Giáo trình Xử lí nước thải công nghiệp - Nguyễn Minh Kỳ

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO TRƯỜNG ĐẠI HỌC NÔNG LÂM TP. HỒ CHÍ MINH BÀI GIẢNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI CÔNG NGHIỆP (Lưu hành nội bộ) ThS. Nguyễn Minh Kỳ Tp. HCM, 7/2016 Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp i ThS. Nguyễn Minh Kỳ Mục lục Mở đầu ................................................................................................................................................... iii Mục tiêu ................................................................................................................................................. iv Thuật ngữ viết tắt .................................................................................................................................... v Danh mục các hình, biểu bảng .............................................................................................................. vii CHƯƠNG 1 ............................................................................................................................................ 1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC VÀ XỬ LÝ NƯỚC THẢI ........................................................................... 1 1.1. Tổng quan tài nguyên nước .......................................................................................................... 1 1.1.1. Chu trình nước trong tự nhiên ............................................................................................... 1 1.1.2. Vai trò của nước đối với đời sống, sinh hoạt, sản xuất ......................................................... 1 1.1.3. Tài nguyên nước trên thế giới ............................................................................................... 1 1.1.4. Tài nguyên nước của Việt Nam ............................................................................................ 2 1.2. Tiêu chuẩn cấp nước .................................................................................................................... 2 1.3. Ô nhiễm môi trường nước và phân loại ....................................................................................... 3 1.4. Quan trắc và giám sát chất lượng nước ........................................................................................ 4 1.5. Nguồn và tác nhân gây ô nhiễm nước .......................................................................................... 4 1.6. Chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước ............................................................................................... 9 1.7. Hậu quả ô nhiễm nước ............................................................................................................... 10 1.8. Quy chuẩn kỹ thuật chất lượng nước ......................................................................................... 13 1.9. Ô nhiễm môi trường nước trong công nghiệp ............................................................................ 13 1.10. Kiểm soát ô nhiễm nước .......................................................................................................... 13 1.11. Đo lưu lượng, lấy mẫu và phân tích nước thải ......................................................................... 15 1.12. Cơ sở lựa chọn giải pháp xử lý nước thải ................................................................................ 16 1.13. Khái quát về các hệ thống xử lý nước thải ............................................................................... 20 CHƯƠNG 2 .......................................................................................................................................... 22 XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP CƠ HỌC .................................................................. 22 2.1. Song chắn rác ............................................................................................................................. 22 2.2. Bể lắng ....................................................................................................................................... 25 2.3. Phân tách dầu ............................................................................................................................. 32 2.4. Bể lọc (Filtration) ....................................................................................................................... 33 2.5. Bể điều hoà ................................................................................................................................ 35 CHƯƠNG 3.. ........................................................................................................................................ 29 XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC VÀ HÓA LÝ ........................................ 37 3.1. Trung hòa ................................................................................................................................... 37 3.2. Keo tụ - tạo bông (Coagulation – Flocculation)......................................................................... 39 3.3. Kết tủa ........................................................................................................................................ 42 3.4. Hấp thụ ....................................................................................................................................... 42 3.5. Hấp phụ ...................................................................................................................................... 43 3.6. Phương pháp oxy hóa................................................................................................................. 49 3.7. Trao đổi ion ................................................................................................................................ 51 3.8. Tuyển nổi (Flotation) ................................................................................................................. 56 3.9. Khử trùng ................................................................................................................................... 62 3.10. Phương pháp điện hóa .............................................................................................................. 63 3.11. Màng lọc .................................................................................................................................. 64 3.12. Oxy hóa nâng cao AOPs (Advanced Oxidation Process) ........................................................ 77 CHƯƠNG 4 .......................................................................................................................................... 98 XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP SINH HỌC .............................................................. 98 4.1. Tổng quan vi sinh vật trong hệ thống xử lý nước thải sinh học ................................................. 98 4.2. Động học quá trình phát triển vi sinh vật và quá trình oxy hóa sinh hóa ................................... 99 4.3. Phương pháp hiếu khí (Aerobic) .............................................................................................. 100 4.3.1. Khái quát ........................................................................................................................... 100 4.3.2. Aerotank (Quá trình bùn hoạt tính) ................................................................................... 101 4.3.3. Ổn định tiếp xúc ................................................................................................................ 108 4.3.4. Mương oxy hóa ................................................................................................................. 109 Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp ii ThS. Nguyễn Minh Kỳ 4.3.5. Đĩa quay sinh học (Rotating biological contactor) ........................................................... 111 4.3.7. Hiếu khí mở rộng (Extended Aeration)............................................................................. 114 4.3.8. Bùn hoạt tính Step feed ..................................................................................................... 114 4.3.9. Lọc nhỏ giọt (trickling filter) ........................................................................................... 115 4.3.10. Bể phản ứng lọc màng sinh học (MBR) .......................................................................... 122 4.4. Phương pháp thiếu khí (Anoxic) .............................................................................................. 124 4.4.1. Khái quát ........................................................................................................................... 124 4.4.2. Bể Anoxic ......................................................................................................................... 124 4.5. Phương pháp kỵ khí (Anaerobic) ............................................................................................. 125 4.5.1. Khái quát ........................................................................................................................... 125 4.5.2. Quá trình phân hủy trong bể kỵ khí .................................................................................. 128 4.5.3. Yếu tố ảnh hưởng .............................................................................................................. 130 4.5.4. Thuận lợi và khó khăn của phương pháp kỵ khí ............................................................... 131 4.5.5. Điều kiện quan trọng để xử lý kỵ khí hiệu quả ................................................................. 133 4.5.6. Một số quá trình kỵ khí ..................................................................................................... 133 4.6. Xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên ................................................................................. 141 4.6.1. Giới thiệu .......................................................................................................................... 141 4.6.2. Ao hồ sinh học .................................................................................................................. 141 4.6.3. Cánh đồng tưới (lọc) và bãi lọc ......................................................................................... 144 4.7. Công nghệ Wetland .............................................................................................................. 149 4.8. Một số công nghệ xử lý nước thải hiện đại .......................................................................... 154 CHƯƠNG 5 ........................................................................................................................................ 158 XỬ LÝ NITƠ VÀ PHỐT PHO........................................................................................................... 158 5.1. Khử nitơ ................................................................................................................................... 158 5.2. Loại phốt pho ........................................................................................................................... 163 CHƯƠNG 6 ........................................................................................................................................ 167 XỬ LÝ BÙN CẶN ............................................................................................................................. 167 6.1. Khái quát .................................................................................................................................. 167 6.2. Nguồn gốc phát sinh và đặc điểm ............................................................................................ 168 6.3. Công nghệ xử lý bùn ................................................................................................................ 168 CHƯƠNG 7 ........................................................................................................................................ 175 HƯỚNG DẪN XỬ LÝ NƯỚC THẢI MỘT SỐ NGÀNH NGHỀ CÔNG NGHIỆP ......................... 175 7.1. Công nghiệp nước giải khát ..................................................................................................... 175 7.2. Công nghiệp chế biến thực phẩm ............................................................................................. 177 7.3. Công nghiệp dệt nhuộm ........................................................................................................... 179 7.4. Công nghiệp thuộc da .............................................................................................................. 181 7.5. Công nghiệp hóa chất BVTV và phân bón .............................................................................. 183 7.6. Công nghiệp luyện kim và dầu mỏ .......................................................................................... 185 7.7. Công nghiệp sản xuất giấy ....................................................................................................... 188 7.8. Công nghiệp sản xuất mía đường ............................................................................................ 189 7.9. Công nghiệp chế biến cao su ................................................................................................... 191 7.10. Xử lý nước thải bệnh viện, trung tâm dịch vụ y tế................................................................. 193 Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp iii ThS. Nguyễn Minh Kỳ Mở đầu Trong xu thế phát triển của nhân loại, các hoạt động kinh tế - xã hội là nhu cầu tất yếu và cũng là động lực thúc đẩy tiến bộ. Tuy vậy, mặt trái các quá trình đó sẽ tạo ra các dòng chất thải, nhất là nước thải công nghiệp và gây ảnh hưởng đến môi trường và sức khỏe. Nhằm mục đích cung cấp cho sinh viên ngành Quản lý Tài nguyên và Môi trường những kiến thức, kỹ năng cơ bản về các quá trình xử lý nước thải nên tập tài liệu nhỏ được ra đời trên cơ sở tham khảo các tài liệu của các đồng nghiệp trong và người trường. Trong đó, bao gồm các nội dung từ tổng quan về nước thải cho tới các phương pháp xử lý nước thải bằng cơ học, hóa lý, hóa học và sinh học. Ngoài ra, còn đề cập đến quá trình nâng cao xử lý các chất dinh dưỡng nitơ, phốt pho cũng như giải pháp loại bỏ bùn thải và giới thiệu một số nghiên cứu điển hình xử lý nước thải công nghiệp. Mặc dù có nhiều cố gắng nhưng không thể tránh được sai sót, rất mong nhận được sự quan tâm của độc giả để tài liệu nhỏ được hoàn thiện hơn thời gian tới. Tác giả Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp iv ThS. Nguyễn Minh Kỳ Mục tiêu - Cung cấp những kiến thức cơ bản về nguyên tắc cấu tạo, nguyên lý hoạt động và tính toán thiết kế các biện pháp xử lý nước thải công nghiệp. - Có khả năng nhận diện, thiết kế một số công trình xử lý nước thải các ngành nghề công nghiệp cơ bản. - Hiểu biết ứng dụng cách thức quản lý và vận hành hệ thống xử lý nước thải nói chung và nước thải công nghiệp nói riêng. Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp v ThS. Nguyễn Minh Kỳ Thuật ngữ viết tắt Aerotank: Quá trình bùn hoạt tính ACP: Bể tiếp xúc kỵ khí AF: Lọc kỵ khí AF: Anaerobic filter - Lọc kỵ khí AOPs: Advanced Oxidation Process – Oxy hóa nâng cao atm: An atmosphere BOD: Nhu cầu oxy sinh hóa COD: Nhu cầu oxy hóa học CT: Concentration-Time (mg*min/L) DO: Oxy hòa tan Fluidized bed reactor: Lò phản ứng tầng sôi F/M: Cơ chất/vi sinh vật h+: Electron Hole hv: Photon Energy HCBVTV: Hóa chất bảo vệ thực vật HRT: Thời gian lưu thủy lực (Hydraulic Retention Time) Kgf: kilogram-force LASER: Ánh sáng khuếch đại bởi kích thích phát ra bức xạ (sự kích thích tăng cường bức xạ quang học) MBR: Bể phản ứng lọc màng sinh học MF: Vi lọc MeV: Megaelectron-volts MLSS: Chất rắn lơ lửng trộn lẫn chất lỏng (Mixed Liquor Suspended Solids) MLVSS: Chất rắn lơ lửng bay hơi trộn lẫn chất lỏng (Mixed Liquor Volatile Suspended Solids) NB: nano-bubble NF: Nanofiltration - Lọc nano OLR: Tải trọng hữu cơ (Organic Loading Rate) PCPs: Polychlorophenol PCBs: Polychlorobiphenyl PAHs: Polycyclic Aromatic Hydrocarbon - Hydrocarbon thơm đa vòng Psi: Pound per square inch Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp vi ThS. Nguyễn Minh Kỳ RBC: Rotating biological contactor - Đĩa quay sinh học RO: Reverse Osmosis - Lọc thẩm thấu ngược SBR: Sequencing batch reactor - Bể phản ứng theo mẻ SRT: Thời gian lưu bùn (Solids Retention Time) SS: Chất rắn lơ lửng SVI: Chỉ số thể tích bùn UF: Siêu lọc UASB: Upflow anaerobic sludge blanket – Lọc ngược qua tầng bùn kỵ khí VFA: Axit béo dễ bay hơi Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp vii ThS. Nguyễn Minh Kỳ Danh mục các hình, biểu bảng Bảng 1.1. Tiêu chuẩn thiết kế cấp nước Việt Nam Bảng 1.2. Đặc điểm một số nước thải công nghiệp Bảng 1.3. Standard quality of industrial water Bảng 1.4. Typical auto water analyzers Bảng 1.5. Typical wastewater treatment processes and removal method Bảng 1.6. Phương pháp xử lý nước thải (chất ô nhiễm) Bảng 1.7. Phương pháp xử lý nước thải (bậc) Bảng 3.1. Mối quan hệ giữa kích thước hạt và thời gian lắng Bảng 3.2. Oxidation potential of most commonly reagents used in wastewater treatment Bảng 3.3. Đặc điểm các quá trình lọc màng Bảng 3.4. Mức độ nâng lực oxy hóa của các tác nhân (so với oxy) Bảng 4.1. Thông số kỹ thuật thiết kế các loại bể lọc nhỏ giọt Bảng 4.2. So sánh phương pháp xử lý kỵ khí với hiếu khí Bảng 4.3. Một số nghiên cứu xử lý nước thải công nghiệp bằng lọc kỵ khí Bảng 4.4. Một số nghiên cứu xử lý nước thải bằng công nghệ UASB Bảng 4.5. Activated sludge process with membrane separator instead for settling tank Bảng 4.6. Comparisons of decolorizing methods Bảng 5.1. Typical phosphorous removal processes Bảng 5.2. Aluminum sulfate requirement for P removal Bảng 6.1. Chất tạo bông tách nước bùn thải Bảng 6.2. Đặc điểm các kiểu tách nước bùn thải Bảng 7.1a. Properties of carbonated drink Bảng 7.1b. Wastewater properties in carbonated drink factories Bảng 7.2. Nguồn gốc và tính chất nước thải Bảng 7.3. Rubber wastewater characteristics in Sri Lanka Hình 1.1. Vòng tuần hoàn nước trong tự nhiên Hình 1.2. Sự phân bổ nước trên Trái đất Hình 1.3. Criteria vs. Standards of water Hình 1.4. Hệ thống xử lý nước thải tiêu biểu Hình 1.5. Đặc điểm nước thải và phương pháp xử lý Hình 1.6. Classification of Wastewater Treatments Processes Hình 2.1. Song chắn rác lớn Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp viii ThS. Nguyễn Minh Kỳ Hình 2.2. Bể lắng sơ cấp Hình 2.3a. Tấm lắng lamella Hình 2.3b. Cơ chế/nguyên lý hoạt động Hình 2.4. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động bể lắng lamella Hình 2.5. Lamella Inclined Plate Clarifier Hình 2.6. Tính toán bể tách dầu Hình 2.7. Sơ đồ bể lọc nhanh Hình 2.8. Sơ đồ bể lọc chậm Hình 2.9. Sơ đồ bố trí bể điều hòa Hình 3.1. Sơ đồ cấu tạo bể trung hòa Hình 3.2. Bể keo tụ - tạo bông Hình 3.3. Wastewater electrocoagulation principle Hình 3.4. Example of Heavy Metal Removal Hình 3.5. Physical adsorption and chemical adsorption Hình 3.6. Biểu diễn quá trình hấp phụ Hình 3.7. Activated Carbon Basics Hình 3.8. Cơ chế hấp phụ chất bẩn trong lọc nước Hình 3.9. Những ứng dụng than hoạt tính Hình 3.10. Cơ chế hoạt động của than hoạt tính Hình 3.11. Cấu trúc Zeolit ((a) zeolite A (3D, 4.2 Å); (b) zeolite Y (3D, 7.4 Å); (c) Zeolite L (1D, 7.1 Å); (d) ZSM-5) Hình 3.12. Zeolite Process of Water Softening Hình 3.13. A comparison between absorption (hấp thụ) and adsorption (hấp phụ) Hình 3.14. Example of Organic Chemical Removal Hình 3.15. Ion Exchange Treatment Process Hình 3.16. Ion Exchange (khử khoáng) Hình 3.17. Quá trình làm mềm nước cứng Hình 3.18. Hạt trao đổi ion zeolite Hình 3.19. Hạt trao đổi ion nhựa tổng hợp Hình 3.20. Ion-exchange resin Hình 3.21. Ứng dụng khử độ cứng trong nước Hình 3.22. Khử Na+ bằng phương pháp trao đổi ion (H+ Form Cation Resin; Na+ Removal) Hình 3.23. A typical flotation system Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp ix ThS. Nguyễn Minh Kỳ Hình 3.24. Bên trong hệ tuyển nổi Hình 3.25. Sơ đồ xử lý nước thải áp dụng phương pháp tuyển nổi Hình 3.26. Design of Flotation Systems Hình 3.27. Sơ đồ tuyển nổi khí hòa tan Hình 3.28. DAF Flow Diagram Hình 3.29. Công nghệ bể tuyển nổi Hình 3.30. Phân tách nhiễm bẩn dầu Hình 3.31. Nguyên lý phương pháp điện hóa Hình 3.32. Ưu điểm công nghệ điện hóa Hình 3.33. Quá trình điện hóa hóa học Hình 3.34. Electrochemical arsenic removal process Hình 3.35. Nguyên tắc lọc màng Hình 3.36. Sơ đồ mô tả yếu tố xác định hiệu quả màng Hình 3.37. Đặc điểm các loại màng lọc Hình 3.38. Màng vi lọc Hình 3.39. Màng siêu lọc Hình 3.40. Sơ đồ mô tả nguyên lý hoạt động Hình 3.41. How Ultrafiltration membranes work Hình 3.42. Nguyên tắc hoạt động Hình 3.43. Hệ thống màng lọc nano Hình 3.44. Ứng dụng lọc nước biển Hình 3.45. Màng lọc RO Hình 3.46. Spiral wound (like a rolled up newspaper) Hình 3.47. Hollow fibers Hình 3.48. Quá trình Fenton Hình 3.49. Công thức O3 và H2O2 Hình 3.50. Ozone Decomposition Process by Hydroperoxide Ions Hình 3.51. Conventional Water Treatment without O3/H2O2 Process Hình 3.52. Typical Water Treatment with O3/H2O2 Process Hình 3.53. Process Flow Diagram in Metropolitan Water District of Southern California Hình 3.54. Typical Physical-Chemical Treatment Plant Hình 3.55. Example of Physical-Chemical Wastewater Treatment Process Hình 3.56. Phases of matter Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp x ThS. Nguyễn Minh Kỳ Hình 3.57. Phương pháp tạo vật liệu nano từ vật liệu khối ban đầu Hình 3.58. Flow chart of sonochemical synthesis of iron oxide Hình 3.59. Properties of Nano Fe Hình 3.60. Types of Nanoparticles Hình 3.61. Schematic diagram showing macro, micro and nanobubbles Hình 3.62. Cell-level biological treatment using Micro/Nano-bubbles Hình 3.63. Gaseous-affinity separation using Micro/Nano-bubbles Hình 3.64. Nano-bubble working principal Hình 3.65. Schematic diagram of a Nano-bubble system Hình 3.66. The deference of size between MB and NB Hình 3.67. The deference of life time between MB and NB Hình 3.68. Normal ozone water vs. Ozone nano-bubble Hình 4.1. Sơ đồ bùn hoạt tính Hình 4.2. Sơ đồ quá trình ổn định tiếp xúc Hình 4.3. Sơ đồ cấu tạo mương oxy hóa Hình 4.4. Mô tả minh họa hoạt động mương oxy hóa Hình 4.5. Sơ đồ cấu tạo đĩa quay sinh học Hình 4.6. Sơ đồ hoạt động bể SBR theo các pha vận hành Hình 4.7. Step-Feed activated Sludge Pracess Hình 4.8. Overview of the step-feed denitrification process Hình 4.9. Schematic Flow of Step-feed Anoxic/Aerobic Activated Sludge Process Hình 4.10. Màng sinh học xử lý nước thải Hình 4.11. Sơ đồ cấu tạo bể lọc nhỏ giọt Hình 4.12. Lọc nhỏ giọt tốc độ cao Hình 4.13. Sơ đồ vị trí bể lọc nhỏ giọt trong HTXLNT Hình 4.14. Lịch sử phát triển công nghệ xử lý kỵ khí Hình 4.15. Cấu tạo bể kỵ khí Hình 4.16. Ảnh hưởng của nhiệt độ Hình 4.17. Ảnh hưởng pH Hình 4.18. Quá trình phân hủy trong bể kỵ khí Hình 4.19. Quá trình phân hủy kỵ khí Hình 4.20. Sơ đồ bể tiếp xúc kỵ khí Hình 4.21. Cấu tạo chi tiết lọc kỵ khí Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp xi ThS. Nguyễn Minh Kỳ Hình 4.22. Sơ đồ cấu tạo lọc kỵ khí Hình 4.23. Sơ đồ cấu tạo UASB Hình 4.24. Sơ đồ cấu tạo bể phản ứng SGBR Hình 4.25. Ao hồ sinh học Hình 4.26. Nhận thức về xử lý nước thải bằng ao hồ sinh học Hình 4.27. Cơ chế ao hồ tùy nghi Hình 4.28. Cánh đồng lọc chậm qua đất Hình 4.29. Cánh đồng thấm nhanh qua đất Hình 4.30. Cánh đồng lọc bằng chảy tràn mặt Hình 4.31. Bãi lọc xử lý nước thải Hình 4.32. Sơ đồ cấu tạo cánh đồng tưới và bãi lọc Hình 4.33. Sơ đồ cấu trúc của hệ thống Wetland Hình 4.34. Mô hình chảy ngang Hình 4.35. Mô hình wetland chảy đứng Hình 4.36. Thực vật ngập trong nước Hình 4.37. Ví dụ ứng dụng cỏ vetiver xử lý nước thải Hình 4.38. Ứng dụng Horizontal Flow Hình 4.39. Hybrid activated sludge process combined with membrane separator Hình 5.1. Biological Nutrient Removal Processes Hình 5.2. Quá trình khử nitơ một pha Hình 5.3. Quá trình khử nitơ hai pha Hình 5.4. Quá trình Ludzack–Ettinger Hình 5.5. Quá trình MLE Hình 5.6. Quá trình bể phản ứng theo mẻ Hình 5.7. Bardenpho 4 giai đoạn Hình 5.8. Mương oxy hóa Hình 5.9. Anoxic Step Feed Hình 5.10. Công nghệ khử nitơ bằng hóa lý Hình 5.11. Basic process in biological phosphorous removal (AO process) Hình 5.12. Biological denitrification-phosphorous removal process (A2O) Hình 5.13. Single phase sludge process-circulating denitrification phosphorous removal process Hình 5.14. Phosphorous removal by phostripping process Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp xii ThS. Nguyễn Minh Kỳ Hình 5.15. Cơ chế đơn giản hóa cho phốt pho thoát ra và hấp thu ATP Hình 6.1. Belt press dehydrator Hình 6.2. Centrifuge dehydrator Hình 6.3. Filter press dehydrator Hình 6.4. Vacuum filter dehydrator Hình 6.5. Screw press dehydrator Hình 6.6. Rotary dryer Hình 6.7. Multi-stage vertical dryer Hình 6.8. Thiết bị composting Hình 6.9. Sludge reduction process by thermophilic bacteria Hình 6.10. Sludge reduction process by ozone Hình 7.1. Carbonated beverage manufacturing process and wastewater Hình 7.2. Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải sản xuất bia truyền thống Hình 7.3. Sơ đồ công nghệ kết hợp xử lý nước thải sản xuất bia Hình 7.4. Sơ đồ quy trình công nghệ sản xuất một số loại thực phẩm Hình 7.5. Various steps involved in processing textile in a cotton mill Hình 7.6. Hybrid Biogranule System Hình 7.7. Quy trình công nghệ thuộc da Hình 7.8. Quy trình công nghệ xử lý nước thải thuộc da hiệu quả Hình 7.9. Phosphor fertilizer manufacturing process Hình 7.10. Treatment technology - A phosphoric acid plant Hình 7.11. Refinery water balance Hình 7.12. Refinery flow diagram Hình 7.13. Thiết bị phân tách dầu Hình 7.14. Gas floatation cell Hình 7.15. Petroleum Reserve’s bio-treatment process Hình 7.16. Flow Diagram for Sugar Manufacturing Process Hình 7.17. Steps of rubber production processes Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 1 ThS. Nguyễn Minh Kỳ CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ NƯỚC VÀ XỬ LÝ NƯỚC THẢI 1.1. Tổng quan tài nguyên nước 1.1.1. Chu trình nước trong tự nhiên  Nước tồn tại dưới các dạng: rắn, lỏng và hơi  được tuần hoàn thông qua vòng tuần hoàn nước.  Nước: không màu, không mùi, không vị. Hình 1.1. Vòng tuần hoàn nước trong tự nhiên 1.1.2. Vai trò của nước đối với đời sống, sinh hoạt, sản xuất  Chiếm 75% cơ thể con người  Được ví như là « chất dinh dưỡng » quan trọng nhất  Phục vụ hoạt động sống thường ngày  Đảm bảo nhu cầu sản xuất, vận hành các hoạt động kinh tế- xã hội  An ninh và xung đột về nước 1.1.3. Tài nguyên nước trên thế giới Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 2 ThS. Nguyễn Minh Kỳ Hình 1.2. Sự phân bổ nước trên Trái đất  Phân bố không đồng đều về không gian và thời gian  Nguồn nước ngọt sử dụng được chiếm tỷ lệ rất nhỏ 1.1.4. Tài nguyên nước của Việt Nam  Khá phong phú nhưng phân bố không đều về mặt lãnh thổ và theo mùa  Tình trạng nhiễm bẩn nhiều lưu vực sông  Các dòng chảy lớn chủ yếu bắt nguồn từ bên ngoài lãnh thổ Việt Nam 1.2. Tiêu chuẩn cấp nước  Phụ thuộc vào khu vực: o Đô thị và nông thôn o Nước phát triển, đang phát triển  Theo MetCalf và Eddy: Q thải = 80-130% Q cấp Bảng 1.1. Tiêu chuẩn thiết kế cấp nước Việt Nam (Nguồn: Bộ Xây dựng) Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 3 ThS. Nguyễn Minh Kỳ 1.3. Ô nhiễm môi trường nước và phân loại 1.3.1. Nước thải  Nước thải: Nước đã qua sử dụng được thải ra từ hộ gia đình, cộng đồng, nông trại hay nhà máy công nghiệp, có chứa chất hòa tan hay lơ lửng.  Nước thải công nghiệp: Là loại nước thải trong các nhà máy sản xuất quy mô công nghiệp. 1.3.2. Phân loại nước thải  Nước thải sinh hoạt: Khu vực dân cư, từ các hoạt động sinh hoạt và văn phòng  Thành phần nước thải sinh hoạt = hữu cơ + vô cơ. Bao gồm: cặn lắng, không lắng, hòa tan.  Đặc trưng nước thải sinh hoạt: SS, BOD5, COD, NH4+, P2O5, Cl-, vi sinh vật (Total coliform, fecal coliform)  Nước thải sản xuất: Khu vực sản xuất công nghiệp, tiểu thủ công nghiệp. Bảng 1.2. Đặc điểm một số nước thải công nghiệp Công nghiệp BOD, mg/l COD, mg/l SS, mg/l pH Bia 850 17.000 90 4-6 Đồ hộp (cam quýt) 2.000 - 7.000 axit Bơ sữa 600-1.000 2.000-4.000 200-400 axit Sản xuất khoai tây 2.000 3.500 2.500 11-13 Đường (củ cải đường) 450-2.000 600-3.000 800-1.000 7-8 Giết mổ gia súc 1.500-2.500 4.000-6.000 800 7 Lên men, ủ chua 50.000 70.000- 80.000 Thấp axit  Nước chảy tràn: Chảy tràn đô thị và chảy tràn nông nghiệp. Đặc điểm nước thải công nghiệp nhiễm axit  Công nghiệp nhẹ  Công nghiệp vật liệu  Công nghiệp hóa chất  Công nghệ cán thép  Sản xuất thuốc nhuộm Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 4 ThS. Nguyễn Minh Kỳ  Thuốc trừ sâu, dược phẩm  Chứa axit sunfuric, axit clohydric Nước thải: Chứa các tạp chất hữu cơ như protein (đạm), HC (tinh bột), chất béo (lipit ~ dầu mỡ động thực vật) Chất rắn: Chứa chất vô cơ như cát, muối, kim loại. Chất rắn trong nước thải gồm chất rắn hòa tan, chất rắn keo, chất rắn lơ lửng. TS = TDS + SS. Tác nhân trong nguồn nước thải: - Các chất trôi nổi, dầu, mỡ: gạn, lọc, tuyển nổi - Vi khuẩn: nhiệt, uv, ozon,.. - Kim loại: kết tủa, keo tụ, hấp phụ, hấp thụ - Chất hữu cơ: phân hủy, chuyển hóa - Hydrate carbon: phân hủy thành axit hữu cơ, CO2 - Hợp chất nitơ: NO3-, NO2-, NH4+/NH3, org-N 1.3.3. Ô nhiễm môi trường nước Theo Hiến chương châu Âu, “Sự ô nhiễm nước là một biến đổi chủ yếu do con người gây ra đối với chất lượng nước, làm ô nhiễm nước và gây nguy hại cho việc sử dụng, cho công nghiệp, nông nghiệp, nuôi cá, nghỉ ngơi-giải trí, cho động vật nuôi cũng như các loài hoang dại”. Theo như quan điểm truyền thống ở Việt Nam: “Ô nhiễm nước là hiện tượng thay đổi xấu về chất lượng nước do trong nước có chứa quá mức các thành phần vật chất, các chất độc hại và các vi khuẩn, vi sinh vật gây bệnh đã làm giảm giá trị sử dụng của nước, ảnh hưởng xấu tới sự tồn tại và phát triển của các sinh vật cũng như tới sức khoẻ của con người“. Như vậy, có thể hiểu ô nhiễm nước là sự làm thay đổi thành phần và tính chất của nước gây ảnh hưởng đến hoạt động sống bình thường của con người và sinh vật. 1.4. Quan trắc và giám sát chất lượng nước  Giám sát nền  Giám sát đánh giá hoạt động sản xuất (giám sát tác động)  Giám sát khác (tuân thủ và xu hướng) Gần 90% nguồn nước cấp và sử dụng trong công nghiệp  thải ra môi trường. 1.5. Nguồn và tác nhân gây ô nhiễm nước 1.5.1. Nguồn gốc ô nhiễm nước 1.5.1.1. Nguồn gốc tự nhiên Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 5 ThS. Nguyễn Minh Kỳ Ô nhiễm nước có nguồn gốc tự nhiên là do mưa, nhiễm mặn, nhiễm phèn, lũ lụt, Nước mưa rơi xuống mặt đất, mái nhà, đường phố đô thị, khu công nghiệp, kéo theo các chất bẩn xuống sông, hồ hoặc các sản phẩm của hoạt động sống của sinh vật, vi sinh vật kể cả các xác chết của chúng. Sự ô nhiễm này còn được gọi là ô nhiễm không xác định được nguồn. 1.5.1.2. Nguồn gốc nhân tạo Ô nhiễm nước có nguồn gốc nhân tạo chủ yếu do xả nước thải từ các khu dân cư, khu công nghiệp, hoạt động giao thông vận tải, hóa chất bảo vệ thực vật (thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ) và phân bón trong nông nghiệp, vào môi trường nước. Thực tế, nguồn gây ô nhiễm nước chủ yếu gắn liền với các hoạt động của con người. Dưới đây là các nguồn gây ô nhiễm nước chủ yếu có nguồn gốc liên quan đến các hoạt động của con người: a. Nguồn ô nhiễm do sinh hoạt Các khu vực đô thị, các vùng tập trung đông dân cư có dân số và mật độ dân cư rất cao so với các vùng khác, nên hàng ngày cũng thải ra môi trường một lượng rất lớn rác thải rắn và nước thải sinh hoạt. Nước thải sinh hoạt chứa một lượng các chất vô cơ, chất hữu cơ có nguồn gốc động thực vật và các mầm vi khuẩn gây bệnh. Quá trình phân hủy chất hữu cơ trong nguồn nước bị ô nhiễm làm suy giảm lượng hàm lượng oxy hoà tan trong nước dẫn đến những hậu quả xấu cho hệ sinh thái nước. Ngoài ra, việc xả thải nguồn nước thải từ hệ thống cơ sở y tế ở các đô thị là nguyên nhân làm lây lan dịch bệnh và ảnh hưởng tới sức khoẻ cộng đồng. b. Nguồn ô nhiễm do nông nghiệp Trong các hoạt động sản xuất nông nghiệp có thể gây ô nhiễm nước như: - Nước thải của chuồng trại chăn nuôi, nước chảy tràn trên bề mặt cuốn theo nhiều chất thải gia súc gia cầm là nguyên nhân làm ô nhiễm nguồn nước. - Việc sử dụng quá mức các loại phân bón để tăng năng suất cây trồng trong nông nghiệp nên dư lượng phân bón này ảnh hưởng xấu đến nguồn nước. Ngoài ra, phân bón hoá học chứa nhiều chất dinh dưỡng như nitơ và phốt pho. Chính vì vậy, làm phát sinh hiện tượng phú dưỡng nguồn nước ở các con sông, ao, hồ,.... Hậu quả của quá trình phát triển mạnh mẽ các loài rong tảo là sự phân hủy chúng gây mùi khó chịu, mất mỹ quan đô thị, tăng độc tố trong nguồn nước, giảm hàm lượng oxy hòa tan, ảnh hưởng nghiêm trọng đến việc khai thác và sử dụng nguồn nước. - Dư lượng thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, hóa chất kích thích sinh trưởng được sử dụng trong nông nghiệp không chỉ ảnh hưởng đến nông sản, nguồn nước mặt mà còn Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 6 ThS. Nguyễn Minh Kỳ tích lũy, di chuyển vào các tầng đất, mạch nước ngầm thông qua đó gây ảnh hưởng đến sức khỏe của con người và môi trường. c. Nguồn ô nhiễm do công nghiệp Ô nhiễm chủ yếu là do các rác thải và nước thải công nghiệp bằng nhiều con đường khác nhau tập trung hoặc chảy vào sông, hồ, biển hoặc thấm xuống tầng chứa nước ngầm. Tuỳ theo từng ngành công nghiệp mà các nước thải công nghiệp có thành phần và đặc tính khác nhau. Nước thải của các ngành công nghiệp thực phẩm, thí dụ như nước thải các ngành công nghiệp chế biến lương thực, sản xuất sữa, công nghiệp sản xuất giấy và bột giấy, công nghiệp dệt... thường có thành phần tương tự như nước thải sinh hoạt với đặc điểm chứa nhiều chất ô nhiễm hữu cơ, khi xả vào nguồn nước sẽ tiêu hao lớn lượng oxy hoà tan trong nước do quá trình phân huỷ sinh học. Đối với các nguồn nước thải công nghiệp của nhiều ngành sản xuất khác, thí dụ như nước thải của các nhà máy hoá chất, nhà máy luyện kim, các xí nghiệp mạ điện... có nhiều hoá chất độc hại, các kim loại nặng, khi xả vào môi trường nước nhiều chất khó bị phân huỷ, gây độc đối với các loài sinh vật trong nước. Nhiều chất ô nhiễm trong đó có các kim loại nặng có khả năng tích tụ sinh học qua dây chuyền thức ăn, ảnh hưởng đến các loài thuỷ sinh và đến đa dạng sinh học của hệ sinh thái. Nước thải công nghiệp khi xả vào nguồn nước với khối lượng lớn có thể làm thay đổi các tính chất vật lý của nguồn nước như làm thay đổi nhiệt độ nước, làm tăng lượng chất rắn hoà tan, lượng chất rắn lơ lửng, ảnh hưởng đến màu, mùi của nước... Những thay đổi đó làm giảm giá trị sử dụng của nguồn nước, nhất là cho mục đích vui chơi giải trí. Ngoài các nguồn gây ô nhiễm nước chủ yếu nêu trên, các hoạt động phát triển khác cũng gây ô nhiễm nước như hoạt động xây dựng các công trình dân dụng như xây dựng nhà cửa trên các khu đô thị, xây dựng thủy lợi, thủy điện, làm đường giao thông... Các hoạt động làm tăng bùn cát hay độ đục của nước sông ở hạ lưu khu vực xây dựng do tăng lượng đất bị rửa trôi. Dầu mỡ máy móc thi công, các chất thải của khu vực lán trại công nhân cũng góp phần ô nhiễm thủy vực. Vì thế rất biện pháp quản lý chặt chẽ các nguồn thải các công trình để giảm thiểu ô nhiễm nước. d. Nguồn ô nhiễm do hoạt động giao thông Các hoạt động giao thông đường thủy ở hệ thống sông suối, ao hồ hay ở biển và đại dương là nguyên nhân làm ô nhiễm dầu mỡ cho nguồn nước. Các sự cố tai nạn về va chạm, chìm tàu, đặc biệt là các sự cố va chạm, vỡ, chìm tàu chở dầu trên biển và đại dương làm ô nhiễm dầu nghiêm trọng, ảnh hưởng đến hệ sinh thái, các nguồn tài nguyên sinh học biển,... Hoạt động giao thông đường bộ và đường hàng không cũng góp phần gián tiếp gây ô nhiễm nguồn nước do sự phát thải các khí thải độc hại vào bầu không Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 7 ThS. Nguyễn Minh Kỳ khí. Mưa sẽ rửa sạch bầu không khí và kéo các chất bẩn đổ vào hệ thống ao hồ, sông suối... 1.5.2. Tác nhân gây ô nhiễm nước Có thể chia tác nhân gây ô nhiễm nước thành các nhóm cơ bản sau: 1.5.2. 1. Tác nhân hóa lý - Màu sắc: Khi nước chứa các chất rắn lơ lửng, các loại tảo, các chất hữu cơnó trở nên kém thấu quang ánh sáng tự nhiên. Từ đó, làm cản trở sự sống của các loài thủy sinh và suy giảm chất lượng môi trường nước. Để đánh giá màu sắc của nước người ta dùng máy đo màu hoặc may đo độ thấu quang của nước. - Mùi và vị: Nước tự nhiên sạch không có mùi và vị. Khi nguồn nước tiếp nhận các sản phẩm phân hủy chất hữu cơ, chất thải công nghiệp, các kim loại thì mùi vị của nước trở nên khó chịu. Thông thường, các chất có mùi bao gồm các chất hữu cơ từ cống rãnh khu dân cư, xí nghiệp chế biến thực phẩm; nước thải công nghiệp, hóa chất; sản phẩm từ sự phân hủy xác động thực vật... Để đánh giá mùi và vị của nước người ta dùng phương pháp pha loãng nhiều lần bằng một lượng nước cất để nó không còn mùi vị nữa. - Độ đục: Nguồn nước tự nhiên thường không có các chất rắn lơ lửng nên trong suốt và không màu. Khi chứa các hạt sét, mùn, vi sinh vật, hạt bụi, các hạt keo, chất kết tủa thì nước trở nên đục. Nước đục ngăn cản sự thấu quang ánh sáng xuống các tầng bên dưới các thủy vực do đo ảnh hưởng đến sự sống các loài thủy sinh. Độ đục được xác định bằng máy đo độ đục hiện trường hoặc phương pháp hóa lý trong phòng thí nghiệm. - Nhiệt độ: Nhiệt độ của nước phụ thuộc vào điều kiện khí hậu, thời tiết của môi trường. Các nguồn nước thải làm mát từ các nhà máy điện, phân xưởng sản xuất công nghiệp làm tăng nhiệt độ của nước. Nhiệt độ cao phá hủy các quá trình sinh, hóa, lý học của hệ sinh thái nước. Để đo nhiệt độ nước có thể dùng các loại nhiệt kế khác nhau hay máy đo nhanh hiện trường đa chỉ tiêu. - Chất rắn lơ lửng (SS): Là nồng độ các hạt chất rắn vô cơ hoặc hữu cơ không tan trong nước (thường có kích thước từ 10-1 đến 10-2 µm như khoáng sét, bụi than, mùn,). Nồng độ các chất rắn lơ lửng được xác định bằng cách lọc mẫu nước qua giấy lọc tiêu chuẩn; cặn thu được trên giấy lọc sau khi sấy ở nhiệt độ 1050C đến khi khối lượng không đổi đem cân xác định khối lượng. Đơn vị: mg/L. - Độ cứng: Độ cứng của nước do sự có mặt của các muối Ca và Mg gây ra. Độ cứng tạm thời là do các muối carbonate (CO32-) hoặc bicarbonate (HCO3-) của Ca và Mg gây ra. Độ cứng vĩnh cửu của nước là do các muối sunphate (SO42-) hoặc clorua (Cl-) của Ca và Mg gây ra. Căn cứ vào hàm lượng CaCO3 có thể phân loại nước thành 3 loại: Nước mềm (<60mg/l CaCO3), nước cứng trung bình (60-180mg/l CaCO3) và Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 8 ThS. Nguyễn Minh Kỳ nước cứng (>180mg/l CaCO3). Có thể xác định độ cứng của nước bằng phương pháp chuẩn độ. - Độ dẫn điện: Độ dẫn điện của nước liên quan đến sự hiện diện của các ion muối kim loại như NaCl, KCl, Na2SO4, KNO3 trong nước. Tác động ô nhiễm của nước có độ dẫn điện cao thường liên quan tới tính độc hại của các ion hòa tan trong nước. Để xác định có thể sử dụng máy đo điện trở hoặc cường độ dòng diện. - Độ pH: Độ pH của nước được xác định theo công thức pH = -lg[H+]. Đối với nguồn nước tinh khiết có pH = 7, nước có tính axit pH<7 và nguồn nước có tính bazơ pH>7. Độ pH ảnh hưởng đến sự sống các loài thủy sinh. Ví dụ như cá thường không sinh sống được ở môi trường pH10. Độ pH có thể được xác định bằng phương pháp điện hóa, chuẩn độ hoặc sử dụng các loại thuốc thử khác nhau. - Hàm lượng oxy hòa tan (DO): Hàm lượng oxy hòa tan trong nước có vai trò quan trọng và rất cần thiết cho sự sống của các loài sinh vật ở nước. Oxy hòa tan được khuếch tán từ khí quyển hoặc do sự quang hợp của các loài tảo. Khi hàm lượng oxy hòa tan thấp các loài sinh vật sống trong nước sẽ thiếu oxy, giảm các hoạt động và có thể chết. Việc xác định oxy hòa tan có thể bằng phương pháp Winkler hoặc phương pháp điện cực. - Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD): Là lượng oxy cần thiết sử dụng bởi các vi sinh vật hiếu khí để oxy hóa các chất hữu cơ có trong nước (đơn vị: mgO2/L). BOD dùng phổ biển để đánh giá mức độ ô nhiễm chất hữu cơ, đặc biệt là chất hữu cơ dễ phân hủy sinh học trong nước. Do quá trình oxy hóa sinh học trong nước xảy ra chậm (trên 20 ngày để oxy hóa gần hết), thông thường người ta xác định nhu cầu oxy sau 5 ngày gọi là BOD5. Nguyên tắc xác định BOD5 là xác định DO của mẫu ban đầu và DO sau 5 ngày ủ mẫu (trong chai kín, ở 200C) rồi lấy hiệu số (quy trình thực tế có thể phức tạp hơn do phải pha loãng mẫu, cấy thêm vi sinh vật,). - Nhu cầu oxy hóa học (COD): Là lượng oxy cần thiết để oxy hóa hóa học các hợp chất hữu cơ trong nước. Đơn vị mgO2/L. COD dùng để đánh giá ô nhiễm các chất hữu cơ, nhưng gồm cả chất hữu cơ bị oxy hóa và không bị oxy hóa sinh học. Thông thường COD được xác định bằng phương pháp hồi lưu kín-trắc quang với thuốc thử Bicromat (Cr2O72-). - Các khí hòa tan (H2S, NH3,...): Các khí hòa tan này thường là sản phẩm của các quá trình phân hủy các hợp chất hữu cơ trong nguồn nước. 1.3.2.2. Tác nhân hóa học - Các chất hữu cơ dễ bị phân hủy sinh học (các hydrocarbon, protein, lipit,...) có trong nước thải sinh hoạt và nước thải của một số ngành sản xuất công nghiệp như chế biến thủy sản, sản xuất bia, Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 9 ThS. Nguyễn Minh Kỳ - Các chất hữu cơ bền vững như polychlorophenol (PCPs), polychlorobiphenyl (PCBs), các hydrocarbon thơm đa vòng (PAHs: Polycyclic Aromatic Hydrocarbon). Các chất này có độc tính cao và bền vững trong môi trường. Chúng thường có trong nước thải công nghiệp (dệt, nhuộm, giấy,) và nguồn nước chảy tràn qua các vùng nông, lâm nghiệp có sử dụng nhiều hóa chất BVTV. - Các nhóm anion vô cơ (NH4+, NO3-, NO2-, PO43-,...): Các nguyên tố N, P, S ở nồng độ thấp là các chất dinh dưỡng cho tảo và các vi sinh vật trong nước. Khi nồng độ cao chúng là các tác nhân gây ra sự phú dưỡng các thủy vực, làm biến đổi môi trường, hệ sinh thái. Ngoài ra, chúng còn có thể làm biến đổi sinh hóa trong cơ thể sinh vật và người. Nguồn nước ăn uống có nhiễm hàm lượng NO3- cao có thể gây ra bệnh ung thư. - Các kim loại nặng (Hg, As, Cd, Pb, Mn,...) thường có trong nước thải của các ngành công nghiệp luyện kim, khai khoáng, Hầu hết chúng ít tham gia vào các quá trình sinh hóa mà thường tích lũy lại trong cơ thể sinh vật, gây tác động nghiêm trọng đến các sinh vật theo chuỗi thức ăn. - Thuốc bảo vệ thực vật: Là những chất độc hại có nguồn gốc tự nhiên hoặc tổng hợp hóa học, được dùng để phòng và trừ sinh vật có hại cho cây trồng nông sản với các tên gọi khác nhau như thuốc trừ sâu, thuốc trừ bệnh, thuốc diệt cỏ Có thể chia thuốc bảo vệ thực vật làm ba nhóm chính: nhóm clo hữu cơ, nhóm lân hữu cơ và nhóm cacbanat. Trong đó, nhóm clo hữu cơ là các hợp chất hóa học gốc clo rất bền vững trong môi trường tự nhiên và thời gian phân hủy. Thuộc nhóm này có Aldrin, Diedrin, DDT, Endrin, Nhóm lân hữu cơ gồm hai hợp chất parathion và malathion. Nhóm này có thời gian phân hủy ngắn hơn so với nhóm clo hữu cơ nhưng lại có độ độc cao đối với người và động vật. Nhóm cacbanat gồm các hóa chất ít bền vững trong môi trường nhưng cũng rất độc với con người, động vật. Đại diện cho nhóm này gồm các hợp chất gốc cacbanat như Sevin, Puradan, Nhìn chung, dư thuốc bảo vệ thực vật được tích lũy trong môi trường, nông sản và gây ảnh hưởng xấu đến sức khỏe con người, sinh vật. 1.5.2.3. Tác nhân sinh học Tác nhân sinh học chủ yếu bao gồm các sinh vật gây bệnh như vi khuẩn, siêu vi khuẩn, ký sinh trùng gây bệnh như tả, lỵ, thương hàn; virus gây tiêu chảy,. Nguồn ô nhiễm sinh học cho môi trường nước chủ yếu do phân, rác, chất thải sinh hoạt, xác chết sinh vật, chất thải bệnh viện. Để đánh giá mức độ ô nhiễm sinh học thường hay sử dụng các thông số quan trọng như Total coliform, Fecal coliform, E.coli. 1.6. Chỉ tiêu đánh giá chất lượng nước - Chất ô nhiễm thông thường: BOD, COD, TSS, pH, Fecal coliforms, dầu mỡ. - Chất ô nhiễm độc hại: + Kim loại (As, Cd, Cr, Cu, Pb, Hg, Ni, Zn, Ag) Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 10 ThS. Nguyễn Minh Kỳ + Chất độc hữu cơ:  Chất hữu cơ bay hơi (1,1,1-trichloroethane, benzene, ethylbenzene, methylene chloride, toluene, and trichloroethylene)  Chất hữu cơ bán bay hơi (di-n-butyl phthalate, naphthalene, p-chloro-m-cresol, and phenols)  Thuốc trừ sâu  Polychlorinated biphenyls (PCBs) - Chất hữu cơ không thông thường: Ammonia và Phosphate. 1.7. Hậu quả ô nhiễm nước Ảnh hưởng của sự ô nhiễm nước có thể được phân làm nhiều dạng. Một vài ảnh hưởng của quá trình ô nhiễm nước có thể được ghi nhận ngay lập tức và có một số ảnh hưởng ô nhiễm nước chỉ biểu hiện sau một thời gian từ vài tháng đến vài năm. Có nhiều cách để xem xét hậu quả của ô nhiễm nước. Căn cứ theo đối tượng bị ô nhiễm có thể làm rõ hậu quả của ô nhiễm nước theo sự phân dạng ô nhiễm nguồn nước như: Ô nhiễm nước mặt, ô nhiễm biển và ô nhiễm nước ngầm. a. Ô nhiễm nước mặt Các dạng ô nhiễm nước mặt thường gặp là ô nhiễm bởi các chất hữu cơ, vô cơ; phú dưỡng; ô nhiễm kim loại nặng, hóa chất độc hại; ô nhiễm vi sinh vật và ô nhiễm thuốc bảo vệ thực vật. * Phú dưỡng: - Phú dưỡng là hiện tượng thường gặp trong các hồ đô thị, các sông và kênh dẫn nước thải. Biểu hiện phú dưỡng của các hồ đô thị là nồng độ chất dinh dưỡng N, P cao, tỷ lệ P/N cao do sự tích luỹ tương đối P so với N, sự yếm khí và môi trường khử của lớp nước đáy thuỷ vực, sự phát triển mạnh mẽ của tảo và nở hoa tảo, sự kém đa dạng của các sinh vật nước, đặc biệt là cá, nước có màu xanh đen hoặc đen, có mùi khai thối do thoát khí H2S... - Nguyên nhân gây phú dưỡng là sự thâm nhập một lượng lớn N, P từ nước thải sinh hoạt của các khu dân cư, sự đóng kín và thiếu đầu ra của môi trường ao hồ. Sự phú dưỡng nước hồ đô thị và các sông kênh dẫn nước thải gần các thành phố lớn đã trở thành hiện tượng phổ biến ở hầu hết các nước trên thế giới. Hiện tượng phú dưỡng hồ đô thị và kênh thoát nước thải tác động tiêu cực tới hoạt động văn hoá của dân cư đô thị, làm biến đổi hệ sinh thái nước hồ, tăng thêm mức độ ô nhiễm không khí của đô thị. Hiện tượng phú dưỡng được chia ra do 2 nguyên nhân chính: + Nguồn điểm (point sourses): là nguồn gây ô nhiễm có thể xác định được vị trí, lưu lượng cụ thể, ví dụ như nguồn thải từ các hệ thống cống rãnh trong các khu thị trấn, thành phố, các khu công nghiệp, Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 11 ThS. Nguyễn Minh Kỳ + Nguồn diện hay phân tán (non-point or diffuse sourses): là nguồn gây ô nhiễm không xác định được cụ thể vị trí, lưu lượng, ví dụ nước chảy tràn từ khu vực sản xuất nông nghiệp, lâm nghiệp, các khu đô thị, nước mưa bị ô nhiễm, ... * Ô nhiễm kim loại nặng và các chất nguy hại khác - Nguyên nhân chủ yếu là do nước thải công nghiệp và nước thải độc hại không xử lý hoặc xử lý không đạt tiêu chuẩn thải vào môi trường. - Kim loại nặng và các chất nguy hại khác sẽ tích lũy trong chuỗi thức ăn vào cơ thể động vật và người. - Nguồn nước mặt bị ô nhiễm kim loại nặng và các chất nguy hại khác sẽ kéo theo ô nhiễm đất, ô nhiễm nguồn nước ngầm, ô nhiễm không khí, * Ô nhiễm vi sinh vật nguồn nước mặt - Thường gặp ở các vực nước nhận nước thải sinh hoạt, nước thải bệnh viện. - Các loại vi khuẩn, ký sinh trùng, sinh vật gây bệnh sẽ theo nguồn nước bị ô nhiễm lan truyền bệnh cho người và động vật, đặc biệt là các khu đông dân sống tập trung. * Ô nhiễm nước mặt bởi dư lượng thuốc bảo vệ thực vật và phân bón hóa học - Phổ biến ở các khu thâm canh nông nghiệp - Trong quá trình sử dụng, một lượng lớn thuốc bảo vệ thực vật và phân bón hóa học không được cây trồng tiếp nhận, chúng sẽ lan truyền, tích lũy trong môi trường đất, nước và các sản phẩm nông nghiệp thâm nhập vào cơ thể người và động vật theo chuỗi thức ăn. * Mưa axit Các nguồn nước trong vùng có mưa axit sẽ làm gia tăng thành phần SO42-, đây là nhân tố làm tổn hại đến đời sống các loài cá và thực vật thủy sinh ở các ao hồ, sông suối. * Làm tổn hại đến chuỗi thức ăn trong tự nhiên Khi độc chất đi vào trong nước, các loài sinh vật tiêu thụ và sử dụng chúng, sau đó gây nhiễm độc cho con người khi chúng ta sử dụng các sinh vật bị nhiễm độc trong nước. * Lan truyền dịch bệnh theo con đường ô nhiễm nước Các bệnh truyền nhiễm như thương hàn và tả có thể lan truyền từ nguồn nước nhiễm bẩn hoặc bị ô nhiễm. Tim và thận của con người rất có thể gặp phải những bất lợi khi sử dụng các nguồn nước ô nhiễm một cách thường xuyên. Vấn đề kèm theo khác về sức khỏe của sự ô nhiễm nước là làm chậm quá trình lưu thông máu trong cơ thể, tổn Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 12 ThS. Nguyễn Minh Kỳ thương về da, sự nôn mửa và tổn thương hệ thần kinh. Thực tế, ô nhiễm nước có thể được nói như là một trong những nguyên nhân gây ra sự chết chóc toàn cầu. b. Ô nhiễm nước ngầm - Nước ngầm là nguồn cung cấp nước sinh hoạt chủ yếu ở nhiều vùng quốc gia và vùng dân cư. Do đó, ô nhiễm nước ngầm có ảnh hưởng đến chất lượng cuộc sống con người. - Các tác nhân làm ô nhiễm nước ngầm: + Các tác nhân tự nhiên: nhiễm mặn, nhiễm phèn, hàm lượng cao của Fe, Mn và một số kim loại khác. + Các tác nhân nhân tạo như kim loại nặng, các anion, vi sinh vật, - Biểu hiện và hậu quả của suy thoái nguồn lợi nước ngầm là mất khả năng khai thác, hạ thấp mực nước, sụt lún đất, c. Ô nhiễm biển - Các biểu hiện và hậu quả của ô nhiễm biển: + Sự gia tăng nồng độ các chất ô nhiễm trong nước biển như dầu, kim loại nặng, hóa chất độc, + Gia tăng nồng độ các chất ô nhiễm tích tụ trong trầm tích biển ven bờ, + Suy thoái các hệ sinh thái biển như hệ sinh thái san hô, hệ sinh thái rừng ngập mặn, Suy giảm trữ lượng các loài sinh vật biển và giảm đa dạng sinh học biển. + Xuất hiện các hiện tượng như thủy triều đỏ, tích tụ các chất ô nhiễm trong các sản phẩm lấy từ biển. + Ô nhiễm trong nước sẽ làm biến đổi tính chất, thành phần hóa học của nước: Các chất ô nhiễm là nguyên nhân làm thay đổi tính axit, độ dẫn điện và nhiệt độ của nước. Đặc biệt các nhân tố này sẽ tác động xấu lên sự sống của đại dương. + Ô nhiễm nhiệt độ nước trong đại dương do con người gây ra là nguyên nhân làm ảnh hưởng nghiêm trọng đến sự sống các loài sinh vật. - Các nguồn gây ô nhiễm biển: Bao gồm các ngồn ô nhiễm tự nhiên (núi lửa phun, động đất, sóng thần, lũ lụt,) và các nguồn ô nhiễm nhân tạo. Trong đó, gây ô nhiễm biển chủ yếu là các nguồn nhân tạo có liên quan tới các hoạt động của con người. Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 13 ThS. Nguyễn Minh Kỳ 1.8. Quy chuẩn kỹ thuật chất lượng nước Hình 1.3. Criteria vs. Standards of water  Để kiểm soát, ngăn chặn ô nhiễm phải giảm thiểu chất ô nhiễm trước khi thải ra môi trường.  Xây dựng quy chuẩn chất lượng môi trường được dựa trên luật bảo vệ môi trường.  Tiêu chuẩn chất lượng môi trường liên quan tới chất lượng nước và sức khỏe con người. Tiêu chuẩn sống ở các ao hồ, sông suối, biển liên quan tới BOD, COD, N, P. Bảng 1.3. Standard quality of industrial water 1.9. Ô nhiễm môi trường nước trong công nghiệp  3 kiểu cống thải: o Công cộng o Lưu vực sông o Chảy tràn đô thị  Khi nước thải công nghiệp đổ vào cống thải cộng cộng hoặc cống thải lưu vực sông và ảnh hưởng đến môi trường. 1.10. Kiểm soát ô nhiễm nước Kiểm soát ô nhiễm nước được thực hiện thông qua các nhóm giải pháp sau: Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 14 ThS. Nguyễn Minh Kỳ a. Giải pháp về quản lý Ban hành và hoàn chỉnh hóa hệ thống luật, các văn bản dưới luật, các tiêu chuẩn chất lượng nước,... - Ngày nay, ô nhiễm nước xảy ra có quy mô khu vực và toàn cầu do đó các luật lệ kiểm soát ô nhiễm nước không những mang tính quốc gia mà còn mang tính khu vực và toàn thế giới. - Xác định các tiêu chuẩn cho phép thải nước thải vào các nguồn nước dùng cho các mục đích khác nhau còn gọi là chỉ tiêu chất lượng nước. Các chỉ tiêu như vậy được nghiên cứu cho từng vùng, từng mục đích sử dụng và được tiêu chuẩn hóa thành tiêu chuẩn chất lượng môi trường nước. - Các loại tiêu chuẩn liên quan đến môi trường nước như sau: + Tiêu chuẩn chất lượng nước nguồn dùng cho các mục đích như cấp nước cho sinh hoạt dân cư đô thị, nông thôn, cho từng lĩnh vực hoạt động sản xuất nông nghiệp hay công nghiệp riêng biệt, nguồn nước dùng để vui chơi, giải trí, thể dục thể thao, nuôi trồng thủy sản, + Tiêu chuẩn chất lượng nước cấp trực tiếp (sau khi xử lý nước nguồn) cho từng đối tượng trên như cấp nước cho ăn uống, sinh hoạt, công nghiệp thực phẩm, công nghiệp dệt nhuộm, + Tiêu chuẩn chất lượng nước của các dòng nước thải cho phép xả vào các vực nước tự nhiên như sông, hồ, biển, Mỗi quốc gia sẽ đưa ra tiêu chuẩn chất lượng nước riêng trên cơ sở các lưu vực nước tự nhiên, yêu cầu phát triển kinh tế, xã hội và tiêu chuẩn gây hại cho sức khỏe con người và các sinh vật trong nước. b. Giải pháp về tài chính - Quy định thu lệ phí xả thải (theo lượng nước dùng, lượng chất thải, lượng nước thải). - Quy định xử phạt hành chính đối với các hành vi vi phạm. - Các khoản tài chính khuyến khích, hỗ trợ hoạt động, giải pháp kiểm soát ô nhiễm, - Một nguyên tắc quản lý ô nhiễm nước là "người gây ô nhiễm phải trả cho sự ô nhiễm”. c. Giải pháp kỹ thuật - Các giải pháp giảm sự phát sinh chất thải (thay đổi công nghệ, tách riêng các dòng thải, sản xuất sạch hơn...). Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 15 ThS. Nguyễn Minh Kỳ - Các giải pháp giảm chất thải sau phát sinh (xử lý nước thải, tái sử dụng chất thải,...). - Các giải pháp cải thiện khả năng tiếp nhận thải của nơi nhận thải (như thông khí, khơi thông dòng chảy,...). - Các giải pháp sinh thái (sử dụng các hệ động thực vật tự nhiên đồng hóa chất thải). 1.11. Đo lưu lượng, lấy mẫu và phân tích nước thải  Sự cần thiết quan trắc chất lượng môi trường: o Ngăn ngừa ô nhiễm môi trường o Phát hiện sớm o Khắc phục kịp thời  Trách nhiệm của doanh nghiệp (đơn vị xả thải) - quan trắc nồng độ đầu ra. Tính tải lượng Li (kg/d) = Ci(mg/l).Q(m3/d).10^-3 Trong đó, L: tải lượng chất ô nhiễm i đầu ra; C: nồng độ quan trắc; Q: lưu lượng thải  Trách nhiệm của cơ quan quản lý nhà nước: Quan trắc chất lượng môi trường (đánh giá, theo dõi biến động, can thiệp/khắp phục kịp thời - thực hiện chức năng quản lý nhà nước) Bảng 1.4. Typical auto water analyzers Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 16 ThS. Nguyễn Minh Kỳ 1.12. Cơ sở lựa chọn giải pháp xử lý nước thải  Xử lý nước thải nhằm loại bỏ các hạt rắn, chất hòa tan trong nước hoặc chuyển hóa chúng thành chất ít độc và ổn định.  Xử lý gồm vật lý (cơ học), hóa học, hóa lý và sinh học. Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 17 ThS. Nguyễn Minh Kỳ Bảng 1.5. Typical wastewater treatment processes and removal method  Xử lý cần quan tâm: o Đặc điểm nước thải o Tiêu chuẩn xả thải o Kinh phí o Điều kiện môi trường o Chính sách doanh nghiệp Một số lưu ý:  Tiền xử lý bằng song chắn rác: Vật liệu thô, nhựa, bao bì Sau tiền xử lý, BOD được xử lý bằng bùn hoạt tính.  Khi BOD quá lớn nên sử dụng phương pháp kỵ khí. Tỷ lệ loại BOD bằng phương pháp kỵ khí dao động 80-90%.  RO có thể tái sử dụng nguồn nước.  Việc thải bùn tạo ra vấn đề nghiêm trọng về kinh tế và môi trường. Bùn được tận dùng làm composting hoặc phân bón. Ngày nay, chi phí xử lý và thải bỏ bùn chiếm kinh phí lên tới 70% tổng kinh phí vận hành hệ thống xử lý nước thải. Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 18 ThS. Nguyễn Minh Kỳ Hình 1.4. Hệ thống xử lý nước thải tiêu biểu Bảng 1.6. Phương pháp xử lý nước thải (chất ô nhiễm) TT Chất ô nhiễm Phương pháp 1 Chất hữu cơ dễ phân hủy BOD Sinh học hiếu khí (bùn hoạt tính/aerotank, ao hồ sinh học, lọc sinh học) 2 SS, chất hữu cơ khó phân hủy UASB, hồ yếm khí 3 SS Lắng, tuyển nổi 4 Dầu, mỡ Tuyển nổi 5 Kim loại nặng Trao đổi ion, kết tuả 6 Kiềm, axit Trung hòa Bảng 1.7. Phương pháp xử lý nước thải (bậc) Chất ô nhiễm Xử lý sơ bộ Bậc 2 Nâng cao pH Trung hòa Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 19 ThS. Nguyễn Minh Kỳ SS Lọc, lắng Keo tụ/lắng, trích lọc BOD Lắng, keo tụ/lắng Bùn hoạt tính, lọc nhỏ giọt Hấp phụ bằng carbon hoạt tính, RO COD Lắng, keo tụ/lắng Bùn hoạt tính, lọc nhỏ giọt Hấp phụ bằng carbon hoạt tính, RO, oxy hóa với Cl2, O3 Dầu Phân ly Cô đặc CN- Bùn hoạt tính Phân tách với O3 Điện hóa Cr Giảm và lắng Trao đổi ion, điện hóa Sắt Lọc bằng OH- Trao đổi ion, điện hóa Kim loại nặng Lọc bằng OH- hoặc S2- Trao đổi ion, điện hóa Clorine Trung hòa với kiềm Carbon hoạt tính Xây dựng/thiết kế hệ xử lý quan tâm: Quá trình sản xuất, tiêu chuẩn nước thải, khảo sát môi trường xung quanh để lựa chọn công nghệ thích hợp và kinh tế nhất. Các tiêu chí lựa chọn công nghệ xử lý nước thải Căn cứ Nghị định 80/2014/NĐ-CP thoát nước và xử lý nước thải: 1. Hiệu quả xử lý của công nghệ: Đảm bảo mức độ cần thiết làm sạch nước thải, có tính đến khả năng tự làm sạch của nguồn tiếp nhận. 2. Tiết kiệm đất xây dựng. 3. Quản lý, vận hành và bảo dưỡng phù hợp với năng lực trình độ quản lý, vận hành của địa phương. 4. Chi phí đầu tư hợp lý trong đó tính đến cả sự phụ thuộc vào công nghệ nhập khẩu. 5. Phù hợp với đặc điểm điều kiện khí hậu, địa hình, địa chất thủy văn của khu vực và khả năng chịu tải của nguồn tiếp nhận. 6. An toàn và thân thiện với môi trường Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 20 ThS. Nguyễn Minh Kỳ 7. Có khả năng mở rộng về công suất hay cải thiện hiệu quả xử lý trong tương lai. 8. Đảm bảo hoạt động ổn định khi có sự thay đổi bất thường về chất lượng nước đầu vào, thời tiết và biến đổi khí hậu. 9. Mức độ phát sinh và xử lý bùn cặn. 10. Tiết kiệm năng lượng, có khả năng tái sử dụng nước thải, bùn thải sau xử lý. Hình 1.5. Đặc điểm nước thải và phương pháp xử lý 1.13. Khái quát về các hệ thống xử lý nước thải Hình 1.6. Classification of Wastewater Treatments Processes Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 21 ThS. Nguyễn Minh Kỳ  Xử lý bậc 1: Xử lý sơ bộ (song chắn rác, bể lắng, lọc đơn giản) nhằm loại vật thô, tách các chất không tan trong nước thải. Tạo điều kiện phù hợp cho quá trình xử lý tiếp theo. Loại bỏ hạt chất rắn lơ vô cơ và hữu cơ, dầu, mỡ. Đồng thời, loại bỏ một vài hợp chất nitơ hữu cơ, phốt pho hữu cơ, kim loại nặng phối kết với chất rắn. Hiệu quả xử lý BOD là 30-40% và SS là 40-60%. • Sedimentation • Primary Settling Tanks • Coagulation • Secondary Settling Tank • Flocculation  Xử lý bậc 2: Thông thường xử lý bậc 2 là các công trình xử lý sinh học dùng để oxy hoá sinh hoá các chất hữu cơ còn lại dạng tan, keo và không tan (nhưng không lắng được). Loại bỏ các chất hữu cơ còn lại, hạt keo, SS, màu, mầm bệnh. Khả năng loại bỏ SS, BOD tương ứng 85-90%. • Activated Sludge Process • Oxidation Ponds and lagoons • Trickling Filter  Xử lý bậc 3 (xử lý triệt để): Thường được thực hiện theo yêu cầu xử lý có chất lượng cao hơn. Đó là các trường hợp cần thiết phải áp dụng các biện pháp như triệt khuẩn, khử tiếp các chất bẩn còn lại trong nước thải như nitrat, photphat, sunphat, kim loại, mầm bệnh.... Xử lý nước thải bậc cao là một công nghệ xử lý tạo ra dòng thải đạt chất lượng cao. Xử lý bậc cao gồm: • Membrane Filtration and Separation • Dechlorination and Disinfection Systems • Reverse Osmosis (RO) Systems • Ion Exchange • Activated Carbon Adsorption • Physical/Chemical Treatment Điều quan trọng của hệ thống xử lý nước thải là đảm bảo hiệu quả đầu ra. Hướng dẫn ôn tập 1. Trình bày khái niệm và phân loại nước thải? 2. Phân tích đặc điểm cơ bản của các loại nước thải? Cho ví dụ? 2. Cơ sở đề xuất thiết kế hệ thống xử lý nước thải? Ví dụ minh họa? 2. Khái quát cơ bản về hệ thống xử lý nước thải? Minh họa cụ thể? -Hết- Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 22 ThS. Nguyễn Minh Kỳ CHƯƠNG 2 XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP CƠ HỌC 2.1. Song chắn rác (Screening) a. Mục đích • Loại chất thải có kích thước lớn trôi lơ lửng, tránh tắc nghẽn bơm, đường ống, kênh dẫn. • Bảo đảm an toàn và điều kiện làm việc của toàn hệ thống. b. Phân loại  Theo kích thước khe hở: Lớn, trung bình, nhỏ.  Theo hình dạng: Trụ, vuông.  Theo phương pháp làm sạch: Thủ công, cơ giới.  Theo cách cố định hoặc di động bề mặt song chắn rác. Kích thước lưới (khe hở) song chắn rác thường 15-50 mm. Đối với song chắn rác mịn có kích thước lưới nhỏ hơn 15 mm (fine screens). c. Song chắn rác lớn (Coarse screen – Bar screen)   Đặt trước song chắn rắn trung bình (normal screen) để loại vật liệu lớn và bảo vệ song chắn rắn trung bình.  Khe hở 25-50 mm, nghiêng 700, vận tốc dòng chảy chậm. Tính toán tổn thất áp lực (hr): Với, α: góc nghiêng của thanh chắn, t: độ dày thanh chắn (m), β: hệ số phụ thuộc hình dạng thanh chắn, b: độ rộng khe hở (m), v: vận tốc dòng nước thải trước song chắn rác (m/s) Xác định hệ số β Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 23 ThS. Nguyễn Minh Kỳ Hình 2.1. Song chắn rác lớn d. Song chắn rác trung bình (normal screen)  Bảo vệ các thiết bị, máy móc trong hệ thống. e. Song chắn rác mịn/nhỏ (fine screen)  Loại các vật liệu nhỏ ảnh hưởng tới quá trình vi sinh. f. Lưu ý  Song, lưới chắn rác o Thủ công (khi lượng rác < 0,1 m3/d), o Cơ giới (khi lượng rác ≥0,1 m3/d, kết hợp máy nghiền).  Tính toán: Chiều rộng, dài, số khe hở, số thanh, tổn thất áp lực, lượng rác giữ lại trên song chắn rác. g. Bài tập  Giới thiệu và thực hành trên lớp  Tài liệu tham khảo Tính toán thiết kế song chắn rác lớn (Bar Screens): * Vận tốc dòng chảy: - Vận tốc tối ưu qua song chắn rác lớn: 0,6 m/s - Vận tốc tối đa: 0,75-1,0 m/s (ngăn ngừa đẩy các vật liệu qua khe SCR) - Vận tốc tối thiểu: 0,4 m/s (ngăn ngừa sự phân hủy các chất rắn) - Khoảng vận tốc điển hình: 0,6-1,0 m/s Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 24 ThS. Nguyễn Minh Kỳ Ghi chú: V: vận tốc đi qua SCR (m/s), v: vận tốc trước SCR (m/s). * Tổn thất áp lực (hL hay ∆H):  hL = 0,05 – 0,15 m đối với nước cấp (drinking water)  hL = 0,10 – 0,40 m đối với nước thải (wastewater) Trường hợp 1. Tổn thất áp suất qua song chắn rác là hàm số của:  Vận tốc dòng chảy trong kênh dẫn (u);  Vận tốc dòng qua song chắn rác (v). Trong đó: - hL : tổn thất áp suất (m); - 0,7: hệ số thải nghiệm tính đến tổn thất áp suất do quá trình chảy rối và xoáy; - v : vận tốc dòng chảy qua khe hở giữa các thanh chắn; - u : vận tốc của dòng chảy trong kênh dẫn (m/s); - g : gia tốc trọng trường (m/s2). Trường hợp 2. Tổn thất áp suất qua song chắn rác là hàm số của: - Vận tốc dòng chảy trong kênh dẫn (u); - Loại thanh chắn (); - Độ dốc đặt SCR (). Tổn thất áp lực tính theo công thức Kirchmer’s equation như sau: Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 25 ThS. Nguyễn Minh Kỳ Trong đó: - hL : tổn thất áp suất (m); - W : chiều rộng lớn nhất của thanh chắn (m); - b : khe hở nhỏ nhất giữa các thanh chắn (m); - u : vận tốc dòng chảy trong kênh dẫn (m/s); -  : góc nghiêng của thanh chắn so với phương ngang; - g : gia tốc trọng trường (m/s2); -  : hệ số phụ thuộc vào hình dạng của thanh chắn. * Góc nghiêng song chắn rác: 10-700 2.2. Bể lắng (Clarifiers, Sedimentation) Hình 2.2. Bể lắng sơ cấp Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 26 ThS. Nguyễn Minh Kỳ a. Tổng quan các chất lơ lửng  Những chất lơ lửng (huyền phù) là những chất có kích thước hạt lớn hơn 10-1 mm.  Những chất lơ lửng trong nước thải gồm những hạt hoặc tập hợp hạt khác nhau về hình dạng, kích thước, trọng lượng riêng và bản chất xuất xứ.  Tính chất cơ bản của các chất dạng huyền phù lơ lửng là không có khả năng giữ nguyên tại chỗ ở trạng thái lơ lửng.  Thời gian tồn tại của chúng tùy thuộc vào kích thước hạt. Các hạt lớn sẽ lắng hoặc nổi lên mặt nước dưới tác dụng của trọng lực. b. Chức năng bể lắng  Loại SS là chủ yếu.  Bể lắng nước thải: Tách cặn sơ cấp và bùn thứ cấp (chủ yếu thành phần hữu cơ) ra khỏi dòng nước thải để tiếp tục xử lý dòng nước thải. Các kiểu lắng  Type I: Discrete particle settling - Particles settle individually without interaction with neighboring particles.  Type II: Flocculent Particles – Flocculation causes the particles to increase in mass and settle at a faster rate.  Type III: Hindered or Zone settling –The mass of particles tends to settle as a unit with individual particles remaining in fixed positions with respect to each other.  Type IV: Compression – The concentration of particles is so high that sedimentation can only occur through compaction of the structure. Các dạng lắng và ứng dụng thực tế: Dạng lắng Mô tả Ứng dụng Hạt rời rạc (loại 1) Dạng lắng các hạt rời rạc thường xảy ra trong nước thải có hàm lượng chất lơ lửng thấp. Các hạt lắng như một thực thể rời rạc và không có sự tương tác với các hạt xung quanh. Loại bỏ cát, mảnh kim loại, võ trứng, mảnh xương, hạt trái cây Bông cặn (loại 2) Dạng lắng bông xảy ra trong nước thải có hàm lượng SS tương đối thấp. Các hạt này có khả năng keo tụ và tạo bông trong quá trình lắng, vì vậy kích thước và khối Loại bỏ cặn lơ lửng trong bể lắng 1 và phần trên lắng 2. Loại bỏ các bông cặn hình thành từ quá trình hóa học/hóa lý Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 27 ThS. Nguyễn Minh Kỳ lượng hạt lớn dần, hạt lắng với tốc độ nhanh hơn. trong bể lắng (keo tụ- tạo bông) Cản trở (loại 3) Xảy ra trong nước thải có hàm lượng chất lở lửng cao và trung bình, trong đó lực liên kết giữa các hạt đủ lớn để cản trở quá trình lắng của các hạt lân cận. Các hạt có khuynh hướng giữ vị trí cố định so với các hạt khác và khi đó khối hạt lắng xuống như một vật thể. Giao tuyến lớp nước và lớp hạt bên trong hình thành rõ rệt. Xảy ra trong lắng 2 (lắng bùn hoạt tính, màng sinh học) Nén (loại 4) Xảy ra trong dung dịch có hàm lượng chất lở lửng cao, trong đó các hạt tạo thành một cấu trúc. Cấu trúc này bị nén do các hạt lắng xuống từ lớp nước phía trên. Thường xảy ra ở lớp bùn bên dưới (đáy bể lắng 2, bể nén bùn) c. Phân loại Bể lắng  Theo chuyển động dòng chảy có: o Bể lắng ngang, đứng, ly tâm – nước chuyển động từ trong ra ngoài và từ dưới lên.  Lắng ngang  Áp dụng khi Q >15.000 m3/d  Lắng đứng  Áp dụng khi Q <20.000 m3/d  Lắng ly tâm  Áp dụng khi Q >20.000 m3/d o Nguyên tắc chung: Lắng trọng lực.  Theo vị trí trong dây chuyển xử lý: o Bậc 1, 2. o Tính toán hiệu quả, chiều dài, rộng, cao, đường kính đối với ly tâm (kích thước). Bể lắng cát  Tách tạp chất thô, chủ yếu hạt vô cơ trước khi đưa dòng nước thải vào bể phản ứng sinh học.  Nguyên tắc: Lắng trọng lực các hạt vô cơ có kích thước lớn, tỷ trọng lớn hơn nước.  Bao gồm: + Bể lắng cát đứng (dòng chảy theo phương thẳng đứng) + Bể lắng cát ngang (dòng chảy theo phương ngang) + Bể lắng cát chuyển động (tiếp tuyến, thổi khí) Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 28 ThS. Nguyễn Minh Kỳ Lắng lamella Giới thiệu  Công nghệ lắng với việc thiết kế vùng lắng được chia thành nhiều lớp mỏng với khoảng không gian nhỏ bằng cách đặt các tấm lamella nghiêng 60°. Các tấm lamella có dạng nửa lục giác và khi ghép lại tạo thành khối ống có mặt cắt ngang như những ống lục giác ghép lại.  Cấu trúc Lamella thiết kế bằng vật liệu như nhựa PVC. Hình 2.3a. Tấm lắng lamella Cấu tạo Bể lắng lamella gồm 3 vùng: - Vùng phân phối nước - Vùng lắng - Vùng tập trung và chứa cặn Hình 2.3b. Cơ chế/nguyên lý hoạt động Nguyên lý  Nguồn nước từ bể phản ứng vào bể lắng sẽ di chuyển theo chiều từ dưới lên theo các tấm lắng lamella (hoặc ống lắng) được thiết kế nghiêng 60°. Trong quá trình di chuyển các cặn lắng kết tủa hay bông lắng sẽ va chạm vào nhau và bám vào bề mặt tấm lắng lamella. Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 29 ThS. Nguyễn Minh Kỳ Hình 2.4. Cấu tạo và nguyên lý hoạt động bể lắng lamella  Khi các bông lắng kết dính với nhau trên bề mặt tấm lắng lamella đủ nặng và thắng được lực đẩy của dòng nước đang di chuyển từ phía dưới lên thì bông kết tủa sẽ trượt xuống theo chiều ngược lại và rơi xuống đáy bể lắng (hoặc hố thu cặn), từ đó theo chu kỳ xả đi. Ứng dụng Bể lắng lamella sử dụng rộng rãi trong các công trình xử lý nước thải, xử lý nước cấp cho sinh hoạt và công nghiệp. Cụ thể:  Sử dụng hiệu quả cho tất cả các loại bể lắng trong công trình xử lý nước sạch, xử lý nước thải.  Phù hợp với công trình cải tạo, nâng cấp bể lắng đứng, bể lắng ngang thành bể lắng lamella. Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 30 ThS. Nguyễn Minh Kỳ Hình 2.5. Lamella Inclined Plate Clarifier  Sử dụng được cho các loại bể với nhiều hình dáng khác nhau như: Hình tròn, hình vuông, hình chữ nhật.  Ứng dụng lọc chất thải, bùn bả trong các hệ thống nuôi trồng thủy sản tuần hoàn. Ưu điểm của bể lắng - Nâng cao hiệu suất lắng và ổn định. - Rút ngắn thời gian lắng, giảm diện tích xây dựng. - Lắp đặt đơn giản, có thể thi công từng mảng rời và vận chuyển thuận tiện. - Vận hành đơn giản, dễ dàng bảo trì/bảo dưỡng và chuyển đổi vị trí đặt bể lắng. Lưu ý quan trọng:  Nghiên cứu sơ đồ cấu tạo  Nguyên tắc hoạt động d. Yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lắng  Kích thước hạt, nhiệt độ nước  Tỷ trọng các hạt  Độ nhớt nước e. Tính toán vận tốc lắng hạt  Nếu tỷ trọng các hạt bằng chất lỏng sẽ không có hiện tượng lắng. Trong trường hợp tỷ trọng các hạt khác biệt với chất lỏng, ta có công thức trọng lực Fg: Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 31 ThS. Nguyễn Minh Kỳ V: thể tích hạt, cm3; p1: tỷ trọng của hạt, g/cm3; p2: tỷ trọng chất lỏng, g/cm3; g: gia tốc trọng trường, cm/s2; lực kéo FD (lực ma sát) gây ra bởi quán tính: Với, CD : hệ số ma sát (phụ thuộc chế độ thủy động học dòng chảy); v: vận tốc cài đặt hạt; A: diện tích bề mặt hạt  Khi lực ma sát và trọng lực cân bằng các hạt sẽ rơi theo vận tốc không đổi:  Giả sử các hạt có dạng hình cầu với đường kính D Vận tốc cài đặt v:  Hệ số ma sát CD phụ thuộc kích thước hạt, đặc trưng bởi chuẩn số Reynolds (R) : hệ số độ nhớt (N.s/m2); : hệ số độ nhớt động học ( = /w) (m2/s)  Lúc này: FD lực ma sát đối với các hạt kích thước nhỏ di chuyển với vận tốc chậm:  Theo luật Stokes, hệ số ma sát CD = 24/R và vận tốc cài đặt:  Vận tốc cài đặt các hạt trong chất lỏng (công thức Stokes) – là vận tốc lắng của hạt. f. Ví dụ/Bài tập  Giới thiệu và thực hành trên lớp  Tài liệu tham khảo * Tính toán hiệu quả lắng SS và khử BOD5 của bể lắng 1 (Trịnh Xuân Lai, 2008): R = t/(a+b*t) Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 32 ThS. Nguyễn Minh Kỳ Trong đó, R là hiệu quả khử BOD5 hoặc SS biểu thị bằng %; t là thời gian lưu nước (giờ); a, b là các hằng số thực nghiệm (tra bảng). Chỉ tiêu Hằng số thực nghiệm a b Khử BOD5 0,018 0,02 Khử cặn lơ lửng SS 0,0075 0,014 * Tính toán bể lắng cát ngang (Lâm Minh Triết và nnk, 2015) - Chiều dài (L, m): L = (1000*K*vmax*Hmax)/U0 Trong đó, vmax là tốc độ chuyển động dòng nước thải trong bể lắng ngang ứng với lưu lượng lớn nhất (vmax = 0,3 m/s, theo TCXD-51-84); Hmax là độ sâu lớp nước trong bể lắng ngang; U0 là kích thước thủy lực hạt cát (tra bảng); K là hệ số thực nghiệm tính đến ảnh hưởng của đặc tính dòng chảy của nước đến tốc độ lắng của hạt cát trong bể lắng cát (Theo TCXD- 51-84: K = 1,3 ứng với U0 = 24,2 mm/s; K = 1,7 ứng với U0 = 18,7 mm/s). Quan hệ giữa kích thước hạt cát và kích thước thủy lực d, mm 0,1 0,12 0,15 0,2 0,25 0,3 0,35 0,4 0,5 U0, mm/s 5,12 7,37 11,5 18,7 24,2 28,3 34,5 40,7 51,6 Ghi chú: d - Đường kính hạt cát, mm; U0 - Kích thước thủy lực, mm/s. - Diện tích mặt thoáng bể lắng cát ngang (F, m): F = Qmax,s/U0 Với, Qmax,s là lưu lượng nước thải cực đại trong bể lắng (lít/s); U0 - Kích thước thủy lực (mm/s). - Chiều ngang tổng cộng bể lắng cát ngang (B, m): B = F/L 2.3. Phân tách dầu (Oil–Water Separator) a. Chức năng:  Tách dầu mỡ  Tránh ảnh hưởng đến quá trình xử lý tiếp theo b. Nguyên tắc  Thông thường dầu trong nước thải trôi nổi và được phân tách từ nước nhờ sự khác biệt về tỷ trọng của dầu và nước. Định luật Stokes mô tả sự trôi nổi (vận tốc) của dầu trong nước:  Trong đó, Vr: vận tốc trôi nổi hạt dầu, cm/s; g: gia tốc trọng lực, cm/s2; μ: Độ nhớt tuyệt đối, P; Pw: tỷ trọng của nước, g/cm3; Po: tỷ trọng của dầu, g/cm3; D: đường kính hạt dầu, cm. c. Ví dụ Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 33 ThS. Nguyễn Minh Kỳ Hình 2.6. Tính toán bể tách dầu  Trong trường hợp hạt dầu có kích thước 150μ (D=0,015cm)  phân tách theo dòng chảy với vận tốc: Vr = (980/18*0,01)*(1,0-0,9)*0,015^2 = 0,12 cm/s  Giả sử vận tốc dòng thải VH=90cm/min = 1,5 cm/s, độ sâu của nước d= 240 cm  Thời gian để hạt dầu di chuyển từ A đến B là t = d/Vr = 240/0,12 = 2000 s = 33,2 min.  Tức để nước thải đi từ A đến D trong thời gian t, chiều dài L cần tính: L = (VH/Vr)d = VH*t = 1,5*2000 = 3000 cm = 30 m 2.4. Bể lọc (Filtration) a. Giới thiệu  Lọc là quá trình tách các hạt rắn ra khỏi pha lỏng hoặc pha khí bằng cách cho dòng khí hoặc lỏng có chứa hạt chất rắn chảy qua lớp vật liệu lọc (lớp ngăn xốp: khe hở/độ rỗng).  Các hạt rắn sẽ bị giữ lại trên bề mặt lớp vật ngăn còn khí hoặc chất lỏng sẽ thấm qua vật ngăn.  Nguyên lý: Dựa trên cơ chế o Ngăn giữ cơ học o Hấp phụ bề mặt o Màng vi sinh vật (bề mặt) b. Phân loại:  Lọc nhanh  Lọc chậm (nhà máy công suất nhỏ) Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 34 ThS. Nguyễn Minh Kỳ Hình 2.7. Sơ đồ bể lọc nhanh Hình 2.8. Sơ đồ bể lọc chậm Bảng 2.1. Đặc điểm các bể lọc thông dụng Properties Rapid sand filter Slow sand filter Area Small area Large area Rate of filtration(L/m2/hr) 4.000-7.500 100-400 Sand size (diameter) 0.4-0.7 mm 0.2-0.3 mm Pretreatment Coagulation and sedimentation Sedimentation Filter cleaning Backwashing Scraping Operation More skilled Less skilled Removal of colour Good Better Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 35 ThS. Nguyễn Minh Kỳ Removal of bacteria 98-99% 99.9%-99.99% Prior water storage Storage needed No need c. Chức năng:  Loại bỏ vật liệu hữu cơ, hạt keo, vi sinh vật.  Rapid filtration is used as the final clarifying step in municipal water treatment plants. d. Lưu ý  Chỉ hiệu quả khi kích thước hạt >1μm  Phải giảm hàm lượng SS để tránh nghẽn cột lọc e. Bài tập  Giới thiệu và thực hành trên lớp  Tài liệu tham khảo 2.5. Bể điều hoà (Equalization tank) a. Dẫn nhập  Thông thường: Lưu lượng, nhiệt độ, hàm lượng các chất ô nhiễm trong dòng thải thay đổi theo thời gian, không gian.  Nhu cầu điều hòa lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm. Hình 2.9. Sơ đồ bố trí bể điều hòa b. Mục đích  Điều chỉnh sự biến thiên về lưu lượng của nước thải.  Tránh sự biến động về hàm lượng chất hữu cơ làm ảnh hưởng đến hoạt động của vi khuẩn trong các bể xử lý sinh học.  Kiểm soát pH của nước thải để tạo điều kiện tối ưu cho các quá trình sinh học, hóa học sau đó. c. Equalization Tank Operation and Maintenance  Keep air mixing on at all times. Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 36 ThS. Nguyễn Minh Kỳ  Ensure that the air flow/mixing is uniform over the entire floor of the tank.  Adjust the placement of diffusers and the air- flow rate needed.  Keep the equalization tank in wastewater treatment nearly empty before the expected peak load hours (otherwise it will over flow)  Check and clean clogged diffusers at regular intervals.  Manually evacuate settled much/sediments at least once in a year. Phương pháp cơ học xử lý nước thải là tiền đề quan trọng cho các công đoạn/quá trình xử lý tiếp theo. Hướng dẫn ôn tập 1. Trình bày cấu tạo, chức năng nhiệm vụ và vị trí của song chắn rác trong hệ thống xử lý nước thải? 2. Trình bày cấu tạo, chức năng nhiệm vụ và vị trí của bể lắng trong hệ thống xử lý nước thải? 3. Trình bày cấu tạo, chức năng nhiệm vụ và vị trí của phân tách dầu trong hệ thống xử lý nước thải? 4. Trình bày cấu tạo, chức năng nhiệm vụ và vị trí của bể lọc (filtration) trong hệ thống xử lý nước thải? 5. Trình bày cấu tạo, chức năng nhiệm vụ và vị trí của bể điều hoà trong hệ thống xử lý nước thải? Hướng dẫn bài tập: 1. Tính toán các thông số cơ bản song chắn rác. 2. Tính toán thông số cơ bản các loại bể lắng quan trọng. 3. Tham khảo tài liệu: Trịnh Xuân Lai (2009), Tính toán thiết kế các công trình xử lý nước thải, NXB Xây dựng. -Hết- Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 37 ThS. Nguyễn Minh Kỳ CHƯƠNG 3 XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC VÀ HÓA LÝ - Các phương pháp xử lý hoá học và hoá lý được sử dụng rộng rãi trong kiểm soát ô nhiễm nước thải công nghiệp, đặc biệt khi cần phải xử lý ở mức cao hoặc cần phải quay vòng nước. - Phương pháp này được dùng để thu hồi các chất hoặc khử các chất độc, các chất có ảnh hưởng xấu đối với giai đoạn làm sạch sinh hoá sau này. - Những biện pháp hoá lý để xử lý nước thải đều dựa trên cơ sở ứng dụng các quá trình: Keo tụ, hấp phụ, trích ly, bay hơi, tuyển nổi, trao đổi ion, tinh thể hoá, dùng màng bán thấm, cô đặc, khử hoạt tính phóng xạ, khử khí, khử màu. - Cơ sở của các phương pháp hoá học là các phản ứng hoá học, các quá trình lý hoá diễn ra giữa chất ô nhiễm với hoá chất cho thêm vào. Những phản ứng diễn ra có thể là phản ứng oxy hoá khử, các phản ứng tạo chất kết tủa hoặc các phản ứng phân huỷ chất độc hại. 3.1. Trung hòa (Neutralization) * Nước thải công nghiệp có thể mang tính axit hoặc kiềm. Tính axit và kiềm thể hiện qua giá trị pH:  pH = 7 nước có tính trung tính  pH < 7 nước có tính axit  pH > 7 nước có tính kiềm Hình 3.1. Sơ đồ cấu tạo bể trung hòa Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 38 ThS. Nguyễn Minh Kỳ * Để tránh được hiện tượng ăn mòn, phá huỷ vật liệu của hệ thống ống dẫn, công trình thoát nước, cũng như đảm bảo độ pH cho phép của nguồn nước tiếp nhận như sông, ngòi, ao hồ, nước thải công nghiệp có tính axit hoặc kiềm mạnh phải được xử lý trước khi thải vào hệ thống thải chung của nhà máy hoặc thải vào các nguồn tiếp nhận. * Mục đích của phương pháp này là xử lý để nước thải đạt được độ trung hoà. Trong công nghệ xử lý nước thải, giá trị pH cho phép thải ra nguồn tiếp nhận phải theo QCVN. Mặt khác, nếu nước thải cần xử lý bằng phương pháp sinh học thì thường trước tiên phải được xử lý bằng phương pháp trung hoà vì ở độ pH trung tính thường là điều kiện tối ưu cho các quá trình phân hủy chất ô nhiễm. * Bản chất của phương pháp trung hoà là phản ứng hóa học giữa axit và kiềm hoặc giữa muối với axit hoặc kiềm có trong nước thải. Chất được chọn để thực hiện phản ứng với các axit hoặc kiềm có trong nước thải gọi là tác nhân trung hoà hoá học. * Tác nhân trung hoà thường được dùng để xử lý chất thải chứa axit là đá vôi, đá dolomit (CaMg(CO3)2), vôi các loại, xút, sôđa (NaHCO3) và để xử lý các chất thải chứa kiềm. Quá trình trung hoà có thể thực hiện theo phương thức gián đoạn hoặc liên tục. * Lựa chọn tác nhân và phương pháp trung hoà thích hợp căn cứ trên một số yếu tố cơ bản sau: - Lượng nước thải cần xử lý - Loại nước thải (nước thải chứa axít hay kiềm) - Chất lượng nước thải (độ pH, các chất có trong nước thải và nồng độ của nó,...) - Yêu cầu cần xử lý (độ pH cần đạt) - Tác nhân trung hoà rẻ tiền, dễ kiếm - Thiết bị đơn giản, dễ vận hành và dễ chế tạo - Tổng chi phí sao cho nhỏ nhất * Phương pháp trung hoà thường sử dụng - Trộn nước thải chứa axit và nước thải chứa kiềm với nhau - Xử lý nước thải bằng vôi (cho nước thải chảy qua lớp đệm đá vôi) CaCO3 + H2SO4 → CaSO4 + H2CO3 - Trung hoà bằng xút (NaOH) hoặc sôđa (Na2CO3) 2NaOH + H2CO3 → Na2SO4+ 2H2O Na2CO3 + H2CO3 → 2NaHCO3 Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 39 ThS. Nguyễn Minh Kỳ hay NaOH + H2SO4 → NaHSO4 + H2O NaHSO4 + NaOH → Na2SO4 + H2O - Nếu dòng thải thiếu dinh dưỡng (N và P) thì dùng Na3PO4 hoặc NH4H2PO4 thêm vào dung dịch (nếu tiếp theo sẽ là xử lý sinh học) - Xử lý nước thải chứa kiềm bằng cách sục khí CO2, trung hòa bằng axit sunfuric, axit clohydric (thêm axit H2SO4 hoặc HCl vào dòng thải). CO2 + H2O → H2CO3 H2CO3 + 2NaOH → Na2CO3 + 2H2O 2NaOH + H2SO4 → Na2SO4 + 2H2O 3.2. Keo tụ - tạo bông (Coagulation – Flocculation) * Hạt mịn trong nước thải là nguyên nhân gây độ đục và màu, do đó cần loại bỏ. Khi chúng kết hợp hạt có kích thước lớn sẽ dễ dàng xử lý hơn. Bảng 3.1. Mối quan hệ giữa kích thước hạt và thời gian lắng * Hạt keo: 2 dạng chính – Keo kỵ nước: đất sét, oxit kim loại, • Không có ái lực với môi trường nước • Dễ keo tụ • Đa số là những hạt keo vô cơ – Keo ưa nước: proteins, polymers, • Thể hiện ái lực với nước • Hấp thụ nước và làm chậm quá trình keo tụ • Đa số là những hạt keo hữu cơ * Đặc tính của hạt keo Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 40 ThS. Nguyễn Minh Kỳ  Khả năng lắng rất chậm (chuyển động Brown gây cản trở quá trình lắng dưới tác động của trọng lực);  Là tác nhân gây ô nhiễm nước như tăng độ đục (turbidity);  Đặc tính bề mặt (điện thế ζ,) là yếu tố quan trọng (surface properties): – Có xu hướng kết hợp với các chất từ môi trường xung quanh (tỉ lệ diện tích bề mặt: khối lượng); – Có xu hướng tăng điện tích. * Mục đích  Tách các hạt cặn có kích thước 0,001µm < Φ < 1µm, khó tách loại được bằng các quá trình lý học thông thường như lắng, lọc, tuyển nổi.  Chủ yếu loại SS.  Giảm vi sinh vật (di chuyển vào bông bùn): Bacteria 90%, Virus 60%, Protozoa 90% (khả năng hấp thụ vi sinh của bùn) Hình 3.2. Bể keo tụ - tạo bông *Chất keo tụ:  Muối kim loại oxit, hợp chất carbon đa phân tử  Polyme hữu cơ tổng hợp, nhôm (Al2(SO4)3), muối sắt (FeCl3, Fe2(SO4)3)  Thực tế: FeSO4, FeCl3 rẻ hơn Al2(SO4)3 nên được sử dụng nhiều hơn * Cơ chế:  Chất keo tụ khuếch tán vào nước, trộn với hạt làm tăng kích thước, mật độ và tỷ trọng.  Tạo bông là quá trình làm keo tụ các hạt keo hoặc dính các hạt nhỏ lại thành một tập hợp hạt lớn hơn để lắng bằng cách đưa vào chất lỏng các tác nhân tạo bông có tác dụng phá keo hoặc hấp phụ các hạt nhỏ lên bề mặt của nó hoặc dính các hạt nhỏ lại với nhau. Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 41 ThS. Nguyễn Minh Kỳ  Khi các hạt keo tiếp xúc với nhau, chúng tạo thành các hạt có kích thước lớn hơn, tạo bông và kết tủa. Nước thải thường chứa các hạt keo mang điện tích (thường điện tích âm). Chính điện tích ngăn cản không cho chúng va chạm, kết hợp với nhau nên giữ dung dịch nước thải có trạng thái ổn định. Khi thêm tác nhân keo tụ thì dung dịch bị mất tính ổn định, gia tăng sự kết hợp giữa các hạt tạo những bông cặn có kích thước đủ lớn để loại bỏ bằng quá trình lọc hoặc lắng. * Yếu tố ảnh hưởng:  Liều lượng  Chế độ khuấy trộn  pH  Nhiệt độ * Một số chất keo tụ sử dụng loại bỏ các chất rắn lơ lửng trong nước thải: + Phèn Al(SO4)nH2O (n = 13-18) + Sôđa kết hợp với phèn Na2CO3 + Al2(SO4)3 + Sắt sunphat FeSO4.7H2O + Nước vôi Ca(OH)2 + Natrialuninat Na2Al2O4 + Sắt clorua và sắt (III) sunphat FeSO4 * Ví dụ: Cơ chế tạo bông lắng trong môi trường kiềm (thí dụ nước thải chứa Ca(OH)2) Al(OH)3 và Fe(OH)3 là keo dương, các hạt bùn trong nước là keo âm sẽ trung hoà và dính vào nhau hoặc các hạt keo Al(OH)3 và Fe(OH)3 sẽ hấp phụ các hạt bùn vào nó làm thành tập hợp hạt dễ lắng hơn. * Keo tụ điện hóa Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 42 ThS. Nguyễn Minh Kỳ Hình 3.3. Wastewater electrocoagulation principle  Phương pháp cải tiến nâng cao hiệu quả keo tụ xử lý nước thải  Tài liệu đọc thêm 3.3. Kết tủa (Precipitation)  Đây là phương pháp phổ biến nhất loại bỏ kim loại nặng trong nước thải.  Thường chúng được kết tủa dạng hydroxyt (OH-).  Cho base để tăng pH và tạo kết tuả, làm giảm mức độ thấp nhất khả năng hòa tan. Hình 3.4. Example of Heavy Metal Removal Lưu ý:  Cần loại bỏ các chất cản trở quá trình kết tủa trong nước thải để tăng hiệu quả xử lý.  Quá trình kết tủa cũng được áp dụng nhằm khử phốt pho trong nước thải. 3.4. Hấp thụ (Absorption) * Cơ sở của phương pháp: Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 43 ThS. Nguyễn Minh Kỳ Dựa trên sự tương tác giữa chất cần hấp thụ (thường là khí hoặc hơi) với chất hấp thụ (thường là chất lỏng) hoặc dựa vào khả năng hòa tan khác nhau của các chất khác trong chất lỏng để tách chất. * Phân loại: Dựa vào bản chất của sự tương tác - Hấp thụ vật lý: Là quá trình dựa trên sự tương tác vật lý thuần túy; nghĩa là chỉ bao gồm sự khuếch tán, hòa tan các chất cần hấp thụ vào trong lòng chất lỏng và sự phân bố của chúng giữa các phần tử chất lỏng. - Hấp thụ hóa học: Hấp thụ hóa học là một quá trình luôn đi kèm với một hay nhiều phản ứng hóa học. Một quá trình hấp thụ hoá học bao giờ cũng bao gồm 2 giai đoạn: Giai đoạn khuếch tán và giai đoạn xảy ra các phản ứng hóa học. Như vậy sự hấp thụ hóa học không những phụ thuộc vào tốc độ khuếch tán của chất khí vào trong chất lỏng mà còn phụ thuộc vào tốc độ chuyển hóa các chất - tốc độ phản ứng của các chất. 3.5. Hấp phụ (Adsorption) * Khái quát  Phương pháp hấp phụ dùng để khử mùi vị, màu, chất bẩn hữu cơ khó phân hủy, kim loại nặng,... ra khỏi nước thải công nghiệp.  Phương pháp này thường được sử dụng khi nước thải cần xử lý đạt tiêu chuẩn cao hoặc tái sử dụng lại nước thải.  Hấp phụ tách các chất hữu cơ và khí hoà tan khỏi nước thải bằng cách tập trung các chất đó trên bề mặt chất rắn (hấp phụ vật lý) hay bằng cách tương tác các chất bẩn hoà tan với các chất rắn (hấp phụ hoá học). Hình 3.5. Physical adsorption and chemical adsorption  Phương pháp hấp phụ được dùng như là phương pháp xử lý cuối cùng, sau xử lý sinh học. Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 44 ThS. Nguyễn Minh Kỳ  Hấp phụ là quá trình tách các cấu tử độc hại nằm trong pha khí hoặc pha lỏng với nồng độ rất thấp lên bề mặt hoặc trong các lỗ mao quản của chất hấp phụ là pha rắn xốp.  Hấp phụ lỏng - rắn dùng để tách các chất độc hại: Phenol, các thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ, các hợp chất nào của cácbuahydro thơm, các hợp chất bề mặt, các chất màu ra khỏi nước thải.  Chất hấp phụ rắn thường dùng là than hoạt tính, tro, xỉ, silica gel...  Sử dụng loại bỏ các hợp chất hữu cơ trong nước. * Nguyên lý Hấp phụ là một hiện tượng (quá trình) gây ra sự tăng nồng độ của một chất hoặc một hỗn hợp chất trên bề mặt tiếp xúc giữa hai pha (rắn - khí, rắn - lỏng, lỏng - khí). Hình 3.6. Biểu diễn quá trình hấp phụ * Các chất hấp phổ biến Than hoạt tính là một chất hấp phụ rắn, xốp, không phân cực và có bề mặt riêng rất lớn. Về bản chất nguyên tố, nó thuộc nhóm graphit - một dạng thù hình của carbon gồm các tinh thể nhỏ có cấu trúc bất trật tự; nhưng khác với graphit là trong tinh thể của than hoạt tính các vòng sáu nguyên tử carbon sắp xếp kém trật tự hơn. Vì vậy than hoạt tính có cấu tạo xốp hơn và tạo nên nhiều lỗ hổng nhỏ không đồng đều và rất phức tạp. Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 45 ThS. Nguyễn Minh Kỳ Hình 3.7. Activated Carbon Basics Hình 3.8. Cơ chế hấp phụ chất bẩn trong lọc nước Than hoạt tính được coi như là một chất hấp phụ chủ yếu trong công nghệ xử lý làm sạch môi trường: - Làm sạch nước để uống, xử lý nước sinh hoạt hoặc xử lý nước thải của các công trình có độ nhiễm bẩn thấp. Trong những trường hợp này, than hoạt tính sẽ giữ lại các hợp chất hữu cơ hoà tan, nhất là các chất gây mùi, gây màu và cả vết những kim loại nặng. Than hoạt tính đặc biệt có hiệu quả xử lý cao đối với nước bị nhiễm nhẹ các chất diệt trừ dịch hại. Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 46 ThS. Nguyễn Minh Kỳ Hình 3.9. Những ứng dụng than hoạt tính - Xử lý nước thải công nghiệp: Người ta sử dụng than hoạt tính trong những trường hợp hấp phụ các chất kém hoặc không bị vi sinh vật phân hủy, các chất gây độc hại đối với các vi sinh vật. Trong trường hợp này xử lý chọn lọc bảng than hoạt tính đóng vai trò như là quá trình tiền xử lý cho các bước xử lý sinh học tiếp theo. - Xử lý triệt để nước thải công nghiệp và đô thị: Khi than đã hấp phụ bão hòa, nó không còn khả năng hấp phụ tiếp tục nữa. Đối với than hoạt tính, trong trường hợp này không phải bỏ đi mà có thể tái sinh và sử dụng lại được. Đại đa số các chất hấp phụ trên than hoạt tính đều có thể giải hấp bằng nhiệt. Khi ở trong môi trường có nhiệt độ cao, các chất hữu cơ cũng như các phân tử axit dễ bay hơi đã tách khỏi bề mặt của than. Đối với mỗi một chất sẽ có một nhiệt độ xử lý phù hợp. Với các hợp chất của kim loại thì thông thường phải giải hấp bằng axit sau đó rửa bằng nước và sấy để tái sinh. Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 47 ThS. Nguyễn Minh Kỳ Hình 3.10. Cơ chế hoạt động của than hoạt tính Zeolit là các hợp chất alumosihcat có cấu trúc tinh thể. Tính chất của zeolit phụ thuộc vào tỷ lệ Si và Al và mức độ tạo tinh thể của sản phẩm cuối cùng. Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 48 ThS. Nguyễn Minh Kỳ Hình 3.11. Cấu trúc Zeolit ((a) zeolite A (3D, 4.2 Å); (b) zeolite Y (3D, 7.4 Å); (c) Zeolite L (1D, 7.1 Å); (d) ZSM-5) * Ưu nhược điểm - Ưu điểm: Khả năng làm sạch cao, có thể tái sinh. - Nhược điểm: Không thể sử dụng đối với nguồn thải có mức độ ô nhiễm cao (hiệu quả thấp). Hình 3.12. Zeolite Process of Water Softening * Chất hấp phụ phải thoả mãn các yêu cầu  Hấp phụ chọn lọc  Bề mặt riêng lớn  Dễ hoàn nguyên  Đảm bảo độ bền cơ và nhiệt  Không có hoạt tính xúc tác với các phản ứng oxy hoá Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 49 ThS. Nguyễn Minh Kỳ  Dễ kiếm, rẻ tiền * Các yếu tố ảnh hướng tới quá trình hấp phụ  Diện tích bề mặt chất hấp phụ  Bản chất của sự hấp phụ  Độ pH  Nồng độ dung dịch  Thời gian tiếp xúc  Bản chất của hệ tiếp xúc Hình 3.13. A comparison between absorption (hấp thụ) and adsorption (hấp phụ) 3.6. Phương pháp oxy hóa (Oxidation Processes) - Nguyên tắc: Sử dụng các tác nhân oxy hóa mạnh như O3, KMnO4, H2O2 để giảm tiềm năng ô nhiễm, độc tính bằng cách chuyển hóa thành các chất ít độc. Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 50 ThS. Nguyễn Minh Kỳ Bảng 3.2. Oxidation potential of most commonly reagents used in wastewater treatment (Nguồn: Hunsberger, 1977) - Đối tượng xử lý:  Oxy hóa hóa học xử lý thành phần vô cơ như Mn(II), Fe(II), S2-, CN-, SO32-.  Các hợp chất hữu cơ như phenols, amines, humic acids, mùi vị, màu, hợp chất độc, vi khuẩn, tảo. Hình 3.14. Example of Organic Chemical Removal - Các chất oxy hóa phổ biến: NaClO, H2O2, O3, KMnO4 + Ozon  Là chất oxy hoá có hoạt tính cao và độ hoà tan trong nước lớn gấp 10 lần O2 được sử dụng xử lý nước thải có chứa các chất bẩn hữu cơ dạng hoà tan và keo. Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 51 ThS. Nguyễn Minh Kỳ  Ozon làm sạch nước thải khỏi phenol, sản phẩm dầu H2S, hợp chất của As, hợp chất bề mặt, CN-, các chất màu, hydrocarbon thơm, thuốc trừ sâu và còn có khả năng tiêu diệt các vi khuẩn. CN- + O3 = CNO- + O2  Nếu kết hợp chiếu tia cực tím thì tốc độ oxy hoá bằng ozon sẽ tăng 102 - 104 lần. - H2O2  Là chất oxy hoá mạnh dùng để oxy hóa phenol, CN-, các hợp chất chứa lưu huỳnh (S) và các ion kim loại.  Quá trình xảy ra mãnh liệt khi có mặt của chất xúc tác như Fe2+, Fe3+, Cu2+, Cr3+, pH tối ưu: 3 – 4. - KMnO4 o Là chất oxy hoá tương đối mạnh được dùng để oxy hoá phenol, CN- và các hợp chất chứa S. o Độ pH của quá trình là 9,5 (pH càng cao thì phản ứng xảy ra càng nhanh). 3.7. Trao đổi ion (Ion Exchange) 3.7.1. Khái quát và cơ sở phương pháp Là quá trình trao đổi ion dựa trên sự tương tác hoá học giữa ion trong pha lỏng và ion trong pha rắn. Trao đổi ion là một quá trình gồm các phản ứng hoá học đổi chỗ (phản ứng thế) giữa các ion trong pha lỏng và các ion trong pha rắn (ví dụ như hạt nhựa trao đổi). Có thể hiểu, trao đổi ion là quá trình tương tác của dung dịch với pha rắn có tính chất trao đổi. RA + B+ = A+ + RB Where, R is the resin (as cation exchanger) and A+ and B+ the cations competing for the binding site. Việc trao đổi phải có một cấu trúc mạng mở hữu cơ hoặc vô cơ có thể mang theo các ion. Quá trình trao đổi ion phụ thuộc vào từng loại nhựa trao đổi và bản chất các loại ion khác nhau. Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 52 ThS. Nguyễn Minh Kỳ Hình 3.15. Ion Exchange Treatment Process Hình 3.16. Ion Exchange (khử khoáng) Trao đổi ion có thể sử dụng với cation và anion hữu cơ hoặc vô cơ. Tuy nhiên, phần lớn ứng dụng trao đổi ion đều liên quan đến các loại chất vô cơ vì các chất hữu cơ thường đòi hỏi chất tái sinh có nồng độ rất cao hoặc sử dụng các dung môi hữu cơ để khử chất hữu cơ.  Ví dụ 1: Quá trình làm mềm nước (R: Tác nhân trao đổi ion) 2RNa+ + Ca2+  R2Ca2+ + 2Na+ Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 53 ThS. Nguyễn Minh Kỳ Hình 3.17. Quá trình làm mềm nước cứng  Ví dụ 2: Quá trình làm mềm nước bằng tác nhân trao đổi ion zeolite (X)  Ví dụ 3: Khử chất ô nhiễm ROH– + A–  RA– + OH– R: Nhựa trao đổi ion Resin; A–: Các anion phổ biến như Cl–, SO42– and NO3– 3.7.2. Vật liệu và phương pháp trao đổi ion Vật liệu trao đổi ion là những chất không hòa tan có chứa các ion mà có thể được trao đổi với các ion khác trong dung dịch khi tiếp xúc với nó. Những trao đổi này diễn ra mà không có bất kỳ thay đổi vật lý của vật liệu trao đổi ion. a. Phân loại - Vật liệu trao đổi ion tự nhiên: Vật liệu trao đổi ion hữu cơ tự nhiên, vật liệu trao đổi ion vô cơ tự nhiên. - Vật liệu trao đổi ion nhân tạo: Vật liệu trao đổi ion hữu cơ nhân tạo, vật liệu trao đổi ion vô cơ nhân tạo. Ví dụ: Một số hạt trao đổi ion như zeolite tự nhiên, nhựa tổng hợp Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 54 ThS. Nguyễn Minh Kỳ Hình 3.18. Hạt trao đổi ion zeolite Hình 3.19. Hạt trao đổi ion nhựa tổng hợp b. Nhựa trao đổi ion Nhựa trao đổi ion còn gọi là ionit, các ionit có khả năng hấp thu các ion dương (gọi là cationit), ngược lại các ionit có khả năng hấp thu các ion âm gọi là anionit. Các ionit có khả năng hấp thu cation lẫn anion được gọi là ionit lưỡng tính. Hình 3.20. Ion-exchange resin Về cấu tạo của chất trao đổi ion, có thể phân ra hai phần: Một phần gọi là gốc của chất trao đổi ion, một phần khác gọi là nhóm ion có thể trao đổi (nhóm hoạt tính). Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 55 ThS. Nguyễn Minh Kỳ Thông qua phương pháp tổng hợp hoá học, người ta chế tạo chất trao đổi ion hữu cơ gọi là nhựa trao đổi ion (Resin). Resin được tạo ra bởi sự trùng ngưng từ styren và divinylbenzen (DVB). Phân tử styren tạo nên cấu trúc cơ bản của Resin. DVB là những cầu nối giữa các polime có tính không hoà tan và giai bền. Cầu nối trong Resin là cầu nối 3 chiều và Resin có cấu trúc rỗng. Về phân loại: Có 4 loại Resin - Resin cation acid mạnh - Resin cation acid yếu - Resin anion base mạnh - Resin anion base yếu c. Phương pháp trao đổi ion Có hai phương pháp trao đổi ion chính: - Trao đổi ion với lớp nhựa chuyển động, vận hành và tái sinh liên tục. - Trao đổi ion với lớp nhựa trao đổi đứng yên, vận hành và tái sinh gián đoạn. Trong đó, phương pháp trao đổi ion với lớp nhựa tĩnh là phổ biến hơn cả. 3.7.4. Ứng dụng Hình 3.21. Ứng dụng khử độ cứng trong nước Phương pháp trao đổi ion được sử dụng rộng rãi trong các quá trình xử lý nước cấp và nước thải. Trong xử lý nước cấp, phương pháp trao đổi ion thường được sử dụng để khử các muối, độ cứng, khoáng, nitrat, màu và các kim loại. Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 56 ThS. Nguyễn Minh Kỳ Trong xử lý nước thải, phương pháp trao đổi ion được sử dụng để loại ra khỏi nước các kim loại (kẽm, đồng, crom, nikel, chì, thuỷ ngân, cadimi, vanadi, mangan,), các hợp chất asen, phốt pho, xianua và phóng xạ. Đồng thời, thu hồi các chất có giá trị với mức độ làm sạch nước cao. Hình 3.22. Khử Na+ bằng phương pháp trao đổi ion (H+ Form Cation Resin; Na+ Removal) Một số ứng dụng cụ thể:  Phổ biến xử lý kim loại độc và NO3-.  Sử dụng nhựa tự nhiên hoặc tổng hợp để loại bỏ ion canxi, magie và carbonate từ nước, thay thế chúng bằng natri, clorua, hydroxyl hoặc các ion khác.  Xử lý nước thải xi mạ, sơn tĩnh điện và thu hồi Cr. Phương pháp hiệu quả loại bỏ muối vô cơ hòa tan như độ cứng (Ca, Mg) và kim loại nặng trong nước thải. 3.7.5. Ưu nhược điểm a. Ưu điểm - Xử lý triệt để và có tính chọn lọc đối tượng. - Nhựa ion có thể sử dụng lâu dài, tái sinh nhiều lần với chi phí thấp, tiêu hao năng lượng thấp. - Phương pháp thân thiện môi trường (hấp thu các chất độc trong nước). b. Hạn chế - Nước tồn tại các hợp chất hữu cơ hay Fe3+, chúng sẽ bám dính vào các hạt nhựa ion, làm giảm khả năng trao đổi. - Chi phí đầu tư và vận hành khá cao (ít được sử dụng công trình lớn và thường dùng cho trường hợp đòi hỏi mức độ xử lý cao). 3.8. Tuyển nổi (Flotation) Dẫn nhập Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 57 ThS. Nguyễn Minh Kỳ  Hàm lượng dầu 0,2 - 0,4 mg/l sẽ làm cho nước có mùi dầu. Khử mùi dầu là một việc làm khó khăn.  Hiện tượng giảm hàm lượng oxy hoà tan (<4 mg/l) trong nước gây ảnh hưởng xấu cho các loài thủy sinh vật. Khái niệm  Tuyển nổi là quá trình tách các hạt lơ lửng ra khỏi chất lỏng bằng cách sục vào chất lỏng dòng khí phân tán ở dạng bọt rất nhỏ, các hạt không thấm ướt sẽ dính vào bọt và cùng với bọt nổi lên trên bề chất lỏng và được hớt ra ngoài. Bọt khí có thể tạo ra bằng cách sục khí, bằng các phản ứng hoá học và sinh học sinh ra. Hình 3.23. A typical flotation system Nguyên tắc  Sử dụng khí hòa tan (bọt khí)  Các chất rắn lơ lửng sẽ bám vào bề mặt của bọt khí và nổi lên  Ban đầu, tăng áp suất và cấp một lượng không khí đủ lớn sau đó giảm áp để tạo ra các bọt khí trong nước. Kết quả các hạt dầu, mỡ, SS sẽ kết hợp với bọt khí và nổi lên và được tách khỏi nước thải bằng thanh gạt hoặc thiết bị thu gom bọt nổi. Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 58 ThS. Nguyễn Minh Kỳ Hình 3.24. Bên trong hệ tuyển nổi Vai trò  Giải pháp thay thế bể lắng truyền thống  Áp dụng xử lý nước cấp và nước thải  Thường áp dụng xử lý nước thải công nghiệp quy mô nhỏ Hình 3.25. Sơ đồ xử lý nước thải áp dụng phương pháp tuyển nổi Phân loại (Flotation Types)  Simple flotation  Flotation with aeration  Dissolved air flotation  Electroflotation  Vacuum flotation Thiết kế Bài giảng – Xử lý nước thải công nghiệp 59 ThS. Nguyễn Minh Kỳ Hình 3.26. Design of Flotation Systems Primary variables for flotation design o Pressure o Recycle ratio o Feed solids concentration o Retention period Principal components of flotation system o Pressurized pump  Elevated pressure to increase solubility o Air-injection facilities o Retention tank (saturation tank)  1-3 min o Back pressure regulation device  Constant head on pressurizing pump o Flotation unit  Circular/rectangular with a skimming device Ứng dụng:  Loại chất rắn lơ lửng, dầu mỡ, chất rắn mật độ thấp, những chất không tan trong nước  Các chất hòa tan như