Tài liệu Tổng quan về các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp

Chương 1.Tổng quan về các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp 1.1 Lời nói đầu Có thể nói nước là tài sản chung của nhân loại, là nguồn gốc của sự sống. Nước đóng vai trò quyết định trong việc đảm bảo cuộc sống con người. Con người sử dụng nước phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau như giao thông vận tải, nông nghiệp, thuỷ điện …. Có thể thấy trong việc sử dụng tài nguyên thiên nhiên nhiều nguyên liệu có thể thay thế cho nhau được nhưng riêng nước chưa gì thay thế được. Tuy nhiên nước còn là một phương tiện lan truyền các nguồn bệnh và trong thực tế các bệnh lây lan qua môi trường nước là nguyên nhân chính gây ra bệnh tật và tử vong nhất là tại các nước đang phát triển. Chính vì vậy việc xử lý nước luôn là một vấn đề cấp bách trong đời sống con người . 1.2.1 Sự ô nhiễm nước Nước trong tự nhiên được hình thành cả số lượng và chất lượng dưới ảnh hưởng của các quá trình tự nhiên, không có tác động của con người. Dưới tác động của con người nước tự nhiên bị nhiễm bẩn bởi các chất khác nhau kết quả là làm ảnh hưởng đến chất lượng của nó. Các khuynh hướng thay đổi chất lượng của nước dưới ảnh hưởng các hoạt động con người bao gồm: - Giảm độ pH của nước ngọt do ô nhiễmbởi H 2SO4 , HNO3 từ khí quyển và nước thải công nghiệp , tăng hàm lượng SO32- và NO32- trong nước . - Tăng hàm lượng các ion Ca, Mg, Si… trong nước ngầm và nước sông do nước mưa hoà tan phong hoá các quặng Cacbonat. - Tăng hàm lượng các ion kim loại nặng trong nước tự nhiên. - Tăng hàm lượng các muối trong nước bề mặt và nước ngầm do chúng đi vào môi trường nước cùng nước thải, từ khí quyển và các chất thải rắn. - Tăng hàm lượng các hợp chất hữu cơ, trước tiên là các chất khó bị phân huỷ sinh học ( các chất bề mặt, thuốc trừ sâu ). 1 - Giảm nồng độ oxy hòa tan trong nước tự nhiên do các quá trình ôxy hoá liên quan đến quá trình phì dưỡng các nguồn chứa nước và khoáng hoá các hợp chất hữu cơ…. - Giảm độ trong nước.Tăng khả năng nguy hiểm ô nhiễm nước tự nhiên do các nguyên tố phóng xạ. 1.1.3. Phân loại nước thải Thông thường nước thải được phân loại theo nguồn gốc phát sinh ra chúng. Đó cũng là cơ sở cho việc chọn lựa các biện pháp hoặc công nghệ xử lý. Theo cách phân loại này có các loại nước thải dưới đây: Nước thải sinh hoạt là nước thải từ các khu dân cư, khu vực hoạt động thương mại, công sở trường học và các cơ sở tương tự khác. Nước thải sinh hoạt là hỗn hợp phức tạp thành phần các chất , trong đó chất bẩn thuộc nguồn gốc hữu cơ thường tồn tại dưới thành phần không hoà tan, dạng keo và dạng hoà tan. Thành phần và tính chất của chất bẩn phụ thuộc vào mức độ hoàn thiện thiết bị, trạng thái làm việc của hệ thống mạng lưới vận chuyển, tập quán sinh hoạt của người dân, mức sống xã hội, điều kiện tự nhiên…do tính chất hoạt động của đô thị mà chất bẩn của nước thải thay đổi theo thời gian và không gian.Để tiện lợi người ta quy ước thành phần, tính chất của nước thải sinh hoạt là tương đối ổn định. Nước thải công nghiệp ( hay còn gọi là nước thải sản xuất ). Nước thải công nghiệp là nước thải từ các nhà máy đang hoạt động, có cả nước thải sinh hoạt nhưng trong đó nước thải công nghiệp là chủ yếu. Nước thải sinh hoạt bao gồm: nước thải sinh hoạt từ khâu chuẩn bị, chế biến thức ăn tại các nhà hàng xí nghiệp, nước sinh hoạt của công nhân trong giờ làm việc và nước thải tắm của công nhân. Thành phần và tính chất của nước thải công nghiệp phụ thuộc vào nhiều yếu tố( lĩnh vực sản xuất công nghiệp, chế độ công nghệ, lưu lượng đơn vị tính trên sản phẩm…) và rất đa dạng.Trong các thành phố phát triển, khối 2 lượng nước thải công nghiệp chiếm khoảng 30-35% tổng lưu lượng nước thải đô thị. Nước thấm qua: Đây là nước mưa thấm qua các hệ thống cống bằng nhiều cách khác nhau qua các khớp nối, các ống có khuyết tật hoặc thành của hố ga. Nước thải tự nhiên: Nước mưa được xem như nước thải tự nhiên. ở những thành phố hiện đại, nước thải tự nhiên được thu gom theo một hệ thống thoát riêng. 1.1.4. Các đặc điểm chính của nước thải a) Đặc điểm vật lý Theo trạng thái vật lý, các chất bẩn trong nước thải được chia thành: - Các chất không hoà tan ở dạng lơ lửng, kích thước lớn hơn 10 -4mm, có thể ở dạng huyền phù, nhũ tương hoặc dạng sợi, giấy, vải, cây,cỏ… - Các tạp chất bẩn dạng keo với kích thước dạng hạt trong khoảng 10 -4 đến 10-6mm. - Các chất bẩn dạng tan có kích thước nhỏ hơn 10 -6mm, có thể ở dạng phân tử hoặc phân ly thành ion. - Nồng độ các chất bẩn trong nước thải có thể đậm đặc hoặc loãng tuỳ thuộc tiêu chuẩn dùng nước sinh hoạt và lượng nước thải công nghiệp hoà lẫn vào. b) Đặc điểm hoá học Nước thải chứa các hợp chất hoá học dạng vô cơ như sắt, magie, canxi, silic, nhiều chất hữu cơ sinh hoạt như phân, nước tiểu và các chất thải khác như cát, sét, dầu, mỡ. Nước thải vừa xả ra thường có tính kiềm, nhưng dần trở nên có tính axit vì thối rữa từ các chất hữu cơ có xuất xứ từ động vật và thực vật. Những chất hữu cơ trong nước thải có thể chia thành các chất nitơ và các chất cacbon. Các hợp chất chứa nitơ chủ yếu như ure, protein, amin, axit amin…Các hợp chất chứa cacbon như mỡ, xà phòng, hydro cacbon trong đó 3 có cả xenlulo…từ chất thải công nghiệp lẫn vào làm cho thành phần và tính chất nước thải càng thêm đa dạng. c) Đặc điểm sinh vật, vi sinh vật Nước thải sinh hoạt chứa vô số sinh vật, chủ yếu là vi sinh với số lượng từ 105- 106 tế bào trong 1 ml. Nguồn chủ yếu đưa vi sinh vật vào nước thải là phân, nước tiểu và đất cát. Tế bào vi sinh hình thành từ chất hữu cơ, nên tập hợp vi sinh có thể coi là một phần của tổng hợp chất hữu cơ trong nước thải. Phần này sống, hoạt động, tăng trưởng để phân huỷ phần hữu cơ còn lại của nước thải. Vi sinh trong nước thải thường được phân biệt theo hình dạng. Vi sinh xử lý nước thải có thể phân làm ba nhóm: vi khuẩn, nấm và nguyên sinh động vật. Vi khuẩn dạng nấm có kích thước lớn hơn vi khuẩn và không có vai trò trong quá trình phân huỷ ban đầu của các chất hữu cơ trong quá trình xử lý nước thải, chúng thường phát triển kết thành lưới nổi trên mặt nước gây cản trở dòng chảy và quá trình thuỷ động học. Nguyên sinh động vật đặc trưng bằng một vài giai đoạn hoạt động trong quá trình sống của nó. Thức ăn chính của chúng là vi khuẩn nên chúng là chất chỉ thị quan trọng thể hiện hiệu quả xử lý nước thải. 1.1.5. Một số thông số quan trọng của nước thải a) Hàm lượng chất rắn Tổng chất rắn là thành phần vật lý đặc trưng quan trọng nhất của nước thải. Nó bao gồm các chất rắn nổi, lơ lửng, keo và tan. Khi phân tích, tổng chất rắn được xác định là phần còn lại sau khi cho bay hơi mẫu nước hoặc nước thải trên bếp cách thuỷ, tiếp đó sấy khô ở nhiệt độ 103 0C cho tới khi trọng lượng không đổi. Hàm lượng các chất rắn lắng được sẽ lắng xuống đáy bình hình côn trong 60 phút và được tính bằng ml/l. Chỉ tiêu này là một phép đo gần đúng lượng bùn sẽ được khử trong lắng sơ cấp. Trong nước thải sinh hoạt cặn lơ lửng chiếm 70% cặn hữu cơ và 30% cặn vô cơ. 4 b) Hàm lượng oxy hoà tan DO Đây là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của nước thải vì oxy không thể thiếu được đối với tất cả các sinh vật sống trên cạn cũng như dưới nước. Oxy thường có độ hoà tan thấp và phụ thuộc vào áp suất, nhiêt độ, nồng độ muối có trong nước thải. Trong quá trình xử lý, các vi sinh vật tiêu thụ oxy hoà tan để oxy hoá sinh hoá, đồng hoá các chất dinh dưỡng và chất nên cần thiết cho sự sống, sinh sản và tăng trưởng của chúng. Vì vậy, giữ được oxy hoà tan trong nước thải trong quá trình xử lý là yêu cầu quan trọng. c) Nhu cầu oxy sinh hoá BOD Nhu cầu oxy sinh hoá là chỉ tiêu thông dụng nhất để xác định mức độ ô nhiễm của nước thải đô thị và chất thải trong nước thải công nghiệp. BOD biểu thị lượng các chất hữu cơ trong nước có thể bị phân huỷ bằng các vi sinh vật và được định nghĩa là lượng oxy vi sinh vật đã sử dụng trong quá trình oxy hoá các chất hữu cơ, vì vậy việc xác định tổng lượng oxy hoà tan cần thiết cho quá trình phân huỷ sinh học là công việc quan trọng để đánh giá ảnh hưởng của một dòng thải đối với nguồn nước. Trong kỹ thuật môi trường chỉ tiêu này được dùng rộng rãi để: - Xác định gần đúng lượng oxy cần thiết để ổn định sinh học các chất hữu cơ có trong nước thải - Xác định kích thước thiết bị xử lý. - Xác định hiệu xuất xử lý của một số quá trình. - Xác định sự chấp thuận tuân theo những quy định cho phép thải chất thải. d) Nhu cầu oxy hoá học COD Chỉ số này được dùng để biểu thị hoá hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải và mức độ ô nhiễm nước tự nhiên. COD được định nghĩa là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hoá hoá học các chất hữu cơ trong nước thành CO 2 và nước. Lượng oxy này tương đương với với hàm lượng chất hữu cơ có thể bị oxy hoá được xác định khi sử dụng một tác nhân oxy hoá hoá học mạnh 5 trong môi trường axit. COD được xác định bằng cách đun sôi hợp chất hữu cơ( nước thải ) với axit sunfuric đậm đặc tinh khiết và cho thêm kali iodat hoặc muối của axit cromic. 1.2 Các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp Mục đích của xử lý nước thải là khử các tạp chất sao cho nước sau khi xử lý đạt tiêu chuẩn chất lượng theo các chỉ tiêu đã đề ra. Để đạt được điều này dây chuyền công nghệ xử lý nước thải được nhóm thành các công đoạn: Xử lý cấp 1- Gồm các quá trình xử lý sơ bộ và lắng bắt đầu từ song ( hoặc lưới chắn ) và kết thúc sau lắng cấp 1. Công đoạn này có nhiệm vụ khử các vật rắn nổi có kích thước lớn và các tạp chất rắn lơ lửng ở bể lắng cấp 1. ở đây thường gồm các quá trình lọc qua song ( hoặc lưới ) chắn,lắng, tuyển nổi, tách dầu mỡ và trung hoà. Xử lý cấp 2-Gồm các quá trình sinh học ( đôi khi cả hoá học ) có tác dụng khử hầu hết các tạp chất hữu cơ hoà tan có thể phân huỷ bằng con đường sinh học, nghĩa là khử BOD. Đó là các quá trình: Hoạt hoá bùn, lọc sinh học hay oxy hoá sinh học trong các hồ ( hồ sinh học và phân huỷ yếm khí ). Tất cả các quá trình này đều sử dụng khả năng của các vi sinh vật chuyển hoá các chất thải hữu cơ về dạng ổn định và năng lượng thấp. Xử lý cấp 3- Thường gồm các quá trình: Vi lọc, kết tủa hoá học và đông tụ, hấp thụ bằng than hoạt tính trao đổi ion, thẩm thấu ngược, điện thấm tích, các quá trình khử các chất dinh dưỡng, clo hoá và ozon hoá. Nước thải vào 1 Tạp chất Xử lý cấp I Xử lý sơ 2 bộ Lắng cát Cát sỏi Xử lý cấp II Xử lý cấp III Cl 2 3 Bù n sơ cấ p 4 5 Bùn hoạt tính 7 8 5 6 Bùn thải Dòng ra 6 Hình 1.2. Sơ đồ nguyên lý và các mức độ xử lý nước thải . 1. Thanh chắn hoặc lưới chắn 5. Bể lắng cấp II. 2. Bể lắng cát 6. Bể tiếp xúc clo 3. Bể lắng cấp một 7. Bể lắng làm đặc bùn 4. Xử lý cấp II ( hoạt hoá bùn hoặc lọc sinh học ) 8. Bể tiêu huỷ bùn yếm khí 9. Thiết bị tách nước 1.2.1. Xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học Đây là bước xử lý sơ bộ. Mục đích của quá trình là loại tất cả các tạp vật có thể gây ra sự cố trong quá trình vận hành xử lý nước thải như làm tắc bơm, đường ống hoặc kênh dẫn. Đây là bước quan trọng đảm bảo an toàn và điều kiện làm việc thuận lợi cho cả hệ thống. Những công trình xử lý cơ học bao gồm: Song chắn rác, lưới lọc dùng để chắn giữ các cặn bẩn có kích thước lớn hoặc ở dạng sợi như giấy, rau, cỏ, rác. Sau dó chúng thường được chuyển tới máy nghiền rác,sau khi được nghiền nhỏ chúng được chuyển tới bể phân huỷ cặn. Trong những năm gần đây sử dụng rất phổ biến loại song chắn rác liên hợp vừa chắn giữ vừa nghiền rác đối với những trạm xử lý công xuất nhỏ và vừa. Bể lắng cát tách ra khỏi nước thải các chất bẩn vô cơ có trọng lượng riêng khác với trọng lượng riêng của nước thải( như xỉ, than, cát…) chúng không có lợi đối với các quá trình làm trong, xử lý sinh hoá nước thải và xử lý cặn bã cũng như không có lợi đối với các công trình thiết bị công nghệ trên trạm xử lý. Cát từ bể lắng cát được đưa đi phơi khô và sau đó thường được sử dụng lại co những mục đích xây dựng. Bể lắng tách ra các chất lơ lửng có trọng lượng riêng khác với trọng lượng riêng của nước thải. Chất lơ lửng nặng sẽ từ từ lắng xuống đáy,các chất 7 lơ lửng nhẹ sẽ nổi lên bề mặt nước. Cặn lắng và bọt nổi nhờ các thiết bị thu gom và vận chuyển lên công trình xử lý cặn. Bể vớt dầu mỡ thường áp dụng khi xử lý nước thải có chứa dầu mỡ( nước thải công nghiệp ), Đối với xử lý khi hàm lượng dầu mỡ không cao thì việc vớt dầu mỡ thường được thực hiện ngay ở bể lắng nhờ thiết bị gạt chất nổi. Bể lọc nhằm tách các chất ở trạng thái lơ lửng kích thước nhỏ bắng cách cho nước thải đi qua lớp vật liệu lọc, công trình này sử dụng chủ yếu cho một số loại nước thải công nghiệp. Phương pháp xử lý nước thải bằng cơ học có thể loại bỏ khỏi nước thải được 60% các tạp chất không hoà tan và 20% BOD. Hiệu quả xử lý có thể đạt tới 75% theo hàm lượng chất lơ lửng và 30% theo BOD bằng các biện pháp làm thoáng sơ bộ hoặc đông tụ sinh học. Trong một số trường hợp các công trình xử lý cơ học có thể kể đến bể tự hoại, bể lắng hai vỏ, bể lắng có ngăn phân huỷ, bể UASB… là những công trình vừa để lắng cặn vừa để phân huỷ cặn lắng trong môi trường kỵ khí. Nếu điều kiện vệ sinh cho phép, thì sau khi xử lý cơ học nước thải được khử trùng và xả vào nguồn nhưng thường thì xử lý cơ học chỉ là giai đoạn xử lý sơ bộ trước khi cho qua xử lý sinh học. Khi tính toán các bể lắng để xử lý nước thải phải tính đến các chỉ tiêu đặc trưng cho tính chất lý học của nước thải và các chất lơ lửng trong đó, các chỉ tiêu cơ bản là : - Nhiệt độ nước vào bể. - Nồng độ các chất lơ lửng và lý tính của chúng. - Kích thước các hạt hoặc tốc độ lắng xuống hay nổi lên của chúng. - Độ ẩm của cặn sau khi lắng. - Động học quá trình nén cặn dưới nước. 1.2.2 Xử lý nước thải bằng phương pháp hoá lý. 8 Phương pháp này được dùng để thu hồi các chất quý hoặc để khử các chất độc hại, các chất có ảnh hưởng xấu đối với giai đoạn làm sạch sinh hoá sau này. Cơ sở của các phương pháp hoá lý là các phản ứng hoá học, các quá trình lý hoá diễn ra giữa chất bẩn 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. Các phương pháp hoá học là oxy hoá, trung hoà và keo tụ.Thông thường đi đôi với trung hoà có kèm theo quá trình đông tụ và nhiều hiện tượng vật lý khác. Những phương pháp hoá lý để xử lý nước thải đều dựa trên cơ sở ứng dụng các quá trình: Đông tụ, hấp thụ, trích ly, bay hơi, tuyển nổi, trao đổi ion, tinh thể hoá, dializ-màng bán thấm, cô đặc, khử hoạt tính phóng xạ, khử khí khử màu…. 1.2.3. Xử lý nước thải bằng phương pháp đông tụ Đông tụ là làm trong và khử màu nước thải bằng cách dùng các chất keo tụ ( phèn ) và các chất trợ keo tụ để liên kết các chât bẩn ở dạng lơ lửng và keo thành những bông có kích thước lớn hơn lắng xuống.Phương pháp đông tụ làm tăng nhanh quá trình lắng các chất lơ lửng phân tán nhỏ, keo thậm chí cả nhũ tương và các tạp chất khác. Khi đó nồng độ các chất lơ lửng, mùi, màu sẽ giảm xuống. Các chất đông tụ thường dùng là nhôm sunfat,sắt sunfat, sắt clorua… Hiệu suất đông tụ cao nhất khi giá trị pH= 4÷ 8,5. Để loại các bông lớn và dễ lắng người ta cho thêm các chất trợ đông tụ. Đó là chất cao phân tử tan trong nước và đễ phân ly thành ion. Tuỳ thuộc vào các nhóm ion khi phân ly mà các chất trợ đông tụ có điện tích âm hoặc dương. 1.2.4.Xử lý nước thải bằng phương pháp hấp phụ Hấp phụ là tách các chất hữu cơ và khí hoà tan khỏi nước thải bằng cách tập chung các chất đó trên bề mặt chất rắn ( chất hấp phụ ) hoặc bằng cách tương tác giữa các chất bẩn hoà tan với các chất rắn. Hiện nay phương 9 pháp hấp phụ được xử dụng rộng rãi để xử dụng nước thải công nghiệp. Phương pháp này cho phép xử lý nước thải chứa một hoặc nhiều loại nước bẩn khác nhau. Kể cả khi nồng độ chất bẩn trong nước rất thấp. Như vậy phương pháp hấp phụ còn có thể dùng để xử lý triệt để nước thải sau khi đã xử lý bằng các phương pháp khác. Nếu các chất cần khử bị hấp phụ tốt và chi phí riêng lượng chất hấp phụ không lớn thì việc ứng dụng phương pháp này là hợp lý hơn cả. Trong công nghệ xử lý nước thải khi nói về phương pháp hấp phụ tức là nói về quá trình hấp phụ chất bẩn hoà tan ở bề mặt biên giới giữa pha lỏng và pha rắn. Người ta phân biệt ba loại hấp phụ sau đây: - Hấp phụ là quá trình, trong đó những phân tử của chất bẩn hoà tan không những tập chung ở bề mặt mà còn bị hút sâu vào các lớp bên trong của chất rắn( hoặc chất lỏng ). Khi xử lý nước thải chứa các chất bẩn dạng khí hoà tan thì người ta dùng các phương pháp hấp thụ- tháp hấp thụ hoặc tháp lọc khí. - Hấp phụ lý học là quá trình hút( hay còn gọi là tập chung ) của một hoặc hỗn hợp các chất bẩn hoà tan thể khí hoặc thể lỏng trên bề mặt chất rắn. - Hấp phụ hoá học là quá trình hút các chất tan dạng khí dưới tác dụng hoá học tức là các chất tan hấp phụ lên bề mặt và tạo phản ứng hoá học với chất rắn. 1.2.5. Xử lý nước thải bằng phương pháp trích ly Phương pháp trích ly là một trong những phương pháp phổ biến để xử lý nước thải chứa phenol và các chất hữu cơ khác như các loại axit béo. Thực chất của phương pháp này là sử dụng độ hoà tan của các chất bẩn trong dung môi nào đó, mà dung môi đó lại không tan trong nước thải. Nếu cho dung môi vào nước thải và khuấy trộn đều thì các chất bẩn sẽ hoà tan trong dung môi, khi đó nồng độ chất bẩn trong nước thải sẽ giảm nếu tiếp tục tách dung môi ra khỏi nước thải thì nước thải coi như được làm sạch. Như vậy nguyên tắc của phương pháp này là: Trong hỗn hợp hai chất lỏng 10 không tan lẫn nhau, bất cứ một chất thứ ba nào khác, theo độ hoà tan của mình trong hai chất lỏng trên sẽ được phân bổ vào hai chất lỏng đó theo quy luật phân bổ. Phương pháp tách chất bẩn hoà tan ra khỏi nước thải như vậy gọi là phương pháp trích ly. Những chất trích ly thường dùng là benzen, dầu mỡ nặng, butylaxetat. Khi xử lý nước thải, quá trình trích ly thường được tiến hành theo chiều bậc nối tiếp và có quá trình hoàn nguyên chất trích ly. Để tăng hiệu suất trích ly theo toàn bộ chiều dài, chiều cao của thiết bị trích ly, người ta thường dùng phương pháp chuyển động ngược dòng một bậc hoặc nhiều bậc. 1.2.6 Xử lý nước thải bằng phương pháp làm thoáng và chưng bay hơi Nước thải của nhiều lĩnh vực công nghiệp( hoá chất, sản xuất sợi nhân tạo, sản xuất giấy…) chứa các chất bẩn dễ bay hơi như hidro sunfua, cacbon sunfua, metyl mecaptan… Để xử lý các loại nước này người ta dùng phương pháp làm thoáng tức là cho tiếp xúc với không khí hoặc khí trơ trong điều kiện tự nhiên hoặc cưỡng bức. Khi các chất hữu cơ dễ bay hơi và cùng với nước tạo thành hỗn hợp đẳng sôi thì người ta dùng phương pháp chưng bay hơi để các chất đó cùng bay theo hơi nước. Để xử dụng phương pháp này người ta phải xét đến nhiệt độ sôi của hỗn hợp và tỷ lệ giữa lượng chất bẩn hữu cơ và lượng nước cùng chuyển sang dạng hơi khi chưng cất. Nếu tỷ lệ này càng lớn so với chính tỷ lệ giữa chúng(chất bẩn và nước) lúc bình thường thì phương pháp này càng có lợi. Nhiều hỗn hợp đẳng sôi khi ngưng tụ sẽ hình thành các lớp riêng biệt và do đó rất dễ dàng tách các chất bẩn ra khỏi dung dịch bão hoà. Tuy nhiên, nhiều khi chúng không hình thành các lớp riêng biệt do độ hoà tan của lớp ngưng với chất bẩn rất lớn, Nhưng những hỗn hợp đó vẫn có thể sử dụng trực tiếp hoặc có thể sử dụng sau khi xử lý bằng phương pháp trích ly. 1.2.7. Xử lý nước thải bằng phương pháp tuyển nổi 11 Thực chất của quá trình tuyển nổi là dính kết phân tử các chất bẩn với bề mặt phân chia giữa khí và nước. Sự dính kết diễn ra được là do có năng lượng tự do trên bề mặt phân chia đó và nhờ hiện tượng bề mặt đặc biệt gọi là hiện tượng tẩm ướt. Hiện tượng này xuất hiện ở những nơi tiếp xúc giữa ba pha( lỏng- khí- rắn ), tức là xuất hiện theo chu vi ẩm ướt. Nói chung quá trình tuyển nổi là quá trình hoá lý phức tạp.Trong nước các phần tử có bề mặt kỵ nước sẽ có khả năng dính kết vào bọt khí. Khi các bọt khí và các phần tử phân tán cùng vận động trong nước thì các phần tử đó sẽ tập trung trên bề mặt các bọt khí và nổi lên. Những phần tử nào không có khả năng dính kết vào bọt khí thì sẽ còn lại trong nước. Tiếp theo người ta tách các bọt khí cùng các phần tử dính vào đó khỏi mặt nước. Phương pháp tuyển nổi được phổ biến rộng rãi trong việc luyện kim, thu hồi khoáng sản quý cũng như lĩnh vực xử lý nước thải. Những quy luật quá trình tuyển khoáng cũng có thể sử dụng trong thực tế xử lý nước thải. Tuy nhiên phải tính tới những đặc điểm về thành phần tính chất nước thải. Ngoài ra, mục tiêu của quá trình tuyển nổi ở mỗi lĩnh vực hoàn toàn khác nhau. Trong quá trình tuyển khoáng, nhiệm vụ là tách các khoáng sản riêng rẽ với nhau. Trong khi đó nhiệm vụ của việc xử lý nước thải là tách hoàn toàn các chất không tan, một số loại keo và tan khỏi nước. Ngoài ra còn có một số phương pháp xử lý nước thải khác dựa trên cơ sở hoá lý: Trao dổi ion là phương pháp thu hồi các cation và anion bắng các chất trao đổi ion. Các chất trao đổi ion là các chất rắn trong thiên nhiên hoặc vật liệu nhựa nhân tạo. Chúng không hoà tan trong nước và trong dung môi hữu cơ, có khả năng trao đổi ion. Tách bằng màng là phương pháp tách các chất tan khỏi các hạt keo bằng cách dùng các màng bán thấm. Đó là các màng xốp đặc biệt không cho các hạt keo đi qua. 1.2.8. Xử lý nước thải bằng phương pháp nhiệt 12 Để xử lý khử độc của nhiều loại nước thải công nghiệp đôi khi người ta dùng phương pháp nhiệt là hợp lý nhất. Thực chất của phương pháp nhiệt là các chất độc hữu cơ trong nước thải sẽ hoàn toàn bị oxy hoá ở nhiệt độ cao( bị đốt cháy) và cho ra các sản phẩm ở thể khí và rắn; thể khí cho bay hơi vào khí quyển; còn thể rắn có thể sử dụng được. Để đốt cháy các chất hữu cơ trong nước thải trước tiên người ta phải cho bay hơi một lượng nước khá lớn tức là phải chi phí thêm nhiên liệu, điện năng. Khi đó sơ đồ công nghệ trạm xử lý cũng phức tạp thêm. Khi chọn sơ đồ công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp nhiệt phải căn cứ vào thành phần tính chất hoá lý và nộng độ các chất bẩn trong nước thải, trạng thái tồn tại các sản phẩm sau khi đốt. 1.2.9.Xử lý nước thải bằng phương pháp hoá học Thực chất của phương pháp xử lý hoá học là đưa vào nước thải chất phản ứng nào đó để gây tác động đối với các tạp chất bẩn, biến đổi hoá học và tạo cặn lắng hoặc tạo dạng chất hoà tan nhưng không độc hại, không gây ô nhiễm môi trường. Ví dụ: phương pháp trung hoà nước thải chứa axit và chứa kiềm, phương pháp oxy hoá khử, phương pháp ozon hoá, phương pháp điện hoá…Theo giai đoạn và mức độ xử lý, phương pháp hoá học sẽ có tác động tăng cường quá trình xử lý cơ học hoặc sinh học. 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. Phương pháp hoá học thường được áp dụng để xử lý nước thải công nghiệp. Tuỳ thuộc vào điều kiện địa phương và điều kiện vệ sinh cho phép, phương pháp xử lý hoá học có thể hoàn tất ở giai đoạn cuối cùng hoặc chỉ là giai đoạn sơ bộ ban đầu của việc xử lý nước thải. Các phương pháp hoá học dùng trong xử lý nước thải gồm có: trung hoà, oxy hoávà khử, phương pháp ozon hoá, phương pháp điện hoá học.Tất cả các phương pháp này đều dùng các tác nhân hoá học nên là phương pháp đắt 13 tiền. Người ta sử dụng các phương pháp để khử các chất hoà tan và trong các hệ thống cấp nước khép kín. a)Phương pháp trung hoà Phương pháp trung hoà được dùng để đưa môi trường nước thải chứa axit vô cơ hoặc kiềm cần được trung hoà đưa pH về khoảng 6,5 đến 8,5 trước khi thải vào nguồn nước hoặc xử dụng cho công nghệ xử lý tiếp theo. Trung hoà nước thải có thể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau: - Trộn lẫn nước thải axit với nước thải kiềm. - Bổ sung các tác nhân hoá học. - Hấp thụ khí axit bằng nước kiềm hoặc hấp thụ amoniac bằng nước axit. Việc lựa chọn phương pháp trung hoà là tuỳ thuộc vào thể tích và nồng độ, chế độ thải của nước thải, khả năng sẵn có và giá thành của tác nhân hoá học. b) Phương pháp oxy hoá và khử Để làm sạch nước thải người ta có thể sử dụng các chất oxy hoá như clo ở dạng khí và hoá lỏng, dioxit clo, clorat canxi….. Trong quá trình oxy hoá, các chất độc hại trong nước thải được chuyển thành các chất ít độc hơn và tách ra khỏi nước. Quá trình này tiêu tốn một lượng lớn các tác nhân hoá học, do đó quá trình oxy hoá hoá học chỉ được dùng trong những trường hợp khi các tạp chất gây nhiễm bẩn trong nước thải không thể tách bằng những phương pháp khác. c) Phương pháp ozon hoá Là phương pháp xử lý nước thải có chứa các chất hữu cơ dạng hoà tan và dạng keo bằng ozon. Ozon dễ dàng nhường oxy nguyên tử cho các tạp chất hữu cơ. d) Phương pháp điện hoá học Phương pháp này thực chất là phá huỷ các tạp chất độc hại có trong nước thải bằng oxy hoá điện hoá trên cực anôt hoặc dùng để phục hồi các chất quý( 14 đồng, chì, sắt …) Thông thường hai nhiệm vụ phân huỷ chất độc hại và thu hồi chất quý được giải quyết đồng thời. 1.2.10. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học Phương pháp này thường dùng để loại các chất phân tán nhỏ, keo và hoà tan chất hữu cơ ( đôi khi cả vô cơ ) khỏi nước thải. Phương pháp này dựa vào khả năng sống của vi sinh vật. Chúng sử dụng các chất hữu cơ có trong nước thải làm chất dinh dưỡng như cacbon, nitơ, phôtpho, kali,….Trong quá trình dinh dưỡng các vi sinh vật sẽ nhận các chất để xây dựng tế bào và sinh năng lượng nên sinh khối của nó tăng lên. Quá trình phân huỷ các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hoá sinh hoá. Như vậy, nước thải được xử lý bằng phương pháp sinh học sẽ được đặc trưng bởi chỉ tiêu BOD hoặc COD. Để có thể xử lý bằng phương pháp này nước thải sản xuất cần không chứa các chất độc và tạp chất, các muối kim loại nặng hoặc nồng độ của chúng không được vượt quá nồng độ cực đại cho phép. Sau khi được xử lý sinh học nước thải sẽ bị phân huỷ chủ yếu theo các phản ứng oxy hoá. Các sản phẩm tạo thành sau khi phân huỷ sẽ được loại khỏi nước thải ở dạng khí, cặn lắng hoặc còn lại trong nước nhưng không độc. Những công trình xử lý sinh học phân thành hai nhóm: - Những công trình trong đó quá trình xử lý được thực hiện trong điều kiện tự nhiên như cánh đồng tưới, bãi lọc, hồ sinh học…Thường thì các quá trình này diễn ra chậm. - Những công trình trong đó quá trình xử lý diễn ra trong điều kiện nhân tạo như bể lọc sinh học, bể làm thoáng sinh học( aeroten) … Do các diều kiện nhân tạo mà quá trình xử lý diễn ra nhanh hơn. Quá trình xử lý sinh học có thể đạt được hiệu xuất khử trùng 99%, theo BOD là 90 đến 95%. Thông thường giai đoạn xử lý sinh học được tiến hành sau giai đoạn xử lý cơ học. Bể lắng đặt sau giai đoạn xử lý cơ học gọi là bể lắng đợt 1. Bể lắng 15 dùng để tách màng sinh học hoặc tách bùn hoạt tính ( đặt sau bể aeroten ) gọi là bể lắng đợt 2. Trong xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học, bùn hoạt tính ( bùn tuần hoàn ) thường được đưa quay trở lại bể sinh học để tạo điều kiện cho quá trình sinh hoá hiệu quả. Phần bùn còn lại là bùn dư, thường được đưa tới bể nén bùn để giảm thể tích trước khi đưa tới các công trình xử lý cặn bã. Chương 2. Nước thải nhà máy bia Vinh và phương pháp xử lý sinh học. 2.1. Nước thải nhà máy bia Vinh 2.1.1. Công nghệ sản xuất bia Các công đoạn chính của công nghệ sản xuất bia bao gồm: - Chuẩn bị nhiên liệu : Malt đại mạch và nguyên liệu thay thế( gạo, lúa mì, ngô )được làm sạch rồi đưa vào xay, nghiền ướt để tăng bề mặt hoạt động của enzim và giảm thời gian nấu. 16 - Lọc dịch đường dể thu nước nha trong và loại bỏ bã malt gồm hai bước: Lọc hỗn hợp dịch đường thu nước nha đầu và dùng nước nóng thu bã nha cuối và tách bã malt. - Nấu với hoa houblon để tao ra hương vị cho bia, sau đó nước nha được qua thiết bị tách bã hoa. - Làm lạnh: Nước nha từ nồi nấu có nhiệt độ xấp xỉ 1000C được làm lạnh tới nhiệt độ thích hợp của quá trình lên men, ở nhiêt độ vào khoảng 10 đến 160C và qua hai giai đoạn. Giai đoạn một, dùng nước lạnh hạ nhiệt độ xuống chừng 600C và giai đoạn hai, dùng tác nhân lạnh glycon để hạ nhiệt độ xuống chừng 140C. - Lên men chính và lên men phụ: Đây là các quá trình quan trọng của sản xuất bia. Quá trình lên men nhờ tác dụng của men giống để chuyển hoá đường thành alcol etylic và khí cacbonic: C6H12O6 lên men C2H5OH + 2CO2 Nhiệt độ duy trì trong giai đoạn lên men chính( 6 đến 10 ngày ) là 8 đến 100C. Sau đó tiếp tục thực hiện giai đoạn lên men phụ bằng cách hạ nhiệt độ của bia non xuống 1 đến 30C và áp suất 0,5 đến 1 at trong thời gian 10 ngày cho bia hơi và 15 ngày cho bia đóng chai lon. Quá trình len men phụ diễn ra chậm và thời gian dài giúp cho các cặn lắng, làm trong bia và bão hoà CO 2 làm tăng độ bền và chất lượng của bia. Nấm men tách ra, một phần dược phục hồi làm men giống, phần thải có thể làm thức ăn gia súc. - Lọc bia nhằm loại bỏ các tạp chất không tan như nấm men, protein, houblon làm cho bia trong hơn trên máy lọc khung bản với chất trợ lọc là diatomit. - Bão hoà CO2 và chiết chai: Trước khi chiết chai, bia được bão hoà CO 2 bằng khí CO2 lấy từ quá trình lên men chứa trong bình áp suất. Các dụng cụ chứa bia( chai, lon, két ) phải được rửa, thanh trùng đảm bảo tiêu chuẩn vệ sinh, Sau đó thực hiện công việc triết chai, cuối cùng là đóng nắp và thanh 17 trùng ở các chế độ nhiệt khác nhau để đảm bảo chất lượng trong thời gian bảo hành. Trong công nghệ sản xuất bia, nước được dùng vào các mục đích: - Làm nguyên liệu pha trộn theo tỷ lệ nhất định để nghiền ướt malt và gạo( hay lúa mì)và bổ xung tiếp trong quá trình nấu- đường hoá. - Sản xuất hơi nước dùng cho quá trình nấu đường hoá, nấu hoa, thanh trùng. - Một lượng nước lớn dùng cho quá trình rửa chai, lon, thiết bị máy móc, sàn thao tác. 2.1.2.Các nguồn phát sinh nước thải Nước thải của dây chuyền sản xuất bia Vinh bao gồm: - Nước làm lạnh, nước ngưng - đây là nguồn nước thải ít hoặc gần như không bị ô nhiễm có khả năng tuần hoàn sử dụng lại. - Nước thải từ bộ phận nấu đường hoá, chủ yếu là nước vệ sinh thùng nấu, bể chứa, nhà sàn… nên chứa bã malt tinh bột, bã hoa,các chất hữu cơ. - Nước thải rửa chai- đây là một trong những dòng thải có ô nhiễm lớn trong dây chuyền sản xuất bia Vinh. Bia được làm sạch qua các bước: Rửa với nước nóng, rửa bằng kiềm loãng nóng, tiếp đó là rửa sạch bẩn và nhãn bên ngoài chai và phun kiềm nóng để rửa bên trong và bên ngoài, sau đó chai được rửa bằng nước lạnh. Do đó dòng thải của quá trình rửa chai có độ pH cao và làm cho dòng nước thải chung có giá trị pH kiềm tính. Công nghệ sản xuất bia và các dòng thải của nó được giới thiệu trên hình 2.1 trang kế tiếp. 2.1.3.Các thành phần quan trọng trong nước thải liên quan đến công nghệ xử lý a) Các chất rắn lơ lửng Các chất rắn lơ lửng có thể dẫn đến khả năng lắng bùn và điều kiện kỵ khí nước thải thông qua xử lý vào môi trường nước. b) Các chất hữu cơ phân huỷ sinh học 18 Gồm protein, cacbonhydrat và chất béo. Các chất hữu cơ phân huỷ sinh học được đo bằng chỉ tiêu BOD và COD. Nếu thải chúng trực tiếp vào môi trường, quá trình ổn định sinh học của chúng có thể dẫn đến giảm lượng oxy trong nước tự nhiên và nguyên nhân gây đến mùi khó chịu. c ) Các nhân tố gây bệnh Rất nhiều bệnh có thể lan truyền qua các vi khuẩn gây bệnh trong nước thải d) Các chất dinh dưỡng Cả nitơ và photpho cùng với cacbon là những chất dinh dưỡng chính cho sự phát triển của vi sinh vật. Khi thải chúng vào môi trường nước, các chất dinh dưỡng này có thể dẫn đến sự phát triển của các sinh vật ngoài ý muốn trong môi trường nước. Còn khi thải chúng với một lượng dư các chất sẽ làm ô nhiễm nước ngầm. e) Các chất hữu cơ trơ Các chất hữu cơ này không bị phân huỷ bởi các phương pháp xử lý nước thải thông thường. Ví dụ điển hình là chất hoạt động bề mặt, phenol và một số hoá chất bảo vệ trong nông nghiệp. f) Kim loại nặng Các kim loại nặng thường này là một trong những nguồn ô nhiễm nước trong dây chuyền sản xuất bia. g) Các chất rắn vô cơ hoà tan Các thành phần vô cơ như canxi, natri, sunphat luôn có mặt trong quá trình sử dụng nước thải bia. Nếu nước thải muốn sử dụng lại thì phải khử bỏ chúng. Bảng 1.1 Thành phần, tính chất nước thải của nhà máy bia Vinh và yêu cầu chất lượng nước thải khi xả ra môi trườmg bên ngoài theo TCVN 59451995. TT Chỉ tiêu Nước thải trước xử lý Nước thải sau xử lý 19 1 2 3 Lưu lượng(m3/ngày) pH Hàm lượng cặn lơ lửng 4 5 6 7 8 (mg/l) BOD ( mg/l) COD (mg/l) Tổng nitơ (TN) Tổng phôtpho (TP) Coliform( MPN/100ml) 800 6 – 9 ( 7,9 ) 800 6–9 350- 800 ( 365 ) 50 600- 1200 (750) 850- 1850 (967) 5- 45 (25) 1,5- 34 (7) < 10000 20 50s 30 4 < 5000 2.1.4.Các biện pháp ngăn ngừa và giảm thiểu nước thải Để giảm lượng nước thải và các chất ô nhiễm nước thải trong dây chuyền sản xuất bia Vinh cần tiến hành các bước dưới đây: - Phân luồng các dòng thải để có thể tuần hoàn sử dụng các dòng ít chất ô nhiễm như nước làm lạnh, nước ngưng cho quá trình rửa thiết bị, sàn, chai. - Sử dụng các thiết bị cao áp như súng phun tia hoặc rửa khô để giảm lượng nước rửa. - Hạn chế rơi vãi nguyên liệu, men, hoa houblon và thu gom kịp thời bã men, bã malt, bã hoa và bã lọc để hạn chế ô nhiễm trong dòng nước rửa sàn. - Do đặc tính nước thải của công nghệ sản xuất bia có chứa hàm lượng các chất hữu cơ ở trạng thái hoà tan và trạng thái lơ lửng, trong đó chủ yếu là hydrat cacbon protein và các axit hữu cơ là các chất có khả năng phân huỷ sinh học. Tỷ lệ giữa BOD và COD là 0.7 thích hợp với phương pháp xử lý sinh học. - Nước thải trước khi đưa vào sử lý sinh học cần qua sàng, lọc để tách các tạp chất thô như giấy, nhãn và các loại hạt rắn khác. Đối với dòng thải rửa chai có giá trị pH cao cần được trung hoà bằng khí CO 2 của quá trình lên men hay bằng khí thải nồi hơi. 2.2. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học 2.2.1. Đại cương về phương pháp sinh học 20