Tài liệu Xử lý các chất ô nhiễm trong nước bằng phương pháp hóa học

MỤC LỤC MỤC LỤC i DANH SÁCH HÌNH iv DANH SÁCH BẢNG v CÁC TỪ VIẾT TẮT vi GIỚI THIỆU CHUNG vii CHƯƠNG 1 1 TỔNG QUAN VỀ TÍNH CHẤT HÓA HỌC CỦA NƯỚC THẢI VÀ KHÍ THẢI 1 1 Tổng quan về tính chất hóa học của nước thải 1 1.1 Sự ô nhiễm nước 1 1.2 Phân loại và các đặc tính của nước thải 1 1.3 Một số các thông số hóa học quan trọng của nước thải 3 1.4 Các đặc tính hóa học của nước thải 4 1.5 Các tác nhân độc hại và các hợp chất liên quan về mặt sinh thái 7 1.6 Nước thải sinh hoạt 8 1.7 Nước thải công nghiệp 10 2 Tổng quan về tính chất hóa học của khí thải 10 CHƯƠNG 2 14 ĐẶC ĐIỂM DI CHUYỂN CÁC NGUYÊN TỐ HÓA HỌC TRONG MÔI TRƯỜNG TỰ NHIÊN 14 1 Các yếu tố ảnh hưởng đến sự di chuyển các nguyên tố trong môi trường tự nhiên 14 1.1 Thế ion 14 1.2 Thế oxi hóa khử của nguyên tố (Eo) 14 1.3 Độ hòa tan của hợp chất 15 1.4 Clac và clac tập trung 15 1.5 Dạng tồn tại các nguyên tố trong tự nhiên 15 2 Dạng di chuyển các nguyên tố hóa học trong môi trường tự nhiên 16 2.1 Khái niệm 16 2.2 Cường độ di chuyển các nguyên tố hóa học trong môi trường tự nhiên 16 2.3 Các dạng di chuyển của nguyên tố trong môi trường tự nhiên 17 3 Đặc điểm tập trung, phân tán các nguyên tố hóa học 19 3.1 Sự tập trung các nguyên tố trong môi trường tự nhiên 19 3.2 Phân tán các nguyên tố trong môi trường tự nhiên 19 3.3 Tính thống nhất và mâu thuẩn của các tập trung và phân tán các nguyên tố hóa học 20 4 Phân loại nguyên tố theo đặc điểm di chuyển 20 5 Di chuyển các nguyên tố do hoạt động kỹ thuật của con người 21 CHƯƠNG 3 21 XỬ LÝ CÁC CHẤT Ô NHIỄM TRONG NƯỚC BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA HỌC 21 1 Trung hòa nước thải 22 1.1 Trộn các loại nước thải có độ pH khác nhau để đạt được giá trị pH gần trung tính 22 1.2 Cho nước thải có pH axit chảy qua nền đá vôi 23 1.3 Trộn nước thải có pH axit với dung dịch vôi 23 1.4 Cho thêm lượng chính xác NaOH hoặc Na2CO3 vào nước thải có pH axit 23 i 1.5 Thổi khí thải (từ các lò đốt) qua nước có pH kiềm 1.6 Cho nén CO2 vào nước thải có pH kiềm 1.7 Cho axit sunfuric vào nước thải có pH kiềm 2 Quá trình keo tụ 2.1 Khái niệm 2.2 Cấu tạo của hạt keo 2.3 Các phương pháp keo tụ 2.4 Các cơ chế của quá trình keo tụ tạo bông 2.5 Các bước thực hiện trong quá trình keo tụ 3 Khử trùng bằng phương pháp hóa học 3.1 Khử trùng bằng clo 3.2 Khử trùng bằng Ozon 3.3 Các phương pháp hóa học khác 4 Làm mềm nước 4.1 Làm mềm nước bằng vôi Ca(OH)2 4.2 Làm mềm nước bằng vôi kết hợp với sođa 4.3 Làm mềm nước bằng trinatriphotphat (Na3PO4) 4.4 Các biện pháp đẩy nhanh quá trình làm mềm nước 4.5 Làm mềm nước bằng phương pháp nhiệt 5 Khử sắt 5.1. Các phương pháp khử sắt trong xử lý nước cấp 5.2 Các biện pháp khử sắt bằng quá trình oxi hóa 5.3 Khử sắt bằng hóa chất 6 Khử mangan 6.1 Cơ sở lý thuyết của quá trình khử mangan 6.2 Các phương pháp khử Mangan 7 Sử dụng hóa chất để loại bỏ photpho trong nước thải 8 Kết tủa các kim loại nặng 8.1 Asen 8.2 Bari 8.3 Cadimi 8.4 Crom 8.5 Đồng 8.6 Florit 8.7 Chì 8.8 Thủy ngân 8.9 Niken 8.10 Bạc 8.11 Kẽm CHƯƠNG 4 XỬ LÝ KHÍ THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP HẤP THỤ 1 Cơ sở lý thuyết của quá trình hấp thụ 2 Hấp thụ SO2 2.1 Hấp thụ bằng nước 2.2 Xử lý khí SO2 bằng đá vôi (CaCO3) hoặc vôi nung (CaO) 2.3 Xử lý khí SO2 bằng amoniac 2.4 Xử lý SO2 bằng magie oxit (MgO) 2.5 Xử lý SO2 bằng kẽm oxit ZnO 2.6 Hấp thụ bằng muối natri 24 25 25 25 25 28 28 30 34 34 34 40 41 41 42 43 44 45 45 45 45 47 48 49 49 50 51 54 55 55 56 57 58 59 60 60 61 61 62 64 64 64 66 66 67 67 68 69 69 ii 2.7 Hấp thụ bằng hỗn hợp muối nóng chảy 2.8 Xử lý SO2 bằng các chất hấp thụ hữu cơ 3 Hấp thụ H2S 3.1 Hấp thụ H2S bằng phương pháp cacbonat 3.2 Hấp thụ H2S bằng phương pháp photphat 3.3 Hấp thụ H2S bằng phương pháp kiềm – asen 3.4 Hấp thụ H2S bằng phương pháp sođa – sắt 3.5 Hấp thụ H2S bằng phương pháp hydroquinon – kiềm 4 Hấp thụ CS2, COS và mercaptan (RSH) 5 Hấp thụ các oxit nitơ 5.1 Hấp thụ bằng nước 5.2 Hấp thụ bằng kiềm 5.3 Hấp thụ chọn lọc 5.4 Phương pháp hấp thụ đồng thời SO2 và NOx 6 Hấp thụ Halogen và các hợp chất của chúng 6.1 Xử lý các hợp chất chứa flo 6.2 Xử lý clo và clorua hydro 6.3 Xử lý brom và hợp chất của nó 7 Hấp thụ COx 7.1 Xử lý oxit carbon 7.2 Xử lý dioxit cacbon TÀI LIỆU THAM KHẢO 70 70 70 70 71 71 71 72 72 72 73 73 74 75 75 75 76 77 78 78 78 80 iii DANH SÁCH HÌNH Hình 3.2: Mô tả hiệu quả của cơ chế hấp phụ - trung hòa điện tích các ion trái dấu 32 Hình 3.3: Quan hệ giữa thành phần HOCl và ClO- và giá trị pH của môi trường 35 Hình 3.4: Quan hệ của các thành phần Cl2, HOCl và ClO- phụ thuộc vào giá trị pH 35 Hình 3.5: Biểu đồ tương quan giữa lượng clo vào hấp thụ và lượng clo dư khi trong nước không có amoniac hoặc muối amon 37 Hình 3.6: Biểu đồ tương quan giữa lượng clo cho vào hấp thụ và lượng clo dư khi trong nước có amoniac hoặc muối amon 37 Hình 3.7: Các kiểu xử lý photpho bằng hóa chất 53 iv DANH SÁCH BẢNG Bảng 1.1: Thành phần hóa học đặc trưng của nước thải và nguồn phát sinh 3 Bảng 1.2: Các thành phần quan trọng trong nước thải 4 Bảng 1.3: Các chất gây ô nhiễm nguy hiểm trong nước thải công nghiệp, nông nghiệp và thương mại 6 Bảng 1.4: Tải trọng chất thải trung bình một ngày tính theo đầu người 8 * Bảng 1.5: Thành phần nước thải sinh hoạt phân tích theo phương pháp của APHA 9 Bảng 1.6: Tính chất đặc trưng của nước thải một số ngành công nghiệp 10 Bảng 1.7: Nguồn sinh ra CFC trên thế giới (%, năm 1985) 11 Bảng 1.8: Thành phần và nguồn gốc của một số loại bụi 11 Bảng 2.1: Sự di chuyển của các nguyên tố hóa học trong môi trường tự nhiên 17 Bảng 3.1: Độ kiềm của một số hóa chất được sử dụng trong quá trình trung hòa 24 Bảng 3.2: Các hóa chất thường được sử dụng để trung hòa nước thải 26 Bảng 3.3: Tác dụng của quá trình keo tụ trong xử lý nước cấp 27 Bảng 3.4: Các hóa chất thường sử dụng trong quá trình keo tụ 33 Bảng 3.5: Mức độ phân ly của HOCl phụ thuộc vào pH ở 20oC 36 Bảng 3.6: Hàm lượng clo dư tối thiểu để diệt trùng hoàn toàn 39 Bảng 3.7: Các số liệu về độ hòa tan của ozon theo nhiệt độ 40 Bảng 3.8: Nồng độ của một số ion kim loại nặng có khả năng tiêu diệt vi trùng và rêu tảo 41 Bảng 3.9: Liều lượng phèn nhôm sử dụng và hiệu suất khử photpho của nó 52 Bảng 3.10: Lưu lượng nạp nước thải cho bể lắng trong trường hợp có sử dụng hóa chất trợ lắng 52 Bảng 3.11: Hiệu quả quá trình kết tủa kim loại với muối cacbamat 55 Bảng 3.12: Kết quả quá trình xử lý Cadimi bằng cách cho kết tủa dưới dạng hydroxit 56 Bảng 3.13: Hiệu quả của quá trình xử lý crom 58 Bảng 3.14: Hiệu quả xử lý đồng với các loại nguồn thải và hóa chất khác nhau 59 Bảng 3.15: Hiệu suất xử lý florua bằng các phương pháp khác nhau 60 Bảng 3.16: Hiệu quả của một số biện pháp xử lý thủy ngân 60 Bảng 3.17: Hiệu quả các biện pháp xử lý Niken 61 Bảng 3.18: Hiệu quả quá trình kết tủa kẽm dưới dạng hydroxit 62 Bảng 3.19: Nồng độ kim loại trong nước thải đầu ra của các quá trình xử lý kim loại 63 Bảng 4.1: Các khí độc cần khử và các chất hấo thụ tương ứng 65 Bảng 4.2: Lượng nước lý thuyết tính bằng m3 cần để hấp thụ 1 tấn SO2 66 Bảng 4.3: Hoạt tính của các dung dịch kiềm 74 v CÁC TỪ VIẾT TẮT Từ viết tắt Chú thích Ag Bạc As Asen Ba Bari BOD Biochemical Oxygen Demand C10H10Cl8 Toxaphen C12H8OCl6 Endrin C6H6 Benzen C6H6Cl6 Lindan Ca Canxi COD Chemical Oxygen Demand Cr Crom DDT Dicloro-Diphenyl-Tricloroetan DO Disolved Oxygen Hg Thủy ngân Me Kim loại PAH Polycyclic Aromatic Hydrocacbon Pb Chì ppb Phần tỷ ppm Phần triệu Q Nhiệt lượng Se Selen THM Trihalometan TN Tổng Nitơ TP Tổng Photpho TSS Tổng chất rắn lơ lửng vi GIỚI THIỆU CHUNG Tài liệu giảng dạy Hóa kỹ thuật môi trường được viết cho sinh viên ngành Kỹ thuật môi trường. Mục đích của tài liêu là cung cấp các kiến thức về thành phần tính chất hóa học của nước thải, khí thải, chất thải rắn và chất thải độc hại, đặc điểm di chuyển của các nguyên tố hóa học trong môi trường tự nhiên cũng như các biện pháp xử lý nước thải, khí thải bằng phương pháp hóa học. Hóa kỹ thuật môi trường là nền tảng giúp sinh viên trang bị kiến thức nền để học tốt các môn chuyên ngành về thiết kế các hệ thống xử lý nước thải ở các học kỳ sau. Trong tài liệu giảng dạy này không đề cập đến các biện pháp xử lý chất thải rắn và chất thải nguy hại để tránh trùng lấp nội dung với môn học Quản lý và xử lý chất thải rắn. Ngoài những phương pháp hóa học dùng trong xử lý các chất ô nhiễm trong nước và không khí còn có các phương pháp khác như vật lý và sinh học. Các nội dung này sẽ được trình bày trong các môn học khác. vii CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ TÍNH CHẤT HÓA HỌC CỦA NƯỚC THẢI VÀ KHÍ THẢI 1 Tổng quan về tính chất hóa học của nước thải 1.1 Sự ô nhiễm nước Nước tự nhiên là nước được hình thành cả số lượng và chất lượng dưới sự ảnh hưởng của quá trình tự nhiên, không có tác động của nhân sinh. Do tác động của nhân sinh, nước tự nhiên bị nhiễm bẩn bởi các chất khác nhau dẫn đến kết quả là làm ảnh hưởng đến chất lượng nguồn nước. Các khuynh hướng thay đổi chất lượng nước dưới ảnh hưởng các hoạt động của con người bao gồm: - Giảm độ pH của nước ngọt do ô nhiễm bởi H2SO4, HNO3 từ khí quyển, nước thải công nghiệp, tăng hàm lượng SO32- và NO3- trong nước. - Tăng hàm lượng các ion Ca, Mg, Si... trong nước ngầm và nước sông do nước mưa hòa tan, phong hóa các quặng cacbonat. - Tăng hàm lượng các ion kim loại nặng trong nước tự nhiên, trước hết là Pb, Cd, Hg, As, Zn và các nhóm anion PO43-, NO3-, NO2-... - Tăng hàm lượng các muối trong nước bề mặt và nước ngầm do chúng đi vào môi trường nước từ nước thải, khí quyển và chất thải rắn... - Tăng hàm lượng chất hữu cơ trước hết là các chất khó bị phân hủy sinh học (các chất hoạt động bề mặt, thuốc trừ sâu...) - Giảm nồng độ oxi hòa tan trong nước. Tăng khả năng nguy hiểm của ô nhiễm nước tự nhiên do các nguyên tố phóng xạ. Các chỉ tiêu quan trọng cần được xem xét trong cấp nước là pH, độ trong, độ cứng, hàm lượng sắt, mangan và chỉ số ecoli. Các tính chất đặc trưng của nước thải công nghiệp bao gồm pH, hàm lượng chất rắn, nhu cầu oxi sinh hóa BOD, nhu cầu oxi hóa học COD, các dạng nitơ, photpho, dầu mỡ, mùi, màu, các kim loại nặng... Việc thải nước thải chỉ qua xử lý bằng phương pháp thông thường đã đẩy nhanh quá trình phú dưỡng do sự phát triển bùng nổ của tảo và các thực vật khác, làm giảm chất lượng nước, cản trở việc sử dụng lại nguồn nước và các hoạt động nghỉ ngơi giải trí. 1.2 Phân loại và các đặc tính của nước thải Thông thường nước thải được phân loại theo nguồn phát sinh. Đây cũng là cơ sở cho việc lựa chọn phương pháp và công nghệ xử lý. Nước thải được phân làm các dạng dưới đây: Nước thải sinh hoạt: nước thải từ các khu dân cư, khu hoạt động thương mại, công sở, trường học và các cơ sở tuơng tự khác. Nước thải công nghiệp (nước thải sản xuất): là nước thải từ các nhà máy đang hoạt động, có cả nước thải sinh hoạt trong đó nhưng nước thải công nghiệp là chủ yếu. Nước thấm qua: đây là nước mưa thấm vào hệ thống cống bằng nhiều hình thức khác nhau qua các khớp nối, các ống có khuyết tật hoặc thành hố ga hay hố chôn người. 1 Nước thải tự nhiên: nước mưa được xem là nước thải tự nhiên. Ở những thành phố lớn, nước thải tự nhiên được thu gom theo một hệ thống thoát nước riêng. Nước thải đô thị: là tổng hợp tất cả các loại nước thải kể trên Theo quan điểm quản lý môi trường, các nguồn gây ô nhiễm nước còn được phân thành 2 loại: nguồn xác định và nguồn không xác định. Nguồn xác định bao gồm nước thải đô thị và nước thải công nghiệp, các cửa xả nước mưa và tất cả các nguồn thải vào nguồn tiếp nhận nước có tổ chức qua hệ thống cống và kênh thải. Các nguồn thải không xác định bao gồm nước rửa trôi trên bề mặt đất, nước mưa và các nguồn phân tán khác. Sự phân loại này được sử dụng trong điều chỉnh, kiểm soát ô nhiễm. Các nguồn xác định thường có thể định lượng và kiểm soát trước khi thải, ngược lại các nguồn không xác định thường rất khó quản lý. Nguồn ô nhiễm không xác định thường gây ra các vấn đề sau: - Xói mòn đất và vận chuyển sa lắng dẫn đến hậu quả là thay đổi chỗ ở và gây ảnh hưởng xấu đến các loài thủy sinh vật, lắp đầy các dòng sông, hồ chứa, gây khó khăn, tăng chi phí cho việc xử lý nước và giảm chất lượng nước cho mục đích sử dụng. - Các chất dinh dưỡng như nitơ, photpho giải phóng từ phân bón, chất thải động vật kích thích sự phát triển của thực vật và vi khuẩn trong nước dẫn đến hiện tượng phú dưỡng. - Tích tụ các kim loại nặng như kẽm, đồng, thủy ngân... từ các chất được sử dụng trong bảo vệ thực vật, sơn, hàn chì và nhiều quá trình khác. - Các hóa chất độc hại: chủ yếu là thuốc bảo vệ thực vật - Ngoài ra, nước chảy trôi trên bề mặt đất qua các khu vực chăn nuôi gia súc có thể chứa lượng lớn chất thải động vật sẽ làm tăng nồng độ các chất hữu cơ và chất rắn lơ lửng, gây ô nhiễm môi trường nước. 2 1.3 Một số các thông số hóa học quan trọng của nước thải Bảng 1.1: Thành phần hóa học đặc trưng của nước thải và nguồn phát sinh Thành phần hóa học Nguồn phát sinh Hữu cơ Cacbohydrat Các chất thải sinh hoạt, thương mại và sản xuất Mỡ, dầu, dầu nhờn Các chất thải sinh hoạt, thương mại và sản xuất Thuốc trừ sâu Chất thải nông nghiệp Phenol Chất thải nông nghiệp Protein Các chất thải sinh hoạt và thương mại Các chất hoạt động bề mặt Các chất thải sinh hoạt và sản xuất Các chất khác Phân rã tự nhiên của cac chất hữu cơ Vô cơ Độ kiềm Nước thải sinh hoạt, nước cấp sinh hoạt, quá trình thấm của nước ngầm Clorua Nước thải sinh hoạt, nước cấp sinh hoạt, quá trình thấm của nước ngầm, các chất làm mềm nước Các kim loại nặng Chất thải công nghiệp Nitơ Nước thải sinh hoạt và công nghiệp pH Nước thải công nghiệp Photpho Nước thải sinh hoạt và công nghiệp Lưu huỳnh Nước thải sinh hoạt, nước cấp sinh hoạt và công nghiệp Các chất độc Các chất thải công nghiệp Các khí: H2S, CH4, O2 Phân hủy các chất thải sinh hoạt, sự thấm của nước bề mặt 3 Bảng 1.2: Các thành phần quan trọng trong nước thải Thành phần Các chất rắn lơ lửng Ghi chú Các chất rắn lơ lửng có thể dẫn đến tăng khả năng lắng bùn và điều kiện kỵ khí khi thải nước thải không qua xử lý vào môi trường nước Các chất hữu cơ phân Gồm protein, cacbohydrat và chất béo. Các chất hữu cơ hủy sinh học phân hủy 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 oxi trong nước tự nhiên và là nguyên nhân gây mùi hôi khó chịu Các nhân tố gây bệnh Coliform và các vi khuẩn gây bệnh khác trong nước thải là nguyên nhân gây ra các bệnh về nước Các chất dinh dưỡng Nitơ và photpho là những chất dinh dưỡng quan trọng cho sự phát triển của 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 (phú dưỡng hóa) và làm ô nhiễm nước ngầm Các chất hữu cơ trơ Không bị phân hủy bởi các phương pháp xử lý thông thường. Ví dụ điển hình là các chất hoạt động bề mặt, phenol và một số hóa chất trong nông nghiệp Kim loại nặng Nhiễm vào nước do hoạt động công nghiệp, cần được khử ra khỏi nước thải Các chất vô cơ hòa tan Các thành phần vô cơ như canxi, natri, sulfat có mặt trong nước thải sinh hoạt. Nếu nước thải muốn sử dụng lại thì phải khử bỏ chúng Mỗi loại chất trên đều có thể được phân loại tiếp trên cơ sở tính bay hơi của chúng ở nhiệt độ 55oC. Phần hữu cơ sẽ bị oxi hóa thành khí, phần vô cơ còn lại là phần tro. 1.4 Các đặc tính hóa học của nước thải Các chất hữu cơ có thể bị phân hủy sinh học Trong nước thải có mức ô nhiễm trung bình, khoảng 70% SS và 40% chất rắn qua lọc là chất hữu cơ. Trong các chất hữu cơ có trong nước thải, protein chiếm 40 – 60%, cacbohydrat chiếm 25 – 50%, dầu mỡ chiếm 10%. Đôi khi còn chứa các chất hữu cơ tổng hợp như các chất tạo bọt, chất hữu cơ bay hơi, các loại thuốc trừ sâu... đa số các chất này phân hủy rất chậm bằng con đường sinh học. Mức độ ô nhiễm chất hữu cơ được biểu thị bằng các thông số nhu cầu oxi sinh hóa, nhu cầu hóa học, tổng cacbon hữu cơ. 4 Chất tạo bọt (Foam-producing matter) Các nước thải từ nhà máy hóa chất chứa các chất tạo bọt, đây là một dạng ô nhiễm dễ phát hiện và gây phản ứng mạnh của cộng đồng lân cận. pH của nước thải pH nước thải có ý nghĩa quan trọng trong quá trình xử lý. Các công trình xử lý nước thải sinh học làm việc tốt ở pH nằm trong giới hạn từ 7 -7,6. pH cũng ảnh hưởng đến quá trình tạo bông cặn của các bể lắng bằng phèn nhôm. Nước thải sinh hoạt có pH nằm trong khoảng 7,2 – 7,6, trong khi đó chất thải công nghiệp có pH rất khác nhau phụ thuộc vào từng loại công nghiệp. Các xí nghiệp sản xuất có thể thải ra nước thải có tính axit hoặc kiềm rất cao chẳng những làm cho nguồn nước không còn hữu dụng đối với hoạt động giải trí như bơi lội, chèo thuyền mà còn ảnh hưởng đến hệ sinh vật. Nồng độ axit sunfuric cao sẽ làm ảnh hưởng đến mắt của người bơi lội vùng nước này, ăn mòn thân tàu thuyền, hư hại lưới đánh cá. Nguồn nước lân cận một số xí nghiệp có thể có giá trị pH thấp đến 2 hoặc cao đến 11; trong khi cá chỉ có thể tồn tại trong môi trường có 4,5 < pH < 9,5. Hàm lượng NaOH cao thường phát hiện trong nước thải ở các xí nghiệp sản xuất bột giặt, thuộc da, nhuộm vải sợi...NaOH ở nồng độ 25ppm đã có thể làm chết cá. Các dưỡng chất (Nitơ, photpho) – Hóa môi trường 1 Muối Nhiều xí nghiệp, nhà máy có nước thải chứa hàm lượng muối khá cao; ngoài ra ở các nước ôn đới người ta còn dùng muối để rải lên mặt đường vào mùa đông và sau đó muối lại bị rửa trôi vào hệ thống cống rãnh. Hàm lượng muối cao sẽ làm cho nguồn nước không còn hữu dụng cho mục đích cấp nước hay tưới tiêu, làm hoa màu bị thiệt hại và ô nhiễm đất. Các loại muối khoáng Ca, Mg còn làm cho nguồn nước bị cứng, đóng cặn đường ống gây thất thoát áp lực trên đường ống. Nước cứng sẽ làm ảnh hưởng đến nhuộm vải sợi, sản xuất bia và chất lượng của các sản phẩm đóng hộp. Nước cứng còn đóng vảy trong các đường ống của lò hơi làm giảm khả năng truyền nhiệt. Magie sunfat gây sổ nhẹ ở người, ion clorua làm tăng độ dẫn điện của giấy cách điện, ion sắt gây các vết bẩn trên vải sợi và giấy, cacbonat tạo vảy cứng đóng trên đậu Hà Lan trong quá trình chế biến và đóng hộp chúng. Các loại muối chứa nitơ và photpho làm cho tảo phát triển nhanh gây hiện tượng tảo nở hoa ảnh hưởng đến hệ thủy sinh vật và mất mỹ quan. Các kim loại độc và các chất hữu cơ độc Nước chảy tràn qua khu vực sản xuất nông nghiệp có chứa dư lượng thuốc trừ sâu và thuốc trừ cỏ trong khi chảy tràn ở các khu đô thị chứa chì và kẽm (chì từ khói xe ôtô, kẽm từ việc bào mòn các lốp xe). Nhiều ngành công nghiệp thải ra các kim loại và các chất hữu cơ độc khác. Các chất này có khả năng tích tụ và khuếch đại trong chuỗi thức ăn, do đó cần phải được quản lý tốt. Hàm lượng clorua 4000ppm gây độc cho cá nước ngọt, ở nồng độ 5ppm Cr+6 gây độc cho cá. Đồng ở hàm lượng 0,1 – 0,5% đã gây độc cho vi khuẩn và một số vi sinh vật khác. P2O5 ở nồng độ 0,5ppm gây trở ngại cho quá trình tạo bông cặn và lắng trong các nhà máy nước cấp. Phenol ở nồng độ 1ppb đã gây nên vấn đề cho các nguồn nước. 5 Bảng 1.3: Các chất gây ô nhiễm nguy hiểm trong nước thải công nghiệp, nông nghiệp và thương mại Tên Lý do được xếp vào loại hóa chất gây ô nhiễm nguy hiểm Asen (As) Là chất gây ung thư, biến dị. Các tác hại lâu dài như gây mệt mỏi, mất năng lượng và bệnh ngoài da Selen (Se) Các tác hại lâu dài bao gồm việc tạo thành các vết rỉ đỏ trên móng tay, răng và tóc, kích thích mũi, miệng Bari (Ba) Ở dạng bột có khả năng bắt lửa ở nhiệt độ bình thường trong phòng. Tác hại lâu dài là tăng huyết áp Canxi (Ca) Ở dạng bột có khả năng bắt lửa. Gây độc khi hít phải, là chất gây ung thư. Ở dạng hòa tan rất độc. Tác hại lâu dài bao gồm sự tích tụ trong gan, thận, bóng đái, tuyến giáp... Crom (Cr) Cr hóa trị 6 là chất gây ung thư và ăn mòn các mô. Tác hại lâu dài là làm da nhạy cảm và hại thận Chì (Pb) Gây độc khi hít phải, nuốt phải. Tác hại lâu dài là làm hại não, thận và giảm chức năng sinh sản Thủy ngân (Hg) Gây độc khi tiếp xúc qua da hay hít phải. Tác hại lâu dài là gây độc hệ thần kinh và giảm khả năng sinh sản Bạc (Ag) Kim loại độc. Tác hại lâu dài làm mất màu xám trên da, mắt và các màng cơ vĩnh viễn Benzen (C6H6) Chất ung thư, độc tính cao, có nguy cơ bắt lửa cao Etylbenzen (C6H5C2H5) Có nguy cơ bắt lửa cao. Gây độc khi nuốt, hít hay tiếp xúc qua da Chloroeten (CH2CHCl) Dichlorometan (CH2Cl2) Rất độc, nguy hiểm, chất gây ung thư Tetrachloroeten (CCl2CCl2) Độc, gây ung thư, gây mê Endrin (C12H8OCl6) Kích thích mắt và da Lindan (C6H6Cl6) Gây độc khi hít hay tiếp xúc, chất gây ung thư Toxaphen (C10H10Cl8) Gây độc khi hít, nuốt hay tiếp xúc 6 1.5 Các tác nhân độc hại và các hợp chất liên quan về mặt sinh thái 1. Trihalometan (THM) Trihalometan được tạo thành khi các nguyên tố hóa học trong nhóm halogen (clo, brom, iod) tác dụng với hợp chất hữu cơ. Trong xử lý nước thải, dạng THM quan tâm là cloroform (CHCl3), bromodiclomentan (CHBrCl2), clorodibromometan (CHClBr2) và bromomentan (CHBr3). THM là nguyên nhân gây ung thư. Clo sử dụng để khử trùng nước và nước thải có thể tác dụng với một số chất hữu cơ tạo thành các hydrocacbon. Những hợp chất này cũng là nguyên nhân gây ung thư. Chính vì lý do này mà nhiều sự lựa chọn các chất khác nhau làm chất khử trùng thay thế clo đã được nghiên cứu tỉ mỉ và áp dụng. 2. Các hợp chất hữu cơ Quá trình công nghiệp hóa và phát triển công nghệ đã dẫn đến số lượng các hợp chất hữu cơ thải vào môi trường ngày càng tăng. Trong hầu hết các hợp chất đó chúng ta còn biết rất ít về tác động của chúng đối với môi trường và con người. Nhiều hợp chất được biết đã gây ung thư cho động vật ví dụ như dioxin. Ở Canada người ta phát hiện dioxin trong nước cấp trong vài phút. Gần đây dioxin đã phát hiện trong sữa mẹ ở tỉnh Quebec, Canada. 3. Các kim loại nặng Hầu hết các kim loại nặng tồn tại trong nước dạng ion, chúng có nguồn gốc phát sinh do hoạt động của con người và có tính độc đối với con người và sinh vật. Các chất này gồm As, Ba, Cd, Cr, Cu, Pb, Hg, Ni, Ag, Zn... Chúng phát sinh từ các nguồn gốc khác nhau chủ yếu là do hoạt động công nghiệp. Ví dụ, kẽm là do các nhà máy sơn, mực in; Hg và kẽm do thuốc trừ sâu... Do tính bền không phân rã nên các kim loại nặng tích tụ trong chuỗi thức ăn của hệ sinh thái. Quá trình này bắt đầu với nồng độ thấp của các kim loại nặng tồn tại trong nước hoặc cặn lắng, rồi sau đó tích tụ nhanh trong các thực vật và động vật sống dưới nước. Tiếp đến các sinh vật khác sử dụng thực vật, động vật này làm thức ăn dẫn đến nồng độ được tích tụ trong cơ thể sinh vật trở nên cao hơn. Cuối cùng sinh vật ở bật cao nhất trong chuỗi thức ăn, nồng độ kim loại nặng đủ lớn để gây độc. Trường hợp nhiễm độc nặng hàng loạt đầu tiên trong lịch sử hiện đại là bệnh Minamata xảy ra năm 1950 ở Nhật do ngư dân ở vùng vịnh Minamata đã ăn cá có chứa hàm lượng thủy ngân cao do nhà máy sản xuất nhựa gần đó thải vào. 4. Các hóa chất bảo vệ thực vật Các hóa chất bảo vệ thực vật bao gồm: thuốc trừ sâu (insecticides), thuốc trừ nấm (fungicides), thuốc diệt cỏ (herbicides) và thuốc diệt tảo (algicides). Thuốc bảo vệ thực vật gồm có các hydrocacbon clo hóa cao như eldrin, clodan, hợp chất DDT, dieldrin, heptaclo, metoxyclo, toxaphen, hexaclorobenzen. Các photphat hữu cơ như diazinon, malathion, parathion... Thuốc diệt cỏ gồm cacbamat (cacbyl); các hydrcacbon clo hóa như 2,4 – D, 1,3,5 – T... thuốc diệt nấm gồm đồng sunfat, ferbam, ziram. Thuốc diệt tảo chủ yếu là các hợp chất đồng. Rất nhiều loại thuốc trừ sâu trước đây như DDT, toxaphen và dieldrin rất bền trong môi trường tự nhiên. Tương tự như kim loại nặng, chúng tích tụ trong chuỗi thức ăn của hệ sinh thái. Các nhuyễn thể ăn bằng cách lọc chứa hàm lượng DDT cao hơn so với môi trường nước xung quanh hàng triệu lần. Sản lượng DDT tới những năm 60 khoảng 7 10.000tấn/năm. Do thời gian bán phân hủy của DDT có thể lên đến 20 năm. Vì vậy dù trên thực tế thuốc DDT đã bị cấm sử dụng ở nhiều nước nhưng một lượng lớn thuốc này vẫn còn trong môi trường trong nhiều năm sau. 1.6 Nước thải sinh hoạt Lượng nước thải sinh hoạt dao động trong phạm vi rất lớn. Tùy thuộc vào mức sống và thói quen của người dân có thể ước tính bằng 80% lượng nước cấp. Nước thải đô thị thường gồm khoảng 50% là nước sinh hoạt, 14% là các loại nước thấm và 36% là nước thải sản xuất. Lưu lượng nước thải phụ thuộc rất nhiều vào điều kiện khí hậu và tính chất đặc trưng của thành phố. Đặc trưng nước thải sinh hoạt là thường chứa nhiều tạp chất khác nhau, trong đó khoảng 52% là các chất hữu cơ, 48% là các chất vô cơ và một số lớn vi sinh vật (vi khuẩn gây bệnh tả, lị, thương hàn...). Đồng thời trong nước thải cũng chứa các vi khuẩn không có hại có tác dụng phân hủy các chất thải. Bảng 1.4: Tải trọng chất thải trung bình một ngày tính theo đầu người Các chất Tổng chất thải (g/người.ngày) Chất thải hữu cơ (g/người.ngày) Chất thải vô cơ (g/người.ngày) Tổng lượng chất thải 190 110 80 Các chất tan 100 50 50 Các chất không tan 90 60 30 Chất lắng 60 40 20 Chất không lắng 30 20 10 Nước thải sinh hoạt thường có thành phần điển hình như sau: COD = 500mg/l; BOD5 = 250mg/l; SS = 220mg/l; TP = 8mg/l; N-NH3 và N-hữu cơ = 40mg/l; pH = 6,8; TS = 720mg/l. Như vậy nước thải sinh hoạt có hàm lượng các chất dinh dưỡng khá cao, đôi khi vượt cả yêu cầu cho quá trình xử lý sinh học. Thông thường quá trình xử lý sinh học cần các chất dinh dưỡng theo tỉ lệ sau: BOD5: N: P = 100: 5: 1. Một tính chất đặc trưng nữa của nước thải sinh hoạt là không phải tất cả các chất hữu cơ điều có thể bị phân hủy bởi các vi sinh vật. Khoảng 20 - 40% BOD thoát ra khỏi quá trình xử lý sinh học cùng với bùn. 8 Bảng 1.5: Thành phần nước thải sinh hoạt phân tích theo phương pháp của APHA* Mức độ ô nhiễm (mg/l) Các chất Nặng Trung bình Thấp Tổng chất rắn 1000 500 200 Chất rắn hòa tan 700 350 120 Chất rắn không tan 300 150 8 Tổng chất rắn lơ lửng 600 350 120 Chất rắn lắng 12 8 4 BOD5 300 200 100 DO 0 0 0 TN 85 50 25 N-hữu cơ 35 20 10 N-NH3 50 30 15 N-NO2 0.1 0.05 0 N-NO3 0.4 0.2 0.1 Clorua 175 100 15 Độ kiềm 200 100 50 Chất béo 40 20 0 - 8 - TP (Nguồn: Wastewater treatment - Mc Graw Hill) (*) APHA (American Public Health Association): Hiệp hội Sức khoẻ Cộng đồng Hoa Kỳ.Phương pháp APHA là phương pháp xác định các thông số ô nhiễm trong Nước sinh hoạt, nước uống, nước tinh khiết, nước khoáng, nước cho đổ bê tông và vữa theo tiêu chuẩn của APHA ban hành 9 1.7 Nước thải công nghiệp Trong công nghiệp, nước được sử dụng như là một loại nguyên liệu thô hoặc phương tiện sản xuất (nước cho các quá trình) và phục vụ cho mục đích truyền nhiệt. Nước cấp cho sản xuất có thể lấy từ mạng nước cấp sinh hoạt chung hoặc lấy trực tiếp từ nguồn nước ngầm hay nước mặt. Nhu cầu cấp nước và lượng nước thải của các xí nghiệp công nghiệp được xác định chủ yếu bởi đặc tính sản phẩm được sản xuất. Thành phần nước thải sản xuất rất đa dạng phụ thuộc vào mức độ hoàn thiện của công nghệ sản xuất hoặc điều kiện môi trường. Bảng 1.6: Tính chất đặc trưng của nước thải một số ngành công nghiệp Chế biến sữa Sản xuất thịt hộp Dệt sợi tổng hợp Sản xuất clorophenol BOD5, mg/l 1000 1400 1500 4300 COD, mg/l 1900 2100 3300 5400 TS, mg/l 1600 3300 8000 53000 TSS, mg/l 300 1000 2000 1200 TN, mg/l 50 150 30 0 TP, mg/l 12 16 0 0 7 7 5 7 Nhiệt độ, C 29 28 - 17 Dầu mỡ, mg/l - 500 - - Clorua, mg/l - - - 27000 Phenol, mg/l - - - 140 Các chỉ tiêu pH o (Nguồn: Lê Hoàng Việt, 2000) 2 Tổng quan về tính chất hóa học của khí thải Trong khí quyển có các phân tử khí, các hợp chất, các hạt bụi, các ion và các gốc hóa học tự do, các vi sinh vật... Thành phần của khí quyển không chỉ biến đổi theo thời gian mà còn tiến hóa theo thời gian. Sự tiến hóa, biến đổi thành phần khí quyển phụ thuộc vào nhiều yếu tố khác nhau nhưng vai trò của con người ngày càng lớn. Khí quyển được sinh ra do nhiều quá trình khác nhau, chủ yếu là phân rả phóng xạ, phản ứng quang hóa, hoạt động địa chất và quá trình hình thành, phát triển sự sống cũng như hoạt động của con người. - Phân rã phóng xạ tạo ra các khí H2, He...các kim loại như U, Pb... - Các phản ứng quang hóa tạo O3, O2, O, NOx... Quá trình địa chất (hoạt động núi lửa) làm xuất hiện các khí và hợp chất như HCl, HF, H2S, I2, Br2, CO... Quá trình hình thành và phát triển sự sống là nguồn gốc của nhiều phân tử và hợp chất khác nhau trong khí quyển, quan trọng nhất là CO2, O2, CH4... Hoạt 10 động nhân sinh làm xuất hiện và đưa vào khí quyển nhiều hợp chất không có trong tự nhiên như CFC, thuốc diệt trừ vật hại, muội than (bồ hống), các chất phóng xạ nhân tạo... Bảng 1.7: Nguồn sinh ra CFC trên thế giới (%, năm 1985) Nguồn % góp phần Chất phun sương 25 Chất làm xốp 26 Dung môi 19 Thiết bị điều hòa nhiệt độ 12 Thiết bị làm lạnh 8 Các nguồn khác 10 Bụi trong khí quyển Bụi là thành phần cơ bản của không khí tầng đối lưu. Chúng là chất có kích thước nhỏ (dưới 500µm) ở dạng rắn, lỏng, được đặc trưng bởi các thành phần hóa học, khoáng vật xác định Bảng 1.8: Thành phần và nguồn gốc của một số loại bụi Loại bụi Thành phần Nguồn gốc Bụi tro, bồ hóng SiO2, 2CaO.SiO2, CaO, CaSO4, CaCO3, C, Ca(AlO2)2 Sản xuất năng lượng Bụi than Cacbon, than cốc... Khai thác chế biến than Bụi khoáng Thạch cao, xỉ, asbet, xi măng... Công nghiệp khai khoáng và xây dựng Bụi công nghiệp Thủy tinh, sunfat, photphat, clorua, oxit kim loại, vải, bông, sợi... Công nghiệp hóa chất, thủy tinh, công nghiệp dệt Bụi đường phố Dầu, bồ hống, cặn cao su, hơi chứa các hợp chất hữu cơ, hợp chất của chì... Giao thông Bụi gỗ Xenlulo Công nghiệp gỗ Bụi phân bón, thuốc trừ sâu Phân bón, thuốc trừ sâu Sản xuất nông nghiệp Bụi núi lửa Tro, silicat, HCl... Phun trào núi lửa Bụi phấn hoa Phấn nhụy hoa Hoạt động của sinh vật Dựa vào kích thước hạt người ta phân bụi thành hai nhóm: bụi mịn (d < 3µm) và bụi thô (d > 3µm). Bụi có kích thước càng lớn càng dễ sa lắng nhanh, kích thước càng nhỏ càng 11 tồn tại lâu trong không khí. Sol khí là hỗn hợp những phân tử lơ lửng phân tán trong không khí với kích thước hạt keo khó lắng, là nguồn gốc tạo ra các ngưng tụ hình thành mây mưa. Tùy thuộc vào mức độ tinh khiết của không khí mà hàm lượng bụi thay đổi từ khoảng 10µm/m3 tương đương vài hạt/cm3 (trong không khí không bị ô nhiễm) đến 2000µm/m3 tương đương khoảng > 105 hạt/cm3 (trong không khí bị ô nhiễm nặng). Các hạt bụi có thể cấu thành từ các chất vô cơ, hữu cơ và hỗn hợp vô cơ – hữu cơ. Các hạt bụi có thể là vi khuẩn trong không khí, sương mù, phấn, nhụy hoa, tro núi lửa... Thành phần của bụi trong khí quyển ở các đô thị Hoa Kỳ như sau: tổng các chất lơ lửng trong không khí (105µm/m3); NH4 (1,3); NO3- (2,6); SO42- (10,6); các chất hữu cơ tan trong benzen (6,8); Sb (0,01); As (0,02); Cd (0,002); Cr (0,015); Cu (0,09); Fe (1,58); Pb (0,79); Mn (0,1); Ni (0,034); Sn (0,02); Ti (0,04); V (0,05); Zn (0,67µm/m3). Khi phân các hạt bụi tồn tại trong tự nhiên người ta phát hiện được các phân đoạn chứa các chất hữu cơ tan trong bezen có công thức hóa học như sau: C32,4H48S0,083Halogen0,065Alkoxi0,12. Trong số đó, các hydrocacbon đa vòng thơm (PAH – Polycyclic Aromatic Hydrocacbon) là chất gây ung thư. Một số hợp chất PAH điển hình là benzo (α) – pyren và crysen. Trong khí quyển thành phố có chứa khoảng 20µmPAH/m3. PAH được tìm thấy chủ yếu trong các pha rắn, đặc biệt được hấp thụ trên các muội than (bồ hóng). Bồ hóng rất độc vì chứa khoảng 100 vòng thơm ngưng tụ và các kim loại như Be, Cd, Cr, Mn, Ni, V... Ngoài tính chất hóa học, kích thước các hạt bụi có ảnh hưởng lớn tới sự tác động của con người và động vật. Kích thước các hạt càng nhỏ, khả năng hấp thụ các chất vô cơ, hữu cơ càng tăng, càng dễ dàng khuếch tán đi xa và xâm nhập vào cơ thể người và động vật... Các hạt được tạo thành nhờ các quá trình tự nhiên và nhân sinh khác nhau. Các hạt có nguồn gốc tự nhiên có kích thước < 0,2µm sinh ra do sóng biển, khói, sự bay hơi của các chất hóa học (từ cây, quả). Các oxit kim loại là thành phần chính tạo ra các hạt vô cơ trong khí quyển. Các hạt này có thể được tạo ra trong quá trình đốt cháy nguyên liệu chứa pyrit: 3FeS2 + 8O2 → Fe3O4 + 6SO2 Khi nung CaCO3 sẽ xảy ra phản ứng: CaCO3 → CaO + CO2 Các động cơ dùng xăng là nguồn gốc sinh ra các hạt chứa hợp chất của Pb và halogen. Khi đốt cháy xăng xảy ra phản ứng giữa Pb(C6H5)4 và các chất chống muội cho nhiên liệu (diclometan và dibrometan) với oxi: 2Pb(C6H5)4 + 64O2 + C2H4Cl2 + C2H4Br2 → 52CO2 + 24H2O + PbCl2 + PbBr2 Các hạt bụi chứa Ba, Pb, Br, Mn, Ca, Cu, V, Zn, Mg, Be, Ti, Fe được sinh ra là do tác động của con người. Bụi tạo ra từ nước biển có thể chứa K. Al, I, Na, Si, Fe, Cl, Ti... Các hạt sol khí được tạo ra nhờ sự tương tác của các chất lỏng với chất khí và chất lỏng với chất rắn. Trong khí quyển còn xảy ra phản ứng oxi hóa khí SO2 thành SO3 sau đó SO3 + H2O → H2SO4. H2SO4 khi gặp các hạt có chứa NH3, CaO... phản ứng tạo ra các hạt ở thể rắn (CaSO4) thể lỏng như (NH4)2SO4... 12 2NH3 (khí) + H2SO4 (giọt) → (NH4)2SO4 (giọt) CaO (hạt) + H2SO4 (giọt) → CaSO4 (hạt) + H2O Ngoài ra các hạt và sol khí còn chứa HBr, NO2, SO2, NH3, HCl, H2O, NO3-, SO3-, SO42-, NH4+ được sinh ra từ nhiều quá trình khác nhau. Các hạt tồn tại trong khí quyển có ý nghĩa môi trường quan trọng, chúng đóng vai trò chính trong các hiện tượng tích điện của khí quyển, duy trì cân bằng nhiệt, tham gia vào phản ứng quang hóa và là chất xúc tác cho các phản ứng đặc biệt là phản ứng oxi hóa khử. Các ion, gốc tự do, oxi, ozon, oxit nitơ, oxit lưu hùynh và các chất hữu cơ trong khí quyển (Hóa Môi trường 1) Các chất khí đi vào khí quyển qua hàng loạt biến đổi, tương tác với nhau và lại theo khí, mây, mưa quay trở về mặt đất và con người Tích tụ trong không khí Di chuyển, khuếch tán Ô nhiễm môi trường Con người Quá trình tự nhiên Biến đổi khô Lắng khô Biến đổi ướt Lọc sạch (mây) Lắng nước (mưa, tuyết) 13