Tài liệu Phương pháp keo tụ bằng các hóa chất keo tụ

MỞ ĐẦU Cùng với sự phát triễn của văn minh nhân loại, nhu cầu về nước ngày càng tăng, lượng nước công nghiệp cũng như sinh hoạt thải ra ngày càng nhiều, gây ô nhiễm đáng kể đến nước mặt và môi trường. Do đó nhiều vùng nước mặt đã bị ô nhiễm các hợp chất hóa học và vi sinh vật độc hại gây ra những ảnh hưởng xấu tới sức khỏe con người và sinh vật. Chúng ta biết rằng, kim loại nặng thâm nhập vào cơ thể đều có khả năng tích lũy lâu dài và nơi tấn công mạnh mẽ nhất là trung tâm enzyme, làm vô hoạt enzyme dẫn tới làm rối loạn các quá trình chuyển hóa trong cơ thể, mặc bệnh unh thư và gây độc tính cao đối với não, có thể dẫn đến tử vong…. Để xử lý nước thải, về mặt khoa học người ta dung các phương pháp: cơ học, hóa học, hóa lý, sinh học. Về mặt công nghệ các phương pháp trên được gộp lại thành các công đoạn : + Xử lý cấp một : gồm phương pháp cơ học. +Xử lý cấp hai : gồm phương pháp hoa lý, hóa học, sinh học. +Xử lý cấp ba : gồm sự kết hợp các phương pháp hóa học, sinh học để khử để Nitơ, photpho cồn lại sau xử lý cấp hai hoặc các chất ô nhiễm khác. Vì vậy, việc xử lý nước thải là một việc quan trọng và cấp bách. Để thực hiện được việc này thì còn phụ thuộc rất nhiều vào phương pháp xử lý. Và Phương pháp keo tụ bằng các hóa chất keo tụ là một trong các phương pháp hóa lý để xử lý nước thải. 1 PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ BẰNG CÁC HÓA CHẤT KEO TỤ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI I. Khái quát về nước thải 1. Các khái niệm về nước thải: - Nước thải là nước được bỏ ra sau quá trình sử dụng của con người ( cho hoạt động sản xuất sinh hoạt), hay nước mưa bị nhiễm bẩn,là một hệ di thể rất phức tạp bao gồm rất nhiều chất tồn tại dưới các dạng khác nhau. - Nước thải đô thị là nước được bỏ ta từ các đô thị ( các khu dân cư và các loại hình dịch vụ hoặc công cộng phục cuộc sống của của con người: bệnh viện, trường học). - Nước thải công nghiệp là nước được bỏ ra từ các nhà máy, xí nghiệp, các khu công nghiệp. - Xử lý nước thải là quá trình tách các tập chất trước khi thỉa vào nguồn tiếp nhận để đảm bảo các tiêu chuẩn ,quy chuẩn của cơ quan quản lý. 2. Đặc điểm của nước thải Trong nước thải thường chứa các loại hạt cặn có nguồn gốc và thành phần rất khác nhau do đó dặc điểm, tính chất của mỗi loại nước cũng khác nhau.Ví dụ như : - Nước thải công nghiệp chứa rất nhiều các chất dưới dạng các chất vô cơ và hữu cơ.Với ngành sản xuất khác nhau thì trong các nước thải sẽ có những loại hóa chất khác nhau như : + Khai khoáng : các kim loại, các axit vô cơ. + Gia công đồ gỗ, kẽm. + Đồ gốm : Ba, Cd, Li, Mg, Se. + Luyện cốc : NH3, H2S, các kiềm... + Công nghiệp sơn : Ba, ClO3-, Cd, Co, Pb, Cn, Mn,.. + Hóa dược : B, Br, NH4+, K, các axit, kiềm các chất hữu cơ... + Thủy tinh : H2BO3, As.... - Trong các hóa chất gây nhiễm bẩn nguồn nước thì Hg, Be, Cd. Pb, As, Se có tinh độc rất cao. - Nước thải sinh hoạt lại chứa rất nhiều các chất dưới dạng protein, hidrocacbon, mỡ, các chất thải ra từ người và động vật ngoài ra cồn kể đến các loại rác như: giấy, gỗ, các chất hoạt động bề mặt…các hợp chất vô cơ thường gặp ở đây 2 là các ion như: Na+, K+, Mg2+, Ca2+, Cl-, CO32-, SO42-. Ngoài ra nước thải sinh hoạt còn chứa các vi rút, vi khuẩn, rong rêu. - Nước thải sinh hoạt có thành phần hóa học đơn giản hơn, chủ yếu bao gồm : K, Na, Fe, Pb, Zn, Ni, Hg, Ag, Co... II. Tác hại của nước thải đối với sức khỏe con người, môi trường sinh vật - Gây ảnh hưởng đến quá trình sing hoạt, gây ô nhiễm không khí,nước, đất, ảnh hưởng đến sức khỏe con người. Đặc biệt là nước thải công nghiệp với hàm lượng lớn các kim loại độc như Pb, Asen,Crom (đặc biệt là Cr hóa trị 6 )... có thể gây ung thư. - Nước thải chưa xử lý thải trực tiếp sông hồ gây ô nhiễm nguồn nước, ngăn cản quá trình trao đổi chất của các thực vật dưới nước, gây ô nhiễm nguồn nước ảnh hưởng đến đời sông của động thực vật. - Nước thải gây mất cảnh quang đô thị, gây ô nhiễm môi trường. - ............ III. Hiện trạng của việc xử lý nước thải hiện nay 1. Xử lý nước thải sinh hoạt đô thị - Đối với nước thải đô thị, khu dân cư, hầu hết sử dụng bể tự hoại xử lý tại chỗ thuộc các gia đình. Đa số các đô thi Việt Nam chưa có trạm xử lý, nhà máy xử lý nước thải tập trung. Tới nay chỉ có khoảng 10 nhà máy xử lý nước thải đô thị được xây dụng và đưa vào hoạt động tại Hà Nội, Đà Nẵng, Đà Lạt, TP Hồ Chí Minh, .. và cũng có 1 số thành phố khác đang thực hiện dự án thoát nước và vệ sinh môi trường như TP Huế, Hạ Long, Việt Trì, Thanh Hóa, Đồng Hới, Nha Trang, Quy Nhơn. - Công nghệ xử lý nước thải là công nghệ sinh học hiếu khí bằng bùn hoạt tính, hoặc áp dụng cộng nghệ xử lý sinh học. - Các đô thị nhỏ hầu như chưa có dự án thoát nước và xử lý nước thải. 2. Xử lý nước thải bệnh viện, trường học hay cơ quan NCKH - Tại các bệnh viện như BV Bạch Mai, BV Hai Bà Trưng ở Hà Nội, BV Nhi ở Hải Phòng, BV Đa Khoa ở Huế, BV Nhi ở TP Hồ Chí Minh... có trạm xử lý nước thải với công nghệ xử lý sinh học hiếu khí bằng bùn hoạt tính hoặc kêt hợp xử lý bằng phương pháp hóa học. - Viện KHVN và CN Quốc Gia đã xây dụng và vận hành trạm xử lý nước thải bằng hóa học và sinh học 3 - Hiện nay có khoảng 100 – 150 trong số 1100 bệnh viện ( hay khoảng 10 – 15% số bệnh viện) có trạm xử lý nước thải bênh viện đưa vào hoạt động. 3. Xử lý nước thải công nghiệp - Hiện nay nước ta ước tính đã có khoảng 60 -70 nhà máy xử lý nước thải tập trung ở các KCN – KCX, trong số 171 KCN- KCX đưa vào hoạt động. - Bên cạnh ấy cũng có khoảng 60% số khu công nghiệp và nhiều cụm công nghiệp, nhà máy, cơ sở sản xuất, các làng nghề chưa có trạm XLNT, có nơi đã xây dựng trạm XLNT nhưng không hoạt động. Công nghệ XLNT thường dùng là bùn hoạt tính và lọc sinh học. - Công nghệ xử lý nước thải công nghiệp khá đa dạng và đặc biệt có xuất xứ từ nhiều nước. Do đó các thiết bị cũng có xuất xứ từ nhiều nguồn cung cấp. Kết quả sẽ gây nhiều khó khăn cho việc sửa chữa, thay thế khi cần thiết. 4. Xử lý nước thải làng nghề - Một số cơ sở làng nghề cơ sở ở làng nghề như dệt nhuộm Dương Nội, Hà Đông Bắc Ninh, cơ sở mạ kim dùng cong nghệ hóa học – keo tụ, kết tủa + lắng nước thải. - Một số cơ sở chế biến giấy còn áp dụng keo tụ với tuyến nổi.. - Một số cơ sở chế biến bún còn áp dụng bãi sinh học ngập nước, một số khác dùng bãi lọc trồng cây... - Nhìn chung công nghệ xử lý nước thải các làng nghề cồn tùy thuộc vào từng ngành sản xuất, tùy thuộc điều kiện từng làng xóm mà áp dụng các công nghệ đa dạng khác nhau. IV. Phương pháp keo tụ bằng các hóa chất keo  Trong nước thải thường chứa các loại hạt cặn có nguồn gốc và thành phần rất khác nhau. Và trong việc xử lý nước thải, quá trình lắng cơ học cho phép tách được các hạt rắn huyền phù có kích thướt > = 10-2 mm còn những hạt nhỏ hơn ở dạng keo không thể lắng được. Muốn vậy cần phải trung hòa điện tích của chúng và luên kế chúng lại với nhau. Qúa trình trung hòa điện tích của chúng và liên kết chúng lại với nhau. Qúa trình trung hòa điện tích được gọi là quá trình đông tụ, còn quá trình tạo thành các bông lớn từ các hạt nhỏ gọi là quá trinh keo tụ.  Để kết tủa hệ keo có thể sử dụng các cách sau đây - Phá tính bền của hệ keo (do lực đẩy tĩnh điện) bằng cách thu hẹp lớp điện kép tới mức thế zeta = 0, khi đó lực đẩy tĩnh điện hạt – hạt bằng không, tạo điều kiện cho các hạt keo hút nhau bằng các lực bề mặt tạo hạt lớn hơn dễ kết tủa. 4 Cách này có thể thực hiện khi cho hạt keo hấp phụ đủ điện tích trái dấu để trung hoà điện tích hạt keo. Điện tích trái dấu này thường là các ion kim loại đa hoá trị. - Tạo điều kiện cho các hạt keo va chạm với các bông kết tủa của chính chất keo tụ nhờ hiện tượng bám dính (hiệu ứng quét). - Dùng những chất cao phân tử – trợ keo tụ để hấp phụ “khâu” các hạt nhỏ lại với nhau tạo hạt kích thước lớn (gọi là bông hay bông cặn) dễ lắng.  Muốn xử lý các cặn này phải dùng biện pháp cơ học kết hợp với biện pháp hoá học, tức là cho vào nước cần xử lý các quá trình keo tụ người ta cho vào nước các chất phản ứng thích hợp như: PAC, Al2(SO4)4, FeSO4, FeCl3. Các loại phèn này đưa vào dưới dung dịch hoà tan. 1. Dùng phèn nhôm a. Cơ chế keo tụ của phèn nhôm - Khi dùng phèn nhôm làm chất keo tụ sẽ xảy ra phản ứng thuỷ phân: Al2(SO4)3 + 6H2O = 2Al(OH)3 + 6 H+ +3SO42- - Khi độ kiềm của nước thấp, cần kiềm hóa nước bằng NaOH. Liều lượng chất kiềm hóa tính theo công thức: Pk = e1 (Pp / e2 – Kt + 1) 100/c (mg/l) - Trong đó: Pk : Hàm lượng chất kiềm hóa (mg/l) Pp : Hàm lượng phèn cần thiết dùng để keo tụ ( mg/l) e1, e2 : Trọng lượng đương lượng của chất kiềm hóa và của phèn,( mg/mgđl) với e1 = 40 ( NaOH ) ; e2 = 57 ( Al2(SO4)3 ) Liều lượng phèn nhôm để xử lý nước đục lấy theo TCXD – 33 :1985 như sau: Hàm lượng cặn của nước Liều lượng phèn nhôm Al2(SO4)3 không chứa nước (mg/l) nguồn ( mg/l) đến 100 25 – 35 101 – 200 30 – 45 201 – 400 40 – 60 401 – 600 45 – 70 5 601 – 800 55 – 80 801 – 1000 60 – 90 1401 – 1800 75 -115 1801 – 2200 80 – 125 2201 – 2500 90 – 130 Chú ý : - Hiệu quả tốt nhất với phèn nhôm là khoảng 5,5 – 7,5. - Nhiệt độ của nước thích hợp khoảng 20 – 40oC. các thành phần ion có trong nước, các hợp chất hữu cơ,liều lượng phèn, điều kiện khuấy trộn, môi trường phản ứng. b. Ưu điểm và nhượt điểm của phèn nhôm - Về mặt năng lực keo tụ ion nhôm (và cả sắt(III)), nhờ điện tích 3+, có năng lực keo tụ thuộc loại cao nhất (quy tắc Shulz-Hardy) trong số các loại muối ít độc hại cho con người. - Muối nhôm ít độc, sẵn có trên thị trường và khá rẻ. - Công nghệ keo tụ bằng phèn nhôm là công nghệ tương đối đơn giản, dễ kiểmsoát, phổ biến rộng rãi. c. Nhược điểm của phèn nhôm - Làm giảm đáng kể độ pH, phải dùng NaOH để hiệu chỉnh lại độ pH dẫn đến chi phí sản xuất tăng. - Khi quá liều lượng cần thiết thì hiện tượng keo tụ bị phá huỷ làm nước đục trở lại. - Phải dùng thêm một số phụ gia trợ keo tụ và trợ lắng. - Hàm lượng Al dư trong nước > so với khi dùng chất keo tụ khác và có thể lớn hơn tiêu chuẩn với (0,2mg/lit). - Khả năng loại bỏ các chất hữu cơ tan và ko tan cùng các kim loại nặng thường hạn chế. - Ngoài ra, có thể làm tăng lượng SO42- trong nước thải sau xử lí là loại có độc tính đối với vi sinh vật. 6 2. Dùng phèn sắt a. Cơ chế của phèn sắt Chia làm hai loại sắt II và sắt III Phèn sắt II (FeSO4) : - Khi cho vào nước phân ly thành Fe2+ và bị thuỷ phân thành Fe(OH)2 Fe2+ + 2H2O = Fe(OH)2 + 2H+ Fe(OH)2 vừa được tạo thành vẫn còn độ hoà tan trong nước lớn, khi trong nước có oxy hoà tan thì nó sẽ bị oxy hoá thành Fe(OH)3 - 4Fe(OH)2 + O2 + H2O = 4Fe(OH)3 Chú ý : - Quá trình oxy hoá chỉ diễn ra tốt khi pH nước đạt Sử dụng để keo tụ và tạo bông trong xử lý nước thải. 8-9 và nước phải có độ kiềm cao. Vì vậy người ta thường dùng phèn sắt kết hợp với vôi làm mền nước. - FeSO4 công nghiệp có dạng tinh thể màu xanh lơ, khi tiếp xúc với không khí bị oxy hoá thành màu đỏ sẩm. - Phèn sắt III: FeCl3 hoặc Fe2(SO4)3 khi cho vào nước sẽ phân ly thành Fe3+ và bị thuỷ phân thành Fe(OH)3 - Fe3+ + 3H2O = Fe(OH)3 + 3H+ Chú ý : Vì phèn sắt III không bị oxy hoá nên không phải nâng cao pH của nước như sắt II. Phản ứng xảy ra khi pH>3,5 và qúa trình kết tủa sẽ hình thành nhanh chóng khi pH=5,5-6,5. - Phèn sắt III khi bị thuỷ phân ít bị ảnh hưởng của nước vì vậy dù nhiệt độ 00C phèn sắt vẫn keo tụ. - Tỉ trọng của Fe(OH)3 = 1,5 Al(OH)3 ( trọng lượng đơn vị của Al(OH)3 = 2,4 còn của Fe(OH)3 = 3,6 ) do vậy keo sắt tạo thành vẫn lắng được khi trong nước có ít chất huyền phù. b. Ưu điểm và nhược điểm của phèn sắt so với phèn nhôm  Ưu điểm: 7 - Liều lượng phèn sắt(III) dùng để kết tủa chỉ bằng 1/3 – 1/2 liều lượng phèn nhôm. - Phèn sắt ít bị ảnh hưởng của nhiệt độ và giới hạn pH rộng.  Nhược điểm : - Phèn sắt(III) là ăn mòn đường ống mạnh hơn phèn nhôm ( vì trong quá trình phản ứng tạo ra axit). - . Phèn sắt sau xử lý thường làm cho nước có màu vàng do còn tồn tại lượng dư Fe(OH)3. Trong quá trình tạo thành bông keo của hidroxit nhôm hoặc sắt, người ta thường thêm chất trợ đông tụ.Các chất trợ đông tụ này là tinh bột, cac ete, xenlulozo,ddioxxirxilic hoạt tính ....với liều lượng 1 – 5mg/l. Ngoài ra người ta cồn dùng các chất trợ đông tổng hợp. Chất hay dùng nhất là polyacrylamit. Việc dùng chất bổ trợ này làm giảm liều lượng các chất đông tụ, giảm thời gian đông tụ và nâng cao được tốc độ lắng các bông keo. 3. Poly Aluminium Chloride ( PAC) Một trong những chất keo tụ thế hệ mới, tồn tại dưới dạng polime vô cơ là poli nhôm clorua (polime aluminium chloride), thường viết tắt là PAC (hoặc PACl). Hiện nay, ở các nước tiên tiến, người ta đã sản xuất PAC với lượng lớn và sử dụng rộng rãi để thay thế phèn nhôm sunfat trong xử lý nước sinh hoạt và đặc biệt là xử lí nước thải. a. Tính chất PAC có công thức tổng quát là [Al2(OH)nCl6.nxH2O]m (trong đó m <=10, n<= 5). PAC thương mại ở dạng bột thô màu vàng nhạt hoặc vàng đậm, dễ tan trong nước và kèm tỏa nhiệt, dung dịch trong suốt, có tác dụng khá mạnh về tính hút thấm. b. Cơ chế tác dụng của PAC - Thông thường khi keo tụ chúng ta hay dùng muối clorua hoặc sunfat của Al(III) hoặc Fe(III). - Khi đó, do phân li và thuỷ phân ta có các hạt trong nước: Al3+, Al(OH)2+, Al(OH) phân tử và Al(OH)4-, ba hạt polime: Al2(OH)24-, Al3(OH)45+, Al13O4(OH)247+ và Al(OH)3rắn. Trong đó Al13O4(OH)247+ gọi tắt là Al13 là tác nhân gây keo tụ chính và tốt nhất. - Với Fe(III) ta có các hạt: Fe3+, Fe(OH)2+, Fe(OH) phân tử và Fe(OH)4-, ba hạt polime: Fe2(OH)24+, Fe3(OH)45+ và Fe(OH)3 rắn. - Trong công nghệ xử lí nước thông thường, nhất là nước tự nhiên với pH xung quanh 7 quá trình thuỷ phân xảy ra rất nhanh, tính bằng micro giây, khi đó hạt 8 Al3+ nhanh chóng chuyển thành các hạt polime rồi hydroxit nhôm trong thời gian nhỏ hơn giây mà không kịp thực hiện chức năng của chất keo tụ là trung hoà điện tích trái dấu của các hạt cặn lơ lửng cần xử lý để làm chúng keo tụ. - Khi sử dụng PAC quá trình hoà tan sẽ tạo các hạt polime Al13, với điện tích vượt trội (7+), các hạt polime này trung hoà điện tích hạt keo và gây keo tụ rất mạnh, ngoài ra tốc độ thuỷ phân của chúng cũng chậm hơn Al3+ rất nhiều, điều này tăng thời gian tồn tại của chúng trong nước nghĩa là tăng khả năng tácdụng của chúng lên các hạt keo cần xử lí, giảm thiểu chi phí hoá chất. Ngoài ra, vùng pH hoạt động của PAC cũng lớn gấp hơn 2 lần so với phèn, điều này làm cho việc keo tụ bằng PAC dễ áp dụng hơn. Hơn nữa, do kích thước hạt polime lớn hơn nhiều so với Al3+ (cỡ 2 nm so với nhỏ hơn 0,1 nm) nên bông cặn hình thành cũng to và chắc hơn, thuận lợi cho quá trình lắng tiếp theo. c. PAC có nhiều ưu điểm so với phèn nhôm sunfat và các loại phèn vô cơ khác - Hiệu quả keo tụ và lắng trong > 4-5 lần. Tan trong nước tốt, nhanh hơn nhiều, ít làm biến động độ pH của nước nên ko phải dùng NaOH để xử lí và do đó ít ăn mòn thiết bị hơn. - Khônglàm đục nước khi dùng thừa hoặc thiếu. - Không cần (hoặc dùng rất ít) phụ gia trợ keo tụ và trợ lắng. - [Al] dư trong nước < so với khi dùng phèn nhôm sunfat. - Khả năng loại bỏ các chất hữu cơ tan và không tan cùng các kim loại nặng tốt hơn. - Không làm phát sinh hàm lượng SO42- trong nước thải sau xử lí là loại có độc tính đối với vi sinh vật. KẾT LUẬN Ngày nay, quá trình công nghiệp hóa cũng như sự phát triển kinh tế và đô thị hóa đang ngày càng gia tăng trên toàn thế giới, vấn đề môi trường cần phải quan tâm trong giai đoạn hiện nay, đặc biệt là vấn đề ô nhiễm nguồn nước, nó ảnh hưởng trực tiếp đến cuộc sống của chúng ta. Và việc xử lý nguồn nước bị ô nhiễm nói chung và nước thải nói riêng là một vấn dề quan trọng, trong đó phương pháp keo tụ bằng các hóa chất keo tụ là một phưong pháp hóa lý cũng đã đạt được những hiệu quả cao 9 trong xử lý nước thải. Tuy nhiên để tìm ra một phương pháp xử lý vừa mang lại hiệu quả cao và vừa thân thiện với môi trường là một việc làm không dễ, do vậy nâng cao ý thức về việc giảm phát thải các nguồn ô nhiễm, tránh nguy cơ gây suy thoái nguồn nước hồ là mục tiêu chung của cả cộng đồng. Tài liệu tham khảo: 1. Trần Mạnh Lục, Hóa học và các hệ phân tán keo, Trường ĐH Sư PhạmĐHĐN,2008. 2. Phạm Thị Hà, Bài giảng Hóa học môi trường, Trường ĐH Sư Phạm-ĐHĐN. 4. Nguyễn Đình Chương, Bài giảng Phân Tích Môi Trường, Trường ĐH Sư Phạm – ĐHĐN. 3. Hoàng Văn Nhuệ, Công nghệ môi trường( Tập 1- xử lí nước thải), Nhà xuất bản xây dựng Hà Nội, năm 2004. 10 MỤC LỤC MỞ ĐẦU ...................................................................................................................1 PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ BẰNG CÁC HÓA CHẤT KEO TỤ TRONG XỬ LÝ NƯỚC THẢI ............................................................................................................2 I. Khái quát về nước thải .........................................................................................2 1. Các khái niệm về nước thải: ................................................................................2 2. Đặc điểm của nước thải ........................................................................................2 II. Tác hại của nước thải đối với sức khỏe con người, môi trường sinh vật ..........3 11 III. Hiện trạng của việc xử lý nước thải hiện nay ...................................................3 1. Xử lý nước thải sinh hoạt đô thị ..........................................................................3 2. Xử lý nước thải bệnh viện, trường học hay cơ quan NCKH ..............................3 3. Xử lý nước thải công nghiệp ................................................................................4 4. Xử lý nước thải làng nghề ....................................................................................4 IV. Phương pháp keo tụ bằng các hóa chất keo .....................................................4 1. Dùng phèn nhôm .................................................................................................5 2. Dùng phèn sắt .......................................................................................................7 3. Poly Aluminium Chloride ( PAC) ........................................................................8 KẾT LUẬN ...............................................................................................................9 Tài liệu tham khảo: ................................................................................................ 10 12