Đề tài Thiết kế hệ thống xử lý nước thải phân xưởng mạ điện công suất 200 m3/ngày

MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦU Môi trường sống – cái nôi của nhân loại đang ngày càng ô nhiễm trầm trọng cùng với sự phát triển của xã hội. Bảo vệ môi trường là mối quan tâm không chỉ của một quốc gia nào, là nghĩa vụ của toàn cầu và của Việt Nam nói riêng. Quá trình công nghiệp hoá - hiện đại hoá đất nước làm cho môi trường tại các khu công nghiệp và đô thị lớn bị suy giảm nghiêm trọng, là mối lo ngại cho các cơ quan quản lý nhà nước cũng như toàn thể dân cư trong khu vực. Ô nhiễm môi trường nói chung và tình trạng môi trường do nước thải công nghiệp nói riêng là một trong những vấn đề quan trọng đặt ra cho nhiều quốc gia. Cùng với sự phát triển của công nghiệp, môi trường ngày càng phải tiếp nhận nhiều các yếu tố độc hại. Riêng nguồn nước thải công nghiệp mạ đã có thành phần gây ô nhiễm trầm trọng như: crom, niken, đồng, kẽm, xianua, ... là một trong những vấn đề đang được quan tâm của xã hội. Hiện nay, tại nhiều cơ sở mạ, vấn đề môi trường không được quan tâm đúng mức, chất thải sinh ra từ các quá trình sản xuất và sinh hoạt không được xử lý trước khi thải ra môi trường nên gây ô nhiễm môi trường trầm trọng. Kết quả phân tích chất lượng nước thải của các cơ sở mạ điện điển hình cho thấy: hầu hết các cơ sở đều không đạt tiêu chuẩn nước thải cho phép, chỉ tiêu kim loại nặng vượt nhiều lần cho phép, thành phần của nước thải có chứa cặn, sơn, dầu nhớt, ... Vì vậy, đầu tư vào công tác bảo vệ môi trường là vấn đề cấp bách của doanh nghiệp để có thể đảm bảo sự phát triển bền vững trong tương lai của chính doanh nghiệp. Đến nay trên thế giới đã có nhiều phương pháp xử lý nước thải mạ điện được đưa ra như: phương pháp trao đổi ion, phương pháp điện hoá, phương pháp hoá học, phương pháp hấp phụ, phương pháp vi sinh,…Tuy nhiên khả năng áp dụng vào thực tế của các phương pháp này phụ thuộc vào nhiều yếu tố: hiệu quả xử lý của từng phương pháp, ưu nhược điểm, và kinh phí đầu tư,... Do đó, việc lựa chọn phương pháp xử lý và thiết kế hệ thống xử lý chất thải thích hợp cho cơ sở mạ điện là nhiệm vụ của một kỹ sư môi trường, đáp ứng yêu cầu của các doanh nghiệp về hệ thống xử lý với giá thành có thể chấp nhận được. Để giúp các doanh nghiệp lựa chọn hệ thống xử lý nước thải cho cơ sở mạ điện, đồ án “Thiết kế hệ thống xử lý nước thải phân xưởng mạ điện công xuất 200 m3/ngày” đã được thực hiện với mục đích thiết kế hệ thống xử lý với hiệu quả cao và chi phí hợp lý. Tuy nhiên việc lựa chọn phương án thích hợp và khả thi đối với nhà máy cụ thể còn tuỳ thuộc vào tính chất của dòng thải, mặt bằng xây dựng, điều kiện khí tượng thuỷ văn nguồn nước, tiêu chuẩn nước thải cho phép tại địa phương và điều kiện kinh tế kỹ thuật của cở sở sản xuất. Nội dung đề tài gồm những phần chính sau: Chương I: Tổng quan về công nghiệp mạ và các vấn đề về môi trường. Chương II: Các biện pháp giảm thiểu và xử lý nước thải ngành mạ. Chương III: Lựa chọn công nghệ xử lý nước thải ngành mạ điện và cơ sở lý thuyết của phương pháp. Chương IV: Tính toán thiết kế hệ thống xử lý nước thải. Chương V: Phân tích hiệu quả chi phí và xây dựng hệ thống xử lý nước thải. CHƯƠNG I: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHIỆP MẠ ĐIỆN VÀ CÁC VẤN ĐỀ MÔI TRƯỜNG LIÊN QUAN I.1. Tình hình phát triển của ngành mạ trên Thế Giới và Việt Nam: Phương pháp mạ điện được phát hiện lần đầu tiên vào năm 1800 bởi giáo sư tạo một lớp phủ bên ngoài kim loại khác. Tuy nhiên lúc đó người ta không quan tâm lắm đến phát hiện của Luigi Brungnatelli mà mãi sau này, đến năm 1840, khi các nhà khoa học Anh đã phát minh ra phương pháp mạ với xúc tác Xyanua và lần đầu tiên phương pháp mạ điện được đưa vào sản xuất với mục đích thương mại thì công nghiệp mạ chính thức phổ biến trên thế giới. Sau đó là sự phát triển của các công nghệ mạ khác như: mạ niken, mạ đồng, mạ kẽm, … Những năm 1940 của thế kỷ XX được coi là bước ngoặc lớn đối với ngành mạ điện bởi sự ra đời của công nghiệp điện tử. [1] Ngày nay, cùng với sự phát triển vượt bậc của ngành công nghiệp hóa chất và sự hiểu biết sâu rộng về lĩnh vực điện hóa, công nghiệp mạ điện cũng phát triển tới mức độ tinh vi. Sự phát triển của công nghệ mạ điện đóng vai trò rất quan trọng trong sự phát triển không chỉ của ngành cơ khí chế tạo mà còn của rất nhiều ngành công nghiệp khác. Xét riêng cho khu vực Đông Nam Á, sau chiến tranh thế giới lần thứ 2, một loạt các cơ sở mạ điện quy mô vừa và nhỏ đã phát triển mạnh mẽ và hoạt động một các độc lập. Sự phát triển lớn mạnh của những cơ sở mạ điện quy mô nhỏ này là do nhu cầu đáp ứng việc nâng cao chất lượng sản phẩm của ngành công nghiệp vừa và nhẹ. Tại Việt Nam, cùng với sự phát triển của ngành cơ khí, ngành công nghiệp mạ điện được hình thành từ khoảng 40 năm trước và đặc biệt phát triển mạnh trong giai đoạn những năm 1970 – 1980. Các cơ sở mạ của Việt Nam hiện nay tồn tại một các độc lập hoặc đi liền với các cơ sở cơ khí, dưới dạng công ty cổ phần, công ty tư nhân và công ty liên doanh với nước ngoài. Các cơ sở này hầu hết có quy mô vừa và nhỏ, số ít có quy mô lớn, được tập trung ở các thành phố lớn với sản phẩm chủ yếu được mạ đồng, crom, kẽm, niken, ... Ngoài ra các loại hình mạ điện đặc biệt như mạ cadimi, mạ thiếc, mạ chì, mạ sắt và mạ hợp kim cũng được phát triển để đáp ứng nhu cầu của các ngành công nghiệp hiện đại. Để hiểu rõ hơn về công nghiệp mạ điện ta sẽ đi sâu vào tìm hiểu về bản chất và quy trình công nghệ của nó. I.2. Đặc điểm của quá trình mạ điện: I.2.1. Nguyên lý của quá trình mạ điện: Theo định nghĩa, mạ điện chính là quá trình ôxy hóa xảy ra trên bề mặt các điện cực, cụ thể là bề mặt điện cực âm (catốt), các cation (ion kim loại) nhận điện tích từ điện cực trở thành các nguyên tử kim loại. Nói cách khác, mạ điện cũng chính là một quá trình điện phân, trong đó anot xảy ra quá trình oxy hoá (hoà tan kim loại hay giải phóng khí oxy), Hình I.1 – Sơ đồ nguyên lý quá trình mạ còn catot xảy ra quá trình khử (khử ion kim loại từ dung dịch thành lớp kim loại bám trên vật mạ hay quá trình giải phóng hydro ...) khi có dòng điện một chiều đi qua chất điện phân (dung dịch mạ). [2] Tại Catot: Thực tế quá trình trên xảy ra theo nhiều giai đoạn nối tiếp nhau như sau: 1. Cation hydrat hoá Mn+.mH2O di chuyển từ dung dịch đến bề mặt catot. 2. Cation mất vỏ hydrat hoá (mH2O) và tiếp xúc trực tiếp với bề mặt catot. 3. Điện tử (e) từ Catot điền vào lớp điện tử hoá trị của cation, tạo thành nguyên tử kim loại trung hoà ở dạng hấp phụ: Các nguyên tử kim loại này sẽ tạo mầm tinh thể mới hoặc tham gia vào việc nuôi mầm tinh thể đã sinh ra trước đó. Mầm này sẽ phát triển dần thành tinh thể. 4. Tinh thể liên kết với nhau thành lớp mạ [2] Tại Anot: Anot được sử dụng trong mạ điện thường là anot tan có tác dụng cung cấp ion Mn+ cho dung dịch bù vào lượng Mn+ đã bám vào catot thành lớp mạ và chuyển điện trong mạch điện phân. Anot thường là kim loại cùng loại với lớp mạ. Ta có phản ứng: Tốc độ chung của quá trình tại catot nhanh hay chậm là do tốc độ chậm nhất của một trong các giai đoạn trên quyết định. Nếu khống chế các điều kiện điện phân tốt để cho hiệu suất dòng điện của hai phản ứng (1) và (2) bằng nhau thì nồng độ ion Mn+ trong dung dịch sẽ luôn không đổi. Một số trường hợp dùng anot trơ (không tan), nên ion kim loại được định kì bổ sung dưới dạng dung dịch muối vào bể mạ, lúc đó phản ứng chính trên anot chỉ giải phóng oxy. Trong mạ điện, dung dịch điện giải phóng thường sử dụng là muối đơn (như mạ đồng từ dung dịch CuSO4, mạ kẽm từ dung dịch ZnSO4 ...) hoặc muối phức (như dung dịch phức amoni, dung dịch phức hydroxit ...). Ngoài ra còn phải sử dụng một số dung dịch và phụ gia khác như chất dẫn điện, chất đệm, chất hoạt động bề mặt, chất tạo bóng... Chất lượng lớp mạ phụ thuộc vào nhiều yếu tố như: nồng độ dung dịch mạ và tạp chất, các chất phụ gia, pH, nhiệt độ, mật độ dòng điện, hình dạng của vật mạ, của anot, của bể mạ, các chế độ thủy động của dung dịch.... Vì vậy để duy trì được chất lượng của lớp mạ tốt cần kiểm soát nồng độ của dung dịch mạ và giữ được dải mật độ dòng điện thích hợp. Nhờ các lớp bề mặt mạ mà các vật được mạ có thêm nhiều tính chất như: tính chất bền hóa học, bền ăn mòn, bền cơ học, tăng độ dẫn điện, dẫn từ, tăng độ cứng, dẻo. Mạ có thể tiến hành với các chi tiết có kích thước từ cực nhỏ của kĩ thuật vi điện tử đến cực lớn của các ngành công nghiệp chế tạo máy, xây dựng, vô tuyến viễn thông, thiết bị y tế và đồ gia dụng. Việc chuyên môn hóa sử dụng các quy trình mạ trong các kĩ thuật tạo mẫu bằng đúc điện đã đưa đến chỗ sản xuất được những công cụ và sản phẩm mà phương pháp chế tác cổ truyền nhiều khi không làm được một cách tinh tế. Có thể nói sản phẩm của ngành công nghiệp mạ điện đã và đang thỏa mãn dần dần nhu cầu ngày càng cao của thị trường. Hiện nay ở Việt Nam tồn tại hai công nghệ mạ là mạ điện và mạ nóng chảy, trong đó mạ điện phổ biến hơn cả, gần 90% cơ sở sản xuất sử dụng công nghệ này. Do đó, ta sẽ chủ yếu đề cập tới các loại hình mạ điện trong mạ. Các loại hình mạ trong mạ điện bao gồm: mạ kẽm, mạ Niken, mạ đồng, mạ thiếc, mạ Crom, mạ vàng, mạ hợp kim, ... [2] * Mạ kẽm: Mạ kẽm thường được sử dụng để tạo lớp trang trí hay bảo vệ cho sắt thép. Do thế điện động tiêu chuẩn 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 (dây kẽm)... Mạ kẽm thường phân loại theo hóa chất sử dụng: dung dịch axit, dung dịch xyanua, dung dịch borat, dung dịch amoniac, dung dịch poryphotphat... Mỗi dung dịch sử dụng trong quá trình mạ lại có một ứng dụng và ưu nhược điểm riêng. * Mạ Niken: Niken là một kim loại màu trắng bạc, hơi mềm. 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, kiềm và muối. Mạ Niken lên sắt thép nhằm bảo vệ vật mạ không bị ăn mòn do thế tiêu chuẩn của Niken thường cao hơn thế tiêu chuẩn của sắt. Để cho vật mạ bền người ta thường mạ 2 hoặc 3 lớp có tác dụng lót và gắn chặt Niken với kim loại nền, làm cho lớp mạ Niken bền hơn. Mạ niken thường ứng dụng nhiều trong công nghiệp: mạ bảo vệ chống ăn mòn trong môi trường xâm thực mạnh, mạ chịu mài mòn, mạ khuôn in, các chi tiết xe hơi, xe đạp, xe máy... Hiện nay, tại các cơ sở sản xuất thường sử dụng phương pháp mạ Niken bóng 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 thấp hơn sắt. Vì vây, đáng lẽ ra crom dễ bị ăn mòn hơn sắt song trên bề mặt của crom có lớp oxit rất bền trong môi trường vì thế nên mạ Crom bền trong môi trường xâm thực, rất bền trong khí quyển. Lớp mạ Crom có độ bóng cao, màu sáng, có ánh xanh, crom rất dễ mạ lên các kim loại như sắt, đồng, niken, chì, kẽm, 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 crom còn được sử dụng nhiều trong mạ các chi tiết chính xác, làm tăng độ mài mòn như mạ khuôn đúc, khuôn dập, khuôn in, các chi tiết chịu mài mòn. * Mạ đồng: Lớp mạ đồng có màu hồng đỏ nhưng trong không khí dễ bị rỉ do tác dụng với oxy và axit cácbonic, tạo ra rỉ có màu xanh. Mạ đồng thường dùng trong mỹ thuật làm lớp mạ lót trang trí, lớp mạ bảo vệ các chi tiết thép khỏi bị thấm cacbon, thấm nitơ... Lớp mạ đồng dùng trong kĩ thuật đúc điện làm các bản sao từ các đồ mỹ nghệ và để tạo hình các chi tiết phức tạp. Mạ đồng được dùng rộng rãi trong các lĩnh vực chế tạo máy và chế tạo dụng cụ. Mạ đồng có thể thực hiện từ 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 Mạ đồng đặc biệt khác. > Tuỳ theo kích thước của các chi tiết mạ, người ta phân biệt thành hai dạng mạ điện: Mạ treo: được thực hiện bằng cách buộc, gá, móc hoặc vít các vật cần mạ vào giá dẫn điện rồi treo vào thành dẫn nối với điện cực âm của nguồn điện. Các chi tiết mạ treo có kích thước lớn, cấu hình phức tạp hoặc đòi hỏi độ chính xác của lớp mạ cao, độ dày lớp mạ lớn. Mạ quay: được thực hiện với các chi tiết nhỏ, cấu hình đơn giản, không kết dính với nhau, không đòi hỏi lớp mạ dày,… bằng các chuông hoặc tang trống quay. Quá trình tiếp xúc điện của các vật mạ nhờ va chạm khi quay. So với mạ treo mật độ dòng điện trên diện tích của mạ quay nhỏ hơn. Do mạ quay không cần gá và thời gian treo mẫu nên rất kinh tế. Các sản phẩm của ngành công nghiệp mạ rất khác nhau về loại hình, năng suất, chất lượng và giá thành bởi chúng hoàn toàn phụ thuộc vào từng quy trình công nghệ mạ riêng biệt. Ưu nhược điểm của mạ điện: - Ưu điểm: Công nghệ đơn giản, dễ vận hành và kiểm soát quá trình, dễ cơ khí hoá và tự động hoá, tốc độ mạ nhanh, ít tốn hóa chất nhưng đảm bảo được tính cơ lý của lớp mạ - Nhược điểm: Tiêu tốn nhiều điện năng, chỉ mạ được lên những vật dẫn điện. I.2.2. Quy trình công nghệ mạ điện: Trong công nghiệp sản xuất dụng cụ cơ khí nói riêng và các ngành gia công chế tác nói chung thì công nghệ mạ bao gồm 2 loại hình công nghệ chính là mạ điện và mạ nóng chảy. Hai hình thức này tồn tại song song cùng với nhau. Tuy nhiên, về mức độ phổ biến thì mạ điện được áp dụng phổ biến hơn so với mạ nóng chảy. Sau đây là quy trình công nghệ của loại hình sản xuất mạ điện có kèm theo cả dòng thải: Cặn Làm sạch bằng cơ học Bụi, rỉ Mài nhẵn,đánh bóng Bụi kim loại Khử dầu mỡ Xăng,dầu mỡ Hơi dung môi Nước thải chứa dầu mỡ Làm sạch bằng phương pháp hóa học NaOH H2SO4 Hơi axit,kiềm Nước thải chứa axit,kiềm Làm sạch điện hoá Mạ đồng CuSO4 H2SO4 Mạ kẽm Chi tiết mạ Mạ Niken NiSO4 H3BO3 Mạ Crom H2SO4 CrO3 Mạ vàng,bạc Axit,muối vàng,bạc Nước thải chứa axit, CN-, kim loại nặng Zn(CN)2, ZnCl2, ZnO, NaCN, NaOH, H3BO3 Ni2+, axit Cr6+, axit CN-, axit CN-, muối đồng Hình I.2: Quy trình công nghệ mạ điện kèm dòng thải Hình I.3: Quy trình 1 dây chuyền mạ tại Công ty Cổ phần Khóa Minh Khai Trong công nghệ mạ điện về cơ bản bao gồm: quá trình xử lý bề mặt, quá trình mạ và hoàn thành sản phẩm. Sơ đồ công nghệ mạ điện điển hình kèm theo dòng thải được trình bày như sau: a. Công đoạn xử lý bề mặt: Trước khi chi tiết được mạ, vật cần được cắt, tiện hàn theo đúng hình dạng sản phẩm yêu cầu của khách hàng. Sau đó chi tiết mạ cần phải cạo lớp gỉ bám trên bề mặt mục đích làm sạch gỉ tạo mặt phẳng thường dùng các bánh mài, vật liệu mài cỡ hạt to hoặc dùng phớt mài… Sau đó các chất bẩn như dầu mỡ và bụi bám trên bề mặt được loại bỏ. Các giai đoạn của quá trình xử lý bề mặt thường là làm sạch bằng biện pháp cơ học như kiềm, tẩy gỉ và các phương pháp hoạt hóa bề mặt khác. Sự sắp xếp các công đoạn từ gia công bề mặt đến tẩy dầu mỡ, tẩy axit, đánh bóng hóa học và điện hóa theo hệ thống quá trình riêng biệt dựa vào yêu cầu cơ bản của các chất nếu được mạ và các quá trình mạ tiếp theo. Dầu mỡ của các chất hữu cơ được loại bỏ bằng quá trình xà phòng hóa với kiềm. Dầu mỡ, khoáng và xăng không thể loại bỏ bằng phương pháp này mà phải dùng các dung môi để thực hiện như: Tricloretylen, benzen, xăng và cacbon tetrachloride nhưng hầu hết phương pháp thực hiện tẩy dầu mỡ bằng phương pháp điện hóa.. Tẩy gỉ được thực hiện sau tẩy dầu mỡ do trên bề mặt kim loại có một lớp mỏng phủ bên ngoài và vì vậy phải tẩy bỏ trước khi mạ làm cho lớp mạ bám trên bề mặt tốt hơn có thể tẩy bằng phương pháp hóa học hay điện hóa. Các chất thường được sử dụng trong công đoạn này là HCl, H2SO4, HNO3. b)Công đoạn mạ: Quá trình mạ là quá trình chủ yếu nhất trong công nghệ mạ, đây là công đoạn phát sinh ra nhiều chất thải độc hại trong nước. Các bể mạ axit thường chứa HCl, H2SO4, HNO3 các bước mạ kiềm thường chứa sunfat, cacbonat, xianua và hydroxit. Tùy theo tính chất của dung dịch mạ mà phân ra các loại mạ khác nhau: Mạ axit, mạ kiềm và mạ xianua c)Công đoạn sau mạ: Quá trình chính được thực hiện ở quá trình sau mạ là làm khô vật mạ và kiểm soát chất lượng sản phẩm. Trong một vài trường hợp, các sản phẩm mạ có thể được yêu cầu thêm như thụ động hóa, sơn phủ bề mặt hoặc làm bóng cho sản phẩm được bảo vệ tốt hơn. d)Công đoạn rửa: Rửa là quá trình diễn ra trong một dải rộng các bể trong dây chuyền mạ điện, rửa để loại các dung dịch bám trên bề mặt vật mạ, sau mỗi công đoạn để ngăn ngừa và loại bỏ các chất cặn vào trong các bể tiếp theo. Dung dịch quá trình mạ sẽ bám vào bề mặt chi tiết, chi tiết mạ sẽ được nhúng vào các bể rửa để loại bỏ hóa chất. Sau khi chi tiết được làm sạch, được rửa để tránh sự trung hòa trong bể tẩy gỉ. Sau khi chi tiết mạ đi ra khỏi bể tẩy gỉ sẽ được rửa để tránh sự xuất hiện vết trên bề mặt và vật mạ có thể đổi màu. Đây là công đoạn phát sinh lượng nước thải lớn nhất và gần như chiếm toàn bộ quá trình. I.3. Các vấn đề môi trường trong công nghệ mạ: I.3.1. Nước thải: a) Nguồn nước thải: Nguồn nước thải từ khâu sản xuất của các xí nghiệp rất đa dạng và phức tạp, nó phụ thuộc vào loại hình sản xuất, dây chuyền công nghệ, thành phần nguyên vật liệu, chất lượng sản phẩm... Nước thải từ khâu sản xuất trong các xí nghiệp thường chia làm 2 loại: nguồn thải từ quá trình mạ và quá trình làm sạch bề mặt chi tiết. Chúng khác nhau cơ bản về lưu lượng và nồng độ. *Nước thải từ quá trình mạ: Dung dịch trong bể mạ có thể bị rò rỉ, rơi vãi hoặc bám theo các gá mạ và các chi tiết ra ngoài. Các bể mạ sau một thời gian vận hành cần phải được vệ sinh thải các chất bẩn, cặn... Do đó, phát sinh lượng nước thải tuy không nhiều nhưng chất ô nhiễm đa dạng, nồng độ chất ô nhiễm cao (Cr+6, Ni+2, CN-). * Nước từ quá trình làm sạch bề mặt chi tiết: Trên bề mặt kim loại thường có dầu mỡ bám vào do các giai đoạn bảo dưỡng và đánh bóng cơ học. Để đảm bảo chất lượng lớp mạ các chi tiết trước khi mạ cần được làm sạch bề mặt bằng các phương pháp tẩy dầu mỡ hóa học, dùng dung môi hoặc điện hóa. Vì vậy lượng nước thải phát sinh trong quá trình này nhiều nhưng nồng độ chất ô nhiễm nhỏ chủ yếu là kiềm, axit và dung dịch. b) Đặc tính chung của nước thải công nghiệp mạ: Một trong những đặc tính cơ bản của nước thải ngành công nghiệp mạ điện là có lưu lượng dao động trong khoảng rất rộng tùy thuộc vào loại hình sản xuất, dây chuyền công nghệ, thành phần nguyên vật liệu, yêu cầu đối với chất lượng sản phẩm... Không chỉ có lưu lượng dao động trong khoảng rộng, nước thải ngành công nghiệp mạ điện còn có đặc tính và thành phần các chất ô nhiễm biến đổi rất phức tạp. Bảng sau trình bày đặc tính cơ bản và thành phần các chất ô nhiễm của nước thải tại một số cơ sở mạ điện ở Việt Nam [6]. Bảng I.1: Nước thải mạ điện tại một số nhà máy ở Hà Nội Một số nhà máy ở Hà Nội có phân xưởng mạ Nhiệt độ (0C) pH Thành phần (mg/l) Cr6+ Ni2+ Nhà máy dụng cụ cơ khí xuất khẩu 23,5 – 25 2,2– 6,7 1.1 – 6,6 0,1 – 0,45 Nhà máy cơ khí chính xác 24,3 2,9 – 12 0,21 – 14,8 0,5 – 20,1 Nhà máy khóa Minh Khai ( trước khi qua hệ thống xử lý) 21 – 23 6,3– 7,5 5 – 20 0,1 – 48 Nhà máy điện cơ thống nhất 23,4 5,82 3 – 10 0,2 – 6,05 Nhà máy khóa Việt Tiệp 20 – 22 4,0 6,0 50,2 QCVN 24: 2009/BTNMT (B) ≤ 40 5,5 – 9 0,1 0,5 Bảng I.2: Lưu lượng và thành phần đặc trưng của các loại nước thải Công ty Cổ phần Khóa Minh Khai (2008) STT Chỉ tiêu Nước thải mạ (mg/l) Nước thải cơ khí (mg/l) Nước thải sinh hoạt (mg/l) Nước axit, kiềm Nước mạ Crom Nước mạ Niken Nhiệt độ 0C 30 30 30 30 25 - 30 pH 3 - 7 3 - 7 3 - 7 6,5 - 7,5 - TSS 500 500 700 - - BOD5 - - - - 250 - 400 COD 50 - 100 - - 200 - 250 600 - 700 Cr6+ - 50 - - - Ni 0,4 - 80 - - Zn - - 4,7 - - Cu - - 5,9 - - Qthải (m3/ngày.đêm) 26 - 50 15 - 30 25 - 50 20 - 40 30 - 60 (Nguồn: Kết quả đo đạc do Trung tâm Môi trường Đô thị và KCN-ĐHXD) Bảng I.3: Kết quả khảo sát đặc tính nước thải của phân xưởng mạ Công ty Cổ phần Khóa Minh Khai sau khi phân luồng dòng thải Điểm lấy mẫu Nhiệt độ 0C pH Lưu lượng (m3/ng) Cr6+ mg/l Ni2+ mg/l ∑Fe mg/l ∑Cr mg/l ∑P mg/l SS mg/l COD mg/l (1) 23,7 6,71 25 80 0,5 0,28 500 108 (2) 24,2 3,5 15 50 0,8 65 0,5 200 (Nguồn: Trung tâm Kỹ thuật Môi trường Đô thị và KCN-ĐHXD và Viện KH và CNMT- ĐHBKHN). Điểm 1: Rãnh thoát nước từ các bể mạ Niken Điểm 2: Rãnh thoát nước từ các bể mạ Crom. Từ những phân tích và thống kê đưa ra ở trên, chúng ta có thể tóm tắt các đặc tính chung của nước thải công nghiệp mạ điện vào bảng dưới đây: Bảng I.4: Đặc tính của nước thải trong các công đoạn mạ TT Loại công đoạn Thành phần chủ yếu cần xử lý 1 Tẩy dầu mỡ - Tẩy dầu mỡ bằng dung dịch kiềm - Tẩy dầu mỡ bằng dung môi Các chất kiềm: NaOH, Na2CO3, Na3PO4, dầu mỡ Dung môi: tricloetylen, xăng, dầu, Pecloetylen... 2 Tẩy gỉ Các axit HCl, H2SO4 và dầu mỡ 3 Công nghệ mạ Mạ Ni Mạ Cu (trong dung dịch CN-) Mạ Cu (trong dd không có CN-) Mạ Cr Mạ Zn (trong dd có CN-) Mạ Zn (trong dung dịch amoni) Mạ Ag Mạ Au Ni2+, Cl-... Cu, CN-, OH-... Cu2+, NH4-,... Cr6+, SO42-, ... Zn2+, CN-, OH-... Zn2+, NH4-, CH3COO-... Ag-, CN-, S2-... Au, CN-, CO32-... Qua bảng 2 ta thấy thành phần chủ yếu trong nước thải của ngành công nghiệp mạ điện là các kim loại nặng có tính độc hại như: Cr6+, Ni2+, Zn2+, Cu2+...và CN-, Cl-, S-2, ... Lượng nước thải của mạ điện không phải là lớn so với các ngành công nghiệp khác như nước thải của ngành công nghiệp giấy, dệt, ... song thành phần và nồng độ các chất độc hại trong đó khá lớn. Hơn nữa các hóa chất độc hại này lại có những biến thiên hết sức phức tạp và phụ thuộc vào quy trình công nghệ cũng như từng công đoạn trong quy trình đó. Vì vậy, muốn xử lý đạt hiệu quả cao thì chúng ta cần phải thu gom, tách dòng theo từng công đoạn, từng trường hợp cụ thể và lựa chọn phương án xử lý thích hợp. I.3.2. Khí thải và bụi: Dựa vào sơ đồ công nghệ có kèm theo dòng thải của công nghệ mạ điện, ta thấy nguồn phát sinh ô nhiễm không khí có ở hầu hết các công đoạn trong quá trình: làm sạch cơ học, khử dầu mỡ, làm sạch hóa học và mạ. Mỗi một cơ sở mạ điện, tùy theo dây chuyền công nghệ, loại nhiên liệu sử dụng, đặc điểm, quy mô sản xuất và mức độ cơ giới hóa, tự động hóa của nhà máy mà số lượng và dạng khí thải độc hại sẽ khác nhau. Khí thải chủ yếu thường có ở các dạng: hơi axit (ở bể tẩy rỉ, bể tẩy điện hóa và bể nhúng axit hơi nhẹ), hơi kiềm (ở bể tẩy dầu mỡ hóa học), CxHy (ở bể tẩy dầu mỡ bằng dung môi), hơi CrO3, NiO (ở bể mạ), ... Các khí thải này phần lớn chúng nặng hơn không khí nên chúng làm tăng nồng độ chất thải độc hại trong phân xưởng, gây ô nhiễm khu vực làm việc cũng như vùng dân cư lân cận kề sát với cơ sở sản xuất. a) Các nguồn khí thải: Đặc trưng của khí thải công nghiệp mạ phụ thuộc nhiều vào các công đoạn trong quá trình công nghiệp: * Quá trình xử lý bề mặt: Trong quá trình đánh bóng bề mặt kim loại bằng phương pháp cơ học thì bụi kim loại xuất hiện rất nhiều trong khu vực sản xuất, tuy nhiên bụi kim loại có tỷ trọng cao vì thế không thế phát tán đi xa. Tải lượng bụi kim loại phụ thuộc vào công suất sản xuất cũng như chất lượng bề mặt kim loại. Đối với các chi tiết, sản phẩm có hình dạng phức tạp hay yêu cầu cao về độ bóng bề mặt người ta hay xử lý bề mặt bằng phương pháp đánh bóng điện hóa. Ô nhiễm không khí trong công đoạn này có thể là các hơi axit. Trong công đoạn tẩy dầu mỡ, làm sạch các chi tiết người ta thường dùng dung dịch kiềm, nồng độ phụ thuộc vào phương pháp xử lý ban đầu. Khí thải ở đây là hơi kiềm nhưng nồng độ rất thấp do thời gian xử lý bề mặt ngắn và nồng độ hóa chất trong dung dịch thấp. * Quá trình mạ điện: Do tính chất đặc thù của một số dung dịch mạ làm việc ở nhiệt độ cao vì vậy một lượng đáng kể dung dịch mạ bay hơi tạo nên chất ô nhiễm khí như hơi axit, hơi kiềm, CrO3, NiO, ... Nếu cường độ dòng điện ở bể mạ càng cao thì dung dịch bay hơi càng lớn ở các điện cực. Ngoài ra việc sục khí chống khuyết tật bề mặt vật mạ cũng góp phần làm tăng lượng dung dịch bay hơi một cách đáng kể. * Khu vực lò hơi: Đối với các cơ sở sản xuất dùng hơi để đun nóng dung dịch thì còn có một bộ phận khí thải nữa là khí thải của lò. Tùy theo loại nhiên liệu dùng để sản xuất hơi mà lượng khí thải sinh ra sẽ được tính toán dựa trên các thông số đặc trưng của nhiên liệu (khí, than, dầu...), khí ô nhiễm sinh ra ở khu vực này thường là các khí như SO2, NOx, CO, CO2, muội bụi. Tải lượng chất ô nhiễm sinh ra từ khí thải lò hơi của các xưởng mạ nói chung là nhỏ vì lượng nhiên liệu sử dụng không nhiều, đặc biệt xu thế hiện nay các xưởng mạ đều dùng nguồn điện để đun nóng dung dịch nên nguồn này không quan tâm nhiều. b) Đặc tính chung của khí thải công nghiệp mạ: Các thành phần đặc trưng của các nguồn khí thải công nghiệp mạ điện có thể tóm tắt theo bảng sau: [2,5] Bảng I.5: Thành phần đặc trưng của các nguồn khí thải công nghiệp mạ STT Công đoạn Mục đích Hóa chất sử dụng Chất thải 1 Gia công bề mặt trước khi mạ *Đánh bóng cơ học Làm cho bề mặt bằng phẳng, nhẵn bóng, có hệ số phản xạ ánh sánh cao Al2O3, SiO2, viên granit, hợp kim sắt và bột mài. Bụi kim loại nặng và thô *Đánh bóng hóa học và điện hóa Trang trí bề mặt kim loại, loại bỏ các vết xước, sờn, anot hóa kim loại, chuẩn bị cho những chi tiết phức tạp Hỗn hợp các axit: H3PO4, HCl, H2SO4, H2Cr2O7. Tùy theo tính chất của kim loại cần đánh bóng sẽ có các hóa chất thích hợp. Hỗn hợp hơi các axit: HCl, H3PO4, H2SO4, H2Cr2O7 ... * Tẩy dầu mỡ bằng dung dịch kiềm Lớp dầu mỡ trên bề mặt kim loại sẽ bị xà phòng hóa thành muối axit béo dễ tan trong nước và glixerin. NaOH,Na2SiO3,Na2CO3, Na3PO4 và các hoạt chất hoạt động bề mặt. Hơi kiềm ... * Tẩy dầu mỡ trong các dung môi Tẩy dầu mỡ, parafin, nhựa ra khỏi bề mặt kim loại bằng tác dụng cơ học và hòa tan Tricloetylen, toluen, benzen, pecloetylen, dầu hỏa và xăng... Hỗn hợp hơi dung môi 2 Cung cấp nhiệt (lò hơi) Cung cấp nhiệt lượng cho các bể mạ để đun nóng dung dịch Than dầu, khí (nhiên liệu nói chung) Chủ yếu là bụi xỉ, mồ hóng, SO2, NOx, CO... 3 Mạ điện Chống ăn mòn, tăng độ chịu mài mòn, độ cứng, độ dẫn điện của các kim loại... Tùy thuộc loại hình công nghệ mạ Chủ yếu là hơi axit, kiềm và một ít oxit kim loại theo hơi nước bay lên. Mạ Niken Chống ăn mòn kim loại, là lớp mạ tốt, tăng độ dẫn điện NiSO4: 280 – 300g/l H3BO3: 35 g/l NaCl: 15 g/l 1 – 4 butydiol: 1 mg/l Đường hóa học: 1 g/l Hơi axit, NiO... Mạ đồng (Trong dung dịch có xyanua) Lớp mạ lót để tăng độ bám bề mặt cho các lớp mạ sau CuCN: 110 – 135 g/l NaCN: 120 – 140 g/l NaOH: 30 – 35 g/l Hơi kiềm và xyanua Mạ đồng (trong dung dịch không có xyanua) CuCl2.2H2O: 35 – 50 g/l NH4OH 25%: 150 – 200 ml/l NH4Cl: 260 – 300 g/l Amonioxalat: 10 – 30 g/l Hơi kiềm và NH4OH Mạ kẽm Thường dùng với những sản phẩm không cần trang trí. Bảo vệ kim loại, chống ăn mòn ZnO: 60 g/l Zn(CN)2: 45 g/l NaCN: 22,5 g/l NaOH: 52,5 g/l Hơi kiềm và xyanua Mạ vàng Có tính chất trang trí, làm tăng giá trị kim loại K2CO3: 65 g/l AuCl (tính theo Au): 4g/l KFe(CN)2: 200 g/l Kali sunfoxyanua: 100 g/l Hơi phức chất xyanua... Mạ bạc Tăng độ chịu mài mòn, chịu lực ma sát cho kim loại... AgCN: 35 – 40 g/l KCN: 35 – 40 g/l K2CO3: 25 – 35 g/l CS2: 1 – 2 g/l Hơi xyanua và CS2 Nhận xét: Từ bảng 3 ta thấy các dạng chất thải chủ yếu phụ thuộc nhiều vào các công đoạn và hóa chất sử dụng. Khí thải phát sinh tại các bể mạ chủ yếu theo quá trình bay hơi nước kéo theo các oxit kim loại và hơi axit. Thực tế, khó có thể tính chính xác tải lượng, nồng độ của khí ô nhiễm vì chúng phụ thuộc vào nhiều yếu tố (tốc độ hút của quạt, nhiệt độ, cường độ dòng điện mạ...) vì vậy để quản lý được nguồn thải này người ta thường phải quy về từng khâu riêng biệt để đo đạc và tính toán theo các chỉ tiêu hao hụt, định mức... I.3.3. Chất thải rắn: a) Nguồn phát sinh chất thải rắn: Chất thải rắn trong các xí nghiệp mạ chủ yếu từ các nguồn thải sau: * Công đoạn làm sạch bề mặt: Chất thải rắn từ công đoạn làm sạch bằng phương pháp cơ học ở đây chủ yếu là phoi, đề xê kim loại do quá trình gia công bề mặt. Đối với những chi tiết nhỏ người ta thường dùng trấu, cát để làm sạch. Vậy chất thải rắn ở đây còn có cát và trấu. * Công đoạn mạ điện: Chất thải rắn là bùn thải chu kì trong một thời gian tại bể trung hòa axit nhẹ và bể mạ (oxit, hydroxit, muối của các kim loại tạo thành trong quá trình làm việc). Lượng bùn này tương đối nhỏ, thường theo nước thải ra ngoài. Bên cạnh đó còn có một lượng bùn thải do hệ thống xử lý nước thải và khí thải. Lượng bùn này tùy thuộc vào công nghệ xử lý. Thường lượng bùn thải từ các bể xử lý nước thải công nghiệp mạ không lớn nhưng lại có tính độc hại cao vì nó thường chứa hỗn hợp các kim loại nặng kết tủa và các chất khác. * Chất thải rắn sinh hoạt: chất thải nhà bếp, văn phòng... Ngoài ra những chất thải rắn được đề cập ở trên, còn có một lượng lớn chất thải rắn khác sinh ra từ công nghiệp mạ. Đó là các bao bì đựng hóa chất khô (như túi nilon, bao giấy, bao tải..), các can đựng hóa chất lỏng …vv. Các túi đựng, cạn đựng này cũng cần được quan tâm thu gom, xử lý một cách phù hợp nhằm giảm bớt các rủi ro có thể xảy ra về mặt môi trường cũng như sức khỏe con người. b) Đặc tính chung của chất thải rắn: Trong công nghệ mạ, chất thải rắn có thể xuất hiện từ nhiều công đoạn khác nhau với số lượng và thành phần tùy thuộc vào công nghệ sản xuất và chất lượng sản phẩm. Các chất thải rắn có thể được tạo ra từ các nguồn thải sau: nguồn thải của quá trình tạo phôi, làm sạch bề mặt bằng phương pháp cơ học hoặc chất thải rắn là bùn thải của quá trình xử lý nước thải và khí thải. Tại Việt Nam đến nay vẫn chưa có một số liệu chính thức nào, tuy nhiên theo đánh giá chung thì lượng chất thải rắn do ngành mạ tạo ra là khá lớn và là một trong những vấn đề đáng được quan tâm hiện nay. I.3.4. Nhiệt độ và tiếng ồn: Nếu như công nghệ mạ nóng chảy sử dụng một lượng nhiệt khá lớn cho quá trình mạ thì công nghệ mạ điện không sử dụng nhiệt độ cao. Nên ô nhiễm nhiệt thường có tại các phân xưởng mạ nóng chảy và gần như không có đối với phân xưởng mạ các nhà máy mạ điện. Còn về vấn đề tiếng ồn thì nhà máy mạ nào cũng có. Tiếng ồn chủ yếu phát sinh từ các công đoạn của quá trình chuẩn bị nguyên liệu như mài, đánh bóng, dập, cắt... Một nguồn phát sinh tiếng ồn nữa của các nhà máy mạ điện là từ quá trình vận chuyển, tháo xếp và bốc dỡ nguyên liệu sản phẩm. 1.4. Ảnh hưởng do chất ô nhiễm gây ra 1.4.1. Nước thải a) Ảnh hưởng đến sức khỏe con người: Nước thải ngành mạ tuy không lớn so với các ngành công nghiệp khác song nó chứa nhiều chất độc hại chủ yếu là các muối kim loại. Các chất này hoà tan trong nước sau đó ngấm vào nước ngầm theo chuỗi thức ăn thâm nhập vào cơ thể sống của con người cũng như sinh vật ở vùng lân cận khu công nghiệp có thể gây nhiễm độc mãn tính. Crom và hợp chất của Crom có thể làm tổn thương bề mặt da, dễ làm loét niêm mạc mũi, làm thủng phần sụn của vách mũi, ảnh hưởng đến hệ tiêu hoá, gan, thận và tim mạch. Cr (VI) độc hơn Cr (III) vì khả năng hấp thụ Cr (VI) của cơ thể cao hơn. Công nhân tiếp xúc thường xuyên với muối Cromat có khả năng nhiễm bệnh ung thư phổi cao hơn người bình thường. Niken và hợp chất của Niken gây bệnh viêm da, đặc biệt là môi trường ẩm và nhiệt độ cao. Kẽm và hợp chất của kẽm nói chung là ít độc. Khi nuốt phải muối kẽm có thể gây ói mửa. Khi tiếp xúc nhiều với muối ZnCl2 có thể gây lở loét ngón tay, bàn tay, cánh tay. Đồng và các hợp chất của đồng có thể gây kích thích nhẹ hoặc gây dị ứng nhẹ. Muối đồng gây ngứa da và kết mạc. Oxit đồng hoá trị 1 còn gây kích thích ngứa mắt và đường hô hấp. Những người thường xuyên tiếp xúc với các hợp chất của đồng thường mắc phải hiện tượng mất màu của da. Người uống phải đồng sunfat sẽ bị ói mửa, choáng, co giật, hôn mê và nếu nặng có thể tử vong. a) Ảnh hưởng ô nhiễm nước mặt và nước ngầm Việc thải bỏ trực tiếp nước thải công nghiệp mạ điện vào nguồn mà không qua xử lý có thể là một trong những nguyên nhân dẫn đến sự có mặt của các ion kim loại độc trong lòng đất, trong nước ngầm và nguồn nước mặt. Nó có thể là nguyên nhân gây suy giảm chất lượng nước ngầm, nước bề mặt và ảnh hưởng tới sức khỏe cộng đồng. Hiện nay cùng với sự phát triển chung của nền công nghiệp, công nghiệp mạ cũng ngày càng phát triển. Do đó lượng rác thải, nước thải của công nghiệp mạ cũng gia tăng. Điều này đã ảnh hưởng không nhỏ tới môi trường và nguồn nước sinh hoạt ở một số địa phương. b) Ảnh hưởng đến việc xử lý nước thải Nước thải công nghiệp mạ điện ảnh hưởng có hại đến quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học. Đó là do sự có mặt của axit, kiềm và các ion kim loại độc như: Cr6+, Ni2+, Zn2+, Cu2+...đã kìm hãm hoặc giết chết vi sinh vật trong quá trình làm sạch nước thải bằng các phương pháp sinh học. Với một hàm lượng rất nhỏ Cr6+ và Ni2+ cũng ảnh hưởng đến quá trình tổng hợp và nitrat hóa của nhà máy xử lý nước thải. Natri xianua và kalixianua tuy chỉ cản trở quá trình nitrat lúc ban đầu và sau một vài ngày không còn ảnh hưởng nữa nhưng cũng gây tác động không nhỏ tới hiệu suất xử lý nước thải bằng các phương pháp sinh học. 1.4.2. Khí thải, bụi Bụi kim loại phát sinh từ công đoạn gia công bề mặt trước khi vào mạ. Bụi này đi vào phổi có thể gây bệnh bụi phổi, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khoẻ con người. Ngoài ra có thể gây viêm da, viêm niêm mạc họng và mũi. Các hơi dung môi hữu cơ, hơi Crom, Niken, hơi axit, kiềm, ... có thể gây khó chịu cho công nhân khi làm việc. Nếu thời gian tiếp xúc kéo dài thì có thể dẫn đến các bệnh mãn tính, bệnh ung thư ở người. Hơi axit khi thoát ra ngoài gặp lạnh (đặc biệt vào mùa đông) sẽ ngưng tụ thành các giọt mù axit có kích thước rất nhỏ lơ lửng trong không khí gây các bệnh về đường hô hấp. 1.4.3. Chất thải rắn Chất thải rắn từ phân xưởng mạ có rất nhiều loại khác nhau nhưng hầu hết có chứa các kim loại nặng và các kim loại độc hại khác. Chẳng hạn như bùn thải từ quá trình xử lý bụi ở khu vực đánh bóng, phân xưởng nếu không có kế hoạch quản lý hợp lý có thể làm cho kim loại hoà tan trở lại và đi vào nguồn nước ngầm đang khai thác của nhà máy hoặc dân cư xung quanh. 1.4.4 Tiếng ồn Tiếng ồn trong phân xưởng sẽ ảnh hưởng đến hiệu quả công việc của công nhân. Ngoài ra còn gây các bệnh cho công nhân như ù tai, dẫn đến điếc tai nếu công nhân làm việc trong phân xưởng thời gian dài. CHƯƠNG II: CÁC BIỆN PHÁP GIẢM THIỂU VÀ XỬ LÝ NƯỚC THẢI NGÀNH MẠ ĐIỆN II.1. Các biện pháp giảm thiểu: Trước khi xử lý nước thải từ các xưởng mạ điện, có rất nhiều phương pháp để giảm lưu lượng cũng như nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải. Biện pháp phòng ngừa và giảm thiểu nước thải không chỉ giảm chi phí xử lý mà còn tiết kiệm được nhiều loại hoá chất, thu hồi được các kim loại quý, tiết kiệm nước. Để giảm thiểu nước thải trong các phân xưởng mạ điện thì có thể áp dụng một số biện pháp khống chế đầu nguồn tuân theo các quy tắc sau: [3] - Giảm tối đa lượng nguyên liệu cần dùng. - Giảm lượng nước cần tiêu thụ. - Thay nguyên liệu sản xuất gây độc hại bằng nguyên liệu ít gây độc hơn. - Nghiên cứu quá trình công nghệ, các thiết bị máy móc mới để thực hiện quá trình sản xuất một cách có hiệu quả. Sau đây là một vài biện pháp hạn chế tối đa lượng nước thải. II.1.1. Kĩ thuật giảm thiểu lãng phí hoá chất Sử dụng hiệu quả hoá chất cần dùng. Để tránh lãng phí hoá chất phân xưởng đã bố trí các bể trong dây chuyền mạ sát nhau, và khi các gá đưa ra khỏi bể mạ phải dừng lại từ 5 - 10s để cho hoá chất không bám theo sản phẩm mạ, đồng thời phải cho sản phẩm mạ qua bể rửa thu hồi trước khi qua các bể rửa khác. Hầu hết các quy trình mạ đều có công đoạn thụ động hoá bằng Cr6+, Cr3+. Cr6+ tồn tại trong các bể mạ và tạo thành axit cromic (H2CrO4), là hợp chất gây ung thư. Do đó cần thay thế hoá chất sử dụng (Cr6+) bằng Cr3+, vì Cr3+ ít gây ảnh hưởng đến sức khoẻ của công nhân hơn, nhưng chất lượng sản phẩm vẫn đạt tiêu chuẩn. II.1.2. Kĩ thuật giảm thiểu lượng nước sử dụng Hiện nay việc sử dụng nước còn lãng phí do phần lớn các phân xưởng tự khai thác nguồn nước ngầm. Tuy nhiên, nguồn nước này sẽ bị cạn kiệt trong tương lai, do đó phân xưởng mạ nên áp dụng các biện pháp như: giảm tốc độ xả nước, định lượng mức tiêu thụ cho từng loại sản phẩm, tuần hoàn tái sử dụng lại nguồn nước. Thông thường cần 2m3 nước cho 1m2 bề mặt gia công. Do đó, tổng lượng nước tiêu thụ rất lớn, đồng thời lượng hoá chất độc hại theo nước cần xử lý bị pha loãng nhiều gây tốn kém cho việc xử lý sau này. Để tăng hiệu quả của việc rửa đồng thời tiết kiệm nước đến mức tối đa người ta đã đưa ra nhiều phương pháp rửa khác nhau, nhờ đó lượng nước rửa tiêu tốn có thể chỉ cần 0.2 – 0.4 m3/m2. [3] Các công nghệ rửa đang được sử dụng hiện nay là rửa nhúng tĩnh, rửa nhúng có chảy tràn liên tục, rửa ngược chiều, rửa sục khí, rửa phun, ... Rửa nhúng tĩnh: Chi tiết rửa được nhúng vào trong một hay nhiều bể rửa chứa nước không chảy. Phương pháp rửa này tốn nhiều nước và hiệu quả rửa không cao. Rửa nhúng có nước chảy tràn liên tục: Chi tiết rửa được nhúng vào trong một hay nhiều bể độc lập, có nước chảy tràn liên tục. Phương pháp rửa này thích hợp cho chi tiết rửa có nhiều khe, rãnh, lỗ sâu, ... Thời gian rửa thủ công không ít hơn 6 giây, rửa tự động không ít hơn 20 giây. Rửa ngược chiều: Bể rửa có 2 hay 3 ngăn, nước sạch chỉ cấp vào ở ngăn đầu rồi tự chảy tràn từ dưới lên (theo ống dẫn hay vách dẫn) sang các ngăn tiếp theo, rồi cuối cùng thải ra rãnh. Rửa sục khí: Dùng không khí nén sục vào bể rửa chảy tràn để rửa sản phẩm với mục đích khử dầu. Rửa phun: Mở khoá cho nước phun mạnh thành nhiều chùm tia nhỏ bắn vào vật cần rửa đặt trong bể cạn. Rửa liên hợp: Lúc đầu rửa nhúng tràn cho vật ở phần dưới của bể, sau đó đưa lên phần trên của bể rửa phun tiếp. Rửa ngưng: Vật rửa đặt trong buồng kín nạp đầy hơi nước. Hơi ngưng tụ lên bề mặt vật cần rửa và cuốn đi màng dung dịch bám theo chúng từ bể trước đó. Rửa siêu âm: Bể nước hay dung môi rửa được đặt trong trường siêu âm để rửa các vật có yêu cầu đặc biệt. Hình II.1: Các phương pháp rửa Tại một số xưởng mạ công nhân thường để mở khoá cho nước chảy với tốc độ tuỳ ý, không cần quan tâm đến vận tốc của dòng chảy là bao nhiêu, khiến cho lượng nước mất đi rất nhiều đồng thời lượng nước thải cần xử lý cũng tăng lên. Muốn tiết kiệm được lượng nước sử dụng thì cần phải nghiên cứu tốc độ rửa phù hợp sao cho hiệu quả rửa là lớn nhất và lượng nước sử dụng là ít nhất. Nếu xác định được tốc độ rửa tối ưu thì có thể tiết kiệm được lượng nước tiêu thụ. II.2. Các phương pháp xử lý nước thải ngành mạ điện: Nước thải từ phân xưởng 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. Để xử lý nước thải mạ điện có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau, phù hợp với từng loại nước thải và nồng độ tạp chất chứa trong nó. Dưới đây là các phương pháp xử lý nước thải ngành mạ điện. II.2.1. Phương pháp oxi hoá - khử và kết tủa hoá học Nguyên tắc: - Phản ứng oxy hoá - khử: dùng tác nhân oxy hoá (Clo, Oxy, peoxyt, …) hoặc tác nhân khử (Na2SO3, FeSO4, …) để oxy hoá - khử các chất ô nhiễm thành dạng ít ô nhiễm hoặc không ô nhiễm. - Phản ứng kết tủa hoá học: dựa trên phản ứng giữa chất đưa vào nước thải với kim loại có trong nước thải ở pH thích hợp, tạo ra chất kết tủa và tách ra bằng phương pháp lắng thông thường. Đây là phương pháp được dùng phổ biến nhất hiện nay [7] Hình II.2: Sơ đồ xử lý nước thải chứa crôm gián đoạn II.2.2.Phương pháp điện hoá [7] Nguyên tắc: Dựa trên nguyên tắc của quá trình oxy hoá khử để tách các kim loại trên các điện cực nhúng trong nước thải khi cho dòng điện một chiều đi qua. Trong đó, Anot không hoà tan làm bằng Grafit hoặc Chì oxit, Catot làm bằng molipđen hoặc hợp kim Vonfram - sắt – niken. Tại Catot, xảy ra quá trình khử (tức là quá trình nhận điện tử), kim loại bị khử để tạo thành ion ít độc hơn hoặc tạo thành kim loại bám vào điện cực: Mem+ + (m-n)e- → Men+, (m>n0). (Trong đó: m, n là các số oxy hoá của kim loại Me). II.2.3. Phương pháp hấp phụ Nguyên tắc: Quá trình hấp phụ chủ yếu là hấp phụ vật lý tức là quá trình di chuyển của các chất ô nhiễm (các ion kim loại) (chất bị hấp phụ) đến bề mặt pha rắn (chất hấp phụ). Người ta thường dùng biện pháp hấp phụ sinh học, tức là dùng các vật liệu sinh học để tách các kim loại hay các hợp chất của nó ra khỏi nước thải. Chẳng hạn như: Chitosan - một polyme sinh học dạng glucosamin là sản phẩm deacetyl hóa chitin lấy từ vỏ tôm, cua, một vài loại nấm và một số loài động vật giáp xác. Dung lượng hấp phụ đạt 241mgCr6+/g. [1] II.2.4. Phương pháp trao đổi ion Nguyên tắc: Là quá trình trao đổi diễn ra giữa các ion có trong dung dịch và các ion trong pha rắn, được đặc trưng bởi dung lượng trao đổi. R – H+ + Ni2+ R – Ni2+ + 2H+ R – OH- + Cl- R – Cl- + OH- Việc lựa chọn vật liệu trao đổi ion chọn lọc có nghĩa quan trọng cho thu hồi các kim loại quý hiếm. Khi các vật liệu này đạt trạng thái bão hoà, ta tiến hành tái sinh hoặc thay chúng. [9] II.2.5. Phương pháp sinh học: Nguyên tắc: 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...vv để tiêu hủy các kim loại nặng có trong nước thải. Các loại sinh vật này đã sử dụng kim loại nặng có trong nước thải như một nguồn dinh dưỡng cho chúng tồn tại và phát triển. Quá trình tiến hành phải lựa chọn và phân lập giống, phải cho những loài sinh vật nào có khả năng “tiêu hóa” nhiều kim loại nặng có hiệu quả nhất. Theo Becke.E.W, giới hạn cho phép để tiến hành khử kim loại nặng bằng tảo khá lớn, tới hàng chục mg/l và hiệu suất khử cũng rất cao > 80% đối với các kim loại như: Hg, Pb, Ni, Cr...[10]. Tuy nhiên do yêu cầu về mặt bằng lớn, hơn nữa việc lựa chọn và phân lập vi sinh vật còn nhiều hạn chế nên khi áp dụng vào thực tế gặp rất nhiều khó khăn. Ngoài các phương pháp đã nêu ở trên, còn có một số phương pháp mới đang được đề nghị nhằm bổ sung cho công nghệ xử lý nước thải chứa kim loại nhưng ứng dụng của chúng vào thực tế vẫn còn tương đối hạn chế, ví dụ như phương pháp trích ly bằng dung môi, bốc hơi hoàn nguyên, kết tủa hóa học và làm lạnh. Bảng II.1: Bảng tóm tắt ưu điểm và hạn chế của một số phương pháp xử lý nước thải ngành mạ thường dùng. Phương pháp xử lý Ưu điểm Hạn chế Oxy hoá khử - kết tủa Xử lý nước thải lưu lượng lớn Chi phí thấp Đơn giản, dễ vận hành Chuyển chất thải từ dạng này sang dạng khác Tạo lượng bùn kim loại lớn Hấp phụ bằng các vật liệu sinh học Vận hành đơn giản Giá thành vật liệu rẻ Khó kiểm soát nồng độ Giải hấp phụ không đạt hiệu quả cao Điện hoá Nồng độ kim loại đầu vào cao Thu hồi kim loại với độ tinh khiết cao Tự động hoá quá trình Không cần sử dụng hoá chất Chi phí điện năng rất lớn Trao đổi ion Nồng độ đầu vào loãng Thu hồi kim loại quý Nhu cầu năng lượng thấp Yêu cầu vận hành chặt chẽ Tái sinh vật liệu trao đổi Sinh học - Quá trình xử lý tạo ra chất thải ít nên thân thiện với môi trường. - Giá thành thấp. - Yêu cầu mặt bằng xử lý lớn - Hiệu quả thấp nếu hàm lượng chất ô nhiễm trong dòng thải không ổn định hoặc quá lớn. - Quá trình vận hành phải kiểm soát được các chất ô nhiễm trong dòng thải và lượng chất dinh dưỡng N, P cấp thêm vào dòng thải Bảng II.2: Hiệu suất của 1 số phương pháp xử lý nước thải mạ điện [9] STT Phương pháp xử lý Hiệu suất (%) 1. Điện hóa 90 – 95 2. Trao đổi ion 90 – 98 4. Oxy hóa khử - kết tủa 20 – 95 CHƯƠNGIII: LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI MẠ ĐIỆN III.1. Phân tích, lựa chọn công nghệ xử lý: III.1.1. Mục tiêu và yêu cầu đối với hệ thống xử lý nước thải: Nước thải phân xưởng mạ điện chính là vấn đề quan tâm hàng đầu của các nhà máy hoạt động trong lĩnh vực mạ điện. Nước thải này chứa nhiều các kim loại nặng, độc hại với môi trường xung quanh. Do đó việc xây dựng lắp đặt hệ thống xử lý nước thải phân xưởng mạ chính là một giải pháp góp phần giải quyết vấn đề trên. Khi thiết kế hệ thống xử lý nước thải phân xưởng mạ cần phải đảm bảo các yêu cầu và mục tiêu sau: a) Yêu cầu về môi trường: phải đảm bảo các điều kiện vệ sinh lao động cho công nhân làm việc tại phân xưởng mạ và công nhân vận hành hệ thống xử lý. Nước thải ra môi trường sau khi xử lý đảm bảo chất lượng nước thải theo tiêu chuẩn nước thải công nghiệp ít nhất là loại B theo QCVN 24: 2009/BTNMT. Chấp hành nghiêm chỉnh các quy định của pháp luật Việt Nam về bảo vệ môi trường. b) Yêu cầu về kĩ thuật: Viêc xây dựng, lắp đặt hệ thống xử lý nước thải phải phù hợp với mặt bằng công nghệ mạ. Việc phân luồng dòng thải phải đảm bảo phù hợp với việc xử lý tiếp theo. Hệ thống xử lý phải bố trí hợp lý, đảm bảo cho công nhân vận hành dễ dàng, dễ đo đạc, kiểm tra đồng thời nước thải sau xử lý phải đạt tiêu chuẩn cho phép. c) Yêu cầu về kinh tế: Mức độ đầu tư cho hệ thống xử lý cần phù hợp với tình hình tài chính của công ty. Hệ thống xử lý lắp đặt phải đảm bảo hiệu quả vốn đầu tư và khả năng cạnh tranh về giá thành sản phẩm của nhà máy trong quá trình sản xuất, kinh doanh trên thị trường. III.1.2. Đặc trưng của dòng thải: Phân xưởng mạ điện sẽ hoạt động với công suất 8h/ngày. Dựa vào các thông số đầu vào của đề bài thiết kế như sau: + Tổng lưu lượng nước thải: 200 m3/ngày + Các thông số Nhiệt độ: 250C Ni: 80 mg/l Cr6+: 50 mg/l Zn: 5 mg/l Cu: 6 mg/l CN-: 40 mg/l Yêu cầu nước thải sau xử lý đạt loại B theo QCVN 24: 2009/BTNMT: STT Chỉ tiêu Đơn vị QCVN 24: 2009/BTNMT (cột B) 1 pH - 5,5-9 2 Mùi - KKC 3 Chất rắn lơ lửng mg/l 100 4 Đồng mg/l 2 5 Niken mg/l 0,5 6 Kẽm mg/l 3 7 Cr (III) mg/l 1 8 Cr (VI) mg/l 0,1 9 Xianua (CN-) mg/l 0,1 III.1.3. Lựa chọn phương pháp xử lý nước thải: Các chất ô nhiễm chính trong nước thải phân xưởng mạ là các ion kim loại Cu2+, Ni2+, Cr6+, Zn2+ và một số anion khác (trong đó đặc biệt cần lưu ý là: CN-). Do đó vấn đề lớn nhất trong xử lý nước thải mạ điện chính là loại bỏ các ion kim loại ra khỏi nước thải. Việc xử lý các ion kim loại này có thể áp dụng nhiều phương pháp trong số các phương pháp đã đề cập ở trên. Mỗi phương pháp đều có những ưu nhược điểm và giới hạn áp dụng riêng. Trên thực tế, khi tiến hành thiết kế hệ thống xử lý nước thải mạ điện, chúng ta có thể tiến hành áp dụng một loại phương pháp hoặc áp dụng phối hợp nhiều phương pháp với nhau nhằm đảm bảo nước thải sau khi xử lý đảm bảo yêu cầu đã đưa ra. Hiện ở tại Việt Nam có 2 phương pháp được sử dụng phổ biến nhất trong xử lý nước thải mạ điện, đó là phương pháp trao đổi ion và phương pháp phối hợp oxy hóa khử có kết tủa. Các phương pháp khác còn lại, trên nguyên tắc đều có thể sử dụng tuy nhiên chúng có nhiều đặc điểm không phù hợp với điều kiện sản xuất tại Việt Nam như: + Đắt tiền, yêu cầu về vốn đầu tư lớn: phương pháp hấp phụ. + Yêu cầu về mặt bằng lớn: phương pháp sinh học + Khó vận hành hoặc vận hành cần người có chuyên môn cao: phương pháp điện hóa + Giới hạn áp dụng hạn chế: phương pháp hấp phụ, phương pháp điện hóa. Hai phương pháp trao đổi ion và oxy hóa khử kèm kết tủa được áp dụng phổ biến hơn do chúng có nhiều ưu điểm phù hợp với điều kiện sản xuất tại Việt Nam. Cụ thể: * Phương pháp trao đổi ion + Là phương pháp tiên tiến, hiện đại. + Vận hành dễ dàng. + Yêu cầu về diện tích xây dựng nhỏ, phù hợp với các cơ sở có mặt bằng nhỏ, không có quỹ đất để xây dựng hệ thống xử lý. + Dễ bố trí thiết bị + Tốc độ xử lý nhanh, thao tác vận hành tương đối đơn giản. + Xử lý triệt để các kim loại nặng trong nước thải, có thể thu hồi lại kim loại trong nước thải. + Nước thải sau khi xử lý có thể tái sử dụng từ 90 % - 95% + Không có bùn thải. + Tuy nhiên, chi phí đầu tư ban đầu cao, chi phí vận hành cao và chỉ nên áp dụng đối với các cơ sở sản xuất có lưu lượng nước thải < 15m3/ngày. *Phương pháp oxy hóa khử và kết tủa + Là phương pháp cơ bản, phổ biến nhất được áp dụng tại Việt Nam trong việc xử lý nước thải mạ điện. + Vốn đầu tư xây dựng không cao. + Dễ xây dựng, dễ bố trí thiết bị, dễ vận hành. + Hóa chất sử dụng rẻ, dễ kiếm. + Dễ điều chỉnh theo tình hình sản xuất của từng cơ sở sản xuất. Có thể áp dụng cho các cơ sở mạ điện có lưu lượng nước thải lớn. + Lượng bùn thải lớn. + Cần mặt bằng để lắp đặt hệ thống xử lý nên chỉ nên áp dụng đối với các cơ sở có mặt bằng lớn. + Cần có phòng định lượng hóa chất. Khi tiến hành so sánh hai phương pháp trên ta thấy phương pháp trao đổi ion tuy có nhiều ưu điểm nhưng lại có giá thành đầu tư cao hơn (tỉ suất đầu tư tính cho hệ thống xử lý nước thải công suất nhỏ theo phương pháp trao đổi ion thường gấp 2 -3 lần so với hệ thống xử lý nước thải theo phương pháp oxy hóa khử và kết tủa. Ngoài ra với nhược điểm là chỉ nên áp dụng với các cơ sở có lưu lượng nước thải nhỏ hơn 15 m3/ngày ([3]) thì phương pháp trao đổi ion không phù hợp với tình hình sản xuất của nhà máy vì lưu lượng nước thải của nhà máy là 200 m3/ngày. Như vậy phương pháp thích hợp nhất để xử lý nước thải là phương pháp oxy hóa khử và kết tủa. Hiện nay, phương pháp oxy hóa khử và kết tủa cũng được sử dụng chủ yếu ở Việt Nam: công ty Khoá Minh Khai, công ty cơ khí Thăng Long, ... III.1.4. Phân tích, lựa chọn sơ đồ công nghệ xử lý nước thải mạ Có rất nhiều căn cứ để lựa chọn một sơ đồ công nghệ phù hợp, tuy nhiên với việc thiết kế hệ thống xử lý, ta dựa trên một số nguyên tắc cơ bản sau: + Đặc điểm công nghệ sản xuất: dựa trên đặc điểm của dây chuyền công nghệ của nhà máy như công suất lớn hay nhỏ, hiện đại hay đã cũ, tự động hóa hay thủ công để đưa ra sơ đồ công nghệ cho phù hợp cả về quy mô, trình độ công nghệ, trình độ kĩ thuật của cơ sở sản xuất + Chất lượng nước đầu vào: điều này cho ta biết được lưu lượng và ô nhiễm đặc trưng của dòng thải từ đó quyết định các phương pháp xử lý có thể áp dụng, nhằm đảm bảo xử lý được nước thải theo mức độ xử lý yêu cầu + Tách được các dòng sạch không cần xử lý: xác định các dòng thải sạch và tách dòng ra khỏi các dòng thải ô nhiễm nhằm góp phần: Tiết kiệm lượng nước sử dụng Giảm lượng nước thải cần xử lý Giảm chi phí xử lý nước thải + Đảm bảo chất lượng nước đầu ra đạt QCVN 24: 2009/BTNMT loại B: đây là tiêu chuẩn thải vào các nguồn tiếp nhận là các nguồn nước không dùng cho mục đích cấp nước sinh hoạt. Điều này sẽ quyết định mức độ xử lý của hệ thống để đưa ra các phương pháp xử lý phù hợp và hiệu quả. + Xử lý triệt để có thể tận thu được kim loại sau này: điều này ảnh hưởng đến việc lựa chọn phương pháp, lựa chọn thiết bị và lựa chọn hóa chất sử dụng để nhằm đảm bảo yêu cầu đặt ra ở trên. + Giá thành đầu tư nhỏ, chi phí vận hành thấp. + Có khả năng thay đổi khi nhà máy có sự mở rộng về quy mô sản xuất. Để xử lý nước thải một cách hiệu quả cho phân xưởng mạ, dựa trên các nguyên tắc đã đưa ra ở trên quy trình xử lý sẽ được tiến hành theo hai bước chính: phân luồng dòng thải và xử lý. Cụ thể + Phân luồng dòng thải: ta tiến hành tách các dòng thải ngay tại nguồn (4 dòng thải chính: dòng Cr (VI), dòng xianua, dòng Ni và dòng Zn) việc tách dòng này sẽ giúp cho quá trình xử lý các chất ô nhiễm trong mỗi dòng thải một cách hiệu quả. + Xử lý: đối với nước thải ngành mạ với đặc tính: chứa hàm lượng kim loại nặng cao; pH dao động mạnh; COD, BOD thấp; hàm lượng SS nhỏ thì để xử lý nước thải mạ ta áp dụng các phương pháp xử lý chủ yếu sau: phương pháp cơ học (điều hòa lưu lượng, lắng), áp dụng phương pháp hóa học (oxy hóa – khử), phương pháp hóa lý (keo tụ). III.1.5. Phương án xử lý nước thải mạ điện tại phân xưởng mạ Căn cứ vào phân tích ở trên, để xử lý các chất ô nhiễm trong nước thải mạ điện tại xưởng mạ, ta áp dụng phương pháp xử lý theo sơ đồ công nghệ mô tả ở hình 2. Phương pháp này bao gồm: a) Phân luồng dòng thải Nước thải xưởng mạ điện bao gồm 4 dòng thải chính là nước thải mạ xyanua, mạ Crom, mạ kẽm và mạ Niken. Do quá trình oxy hóa khử và kết tủa của các dòng thải này diễn ra ở các điều kiện pH khác nhau nên để đảm bảo cho hiệu quả xử lý cao, chúng ta tiến hành tách dòng thải tại nguồn. Mỗi dòng thải trên sẽ đi theo các tuyến ống khác nhau về hố thu nước thải riêng. Ta có 4 dòng thải chính từ 4 bể mạ. Thực tế sau khi thực tập tại công ty cổ phần Khóa Minh Khai tiến hành phân luồng dòng thải như sau: + Lưu lượng nước thải của dòng Cr trong một ngày: Q = 60 m3/ngày = 7,5 m3/h + Lưu lượng nước thải dòng Xianua: Q = 40 m3/ngày = 5 m3/h + Lưu lượng nước thải 2 dòng Zn và dòng Ni gần bằng nhau và bằng: Q = 50 m3/ngày = 6,25 m3/h. b) Phương pháp xử lý Tại các hố thu nước thải, ta lắp đặt song chắn bằng inox nhằm loại bỏ các tạp chất thô. Nước thải từ các hố thu được đưa về bể điều hòa nhằm điều hòa lưu lượng và nồng độ các chất trong nước thải. Từ bể điều hòa, nước thải được bơm lên cụm bể oxy hóa – khử tại đây nước thải được bổ sung thêm Na2SO3 và H2SO4 đối với Cr (VI) và NaOCl đối với xianua. Từ đây nước thải tự chảy sang bể keo tụ. Và tại bể keo tụ, nước thải sẽ được bổ sung thêm kiềm để tiến hành phản ứng kết tủa. Sau đó toàn bộ nước thải được đưa sang bể lắng nhằm tách các bông keo. Sau khi qua bể lắng, toàn bộ nước thải được đưa vào bể trung hòa để tiến hành trung hòa pH rồi sau đó được thải ra ngoài môi trường. Bùn thải được bơm bùn hút về máy ép bùn để xử lý. Nước thải từ máy ép bùn được đưa về bể trung hòa để trung hòa pH trước khi thải. Nếu nước thải từ bể oxy hóa khử và keo tụ không đảm bảo hiệu suất xử lý thì ta có các đường ống tuần hoàn tại từng bể để tiếp tục xử lý. Sơ đồ công nghệ hệ thống xử lý (hình III.2) Nước thải mạ Crôm Nước thải mạ CN- Nước thải mạ Zn2+ Oxy hóa CN- Trung hòa Hố thu gom Khử Cr6+ về Cr3+ Dòng 1 Dòng 1 Dòng 1 Hố thu gom Hố thu gom Nước ra Kết tủa Kết tủa Dòng 1 Nước thải mạ Ni2+ Hố thu gom Lắng Kết tủa Hình III.1: Phân luồng dòng thải III.1.6. Sơ đồ quy trình công nghệ hệ thống xử lý nước thải: Bể lắng Hố lắng cát Hố lắng cát Hố lắng cát Bể điều hòa Bể điều hòa Bể điều hòa Song chắn thô Hố lắng cát Bể điều hòa NaOH NaOH Nước ra Bể trung hòa H2SO4 Ép bùn Bùn khô, chôn lấp Bể kết tủa Bể kết tủa Bể kết tủa Bể khử Cr Bể ôxy hóa Dòng Cr Dòng Ni Dòng Xianua Dòng Zn Song chắn tinh Hình III.2: Sơ đồ công nghệ khu xử lý nước thải tại phân xưởng mạ điện III.2. Cơ sở lý thuyết của phương pháp lựa chọn: III.2.1. Điều hòa lưu lượng Điều hòa lưu lượng được dùng để duy trì dòng thải vào gần như không đổi, khắc phục những vấn đề vận hành do sự dao động lưu lượng nước thải gây ra và nâng cao hiệu suất của các quá trình ở cuối dây chuyền xử lý. Các kĩ thuật điều hòa được ứng dụng cho từng trường hợp phụ thuộc vào đặc tính của hệ thống thu gom nước thải. Các phương án bố trí bể điều hòa lưu lượng có thể là điều hòa trên dòng thải hay ngoài dòng thải xử lý. Phương án điều hòa trên dòng thải có thể làm giảm đáng kể dao động thành phần nước thải đi vào các công đoạn phía sau, còn phương án điều hòa ngoài dòng thải chỉ giảm được một phần nhỏ sự dao động đó. Vị trí tốt nhất để bố trí bể điều hòa cần được xác định cụ thể cho từng hệ thống xử lý. Vị trí tối ưu của nó phụ thuộc vào loại xử lý, đặc tính của hệ thống thu gom và đặc tính của nước thải. Bể điều hòa thường được thiết kế với chiều sâu từ 1,5 – 2m. Thể tích bể điều hòa có thể tính theo công thức sau: [7] Trong đó: Q – Lưu lượng nước thải, m3/h. kn – hệ số dập tắt dao động τd – thời gian thải đột biến Cmax, Ctb, Ccf: nồng độ lớn nhất, trung bình và cho phép của chất gây ô nhiễm (g/m3). Khi kn ≥ 5, thể tích bể điều hòa được tính theo công thức sau: Vđ = kn.Q.τd Thể tích bể điều hòa dùng để dập tắt sự dao động có chu kì của thành phần các chất ô nhiễm sẽ được tính theo công thức sau: Vđ = 0,16.kn.Q.τd Tuy nhiên, trong một số trường hợp khi không xác định được nồng độ max và trung bình của nước thải đầu vào người ta có thể tiến hành tính toán thể tích bể điều hòa thông qua thời gian lưu t của nước trong bể có tính đến hệ số không điều hòa β (β = 1,5 – 2,5) theo công thức V = Q. β.t. [7] III.2.2. Lắng * Quá trình lắng của hạt: trong xử lý nước thải, quá trình lắng được sử dụng để loại bỏ các tạp chất dạng huyền phù thô ra khỏi nước. Sự lắng của các hạt xảy ra dưới tác dụng của trọng lực. Để tiến hành quá trình này, người ta thường dùng các loại bể lắng khác nhau (bể lắng ngang, bể lắng đứng, bể lắng Radian). Trong công nghệ xử lý nước thải, theo chức năng, các bể lắng được phân thành: bể lắng cát, bể lắng cấp I và bể lắng trong (cấp II). Bể lắng có nhiệm vụ tách bùn, bông keo ra khỏi nước thải. Các bể lắng đều phải thỏa mãn yêu cầu: có hiệu suất lắng cao và xả bùn dễ dàng. Nước thải nói chung thường là hệ dị thể đa phân tán hợp thể không bền. Trong quá trình lắng, kích thước, mật độ, hình dạng của các hạt và cả tính chất vật lý của hệ bị thay đổi. Ngoài ra, khi hòa nhập vào nước thải có thành phần hóa học khác nhau cũng có thể tạo thành các chất rắn, trong đó có các chất đông tụ. Những quá trình này sẽ làm ảnh hưởng tới hình dạng và kích thước hạt, gây phức tạp cho việc thiết lập quy luật thực của quá trình lắng. Các tính chất của nước thải khác nhiều so với nước sạch. Nó có khối lượng riêng và độ nhớt cao. Độ nhớt và khối lượng riêng của nước thải chỉ chứa các hạt rắn được tính theo công thức sau: [7] Với: μnt; μo – độ nhớt động lực học của nước thải và nước sạch, Pa.s C0 – nồng độ thể tích của các hạt lơ lửng, kg/m3. ρ, ρnt – khối lượng riêng của nước sạch và nước thải, kg/m3 ε – phần thể tích của pha lỏng, ε được tính theo công thức sau: với VL; VK: thể tích của pha lỏng và pha rắn trong nước thải, m3. Tùy thuộc vào nồng độ và khả năng tác động tương hỗ lẫn nhau giữa các hạt rắn, có thể xảy ra 3 loại lắng chính (hay còn gọi là vùng lắng): lắng từng hạt riêng rẽ, lắng keo tụ và lắng vùng bao gồm lắng tập thể và lắng chen: + Lắng loại I (lắng từng hạt riêng rẽ): đó là quá trình lắng của các hạt trong hỗn hợp huyền phù ở nồng độ thấp (loại cát, sỏi). Các hạt lắng hoàn toàn riêng biệt không có tác động qua lại với nhau. Cơ sở của quá trình lắng loại này là các định luật cổ điển: Định luật Newton và Stockes với giả thiết là các hạt hình cầu. + Lắng loại II (lắng keo tụ): Đó là quá trình lắng của các hạt kết tụ trong hỗn hợp huyền phù hơi loãng, khi nồng độ các hạt rắn trong dung dịch tương đối thấp, chúng sẽ lắng không giống nhau và sẽ kết hợp lại với nhau trong quá trình lắng. Ảnh hưởng này chỉ có thể xác định bằng thực nghiệm: người ta sử dụng cột lắng có chiều cao bằng chiều sâu thực của bể lắng. Loại lắng này thường được áp dụng để loại một phần chất rắn lơ lửng trong xử lý nước thải chưa xử lý trong các công trình xử lý lắng sơ cấp và phần trên của bể thứ cấp, các loại hạt bông keo tụ hóa học trong các bể kết tủa. + Lắng loại III (lắng vùng): bao gồm 2 loại lắng tập thể và lắng chen. Lắng tập thể: đó là quá trình lắng của các hạt lơ lửng trong hỗn hợp huyền phù có nồng độ trung bình. Trong đó lực tương tác giữa các hạt cản trở sự lắng của các hạt bên cạnh. Vì vậy các hạt có xu hướng vẫn ở lại cùng một vị trí với nhau thành một khối cùng lắng xuống, tạo thành một mặt phân cách giữa pha lỏng và pha rắn ở phía trên khối hạt rắn lắng. Loại lắng này thường được sử dụng trong các công trình lắng thứ cấp tiếp ngay sau công trình xử lý sinh học. Lắng chen: đó là quá trình của các hạt trong hỗn hợp huyền phù có nồng độ ở mức tạo nên một cấu trúc, tại đó các hạt rắn lắng tiếp chỉ do sự nén ép của cấu trúc đó. Sự nén ép này xảy ra là do trọng lượng của các hạt rắn liên tiếp thêm vào bởi sự lắng của chúng từ lớp lỏng ở phía trên. Tốc độ lắng chen nhỏ hơn tốc độ lắng tự do, do xuất hiện dòng chất lỏng đi ngược lên và độ nhớt lớn của môi trường. Loại lắng này thường xảy ra trong lớp dưới của khối bùn nằm sâu ở đáy của bể lắng thứ cấp hay thiết bị làm đặc bùn. Quá trình thiết kế bể lắng làm việc ở điều kiện lắng vùng bao gồm: 1. Tính diện tích bề mặt tối thiểu cần thiết để gạn trong, tách bùn ra khỏi nước. 2. Tính diện tích bề mặt tối thiểu để làm đặc bùn đến nồng độ yêu cầu. 3. Lấy diện tích lớn nhất của hai diện tích trên để thiết kế diện tích bề mặt cần thiết cho thiết bị lắng. Diện tích tối thiểu cần thiết để gạn trong phụ thuộc vào vận tốc lắng W1 và được tính từ công thức: [7] Trong đó: Alt – diện tích bể lắng trong, m2. Q – lưu lượng nước thải m3/h. W1 – vận tốc lắng. Vận tốc lắng W1 của bùn hoạt tính được xác định bằng phương pháp đồ thị và theo công thức Nhiệt độ của nước cũng ảnh hưởng tới vận tốc lắng của các hạt rắn lơ lửng. Trong thiết kế bể lắng, căn cứ để tính kích thước bể là vận tốc dòng tràn (tương đương với vận tốc lắng bề mặt), chiều sâu thành bể và thời gian lưu. Vận tốc dòng tràn được tính theo công thức: [7] Trong đó: Wo – Vận tốc dòng tràn, m3/m2.ngày. Q – lưu lượng trung bình hằng ngày, m3/ngày. A – Tổng diện tích bề mặt bể, m2 Ở đây diện tích bề mặt tính toán A chưa kể đến diện tích bề mặt giếng phân phối dòng vào ở giữa hoặc máng dẫn thoát. Lưu lượng trung bình là lưu lượng dòng tràn ở bể lắng sơ cấp, bằng chính lưu lượng dòng vào vì có thể bỏ qua thể tích bùn tháo từ đáy bể. Còn ở bể lắng thứ cấp thì đó chính là lưu lưu lượng dòng ra. Đại lượng W0 còn được gọi là tải lượng thủy lực (tải lượng riêng trên một đơn vị diện tích) Thời gian lưu nước được tính theo công thức: [7] Trong đó: t – thời gian lưu nước (h) V – thể tích bể lắng, m3. Q – lưu lượng trung bình ngày, m3/ngày. Thời gian lưu phải đủ để lắng một khối lượng lớn chất lơ lửng và để cho nước thải không cuốn theo các chất rắn cần tách ra ngoài bể lắng. Về mặt lý thuyết cho thấy, năng suất bể lắng không phụ thuộc vào chiều sâu của bể lắng. Chiều sâu của bể là chiều sâu của nước đo từ đáy bể tới đỉnh vách chảy tràn. Tải lượng thủy lực của vách tràn là thương số giữa lượng nước chảy tràn trung bình hàng ngày với tổng độ dài của vách tràn (m3/m2.ngày). Trong thực tế, vận tốc lắng hoặc vận tốc nổi lên được xác định theo thực nghiệm, còn tải trọng thủy lực lấy trong các tài liệu. Hiện nay, hai loại bể lắng được sử dụng trong công nghệ xử lý nước thải là bể lắng cát và các loại bể lắng dùng trong lắng cấp I, cấp II. Ở đây ta quan tâm tới các loại bể lắng dùng trong lắng cấp I và cấp II. * Bể lắng đứng Nguyên lý hoạt động của bể lắng đứng là nước thải theo đường dẫn nước vào (1) chảy vào ống trung tâm (8) ở giữa bể. Phía dưới ống trung tâm có bố trí tấm hướng dòng (5) để thay đổi hướng chảy của nước thải sang hướng ngang. Nước chảy ra khỏi ống trung tâm dâng lên theo thân bể, sau đó tràn ra máng thu (2) và theo ống dẫn nước ra (4) đi sang bể điều chỉnh pH cuối cùng. Cặn lắng rơi xuống vùng chứa cặn hình chóp (7) theo ống xả cặn sang máy ép bùn. Hình3: Thiết bị lắng đứng Bể lắng có dạng hình hộp hoặc hình trụ với đáy hình chóp. Nước thải được đưa vào ống trung tâm ở tâm bể với vận tốc không quá 30 mm/s. Nước thải chuyển động theo phương thẳng đứng từ dưới lên trên tới vách tràn với vận tốc 0,5 – 0,6 m/s. Thời gian lưu nước lại trong bể từ 45 – 120 phút và được xả ra ngoài băng áp lực thủy tĩnh. Chiều cao vùng lắng từ 4 – 5m. Trong bể lắng, các hạt chuyển động cùng với nước từ dưới lên trên với vận tốc W và lắng dưới tác dụng của trọng lực với vận tốc W1. Do đó các hạt có kích thước khác nhau sẽ chiếm những vị trí khác nhau trong bể lắng. Khi W1> W, các hạt sẽ lắng nhanh, khi W1< W chúng sẽ bị cuốn theo dòng chảy lên trên. Hiệu suất của bể lắng đứng thường thấp hơn bể lắng ngang từ 10 – 20%. [7] * Bể lắng ngang Bể lắng ngang có thể được làm bằng các vật liệu khác nhau như bê tông, bê tông cốt thép, gạch hoặc bằng đất tùy thuộc vào kích thước, yêu cầu của quá trình lắng và điều kiện kinh tế. Trong bể lắng ngang, dòng nước thải chảy theo phương nằm ngang qua bể. Người ta chia dòng chảy và quá trình lắng thành 4 vùng: Vùng nước vào, vùng lắng, vùng xả nước, vùng cặn. Các bể lắng ngang thường có chiều sâu từ 1,5 – 4m, chiều dài bằng (8 – 12)H, chiều rộng kênh từ 3 – 6m. Để phân phối đều nước người ta thường chia bể thành nhiều ngăn bằng các vách ngăn. Các bể lắng ngang thường được sử dụng khi lưu lượng nước thải trên 15.000m3/ngày. Hiệu suất lắng đạt 60%. Vận tốc dòng chảy của nước thải trong bể lắng thường được chọn không lớn hơn 0,01m/s còn thời gian lưu từ 1 – 3 giờ. [7] * Bể lắng Radian Loại bể này có tiết diện hình tròn, đường kính 16 – 40m ( có khi tới 60m). Chiều sâu phần nước chảy 1,5 – 5m, còn tỷ lệ đường kính/chiều sâu từ 6 – 30. Đáy bể có độ dốc i ≥ 0,02 về tâm để thu cặn. Nước thải được dẫn vào bể theo chiều từ tâm ra thành bể và được thu vào máng tập trung rồi dẫn ra ngoài. Cặn lắng xuống đáy được tập trung lại để đưa ra ngoài nhờ hệ thống gạt cặn quay tròn. Thời gian nước thải lưu lại trong bể khoảng 85 – 90 phút. Hiệu suất lắng đạt 60%. Bể lắng Radian được ứng dụng cho các trạm xử lý có lưu lượng từ 20.000 m3/ngày đêm trở lên. [7] III.2.3. Oxy hóa – khử Để làm sạch nước thải người ta sử dụng các chất oxy hóa như Clo, đioxit clo, Clorat canxi, bicromat natri, Peoxythydro... 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 học chỉ được dùng trong những trường hợp khi các tạp chất gây ô nhiễm bẩn trong nước thải không thể tách bằng những phương pháp khác. Ví dụ: khử Xianua, khử các hợp chất Asen, oxy hóa Cr6+... Ở đây ta quan tâm tới 2 quá trình khử Cr6+ và oxy hóa Xianua CN- * Quá trình khử Cr6+ Nước thải của mạ điện đặc biệt là mạ Crom chứa rất nhiều Cr6+. Cr6+có tính độc cao với môi trường nhưng lại hòa tan tốt trong nước. Nên nguyên tắc của quá trình xử lý Crom là khử chuyển Cr6+ về Cr3+ rồi tiến hành kết tủa. Việc chuyển Cr (VI) thành Cr(III) có thể sử dụng các hóa chất như: FeSO4, NaHSO3, Na2SO3... [12] + Sự khử Cr (VI) bằng FeSO4: có thể tiến hành cả trong môi trường axit hoặc môi trường kiềm theo phản ứng: 2CrO3 + 6FeSO4 + 6H2SO4 = 3Fe2(SO4)3 + 6H2O + Cr2(SO4)3. Lượng FeSO4 tiêu tốn phụ thuộc vào pH và nồng độ Cr. Ở điều kiện thuận lợi nhất khi nhiệt độ bằng 200C và pH = 7, lượng FeSO4 tiêu tốn lớn hơn 1,3 lần theo lý thuyết [12]. Nhận biết quá trình khử trên ta có thể thấy qua màu nước chuyển từ màu nâu đỏ chuyển thành màu xanh nhạt. + Sự khử Cr (VI) thành Cr (III) bằng NaHSO3. 4CrO3 + 6NaHSO3 + H2SO4 = 2 Cr2(SO4)3 + 3Na2SO4 + 6H2O + Sự khử Cr (VI) thành Cr (III) bằng Na2SO3. 2H2CrO4 + 3 Na2SO3 + 3H2SO4 = Cr2(SO4)3 + 3Na2SO4 + 5H2O (*) Quá trình khử trên thực hiện ở pH = 2 – 4 và có dư H2SO4 [12]. Trong các chất khử ở trên, nếu sử dụng FeSO4 thì trong dòng thải có thêm ion Fe3+ và bùn thải sau xử lý sẽ có lẫn thêm kết tủa hydroxit sắt, khiến cho lượng bùn thải tăng lên. Do đó, ta sẽ lựa chọn NaHSO3 hoặc Na2SO3 để thực hiện quá trình khử Cr (VI) để tránh có lẫn thêm kết tủa khác. Ta chọn Na2SO3 làm hóa chất khử Cr(VI). Ưu điểm khi sử dụng Na2SO3 đó là bùn thải cuối quá trình xử lý giảm đáng kể vì không còn chứa bùn của sắt. Tuy nhiên, nhược điểm là những hóa chất có chứa ion SO32- khi tiến hành phản ứng khử Cr6+ phải tiến hành trong môi trường axit có pH = 2 - 4. [12] * Quá trình oxy hóa Xianua Để trung hòa nước thải chứa Xiaua (CN-), người ta thường dùng các chất oxy hóa như nước Clo, NaOCl (natri hypoclorit); CaOCl2 (clorua vôi), thuốc tím KMnO4, H2O2(oxy già) hoặc sunfat sắt II FeSO4.7H2O để biến CN- thành một hợp chất xanh berlin hay xanh pruxơ không tan và không độc. NaCN + NaOCl → NaCNO + NaCl NaCNO + NaOCl + H2O → CO2↑ + N2↑ + NaOH + NaCl (**) Theo phản ứng trên, khi sử dụng OCl- quá trình oxy hóa xianua xảy ra ở pH = 8,5 - 10, pH tối ưu cho các giai đoạn là pH = 10 cho giai đoạn 1 và pH = 6,5 cho giai đoạn 2. Do đó trong bể oxy hóa ta sẽ duy trì pH = 8,5 – 10. Hóa chất bổ sung để có pH này là xút NaOH. Trong bể có cánh khuẩy để đảo trộn hóa chất cho đều và đầu dò pH để đảm bảo luôn duy trì pH = 8,5 – 10.[12] Việc tính toán kích thước cho các bể oxy hóa – khử phụ thuộc vào tốc độ phản ứng (thời gian lưu), lưu lượng nước, lượng hóa chất bổ sung, nồng độ chất ô nhiễm. Do đó để tính toán được kích thước của các bể oxy hóa khử này cần phải xác định được các thông số trên. III.2.4 Kết tủa, đông keo tụ: Quá trình lắng chỉ có thể tách được các hạt có rắn huyền phù nhưng không thể tách được các chất gây ô nhiễm bẩn ở dạng keo và hòa tan vì chúng là những hạt rắn có kích thước quá nhỏ. Để tách các hạt rắn đó một cách hiệu quả bằng phương pháp lắng, cần tăng kích thước của chúng nhờ sự tác động tương hỗ giữa các hạt phân tán liên kết thành tập hợp các hạt, nhằm tăng kích thước của chúng. Việc khử các hạt keo rắn bằng lắng trọng lượng đòi hỏi trước hết cần trung hòa điện tích của chúng, thứ đến là liên kết chúng với nhau. Quá trình trung hòa điện tích được gọi là quá trình đông tụ và quá trình tạo các bông lớn gọi là quá trình keo tụ kết tủa. Những hạt rắn lơ lửng mang điện tích âm trong nước sẽ hút các ion trái dấu. Một số các ion trái dấu đó bị hút chặt vào hạt rắn đến mức chúng chuyển động cùng hạt rắn, do đó tạo thành một mặt trượt. Xung quanh lớp 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 bớt 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 (ζ) 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 việc dính kết giữa các hạt rắn với nhau. 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 VanderWaals – do cấu trúc phân tử của các hạt. Tổng của hai loại điện tích này là điện tích đẩy thực hay là một hàng rào năng lượng cản trở các hạt rắn liên kết với nhau. Như vậy mục tiêu của động tụ là giảm thế zeta – tức là giảm chiều cao hàng rào năng lượng này tới giá trị tới hạn, sao cho các hạt rắn không đẩy lẫn nhau bằng cách 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 đông tụ phụ thuộc vào hóa trị của ion, chất đông tụ mang điện trái dấu với điện tích của hạt. Hóa trị của ion càng lớn thì hiệu quả đông tụ càng cao. Quá trình thủy phân các chất đông tụ và tạo thành các bông keo xảy ra theo các giai đoạn sau: Me3+ + HOH = Me(OH)2+ + H+ Me(OH)2+ + HOH = Me(OH)+ + H+ Me(OH)+ + HOH = Me(OH)3 + H+ => Me3+ + HOH = Me(OH)3 + 3H+ Liều lượng của các chất đông tụ tùy thuộc vào nồng độ tạp chất rắn trong nước thải. Các chất đông tụ, keo tụ thường dùng là các muối nhôm, sắt hoặc hỗn hợp của chúng hoặc trực tiếp đưa OH- vào ( đặc biệt trong trường hợp nước thải chứa nhiều ion kim loại nặng). Việc lựa chọn chất đông tụ phụ thuộc vào các tính chất hóa lý, chi phí, nồng độ tạp chất trong nước, pH và thành phần muối trong nước. Trong thực tế người ta thường sử dụng các chất đông tụ sau: Al2(SO4)3.18H2O; NaAlO2; KAl(SO4)2...Trong đó được dùng rộng rãi nhất là Al2(SO4)3 bởi vì Al2(SO4)3 hòa tan tốt trong nước, cho phí thấp và hoạt động có hiệu quả cao trong khoảng pH = 6,5 – 8. Các muối sắt được sử dụng có nhiều ưu điểm hơn so với các muối nhôm do: tác dụng tốt hơn ở nhiệt độ thấp, có khoảng pH tối ưu của môi trường rộng hơn, độ bền lớn và kích thước bông keo có khoảng giới hạn rộng của thành phần muối, có thể khử được H2S. Tuy nhiên muối sắt cũng có những nhược điểm là chúng tạo thành các phức hòa tan nhuộm màu qua phản ứng của các cation sắt với một số hợp chất hữu cơ. [12] Người ta dùng thí nghiệm Jar – test để xác định liều lượng tối ưu cho quá trình keo tụ trong quá trình xử lý nước và nước thải. Để tăng cường quá trình keo tụ kết tủa tạo bông người ta còn thêm vào trong nước một số hợp chất cao phân tử (gọi là chất trợ keo) để thúc đẩy quá trình keo tụ kết tủa tạo bông và lắng. Để xử lý nước thải người ta thường thêm vào nước thải các chất keo tụ kết tủa tạo bông có nguồn gốc thiên nhiên hoặc tổng hợp. Đa số chất bẩn hữu cơ, vô cơ dạng keo trong nước thải có điện tích âm và do đó nếu dùng các chất trợ đông tụ cation trước đó sẽ không cần đông tụ sơ bộ. Việc lựa chọn hóa chất, liều lượng tối ưu của chúng, trình tự cho vào nước...cũng đều phải được xác định bằng thực nghiệm. Để phản ứng diễn ra hoàn toàn và tiết kiệm, phải khuấy trộn đều hóa chất với nước thải. Thời gian nước lưu lại trong bể trộn khoảng 1 đến 5 phút. Tiếp đó thời gian cần thiết để nước thải tiếp xúc với hóa chất cho tới khi bắt đầu lắng dao động trong khoảng 20 – 60 phút. Trong thời gian này các chất hóa học có tác dụng và sẽ diễn ra quá trình đông tụ và tạo bùn. [12] Để khuấy trộn nước thải với hóa chất và tạo được bông keo người ta dùng các phương pháp khuấy thủy lực và khuấy cơ học. Có nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành quá trình kết tủa: khí nén, cánh khuấy. Năng lượng cần thiết để chuyển động cánh khuấy trong nước tính theo công thức sau: [12] Trong đó: P – năng lượng, N/s. A – diện tích cánh khuấy, m2; ρ – khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3. CD – hệ số ma sát Gradien vận tốc sinh ra do việc đưa năng lượng từ bên ngoài vào thể tích nước V sẽ là: [12] Trong đó: G – Gradien vận tốc, s-1. μ – độ nhớt của nước dyn.s/cm2. V – thể tích của bể đông tụ, m3. Trong đa số trường hợp, tiêu chuẩn yêu cầu trong thiết kế thường lấy G trong khoảng từ 30 – 60 s-1. Thời gian cũng là một thông số quan trọng trong quá trình keo tụ kết tủa. Trong thiết kế người ta thường chọn tích số G.τ trong đó τ là thời gian lưu thủy lực trong bể kết tủa. Giá trị điển hình của tích số trên nằm trong khoảng 104 – 105. Quá trình làm sạch nước thải bằng đông tụ và keo tụ gồm các giai đoạn: định lượng khuấy trộn hóa chất với nước thải, tạo thành bông keo và lắng bông keo. III.3. Giới thiệu các thiết bị chính: Song chắn rác Loại song chắn được chọn là loại vừa, làm từ các thanh thép với khoảng cách giữa các thanh là 20 mm. Do nước thải của các cơ sở mạ điện không chứa nhiều tạp chất thô, có kích thước lớn nên lượng rác tích luỹ tại song chắn là không đáng kể. Bể điều hoà Do đặc trưng của ngành mạ điện là lưu lượng cũng như nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải dao động lớn nên bể điều hoà được sử dụng để ổn định các thông số này, tạo điều kiện cho quá trình xử lý tiếp theo đạt được hiệu quả cao. Quá trình điều hoà cũng tránh được tình trạng quá tải do đó giảm chi phí xây dựng, vận hành và quản lý của hệ thống xử lý. Bể điều hoà được khuấy trộn nhờ hệ thống khí nén. Bể phản ứng khử Trong bể phản ứng khử, Cr (VI) được chuyển hoá thành dạng Cr (III) ít độc hơn và dễ xử lý hơn. Chất khử được lựa chọn là Na2SO3, môi trường phản ứng là pH = 3. Na2SO3 được pha chế thành dung dịch 20% sau đó được bơm vào bể phản ứng. Phản ứng xảy ra như sau: Cr2O72- + 3SO32- + 8H+ = 2Cr3+ + 3SO42- + 4H2O Bể phản ứng khử được bố trí hệ thống khuấy trộn bằng cánh khuấy. Trong thời gian phản ứng là 30 phút, hiệu suất khử Cr là 99,9%. [6] 4. Bể phản ứng oxy hóa Trong bể phản ứng oxy hóa, CN- được oxy hoá thành CNO- và sau đó thành N2 và CO2. Chất oxy hóa được lựa chọn là NaOCl, môi trường phản ứng là pH = 8,5- 10. NaOCl được pha chế thành dung dịch 20% sau đó được bơm vào bể phản ứng. Phản ứng xảy ra như sau: NaCN + NaOCl → NaCNO + NaCl NaCNO + NaOCl + H2O → CO2↑ + N2↑ + NaOH + NaCl Bể phản ứng oxy hóa được bố trí hệ thống khuấy trộn bằng cánh khuấy. Trong thời gian phản ứng là 30 phút, hiệu suất oxy hóa là 99,9%. [6] 5. Bể phản ứng kết tủa Bể phản ứng kết tủa có tác dụng kết tủa các kim loại có trong nước thải. NaOH được pha chế thành dạng dung dịch 20% có khuấy trộn bằng cánh khuấy. NaOH được bơm vào các bể phản ứng kết tủa, ở đây ion kim loại phản ứng với NaOH tạo dạng hydroxyt kết tủa. Các phương trình phản ứng diễn ra đối với mỗi kim loại như sau: +) Đối với Cr: Cr2(SO4)3 + 6NaOH = 2Cr(OH)3 ↓ + 3Na2SO4 +) Đối với Cu và Zn: Cu2+ + 2NaOH = Cu(OH)2 + 2Na+ ZnSO4 + 2NaOH = Zn(OH)2 ↓+Na2SO4 +) Đối với Ni: NiSO4 + 2NaOH = Ni(OH)2 ↓ + Na2SO4 Với thời gian phản ứng là 3 - 5 phút, hiệu suất tách ion kim loại đạt 99,9% . Các hydroxyt có kích thước lớn nên dễ dàng lắng ngay tại bể lắng. [13] 6. Bể lắng đứng Nhiệm vụ của bể lắng là tách các hạt hydroxyt kim loại kết tủa và các hạt rắn lơ lửng ra khỏi nước thải. Các hạt hydroxyt kết tủa có kích thước lớn nên dễ dàng lắng ngay khi vào bể lắng, hiệu suất đạt khoảng >90%. Các hạt rắn lơ lửng có kích thước nhỏ hơn nên khó lắng hơn, hiệu suất lắng các hạt dạng này đạt khoảng 65 - 70% đối với loại bể lắng đứng nước chuyển động từ trên xuống dưới. Loại bể lắng được lựa chọn là bể lắng đứng [12]. Nước được bơm vào ống trung tâm ở giữa bể, đi xuống dưới gặp bộ phận tấm chắn, hướng dòng nước thải thành chuyển động ngang vào vùng lắng. Tại đây, nước chuyển động từ dưới lên, cặn rơi xuống đáy bể. Nước trong được thu bằng máng vòng bố trí xung quanh thành bể và được đưa sang thiết bị tiếp theo. 7. Bể điều chỉnh pH Nước sau khi ra khỏi bể lắng mang tính kiềm, vì vậy trước khi thải ra môi trường cần phải qua bể điều chỉnh pH sao cho đạt QCVN 24: 2009/BTNMT (loại B). Axit từ bể chứa axit được định lượng và đưa vào bể để pH của nước thải ra môi trường là 5,5 – 9 8. Thiết bị xử lý bùn Trong hệ thống xử lý này, thiết bị lọc ép khung bản được chọn làm thiết bị xử lý bùn có tác dụng tách nước ra khỏi bùn lắng, giảm khối lượng chất thải rắn của hệ thống. Bùn thải sau đã được tách nước được đem đi chôn lấp. CHƯƠNG IV: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI MẠ ĐIỆN IV.1. Nước thải nhà máy và xử lý nước thải phân xưởng mạ: IV.1.1. Hệ thống cống thoát nước Nhà máy không chỉ có khu xử lý nước thải mà còn gồm các xưởng và khu chức năng: xưởng cơ khí, xưởng mạ, khu hành chính, nhà ăn và phòng họp. Nước thải của các phân xưởng này có tính chất rất khác nhau do đó ta tiến hành phân luồng dòng thải của các xưởng nhằm tiện cho việc xử lý sau này. Đối với xưởng cơ khí, nước thải ở đây chủ yếu là dầu mỡ và một lượng nhỏ các chất rắn vô cơ, hàm lượng hóa chất trong nước thải rất ít. Do đó ta thu nước thải xưởng này vào một hố thu gom riêng, tại đây ta cho lắp đặt hệ thống gạt dầu để tách dầu mỡ ra khỏi nước thải. Nước thải sau khi được tách dầu mỡ sẽ được nhập chung vào cống thải của công ty và thải ra ngoài. Nước thải của nhà ăn và các khu chức năng khác chỉ là nước thải sinh hoạt do đó được dẫn trực tiếp vào cống thoát chung của công ty. Cống này được xây bằng bê tông, chìm dưới đất, rộng 50cm, sâu 50cm. Riêng với nước thải của phân xưởng mạ, do nước thải ở đây có tính độc hại cao nên ta tiến hành thu gom và xử lý. Việc phân dòng của nước thải xưởng mạ được thực hiện ngay trong xưởng tại các nguồn thải. Chúng ta tiến hành thu nước thải theo từng khu vực sản xuất, dựa trên bố trí thiết bị trong xưởng. Tại xưởng mạ của nhà máy, ngoài các dòng thải từ các bể mạ Cr, Ni, Cu, Zn còn có các dòng thải chứa axit và kiềm từ các bể tẩy rỉ, tẩy điện hóa. Các dòng này sẽ được thu theo nguyên tắc sau: + Tách riêng dòng thải mạ Cr để xử lý riêng + Dòng thải mạ đồng sẽ được tách riêng theo một tuyến ống thu nước thải riêng vì trong quá trình sản xuất nhà máy có thể sử dụng mạ đồng trong dung dịch Xianua. Do Xianua độc với môi trường nên cần thu và tách dòng thải mạ đồng một cách triệt để. + Dòng thải chứa kiềm và axit từ các bể tẩy rỉ, tẩy điện hóa sẽ nhập chung với dòng thải từ các bể phá lớp mạ Niken và mạ Kẽm. Hơn nữa việc nhập các dòng thải vào với nhau không làm ảnh hưởng tới hiệu suất xử lý của quá trình. Như vậy, từ phân xưởng mạ của nhà máy, chúng ta có 4 dòng thải đi theo 4 tuyến ống riêng biệt ra 4 hố thu nước thải khác nhau. Hệ thống ống dẫn nước thải của xưởng mạ là các ống nhựa PVC chịu được kiềm, axit. Đường kính ống Ø 110, toàn bộ hệ thống rãnh được bọc composite. Nước thải từ 4 hố thu gom tự chảy vào 4 bể điều hòa của hệ thống xử lý nước thải. IV.1.2. Lưới chắn rác và hố thu nước thải: a) Song chắn rác: Song chắn được đặt ở cửa dẫn nước và công trình thu nước có tác dụng loại bỏ rác trong nước nhằm bảo vệ các thiết bị và nâng cao hiệu quả xử lý của công trình xử lý nước thải. Thanh chắn rác có thể dùng loại tiết diện tròn, chữ nhật, bầu dục... Tiết diện tròn ít được sử dụng vì rác dễ dính chặt vào thanh chắn gây khó khăn cho công tác vớt rác. Được sử dụng nhiều là thanh chắn có tiết diện hình chữ nhật, tuy nhiên loại này tổn thất thuỷ lực lớn. Song chắn đặt nghiêng góc 600 so với mặt phẳng ngang để thuận lợi khi vớt rác và đặt vuông góc với hướng nước chảy theo mặt bằng. Vì lượng rác trong các xưởng mạ không nhiều, với lưu lượng 200m3/ngày chọn song chắn có tiết diện hỗn hợp hình tròn và chữ nhật. Loại song chắn này khắc phục được hạn chế của của 2 loại song chắn trên. Hình IV.1: Sơ đồ cấu tạo song chắn rác. Do kích thước các chất rắn vô cơ lơ lửng trong nước thải mạ điện thường lớn, nước lại chứa hợp chất ăn mòn, vì vậy ta dùng các lưới lọc rác để loại bỏ rác thô. Các lưới này được làm bằng inox vì inox có khả năng chịu được sự ăn mòn của các axit hay kiềm có lẫn trong nước thải. Kích thước mắt lưới là 2cm x 2 cm. b) Hố thu gom nước thải: Từ bể mạ có 4 dòng thải chính đi theo các tuyến ống khác nhau đặt chìm dưới đất về hố thu gom nước thải với lưu lượng mỗi dòng là: + Dòng Cr: Q = 7,5 m3/h + Dòng Xianua: Q = 5 m3/h + Dòng Zn: Q = 6,25 m3/h + Dòng Ni: Q = 6,25 m3/h Hố thu gom được thiết hình chữ nhật, đặt nửa chìm nửa nổi trên mặt đất. Vật liệu xây dựng: bê tông cốt thép. Thời gian lưu nước trong hố thu gom tối thiểu là 15 – 20 phút. Chọn thời gian lưu nước là t = 15 phút. + Thể tích hố thu gom của dòng Cr là: V1 = Q.t = 7,5. = 1,875 (m3) + Thể tích hố thu gom của dòng Xianua: V2 = Q.t = 5. = 1,25 (m3) + Thể tích hố thu gom của dòng Zn và Ni: V3 = V4 = Q.t = 6,25. = 1,5625 (m3) Hình IV.2: Hố thu gom Kích thước hố thu gom mỗi dòng: + Hố thu gom của dòng Cr: V1 = cao × rộng × dài = 1 x 1,25 x 1,5 = 1,8 (m3) + Hố thu gom dòng Xianua: V2 = cao × rộng × dài = 1 x 0,85 x 1,5 = 1,275 (m3) + Hố thu gom của dòng Zn và Ni: V3 = V4 = cao × rộng× dài = 1 x 1,05 x 1,5 = 1,575 (m3) Kích thước xây dựng hố thu là: Chọn chiều cao bảo vệ là 0,3m V1xd = cao × rộng × dài = 1,3 x 1,25 x 1,5 = 2,4375 (m3) V2xd = cao × rộng × dài = 1,3 x 0,85 x 1,5 = 1,6575 (m3) V3xd = V4xd = cao × rộng × dài = 1,3 x 1,05 x 1,5 = 2,0475 (m3) (Ngoài tác dụng lưu giữ nước thải, mỗi hố thu gom này còn có tác dụng như một bể lắng cát nhằm tách các hạt vô cơ có lẫn trong dòng thải của phân xưởng. Lượng cặn lắng sẽ được công nhân nhà máy định kì lấy ra khỏi hố với thời gian lấy là 1-1,5 tháng/lần.) IV.2. Tính toán các thiết bị chính của hệ thống xử lý nước thải: Tổng lưu lượng nước thải là 200 m3/ngày hoạt động với công suất 8h/ngày với các thông số thiết kế đề bài đã nêu. IV.2.1. Bể điều hòa: a) Nhiệm vụ: Nước thải thường có lưu lượng và thành phần các chất bẩn không ổn định theo thời gian và không ổn định tùy theo nhu cầu về sản phẩm mạ của khách hàng. Sự dao động này nếu không được điều hoà sẽ ảnh hưởng đến chế độ công tác của trạm xử lý nước thải, đồng thời gây tốn kém nhiều về xây dựng cơ bản và quản lý. Do vậy, nước thải đưa vào xử lý cần phải điều hoà nhằm tạo cho dòng nước thải vào hệ thống xử lý gần như không đổi, khắc phục những trở ngại cho chế độ công tác do lưu lượng và nồng độ nước thải dao động gây ra và đồng thời nâng cao hiệu suất xử lý cho toàn bộ dây chuyền. b) Mô tả: Hình IV.3: Mô phỏng bể điều hòa Bể điều hòa đặt sau hố thu gom, nhận nước thải trực tiếp từ hố gom, đặt nửa chìm nửa nổi trên mặt đất. Tại mỗi bể điều hòa, chúng ta có thể dùng cánh khuấy hoặc sục khí để điều hòa nồng độ các chất trong nước thải. Ở đây, ta lựa chọn phương pháp khuấy trộn là sục khí bằng máy nén. Phương pháp này sử dụng điện năng không lớn và còn có tác dụng tăng lượng oxy hòa tan trong nước giúp cho các quá trình oxy hóa được tốt hơn. Nước thải sau khi điều hòa có hàm lượng oxy hòa tan cao. Bể điều hòa dạng hình chữ nhật trên mặt bằng. Với 4 dòng thải chính có 4 bể điều hòa. Vật liệu xây dựng: Bê tông cốt thép có trát lớp vữa chịu acid, thành bể dày 22cm. Thể tích bể: Do không có số liệu về sự thay đổi lưu lượng, thành phần nước thải theo thời gian trong ngày, nên chọn thời gian lưu là 45 phút tính gần đúng theo thời gian lưu cần thiết. Công thức tính thể tích bể: V = Qmax.t trong đó là Qmax = β.Q (với β là hệ số không điều hòa; chọn β = 1,5). +) Với bể điều hòa dòng Cr: V = Qmax.t = 1,5.7,5. = 8,4375 (m3) Hình dạng của bể hình chữ nhật, có lót nhựa composit, chịu được axit, chịu được mài mòn, kích thước bể: - Cao: H = 1,8m (H = 1,5 – 2m) -Chiều cao bảo vệ: Hbv = 0,2m (nổi trên mặt đất) - Tổng chiều cao: 2m - Dài: L = 2,3m - Cạnh đáy: B = 2,1m V = 1,8 x 2,1 x 2,3 = 8,694 (m3) - Thể tích thực: V = 2 x 2,1 x 2,3 = 9,66 (m3) +) Với bể điều hòa dòng Xianua: V = Qmax.t = 1,5.5.= 5,625 (m3) Hình dạng bể điều hòa là hình chữ nhật, có lót nhựa composit, chịu được axit, chịu được mài mòn, kích thước bể: - Cao: H = 1,8m (H = 1,5 – 8m) - Chiều cao bảo vệ: Hbv = 0,2m (nổi trên mặt đất) - Tổng chiều cao: 2m - Dài: L = 2,3m - Cạnh đáy: B = 1,4m V = 1,8 x 2,3 x 1,4 = 5,796 (m3) - Thể tích thực: V = 2 x 2,3 x 1,4 = 6,44 (m3) +) Với bể điều hòa dòng Zn và dòng Ni: V = Qmax.t = 1,5.6,25. = 7,0313 (m3) Hình dạng bể điều hòa là hình chữ nhật, có lót nhựa composit, chịu được axit, chịu được mài mòn, kích thước bể: - Cao: H = 1,8m - Chiều cao bảo vệ: Hbv = 0,2m (nổi trên mặt đất) - Dài: L = 2,3m - Cạnh đáy: B = 1,7m V = 1,8 x 2,3 x 1,7 = 7,038 (m3) - Thể tích thực: V = 2 x 1,7 x 2,3 = 7,82 (m3) Phía trên bể tuyển nổi lắp các tấm đan bảo vệ tránh những tai nạn cho công nhân vận hành hệ thống. Hệ thống thổi khí được bố trí ở đáy bể điều hòa. Ống phân phối thường có đường kính 50 – 75 mm. [13] + Sử dụng thiết bị cấp khí tạo bọt có kích thước trung bình kiểu dàn ống phân phối khí nén dạng đục lỗ. Hệ thống phân phối gồm 1 tuyến ống dẫn khí chính D70 mm từ máy nén khí tới các bể điều hòa. Tại mỗi bể có: 1 đường ống nhánh D50 mm dẫn khí xuống dàn sục khí phía dưới, mỗi đường ống lắp van một chiều để điều chỉnh lượng không khí cấp vào từng bể điều hòa cho phù hợp với lượng nước thải vào bể. Thường lựa chọn hệ thống phân phối khí là đĩa quay, mỗi đĩa cách nhau 50cm. - Bể điều hòa dòng Cr có 4 hàng đĩa/bể, 5 đĩa/hàng. - Bể điều hòa dòng Xianua có 3 hàng đĩa/bể, 5 đĩa/hàng. - Bể điều hòa dòng Ni và dòng Zn có 3 hàng đĩa, 5 đĩa/hàng. Trên mỗi đường ống D50 ta lắp một van một chiều để điều chỉnh lượng không khí cấp vào từng bể điều hòa cho phù hợp với lượng nước thải vào bể. + Do chỉ có tác dụng xáo trộn nước thải là chính nên cường độ cấp khí của máy nén có thể thay đổi tùy vào lượng nước vào bể. Nước thải từ bể điều hòa tự chảy tràn sang ngăn thu nước bên cạnh qua lưới chắn làm bằng inox. Lưới này có tác dụng tách rác vô cơ lần nữa, tránh tắc bơm. Từ ngăn thu nước, nước thải được bơm lên các bể phản ứng. Ngăn thu nước cũng được xây bằng bê tông cốt thép. Chọn kích thước ngăn thu nước là: +) Với ngăn thu của dòng Cr: - Kéo dài với bể điều hòa 0,5m - Rộng: 2,1m - Sâu: 1,8m - Chiều cao dự phòng: 0,2m => Thể tích xây dựng là: 2.2,1.0,5 = 2,1 (m3). +) Với ngăn thu dòng Xianua: - Kéo dài với bể điều hòa 0,5m - Rộng: 1,4m - Sâu: 1,8m - Chiều cao dự phòng: 0,2m => Thể tích xây dựng: 2.1,4.0,5 = 1,4 (m3). +) Với ngăn thu dòng Zn và dòng Ni: - Kéo dài với bể điều hòa 0,5m - Rộng: 1,7m - Sâu: 1,8m - Chiều cao dự phòng: 0,2m => Thể tích xây dựng là: 2.1,7.0,5 = 1,7 (m3). Từ ngăn thu nước, nước thải được bơm lên cụm bể phản ứng đặt ở trên cao. Do đó trong ngăn thu nước ta xây dựng bệ đặt bơm. Bơm được đặt chìm dưới nước. IV.2.2. Bể oxy hóa và khử: Tiến hành phản ứng khử đối với dòng Crom và phản ứng oxy hóa đối với dòng Xianua. IV.2.2.1 Bể khử Crom: a) Nguyên lý hoạt động: Nhiệm vụ là khử Cr(VI) thành Cr(III). Dòng thải chứa Cr được đưa vào bể phản ứng, được khuấy trộn đều với các hóa chất (Na2SO3) nhờ hệ thống cánh khuấy, tham gia phản ứng khử Cr(VI) thành Cr(III). Hình IV.4: Nguyên lý làm việc của bể khử Cr6+. Nguyên lý hoạt động của bể phản ứng khử Cr6+ thành Cr3+ được mô tả như hình IV.4. Hóa chất Na2SO3 được định lượng đưa vào bể phản ứng. Dung dịch axit (98%) từ bể chứa axit định lượng và đưa vào bể chứa để tạo môi trường thích hợp (pH = 3), thiết bị đo pH được gắn liền với thiết bị định lượng nhằm kiểm soát lượng axit đưa vào bể, tạo điều kiện cho phản ứng xảy ra tối ưu (ở đây dòng Cr mang tính axit nên dựa vào thiết bị đo pH mới thêm axit với lượng thích hợp). Dòng thải chứa crôm được đưa vào bể chứa, được khuấy trộn đều với các hoá chất nhờ hệ thống cánh khuấy, tham gia phản ứng khử crôm (VI) thành crôm (III). Với thời gian phản ứng là 25 - 30 phút, hiệu suất khử crôm đạt 99,9% [6]. Nước ra khỏi bể được đưa vào bể phản ứng kết tủa. b) Tính toán thùng hóa chất sử dụng: Tính toán lượng hóa chất Na2SO3 cần thiết: Phản ứng khử Cr6+ về Cr3+ là: 2H2CrO4 + 3Na2SO3 + 3H2SO4 = Cr2(SO4)3 + 3Na2SO4 + 5H2O(*) Lượng Cr6+ bị khử trong 1m3 nước thải là: nCr6+= Dựa vào phương trình phản ứng (*) ở trên ta có: Cứ 2 mol Cr6+ thì cần 3 mol Na2SO3 Vậy lượng Na2SO3 phản ứng trong 1m3 nước thải là: n= Vậy lượng Na2SO3 cần cho 1m3 nước thải là: 1,443.126 = 181,8(g) Lượng Na2SO3 20% cần thiết cho 1m3 nước thải là: Vậy lượng hóa chất Na2SO3 cần thiết bổ sung để xử lý 7,5m3 nước thải là: 909 x 7,5 = 6817,5 (g/h) 6,818 (kg/h) Khối lượng riêng của nước ở 25°C là: [14] Khối lượng riêng của Na2SO3 là: [14] Khối lượng riêng của dung dịch Na2SO3 x% là: [14] Khối lượng riêng của Na2SO3 20% ở 25°C => ρdd= 1195,52(kg/m3) Lượng dung dịch Na2SO3 được cấp vào bể là: Lượng Na2SO3 được bơm vào bể khử Cr bằng bơm định lượng và trong bể khử Cr phải lắp đầu dò pH nhằm kiểm soát được pH của phản ứng luôn ở pH =2,5- 3. Tính kích thước thùng chứa Na2SO3: Lượng Na2SO3 cần thiết bổ sung vào bể khử Cr6+ là 5,7(l/h) Na2SO3 sẽ được pha dưới dạng dung dịch với nồng độ 20% => Lượng dung dịch Na2SO3 cần bổ sung vào bể khử Cr trong 1 ngày là: 5,7.8 = 45,6 (l/ngày) Với lưu lượng nước thải cần xử lý là 60 m3/ngày => Lượng Na2SO3 cần thiết cho một ngày tương ứng là 45,6 lít. Ta không xây dựng bể chứa Na2SO3 mà chọn loại thùng hình trụ tròn bằng nhựa , kín để đảm bảo an toàn hóa chất. Phía trên thùng có lắp cánh khuấy để pha hóa chất. Mỗi thùng có bơm định lượng để bơm hóa chất vào các bể phản ứng. VNa2SO3= 45,6 lit → Chọn loại bình 50 lit . Hóa chất được mua trên thị trường và pha vào thùng hàng ngày. c) Tính toán kích thước bể khử Cr (VI): Vr = Q.t (m3) Trong đó: Q : tổng lưu lượng nước thải và lưu lượng hóa chất sử dụng (m3/h). t : thời gian phản ứng ở thiết bị khử Cr6+ thành Cr3+ (h). Để phản ứng xảy ra với hiệu quả cao nhất ta chọn thời gian phản ứng là t=30’ [6]. Do dòng thải mạ Cr có môi trường axit, nên khi cần mới bổ sung thêm axit cho phản ứng khử Cr (VI). Lưu lượng các dòng vào bể: Q = QCr + Qdd Với QCr: lưu lượng dòng thải Cr, QCr = 7,5 (m3/h) Qdd: lượng hóa chất Na2SO3 ; Qdd = 5,7.10-3 (m3/h). Thay các thông số trên vào công thức ta có lưu lượng các dòng vào bể 7,51 m3/h. Thể tích cần thiết của bể khử Cr là: V = 3,75m3. Chọn hệ số dư là k = 1,2 xác định được thể tích của bể phản ứng khử là ~ 4,5m3. Xây dựng bể hình tròn. Chọn chiều cao bể là 2,5m, chiều cao bảo vệ là Hbv = 0,2 m Khi đó bán kính bể là: Bể được xây dựng bằng bê tông, có lót nhựa composit, chịu được axit, chịu được mài mòn. Trong bể có lắp cánh khuấy để trộn đều hóa chất. Nước thải được đưa vào bể từ dưới, hóa chất được bổ sung vào ở giữa bể bằng bơm định lượng. Bể được làm bằng bê tông, trong có lót nhựa composit, chịu được axit, chịu được mài mòn. Trong bể có lắp cánh khuấy để khuấy trộn đều hóa chất. d) Tính toán cánh khuấy của bể khử: Cánh khuấy có tác dụng tăng cường quá trình hòa trộn trong bể khử. Chọn cánh khuấy chân vịt, loại cánh khuấy này thích hợp với độ nhớt không cao và có số vòng quay lớn. +) Các thông số cánh khuấy chân vịt [14]: - Số cánh khuấy: 3 - D/d = 3 - S/d = 1,5 - b = 0,1D Trong đó: d - Đường kính cánh khuấy, m D - Đường kính bể phản ứng khử, m S - Khoảng cách từ đáy bể đến bề mặt dưới của cánh khuấy, m b - bề rộng của cánh khuấy, m Đường kính bể: D = 0,85 (m) Đường kính cánh khuấy: d = D/3 = 0,85/3 0,3 (m) Suy ra: S = 1,5 × 0,3 = 0,45 (m) Chiều dài trục khuấy: L = H – S = 2,3 – 0,45 = 1,85 (m) b = 0,1.D = 0,1 × 0,85 = 0,085 (m) +) Số vòng quay của cánh khuấy: Hiệu quả của quá trình khuấy trộn phụ thuộc vào cường độ và thời gian khuấy trộn. Cường độ khuấy trộn phụ thuộc trực tiếp vào năng lượng tiêu hao để tạo ra dòng chảy rối. Trong kỹ thuật xử lý nước thải, sử dụng đại lượng Gradien vận tốc để biểu thị cường độ khuấy trộn: G , (s-1) [15] Trong đó V: thể tích bể khuấy trộn, V = 4,5 (m3) μ: Độ nhớt động lực của nước thải, NS/m2. Coi độ nhớt của nước thải bằng độ nhớt của nước. Nước ở nhiệt độ 25oC, μ = 0,894.10-3 NS/m2. [14] G: Gradien vận tốc, s-1. Trong thực tế, để hòa trộn có hiệu quả, giá trị Gradien vận tốc thường lấy từ 200 đến 1000 s-1. Chọn G = 300 (s-1) [15] P: Năng lượng tiêu hao tổng cộng là P = K. ρ. n3. d5 [15] Với P: Năng lượng cần thiết, W ρ: Khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3 . Coi khối lượng riêng của nước thải bằng khối lượng riêng của nước. Khối lượng riêng của nước ở 250C, ρ = 997,08 (kg/m3) [14] d: đường kính cánh khuấy, d = 0,3 (m) n: Số vòng quay của cánh khuấy, vòng/giây K: hệ số sức cản của nước, phụ thuộc vào cánh khuấy K = 0,32 [15] = = 7,48(vòng/giây) Số vòng quay của cánh khuấy là 7,5 (vòng/giây). +) Tính toán công suất của động cơ cánh khuấy: - Tính chuẩn số Raynod: [14] Trong đó: n: số vòng quay của cánh khuấy (vòng/s) ρ: khối lượng riêng của nước, kg/m3 752828 › 104 → Chất lỏng trong bể có chế độ chảy xoáy - Công suất tiêu tốn: N = A . n3. d5. ρ , W (*) [14] Trong đó: A: hệ số, A = 0,36 n: số vòng quay (vòng/s), n = 7,5 d: đường kính cánh khuấy, d = 0,3 m ρ: khối lượng riêng của nước thải, kg/m3 N = 0,36 × 7,53 × (0,3)5 × 997,08 = 368 (W) +) Công suất mở máy Nc = Nm + Ng , W [14] Trong đó Nm: công suất để khắc phục ma sát giữa chất lỏng và cánh khuấy, W Nm = N = 368 (W) Ng : công suất tiêu tốn để khắc phục trở lực, W Ng = K . n3. d5. ρ , W (**) Từ (*) và (**) ta có: Nc = (W) [IV.1] +) Công suất của động cơ xác định như sau: , W Trong đó: η: là hiệu suất truyền lực từ động cơ sang cánh khuấy, thường η = 0,6 ÷ 0,7 [13] Chọn η = 0,65 = 1069 (W) Chọn động cơ có công suất: Ndc = 1,1 KW IV.2.2.2 Bể oxy hóa xianua (do có mạ đồng xianua): a) Hoạt động: Chất oxy hóa được chọn là NaOCl cho bể phản ứng oxy hóa bằng bơm định lượng xảy ra quá trình oxy hóa b) Tính toán hóa chất sử dụng: Tính toán lượng hóa chất cần thiết: Lượng CN bị oxh trong 1m3 nước thải là: nCN- = Ta có phản ứng: + Đối với Cu : 2CuCN + 6NaOCl + 2H2O => 2CuCl2 + 2NaCl + 4NaOH + N2 + 2CO2 (**) Cứ 1 mol CN- thì cần 3 mol NaOCl => lượng NaOCl phản ứng trong 1m3 nước thải: nNaOCl= Lượng NaOCl cần cho 1m3 nước thải là: M = 4,614.74,5 = 343,743(g) Lượng hóa chất NaOCl 20% cần thiết cho 1m3 nước thải là: (g) Vậy lượng NaOCl cần bổ sung cho để xử lý 5m3 nước thải là: 1718,715.5 = 8593,575 (g/h) 8,594 (kg/h) Khối lượng riêng của nước ở 25°C là:[14] Khối lượng riêng của NaOCl 20% là: [14] Khối lượng riêng của dung dịch Na2SO3 x% là : Khối lượng riêng của NaOCl 20% ở 25°C Lượng dung dịch NaOCl được cấp vào bể là: = 8,459 (l/h) Lượng NaOCl được bơm vào bể oxy hóa xianua bằng bơm định lượng và trong bể oxy hóa xianua phải lắp đầu dò pH nhằm kiểm soát được pH của phản ứng luôn ở pH = 8,5-10. Tính toán thùng chứa NaOCl: Lượng NaOCl cần thiết bổ sung vào dòng thải là 8,459(l/h). => Thể tích nước dùng trong 1 ngày là: 8,459.8 = 67,672 (l/ngày) Với lưu lượng nước thải cần xử lý là 40 m3/ngày => Lượng NaOCl cần thiết cho một ngày tương ứng là 67,672 lít. VNaOCl = 67,672→ Chọn loại bình 70 lit. Vậy thùng đựng nước javen là một thùng nhựa có nắp đậy và thể tích khoảng 70 lít. Hóa chất được mua trên thị trường và pha vào thùng hàng ngày. Nước javen được bơm định lượng vào bể oxy hóa. Riêng với NaOH ta dùng dung dịch xút có nồng độ 20%. Lượng xút này được bơm định lượng tự động bơm vào bể để duy trì pH = 8,5 – 10 (theo tín hiệu kiểm soát của đầu dò pH). Xút này có thể lấy từ thùng đựng xút riêng (100 lít) của bể oxy hóa xianua hoặc từ thùng chứa xút của bể kết tủa. b) Tính toán kích thước bể oxy hóa CN-: Vr = Q.t (m3) Trong đó: Q : tổng lưu lượng nước thải và lưu lượng hóa chất sử dụng (m3/h). t : thời gian phản ứng ở thiết bị oxy hóa CN-. t: Ta chọn thời gian phản ứng là 30’ [6] Lưu lượng các dòng vào bể: Q = QCN- + Qdd Với : QCN- : lưu lượng dòng thải xianua, QCN- = 5 (m3/h) Qdd : lượng hóa chất NaOCl ; Qdd = 8,459.10-3 (m3/h). Thể tích cần thiết của bể oxh CN- là: V = (5 + 8,459.10-3). = 2,504(m3) Chọn hệ số dư là k = 2 xác định được thể tích của bể phản ứng khử là ~ 5,01m3. Ta xây dựng bể hình trụ tròn. Chọn chiều cao bể là 2,5m, chiều cao bảo vệ là Hbv = 0,2 m Khi đó bán kính bể là: Nước thải được đưa vào bể từ dưới, hóa chất được bổ sung vào ở giữa bể bằng bơm định lượng. Bể được làm bằng bê tông thành, trong có lót nhựa composit, chịu được mài mòn. Trong bể có lắp cánh khuấy để khuấy trộn đều hóa chất. c) Tính toán cánh khuấy của bể oxy hóa: Cánh khuấy có tác dụng tăng cường quá trình hòa trộn trong bể oxy hóa. Chọn cánh khuấy chân vịt. +) Các thông số cánh khuấy chân vịt [14]: - Số cánh khuấy: 3 - D/d = 3 - S/d = 1,5 - b = 0,1D Trong đó: d - Đường kính cánh khuấy, m D - Đường kính bể phản ứng oxy hóa, m S - Khoảng cách từ đáy bể đến bề mặt dưới của cánh khuấy, m b - bề rộng của cánh khuấy, m Đường kính bể: D = 0,80 (m) Đường kính cánh khuấy: d = D/3 = 0,80/3 = 0,25 (m) Suy ra: S = 1,5 × 0,25 = 0,375 (m) Chiều dài trục khuấy: L = H – S = 2,5 – 0,375 = 2,125 (m) b = 0,1.D = 0,1 × 0,80 = 0,08 (m) +) Số vòng quay của cánh khuấy: Hiệu quả của quá trình khuấy trộn phụ thuộc vào cường độ và thời gian khuấy trộn. Cường độ khuấy trộn phụ thuộc trực tiếp vào năng lượng tiêu hao để tạo ra dòng chảy rối. Trong kỹ thuật xử lý nước thải, sử dụng đại lượng Gradien vận tốc để biểu thị cường độ khuấy trộn: G , (s-1) [15] Trong đó V: thể tích bể khuấy trộn, V = 5,01 (m3) μ: Độ nhớt động lực của nước thải, NS/m2. Coi độ nhớt của nước thải bằng độ nhớt của nước. Nước ở nhiệt độ 25oC, μ = 0,894.10-3 NS/m2. [14] G: Gradien vận tốc, s-1. Trong thực tế, để hòa trộn có hiệu quả, giá trị Gradien vận tốc thường lấy từ 200 đến 1000 s-1. Chọn G = 300 (s-1) [15] P: Năng lượng tiêu hao tổng cộng là P = K. ρ. n3. d5 [15] Với P: Năng lượng cần thiết, W ρ: Khối lượng riêng của chất lỏng, kg/m3. Coi khối lượng riêng của nước thải bằng khối lượng riêng của nước. Khối lượng riêng của nước ở 250C, ρ = 997,08 (kg/m3) [14] d: đường kính cánh khuấy, d = 0,25 (m) n: Số vòng quay của cánh khuấy, vòng/giây K: hệ số sức cản của nước, phụ thuộc vào cánh khuấy K = 0,32 [15] = = 10,5 (vòng/giây) Số vòng quay của cánh khuấy là 10,5 (vòng/giây). +) Tính toán công suất của động cơ cánh khuấy: - Tính chuẩn số Raynod: [14] Trong đó: n: số vòng quay của cánh khuấy (vòng/s) ρ: khối lượng riêng của nước, kg/m3 731916 › 104 → Chất lỏng trong bể có chế độ chảy xoáy - Công suất tiêu tốn: N = A . n3. d5. ρ , W (*) [14] Trong đó: A: hệ số, A = 0,36 n: số vòng quay (vòng/s), n = 7,5 d: đường kính cánh khuấy, d = 0,3 m ρ: khối lượng riêng của nước thải, kg/m3 N = 0,36 × 10,53 × (0,25)5 × 997,08 = 406 (W) +) Công suất mở máy Nc = Nm + Ng , W [14] Trong đó Nm: công suất để khắc phục ma sát giữa chất lỏng và cánh khuấy, W Nm = N = 406 (W) Ng : công suất tiêu tốn để khắc phục trở lực, W Ng = K . n3. d5. ρ , W (**) Từ (*) và (**) ta có: Nc = (W) +) Công suất của động cơ xác định như sau: , W Trong đó: η: là hiệu suất truyền lực từ động cơ sang cánh khuấy, thường η = 0,6 ÷ 0,7 [13] Chọn η = 0,65 = 1180 (W) Chọn động cơ có công suất : Ndc = 1,2 KW * Thông số ô nh