điện tích âm hoặc điện tích dương nhờ sự hấp thụ có chọn lọc các ion trong dung dịch hoặc sự ion hóa các nhóm hoạt hóa Trạng thái lơ lửng của các hạt keo được bền hóa nhờ lực đẩy tĩnh điện Do đó, để phá tính bền của hạt keo cần trung hòa điện tích bề mặt của chúng, quá trình này được gọi là quá trình keo tụ Các hạt keo đã bị trung hòa điện tích có thể liên kết với các hạt keo khác tạo thành bông cặn có kích thước

lớn hơn, nặng hơn và lắng xuống, quá trình này được gọi là quá trình tạo bông

Ngô Xuân Trường et al 2008 cho rằng keo tụ - kết bông là một trong những

hình thức xử lý nước thải làm các chất lơ lửng và các chất keo kết tủa lại thành những hạt cặn có kích thước lớn hơn hoặc kết thành những bông cặn và có thể loại ra khỏi nước bằng cách để lắng hoặc lọc chậm Nhờ keo tụ nước trở nên trong hơn và các vi trùng gây bệnh bám vào các hạt sẽ bị khử đi

Jarvis 2005 trích dẫn từ Cornwell và Bishop 1983 , Gregory et al (1997) cho

rằng đông tụ là quá trình làm thay đổi tính chất của các hạt keo về phương diện hóa học, qua đó giúp chúng có thể tiến đến gần nhau hơn và tạo thành các hạt keo có kích thước lớn hơn

Trong khi đó, keo tụ được định nghĩa là quá trình liên kết các hạt lơ lửng có kích thước nhỏ thành những hạt có kích thước lớn hơn Thông thường keo tụ là giai đoạn tiếp theo của quá trình đông tụ nhằm liên kết các hạt keo đã bị phá vỡ trạng thái ổn định để tạo thành các bông cặn có kích thước và khối lượng phân tử lớn hơn từ đó có thể tự lắng được nhờ trọng lực[12]

b Cơ chế quá trình keo tụ tạo bông [6]

Trần Văn Nhân và Ngô Thị Nga 2002 cơ chế của quá trình keo tụ có thể giải thích bằng mô hình hai lớp theo Hình 7 Những hạt rắn lơ lửng mang điện tích

âm trong dung dịch sẽ hút lấy các ion trái dấu Một số các ion trái dấu bị hút chặt vào hạt rắn đến mức chúng chuyển động cùng hạt rắn, do đó chúng tạo thành một mặt trượt Xung quanh các ion trái dấu bên trong này là lớp ion bên ngoài mà hầu hết là các ion trái dấu, nhưng chúng bị hút bám vào một cách lỏng lẻo và có thể

dễ dàng bị trượt ra Khi các hạt rắn mang điện tích âm chuyển động qua chất lỏng thì điện tích âm đó bị giảm bởi các ion mang điện tích dương ở lớp bên trong Hiệu số điện năng giữa các lớp cố định và lớp chuyển động gọi là thế zeta ξ hay thế điện động Khác với thế nhiệt động E là hiệu số điện thế giữa bề mặt hạt và chất lỏng Thế zeta phụ thuộc vào E và chiều dày hai lớp, giá trị của nó sẽ xác định lực tĩnh điện đẩy của các hạt là lực cản trở lực dính kết giữa các hạt rắn với nhau

Hình 7 Điện tích trên hạt lơ lửng khi giải thích bằng lý thuyết hai lớp

(Nguồn: Trần Văn Nhân và Ngô Thị Nga, 2002)

Hình 8 Thêm các ion trái dấu hóa trị 3 để giảm điện tích thực trên các hạt rắn

(Nguồn: Trần Văn Nhân và Ngô Thị Nga, 2002)

Nếu như điện tích âm thực là điện tích đẩy và thêm vào đó tất cả các hạt còn có lực hút tĩnh điện - lực Van der Waal - do cấu trúc phân tử của các hạt, tổng hai điện tích này là điện tích đẩy thực hay một hàng rào năng lượng cản trở các hạt rắn liên kết lại với nhau Như vậy mục tiêu của keo tụ là làm giảm thế zeta tức làm giảm chiều cao hàng rào năng lượng này tới mức tới hạn sao cho các hạt rắn không đẩy lẫn nhau bằng cách cho vào thêm các ion có điện tích dương Như vậy trong đông tụ diễn ra quá trình phá vỡ ổn định trạng thái keo của các hạt nhờ trung hòa điện tích Hiệu quả của đông tụ phụ thuộc vào hóa trị của ion, chất

Lớp ion trái dấu bên ngoài

Hạt mang điện tích âm

Lớp ion trái dấu bên

trong

Mặt trượt

đông tụ mang điện tích trái dấu với điện tích của hạt Hóa trị của ion càng lớn thì hiệu quả đông tụ càng cao

Nguyễn Thị Thu Thủy (2006) và Davis (2010) cho rằng quá trình đông tụ - keo

tụ diễn ra theo các cơ chế sau:

- Cơ chế nén lớp điện tích kép: hai phần tử keo có điện tích bề mặt giống nhau khi lại gần chúng sẽ đẩy nhau do lực đẩy tĩnh điện Việc bổ sung các muối kim loại có khả năng thủy phân sẽ tạo ra các ion trái dấu, các ion này sẽ làm tăng mật độ điện tích trong lớp điện tích kép, gây giảm thế điện động zêta và làm giảm lực tĩnh điện Mặt khác, giữa các phần tử tồn tại một lực hút tĩnh điện, khi mật độ các ion trái dấu trong dung dich tăng lên đến một mức độ nào đó thì lực hút Van der Walls sẽ thắng lực đẩy tĩnh điện, các hạt keo sẽ xích lại gần nhau hơn, kết dính và tạo thành bông keo tụ Trong quá trình nén lớp điện tích kép, lực ion và điện tích của các ion trái dấu giữ vai trò quan trọng

- Cơ chế hấp phụ và trung hòa điện tích: các hạt keo hấp phụ lên bề mặt các ion dương trái dấu làm thay đổi điện tích bề mặt tạo nên sự trung hòa điện tích, phá vỡ trạng thái bền vững của hệ keo Các hạt keo hấp phụ ion trái dấu lên

bề mặt song song với cơ chế nén lớp điện tích kép nhưng cơ chế hấp phụ mạnh hơn

- Cơ chế hấp phụ bắc cầu: khi sử dụng các hợp chất cao phân tử (polymer), nhờ cấu trúc mạch dài, các đoạn phân tử polymer hấp phụ lên bề mặt các hạt keo, tạo ra cầu nối các hạt keo lại với nhau, hình thành bông keo tụ có kích thước lớn làm tăng tốc độ lắng của các hạt keo (Hình 9)

Hình 9 Hình thành bông cặn theo cơ chế hấp phụ bắc cầu bởi các polymer

(Nguồn: Lê Hoàng Việt, 2003)