Xử lý môi trường Chương 2. Xử lý nước

• SS = Suspended Solid• Bài tập thực nghiệm- thực tế: – Tìm hiểu một cơ sở xử lý nước/khí thải/rác thải – Các nội dung: • Mục đích xử lý • Công nghệ xử lý • Các thông số chất lượng đầu

Xử lý môi trường

Environmental Treatment

Dr Nguyen Hoa Du Faculty of Chemistry, Vinh University

Chương 2 Xử lý nước

Chương 2 Xử lý môi trường nước

Các thông số đặc trưng chất lượng nước

• Đọc và viết báo cáo về phương pháp xác

định các thông số nêu trên Nộp bài sau 3 tuần học.

• SS = Suspended Solid

• Bài tập thực nghiệm- thực tế:

– Tìm hiểu một cơ sở xử lý nước/khí thải/rác thải

– Các nội dung:

• Mục đích xử lý

• Công nghệ xử lý

• Các thông số chất lượng đầu vào/ ra

• Biện pháp kiểm soát chất lượng xử lý

Chất lượng nước – Phương pháp

lấy mẫu

• TCVN 5995-1995

• Ô nhiễm nước là sự thay đổi bất lợi môi

trường nước hoàn toàn hay đại bộ phận

do các hoạt động khác nhau của con

người gây ra

Khả năng tự làm sạch của vực nước

• Hiện tượng tự làm sạch: sự suy giảm nồng độ chất ô nhiễm nhờ chuyển hoá xảy ra khi vực nước tiếp nhận chất ô nhiễm.

Khái niệm xử lý nước

• Là quá trình tác động của con người để nước giảm thiểu mức ô nhiễm và đạt

được yêu cầu chất lượng nhất định.

Nước thô

Nước sinh hoạt QCVN02:2009/BYT

Xử lý nước cấp

Nước thải

Nước dùng được cho các mục đích khác QCVN24:2009/BTNMT

Xử lý nước thải

• Xử lý ổn định nước.

• Xử lý các chất hữu cơ: phương pháp vi sinh,

phương pháp hoá học và hoá lý.

• Khử trùng

• Xử lý bùn cặn

• Trao đổi khí là cân bằng dị

thể  tăng P hoặc tăng S

DO bão hoà trong nước theo T 0 và độ mặn

Thiết bị trao đổi khí đơn giản

Khí thải

Khí sạch Nước thô

Tấm chắn lượn sóng Tấm đục lỗ

Tháp có tấm chắn lượn sóng

Đĩa đục lỗ có lớp sỏi

L ớp đ ĩa

Thiết bị thu khí

1-Miệng phun thu hẹp; 2 - ngăn trộn; 3-Ngăn mở

rộng; 4-cửa thu khí Chiều dài ngăn trộn bằng 6-8

lần chiều rộng, khe hút khí bằng 0,7-0,9 đường

kính miệng phun.

1

4

3 2

150

100

ống hút lọc khí

Ejector thu khí

Hãy giải thích nguyên lý hoạt động của ejector thu khí ?

Khả năng xử lý của trao đổi khí

• Tách loại các khí ô nhiễm: H 2 S, NH 3 , CO 2 , các chất hữu cơ bay hơi…

• Giảm thiểu mùi vị.

oxy hoá của nước.

• Ảnh hưởng tới các cân bằng khác liên

quan đến CO 2

• Phân tích từng khả năng xử lý ở trên?

• Tác động như thế nào để làm tăng

độ tan của chất khí vào nước?

• Áp dụng xem xét giải pháp của

các thiết bị trao đổi khí ?

2.2.2 Làm trong nước

• Keo tụ

• Lắng

• Lọc

– Chất keo tụ vô cơ: muối nhôm, sắt

– Al 2 (SO 4 ) 3 14H 2 O, AlCl 3 6H 2 O, AlFe(SO 4 ) 3 nH 2 O,

NaAlO 2 , Fe 2 (SO 4 ) 3 8H 2 O, FeSO 4 7H 2 O, FeCl 3 ,

FeClSO 4 , PAC

– Chất keo tụ/trợ keo tụ hữu cơ: polimer tổng hợp

Hãy viết đầy đủ các phản ứng thuỷ phân xảy ra khi

sử dụng các chất keo tụ sau đây:

Keo tụ …

• Khả năng xử lý

– Độ đục, SS, màu, COD, BOD, TOC, một số ion

• Keo tụ bằng muối nhôm, sắt

• Al 3+ thuỷ phân tạo thành keo Al(OH) 3

Al 3+ + 3HCO 3  = Al(OH) 3 ↓+ 3CO 2 ↑

Al 3+ + 3H 2 O + 3CO 3 2 = Al(OH) 3 ↓ + 3HCO 3 

• pH opt trong khoảng 5,8 – 8 (dạng Al(OH) 3 )

• Hạt keo tích điện dương

• 3 loại bông cặn: cặn từ hạt keo tự nhiên, cặn từ các hạt keo ngược dấu trung hoà điện tích và cặn từ keo tạo

thành do chất keo tụ, có khả năng hấp phụ cao Loại thứ

3 quan trọng trong thực tế.

Polimer hình thành bông cặn

Cách tiến hành keo tụ

•Các giai đoạn:

– Định lượng và đưa chất keo tụ vào nước: khuấy trộn mạnh để phân tán nhanh, xảy ra phản ứng thuỷ phân – Phá vỡ trạng thái ổn định của hệ keo và huyền phù – Tạo bông keo kích thước nhỏ nhờ gradien vận tốc

lớn

– Tạo bông keo lớn dễ lắng nhờ vận tốc nhỏ.

• Thí nghiệm Jar test: x ác định các điều kiện keo tụ: liều lượng, chế độ khuấy, pH, …

Thiết bị Jartest

6 bình thí nghiệm (vật liệu trong suốt) có lắp các máy khuấy có thể điều chỉnh tốc độ khuấy.

C1 C2 C3 C4 C5 C6

Thiết bị trộn hoá chất

Nước Chất keo tụ

Trộn chất keo tụ trong ống dẫn

Trộn chất keo tụ trong bể vách ngăn

Thiết bị trộn hoá chất

Chất

keo tụ

Chất keo tụ

Bùn

Thiết bị trộn cơ khí

Thiết bị trộn thuỷ lực kiểu đứng

Thiết bị trộn hóa chất

Hiện tượng tái ổn định hệ keo

theo keo tụ các hạt huyền phù

Lắng vùng: khi nồng độ huyền phù cao, tạo ra

tương tác giữa các hạt huyền phù, giữ chúng ổn định với nhau

Lắng nén: ở nồng độ

hạt rất cao (bùn), xảy

ra chậm

Thiết bị sa lắng

Nạp Lắng Tháo

Thiết bị sa lắng

Thiết bị lắng khay

Thiết bị lắng có tấm chắn nghiêng

Thiết bị sa lắng

Thiết bị sa lắng

Lọc

Phân loại các quá trình lọc

= tách các cấu tử không tan ra khỏi nước

thông qua lớp vật liệu lọc.

3 Tách cặn: dòng chảy tăng

tốc độ  tách cặn ở lớp trước chuyển đến lớp sau.

Sơ đồ cấu tạo một bể lọc thường

Khả năng xử lý của bể lọc

• Phụ thuộc nhiều vào vật liệu lọc

• Giảm mạnh: SS, độ đục, COD, BOD, vi

khuẩn, …

• Dùng than hoạt tính: hấp phụ các hợp chất hữu cơ.

• Dùng bột đá vôi: khử được axit.

Vật liệu lọc

• Vật liệu lọc thông dụng: cát tự nhiên, cát thạch anh, điatomit, đá hoa nghiền, bột sứ nghiền hoặc sứ xốp,

• Than antraxit, than hoạt tính,…

• Sợi xenlulo, màng lọc, vải lọc, nhựa trao đổi ion, một số khoáng chất biến tính.

nước và khí đủ mạnh, thể tích môi trường lọc tăng đến 30%.

Rửa bể lọc

Vận tốc rửa lớn, giãn nở vật liệu lọc

Vận tốc rửa nhỏ, không

giãn nở vật liệu lọc

Nước rửa vào

Nước rửa vào

Vật liệu lọc nở ra

Bể lọc thường

… và bể lọc áp lực Nước thô vào

Nước lọc ra

Nước rửa ra

Nước rửa vào Vật liệu lọc

• Hiệu suất hoạt động một bể lọc phụ thuộc

những yếu tố nào?

(15 phút)

• Further reading: Principles, separation

mechanism, water treatment abilities and

applications of microfiltration, ultrafiltration,

nanofiltration and reverse osmosis.

Students should edit an article or presentation about one of above techniques

2.2.3 Xử lý độ cứng

• Xử lý bằng hoá học : kết tủa Ca 2+ , Mg 2+

bằng hoá chất rồi lọc tách.

• Xử lý bằng hoá lý : tách Ca 2+ , Mg 2+ bằng cân bằng ion.

• Xử lý vật lý : kết tủa bằng nhiệt.

89mg/l.

Quan hệ giữa các ion khác nhau có trong

nước và các khái niệm

acb ona

t kiềm

Mu ối trung tính

Độ cứng cacbonat

Biểu thức tính nồng độ tương đương CaCO 3 và độ cứng

• C (CaCO3) = C.50/M E

C: nồng độ của ion (mg/l)

M E đương lượng gam của ion

C CaCO 3 nồng độ ion tính ra mg/l CaCO 3

• VD: Một mẫu nước sau khi phân tích có các số liệu:

Độ cứng cacbonat

Biểu đồ gạch ngang:

0

219 199

Độ cứng - độ kiềm

• Độ cứng tổng - Độ kiềm = Độ cứng phi cacbonat

 Độ kiềm = Độ cứng cacbonat

• Với Độ kiềm = [HCO 3- ] + 2[CO 32- ] + [OH - ] - [H + ]

là đại lượng biểu thị khả năng tiếp nhận proton của nước

 Độ kiềm chủ yếu do [HCO 3- ], vì OH - chỉ đáng

kể ở pH >10, [CO 32- ] ở pH> 8,3

Dùng vôi Ca(OH) 2

2 CO 2 + Ca(OH) 2 = Ca(HCO 3 ) 2 (1)

Ca(HCO 3 ) 2 + Ca(OH) 2 = 2CaCO 3 + 2H 2 O (2) Mg(HCO 3 ) 2 + 2Ca(OH) 2 = Mg(OH) 2 + 2CaCO 3 + 2H 2 O (3)

2 NaHCO 3 + Ca(OH) 2 = CaCO 3 + Na 2 CO 3

+ H 2 O (4)

 giảm độ kiềm và độ cứng

Tớnh lượng vụi bằng cụng thức kinh nghiệm

trong đó: m vôi  l ợng vôi sử dụng, mg/l; [CO 2 ]  hàm l ợng CO 2 tự

do, mg/l;

[HCO 3  ]  hàm l ợng HCO 3  , mg/l; m ph  l ợng phèn, mg/l; e  đ ơng l ợng của phèn; 0,5 là l ợng d dự phòng để đảm bảo sự lắng cặn đ ợc tốt ở pH khoảng 9,5.

c vôi  hàm l ợng phần trăm của CaO tinh khiết trong vôi th ơng phẩm Đại l ợng m ph /e lấy dấu d ơng nếu phèn đ ợc cho vào tr ớc vôi, dấu âm nếu cho vào sau vôi vỡ nó làm giảm độ kiềm tự nhiên của n ớc

22

[HCO 3 - ] 61

• + NÕu hµm l îng Ca 2+ nhá h¬n HCO 3  thì cÇn tÝnh l îng v«i sống cÇn thiÕt theo c«ng thøc thùc nghiÖm:

L îng d dù phßng lÊy b»ng 1 (mg/l) nh»m ®ảm bảo chuyÓn

Tính lượng vôi bằng công thức kinh nghiệm

Dùng vôi + sođa (khi có độ cứng phi cacbonat)

• Trước hết:

HCO 3- + OH - = CO 32- + H 2 O

 Khử độ cứng tạm thời (cacbonat)

• Sau đó :

MgSO 4 + Ca(OH) 2 = Mg(OH) 2 ↓ + CaSO 4

MgCl 2 + Ca(OH) 2 = Mg(OH) 2 ↓ + CaCl 2

 chưa làm giảm độ cứng vĩnh cửu

CaSO 4 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ↓ + Na 2 SO 4

CaCl 2 + Na 2 CO 3 = CaCO 3 ↓ + 2NaCl

 Làm giảm độ cứng vĩnh cửu (phi cacbonat)

Các công thức kinh nghiệm

Dùng biểu đồ gạch ngang để tính

Chỉ bổ sung vôi : giảm độ cứng cacbonat của

canxi, không giảm độ cứng phi cacbonat và độ cứng của magie.

Phương trình phản ứng:

Ca(HCO 3 ) 2 + Ca(OH) 2  CaCO 3 ↓ + 2H 2 O

3 dư ?

b/ Còn lại 40mg/l CaCO 3 (CaCO 3 hoà tan dư)

c/ Sau kết tủa có bao nhiêu CO 3 2- thì thêm bấy nhiêu

CO 2 để giữ ổn định nước.

b) Xây dựng các biểu đồ gạch ngang:

Ví dụ tính toán…

0

200 150

200 150

-Bicacbonat chuyển thành cacbonat: HCO 3 - + OH - = CO 3 2- + H 2 O

Kết tủa: lượng CaCO 3 dư là 40mg/l

0

200 150

0

115 65

Nước đã xử lý

Ví dụ tính toán…

Bài tập vận dụng

Dùng biểu đồ gạch ngang để tính toán xử lý

độ cứng của mẫu nước có các tham số:

[Ca 2+ ] = 0,002M; [HCO 3- ] = 0,0038M

[Na + ] = 0,003M ; [SO 42- ] = 0,001M; [Cl - ]=0,0012M

Dùng vôi + soda

• Các phương trình phản ứng

Ca(HCO 3 ) 2 + Ca(OH) 2  2CaCO 3 ↓+ 2H 2 O

Na 2 CO 3 + CaSO 4  CaCO 3 ↓ + Na 2 SO 4

Na 2 CO 3 + Ca(OH) 2  CaCO 3 ↓ + 2NaOH

2NaOH + Ca(HCO 3 ) 2  CaCO 3 ↓ +Na 2 CO 3 +2H 2 O

Sơ đồ trình tự dùng vôi - soda

Ca CO

3 dư ?

HCO - 3 ?

Độ cứng p hi cacbonat c ủa canxi?

Ví dụ tính toán

• Tính lượng vôi, soda và CO 2 cần để xử lý

độ cứng canxi của nước, lượng bùn tạo ra cho mẫu nước có thành phần như giản đồ sau

0

0

250 200

230

Cl

-Bổ sung vôi:

0

0

250 200

-Nước trung gian:

Thêm soda:

Ví dụ tính toán

190 140

190 140

100

100 100

100 100

Fe(OH) 3 (r)

Fe 2+

Fe3+

Nước bị oxy hoá

Cơ sở tớnh toỏn

Fe 2+ + 0,25O 2 + 2OH – + 0,5H 2 O = Fe(OH) 3 (r)

• Phương trỡnh tốc độ phản ứng oxy hoỏ sắt:

• -d[Fe 2+ ]/dt = k.[ OH – ] 2 P O 2 [Fe 2+ ]

• với k: hằng số tốc độ (M  2 atm  1 min  1 )

• Cu 2+ , Mn 2+ , H 2 PO 4  và MnO 2 cú tớnh xỳc tỏc

• ? Cỏc yếu tố ảnh hưởng đến tốc độ oxy hoỏ

Fe(II)?

Thế để oxy hoá sắt (II):

Fe(OH) 3 (r ) + 3H + + e  = Fe 2+ + 3H 2 O E 0 =1,03V

• Theo TCVN: [Fe] = 0,3mg/l

 E kh = E 0 + 0,059lg[H + ] 3 /[Fe 2+ ] = 1,34  0,177.pH

1 Tính thế của cặp Fe(OH) 3 /Fe(II):

 cần tính pH sau khi tách sắt  phải tính CO 2 , độ kiềm Alk.

2 Tính thế của cặp oxy hoá: O 2 /2H 2 O

 tính [O 2 ]

3 Lựa chọn phương pháp trao đổi khí để

đạt thế cần thiết sao cho : E ox  3.E kh

Cơ sở tính toán

Tính toán khả năng khử sắt

• Làm thoáng bằng giàn mưa đơn giản trên

bể lọc: CO 2 tự do không giảm; O 2 bão hoà 40%.

giảm 50%.

• Ví dụ:

Chọn quy trình khử sắt cho nguồn nước có thành phần:

C Fe2+ = 15mg/l; độ kiềm 2mđlg/l; C 0 CO 2 = 30mg/l Biết làm thoáng bằng giàn mưa bão hoà 40% lượng oxy, độ tan O 2 8,1mg/l (25 0 C).

+ Tính pH từ CO 2 và Alk coi là HCO 3- :

pH = pK 1 - lg[CO 2 ] + lg[HCO 3- ] =

= 6,3 –lg(1,23.10 -3 M) + lg(1,46.10 -3 M) = 6,38

 pH ~ 6,4

Vậy E kh = 1,34 – 0,177pH = 0,21V

+ Lượng oxy còn lại sau oxy hoá sắt:

– Nếu làm thoáng bằng giàn mưa: bão hoà 40% lượng oxy  lượng oxy hoà tan là 0,4.8,1 = 3,24mg/l

– Sau khi oxy hoá còn lại:

3,24 – 0,143.15 = 1,095mg/l = 3,4.10 -5 mol/l

+ Thế oxy hoá khử của cặp oxy sau khi oxy hoá sắt:

 E oxh = 1,23 – 0,059pH + 0,0145lg[O 2 ] = 0,764V >3.0,21

 Có thể dùng phương pháp khử sắt bằng làm thoáng dùng giàn mưa trên bể lọc.

Tính toán khả năng khử sắt

2.2.5 Tách mangan

• MnO 2(r) + 4H + + 2e – = Mn 2+ + 2H 2 O E 0 = 1,23V

E = E 0 + 0,059.lg[H + ] 4 /2.[Mn 2+ ] =  1,23  0,12pH  0,03.lg[Mn 2+ ]

Sơ đồ công nghệ tách loại sắt và

mangan

Ejector thu

khí

Lọc áp lực

Thùng sục khí

Bơm ly tâm

Lọc áp lực

Tách sắt bằng công nghệ đơn giản 2 giai đoạn

Phun mưa

bể lọc nhanh

Tách sắt bằng công nghệ đơn giản 2 giai đoạn

Sơ đồ công nghệ tách loại sắt và

mangan

Tách sắt bằng công nghệ 3 giai đoạn

Sơ đồ công nghệ tách loại sắt và mangan

3 Bể

lắng tiếp xúc

1 Quạt

cấp khí

2 Làm

thoáng cưỡng bức

3 Bể lọc

nhanh

2.2.6 Tách ion kim loại nặng

• Trao đổi ion (xem phần sau)

• Kết tủa hoá học: dùng tác nhân hoá học

– Dạng cacbonat: dùng Na 2 CO 3

– Dạng hyđroxit: dùng xut, vôi tôi

– Dạng photphat: dùng photphat tan

– Dạng sunfua: dùng muối sunfua tan

– …

– Kết tủa dễ tách/ dễ thu hồi kim loại;

• Các điều kiện kết tủa:

– Nồng độ M n+

– CT: tổng nồng độ tác nhân kết tủa.

– pH.

– Nhiệt độ

CrPO 4 FeS ZnS SnS

Sb 2 S 3 NiS CdS PbS

As 2 S 3 CuS

Ag 2 S HgS

25,6 21,2 24,7 25,9 26,0 26,6 27,0 27,5 28,4 36,1 50,1 53,3

… Phương pháp cacbonat

• Dùng tác nhân Na 2 CO 3 : rẻ tiền, an toàn,

dễ thu hồi kim loại vì:

• MCO 3 + 2HCl = MCl 2 + H 2 O + CO 2

• Dùng cách thêm cát mịn tránh quá bão hoà MCO 3 , dễ lắng lọc

• Sử dụng trong xử lý nước thải công

nghiệp chứa kim loại.

… Phương pháp hyđroxit

• Dùng tác nhân kiềm: vôi tôi (rẻ), xút.

• pH: tuỳ kim loại Chú ý các hyđroxit lưỡng tính tan được khi kiềm dư.

• Khó tách lọc vì kết tủa keo.

• Có thể tách được các vi lượng nhờ cộng kết, hấp phụ: As, Se, …

2.2.7 Xử lý flo

• Nồng độ quá thấp hay quá cao đều có hại

• Nồng độ cần thiết: trong khoảng

0,5-1,5mg/l Nồng độ tối ưu: 1,2mg/l.

 Thiếu: bổ sung (Na 2 SiF 6 ], NaF.

 Thừa: pha loãng bằng nước nghèo flo; tách bằng hấp phụ/trao đổi ion: dùng Al 2 O 3 hoạt động, hyđroxit magie, canxi photphat hoạt động Ca 3 (PO 4 ) 2 Ca(OH) 2 ;

Ca 3 (PO 4 ) 2 CaCO 3 ; phèn.

Tính lượng hoá chất flo hoá

• Tính lượng chất hoá học cần thiết để flo hoá nước cấp thành phố cho mỗi ngày khi biết: lưu lượng trung bình 640m 3 /h; nồng

độ F - trong nước thô: 0,1mg/l.

• Hoá chất ban đầu:

– Na 2 SiF 6 98%;

– NaF: 97%

Tính lượng nước cần thiết để pha loãng

• Một nguồn nước giếng khoan có [F]=4,0mg/l Nước hồ gần đó có [F]= 0,2mg/l Hãy tính lưu lượng nước pha loãng cần thiết cho một ngày tiêu thụ trung bình trong một thị trấn 5000 dân, mỗi người tiêu thụ 400lit/ngày.

2.2.8 Phương pháp trung hoà

• Trung hoà bằng cách trộn: trộn dòng thải axit và dòng thải kiềm của một nhà máy hay của các nhà máy lân cận.

• Trung hoà bằng cách thêm tác chất:

kiềm như xỉ luyện kim.

– Chọn tác chất: phụ thuộc thành phần và nồng

độ chất thải axit.

• Trung hoà axit bằng cách lọc qua vật liệu kiềm: magiezit MgCO 3 , đôlômit, đá vôi, xỉ, tro Dùng thiết bị lọc đứng.

2.2.8 Phương pháp trung hoà

• Trung hoà nước thải kiềm bằng khí axit: tận dụng khí thải chứa lượng lớn CO 2 và các khí axit khác  nhiều ưu điểm.

2.2.8 Phương pháp trung hoà

Khí thải axit

CO 2 , SO 2 ,

NO x

2.2.9 Oxy hoá - khử

• Các tác chất oxy hoá: Cl 2 , ClO 2 , Ca(OCl) 2 ,

CaOCl 2 , NaOCl, NaClO 3 , KMnO 4 , K 2 Cr 2 O 7 ,

H 2 O 2 , O 2 , O 3 , MnO 2 , Fenton…

• Khả năng xử lý: xử lý CN - , Fe 2+ , NH 3 ,

sunfua, sunfit, chất hữu cơ

Oxy hoá xianua bằng clo

• M ôi trường kiềm pH 9 – 11

• Các phản ứng:

CN - + 2OH - + Cl 2  CNO - + 2Cl - + H 2 O

2CNO - + 4OH - + 3Cl 2  2CO 2 + 6Cl - + N 2 + 2H 2 O

Tác nhân Fenton

thường từ 3 – 5, không quá cao.

hợp.

• H 2 O 2 + Fe 2+  Fe 3+ + OH - + HO *

• H 2 O 2 + Fe 3+  Fe 2+ + H + + * OOH

• RHX + H 2 O 2  H 2 O + CO 2 + H + + X

-• Dùng oxy hoá các chất hữu cơ bền, chất

màu trong xử lý nước thải công nghiệp.

2.2.10 Một số kỹ thuật tiên tiến

xử lý nước

• Trao đổi ion

• Thẩm thấu ngược

• Điện thẩm tích

Trao đổi ion

• = Sự thay thế một ion từ dung dịch bởi một ion cùng dấu được cố định bằng lực tĩnh điện trên chất rắn không tan.

Quá trình trao đổi ion

1.Khu ếch tán A từ lỏng đến biên;

2 Kh.tán A qua biên; 3 Vận

chuyển A qua bề mặt pha vào

nhựa; 4 Kh.tán A vào trong

hạt nhựa đến nhóm trao đổi

ion; 5 Trao đổi ion với B;

B B B A

6 Kh.tán B từ trong hạt nhựa ra

bề mặt phân chia; 7 Chuyển

B qua bề mặt phân chia pha

đến màng; 8 Kh.tán B qua màng; 9 Kh.tán B vào trong

lòng chất lỏng

9 gian đoạn của quá trình trao đổi ion giữa A và B trong nhựa: