Tài liệu Xử lý nước thải nhiễm dầu

Xử lý nước nhiễm dầu Nhóm 8- Lọc hóa dầu A-K53 Lời nói đầu Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của nền công ghiệp nước ta, tình hình ô nhiễm môi trường cũng gia tăng đến mức báo động. Do đặc thù của nền công nghiệp mới phát triển, chưa có sự quy hoạch tổng thể và nhiều nguyên nhân khác nhau như: điều kiện kinh tế của nhiều xí nghiệp còn khó khăn, hoặc do chi phí xử lý ảnh hưởng đến lợi nhuận nên hầu như chất thải công nghiệp của nhiều nhà máy chưa được xử lý mà thải thẳng ra môi trường. Điều đó dẫn tới sự ô nhiễm trầm trọng của môi trường sống, ảnh hưởng đến sự phát triển toàn diện của đất nước, sức khỏe, đời sống của nhân dân cũng như vẻ mỹ quan của khu vực. Một trong những nghành công nghiệp mũi nhọn của nước ta đó là công nghiệp dầu khí hàng năm cũng phát thải ra một lượng lớn chất thải độc hại như nước thải nhiễm dầu hay các loại khí độc hại : NOx , SOx… Trong đó, ô nhiễm nguồn nước là một trong những thực trạng đáng ngại nhất của sự hủy hoại môi trường tự nhiên do nền văn minh đương thời. Ngày nay vấn đề xử lý nước và cung cấp nước sạch đang là một mối quan tâm lớn của nhiều quốc gia, nhiều tổ chức xã hội và chính bản thân mỗi cộng đồng dân cư. Vì thế trong đề tài “ Xử lí nước nhiễm dầu “ chúng tôi sẽ làm rõ về nước nhiễm dầu và trọng tâm của đề tài là xử lí nước thải nhiễm dầu trong nhà máy lọc hóa dầu , bên cạnh đó chúng tôi cũng sẽ tìm hiểu về các nguồn nước thải, tính chất, những ảnh hưởng và các phương pháp áp dụng để xử lí chúng. Với sự giúp đỡ của thầy Phạm Xuân Núi và sự cố gắng thực sự của nhóm chúng tôi khi nghiên cứu một vấn đề khoa học nhưng không thể tránh khỏi thiếu sót, chúng tôi rất mong được sự hướng dẫn và đóng góp của thầy và các bạn. 1 Xử lý nước nhiễm dầu Nhóm 8- Lọc hóa dầu A-K53 MỤC LỤC LỜI NÓI ĐẦẦU A. Tổng quan..............................................................................................................3 I. Tìm hiểu về nước thải…………………………………………………………3 1. Phân loại nước thải............................................................................................4 2. Một số thông số quan trọng của nước thải........................................................5 II. Nước nhiễm dầu……………………………………………………………...7 1. Các dạng tồn tại của dầu trong nước.................................................................7 2. Các nguồn phát sinh........................................................................................12 3. Những ảnh hưởng của nước nhiễm dầu..........................................................22 III. Các phương pháp xử lí……………………………………………….……23 1. Phương pháp sinh học………………………………………………………23 2. Phương pháp hóa lí…………………………………………………………23 3. Phương pháp hóa học......................................................................................22 B. Xử lí nước nhiễm dầu...........................................................................................23 I. Phân loại và xử lí nước nhiễm dầu trong nhà máy lọc hóa dầu…………23 1. Phân loại..........................................................................................................23 2. Hệ thống xử lí..................................................................................................23 II. Nước thải nhiễm dầu trong nhà máy lọc dầu……………………………..34 1. Nguồn phát sinh...............................................................................................34 2. Đặc tính của nước thải.....................................................................................34 III. Xử lí nước OW……………………………………………………………35 1. Xử lí thô...........................................................................................................35 2. Xử lí hóa học và hóa lí....................................................................................40 3. Xử lí sinh học...................................................................................................45 4. Xử lí phân đoạn cuối.......................................................................................50 C. Kết luận.................................................................................................................57 2 Xử lý nước nhiễm dầu Nhóm 8- Lọc hóa dầu A-K53 A. Tổng Quan I. Tìm hiểu về nước thải Nước tự nhiên được hình thành cả về số lượng, chất lượng dưới ảnh hưởng của các quá trình tự nhiên, không có tác động của con người. Do tác động của con người, nước tự nhiên bị nhiễm bẩn bởi các chất khác nhau dẫn đến kết quả là làm ảnh hưởng đến chất lượng của nó . Các khuynh hướng thay đổi chất lượng của nước dưới ảnh hưởng các tác động của con người bao gồm : - Giảm độ pH của nước ngọt do ô nhiễm bởi H 2SO4, HNO3 từ khí quyển và nước thải công nghiệp, tăng hàm lượng SO32- và NO3- trong nước . - Tăng hàm lượng các ion Ca2+ , Mg2+ , Si4+ …trong nước ngầm và nước sông do nước mưa hòa tan , phong hóa các quạng cacbonat . - Tăng hàm lượng các ion kim loại nặng trong nước tự nhiên , trước hết là Pb 2+, Hg2+, As3+, Zn2+ và cả các anion PO43- , NO3- , NO2- , … - 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 hết lag các chất khó bị phân hủy sinh học ( các chất hoạt động bề mặt, thuốc trừ sâu …) - Giảm nồng độ oxy hòa tan trong nước tự nhiên do các quá trình oxy hóa liên quan tới quá trình phì dưỡng các nguồn chứa nước và khoáng hóa các hợp chất hữu cơ … - Giảm độ trong của nước, tăng khả năng nguy hiểm của ô nhiễm nước tự nhiên do các nguyên tố phóng xạ. Các tính chất đặc trưng của nước thải bao gồm ; pH, hàm lượng chất rắn , nhu cầu oxi sinh hóa BOD ( Biochemical Oxygen Demand ), hoặc nhu cầu oxy hóa học COD ( Chemical Oxygen Demand ), các dạng nitơ, photpho, dầu mỡ, mùi, mầu, các kim loại nặng trong nước thải công nghiệp … 3 Xử lý nước nhiễm dầu Nhóm 8- Lọc hóa dầu A-K53 Việc thải nước thải chỉ qua xử lí bằng các phương pháp thông thường đã đẩy nhanh quá trình phì 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 nước và các hoạt động khác. Do đó ngày nay đã phát triển và ứng dụng thêm các phương pháp xử lí cấp 3 vào các dây truyền xử lí nước thải. 1. Phân loại nước thải Nước thải sinh hoạt Nước thải sinh hoạt là nước thải từ các khu dân cư, khu vực hoạt động thương mại, công sở, trường học … 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 ( nhà máy lọc hóa dầu… ) có cả nước thải sinh hoạt nhưng trong đó nước thải công nghiệp là chủ yếu. Nước thấm qua Đây là nước mưa thấm vào 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 nước riêng. Nước thải đô thị Nước thải đô thị là thuật ngữ chung chỉ chất lỏng trong hệ thống cống thoát của một thành phố. Đó là hỗn hợp của các loại nước kể trên. Theo quan điểm quản lí môi trường, các nguồn gây ô nhiễm nước, các nguồn gây ô nhiễm nước còn được phân thành 2 loại : nguồn xác định và nguồn không xác định. Các nguồn xác định bao gồm nước thải đô thị và nước thải công nghiệp, các cửa công xả nước mưa và tất cả các nguồn thải vào nguồn tiếp nhận nước có tổ chức qua hệ thống cống và kênh thải. 4 Xử lý nước nhiễm dầu Nhóm 8- Lọc hóa dầu A-K53 Các nguồn không xác định bao gồm nước chảy trôi trên bề mặt đất, nước mưa và các nguồn nước phân tán khác. Sự phân loại này rất có ích khi đề cập tới các vấn đề điều chỉnh kiểm soát ô nhiễm. 2. Một số thông số quan trọng của nước thải Hàm lượng chất rắn Tổng chất rắn là thành phần vật lí đặc trưng quan trọng nhất của nước thải. Nó bao gồm các chất rắn nổi, lơ lửng và keo tan. Theo kích thước của hạt rắn, tổng chất rắn được phân thành các loại: chất rắn lơ lửng, chất rắn keo và chất rắn tan như trình bày như hình dưới đây. Để xác định hàm lượng chất rắn lơ lửng thường dùng giấy lọc Whatman GF/C, có kích thước lỗ khoảng 1,2 Mm . Chất rắn tan Chất rắn keo Chất rắn lơ lửng Kích thước hạt,  m 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 1 10 100 10-8 10-7 106 105 10-4 10-3 10-2 10-1 Kích thước hạt, mm Khử bằng đông tụ Lắng được Phân loại chất rắn trong nước thải Hàm lượng oxy hòa tan DO ( Dissolved oxygen ) Một trong những chỉ tiêu quan trọng của nước đó là hàm lượng oxy hòa tan, là hàm lượng oxi trong nước (mg/l) cần thiết cho sự hô hấp của các thủy sinh. Khi nước bị ô nhiễm do các chất hữu cơ dễ bị phân hủy bởi vi sinh vật thì lượng oxy hòa tan trong nước sẽ bị tiêu thụ bớt, do đó giá trị DO sẽ thấp hơn so với DO bảo hòa tại điều kiện đó. Vì vậy DO được sử dụng như một thông số để đánh giá 5 Xử lý nước nhiễm dầu Nhóm 8- Lọc hóa dầu A-K53 mức độ ô nhiễm chất hữu cơ của các nguồn nước. DO có ý nghĩa lớn đối với quá trình tự làm sạch của sông (assimilative capacity - AC). Đơn vị tính của DO thường dùng là mg/l. DO thấp : trong nước tồn tại nhiều hợp chất hữu cơ, nhu cầu oxi tăng, nhu cầu tiêu thụ oxi tăng. DO cao : trong nước chứa nhiều sinh vật(rong, tảo), xảy ra quá trình quang hợp và giải phóng oxi. Phương pháp xác định DO. Có thể xác định DO bằng hai phương pháp khác nhau: - Phương pháp Winkler (hóa học). - Phương pháp điện cực oxy hòa tan - máy đo oxy. Nhu cầu oxy sinh hóa BOD ( Biochemical oxygen deman ) Nhu cầu oxy sinh hóa là chỉ tiêu thông dụng nhất để xác định mức độ ô nhiễm của nước thải. BOD được định nghĩa là lượng oxy cần cung cấp để oxy hoá các chất hữu cơ trong nước bởi vi sinh vật . Phương trình tổng quát của phản ứng này như sau : Chất hữu cơ + O2 CO2 + H2O + tế bào mới + sản phẩm cố định Trong kĩ thuật môi trường chỉ tiêu BOD 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 lí. - Xác định hiệu suất xử lí của một số quá trình. - Xác định sự chấp thuận sự tuân theo những qui định cho phép thải chất thải. Trong thực tế người ta không thể xác định lượng oxy cần thiết để phân hủy hoàn toàn chất hữu cơ vì như thế tốn quá nhiều thời gian mà chỉ xác định lượng oxy cần thiết trong 5 ngày đầu ở nhiệt độ ủ 20 oC, kí hiệu là BOD5. Chỉ tiêu này đã được chuẩn hóa và được sử dụng ở hầu khắp các nước trên thế giới. 6 Xử lý nước nhiễm dầu Nhóm 8- Lọc hóa dầu A-K53 Nhu cầu oxy hóa học COD ( Chemical Oxygen Demand ) Chỉ số này được dùng rộng rãi để biểu thị hóa hàm lượng chất hữu cơ có trong nước thải và mức độ ô nhiễm nước tự nhiên . COD được định nghĩa là lượng oxy cần thiết cho quá trình oxy hóa hóa học các chất hữu cơ có trong mẫu nước thành CO2 và nước. Lượng oxy này tương đương với hàm lượng chất hữu cơ có thể bị oxy hóa được xác định khi xử dụng một tác nhân oxy hóa hóa học mạnh trong môi trường axit. Phương pháp phổ biến nhất để xác định COD là phương pháp bicromat và cơ chế của nó theo phuonge trình phản ứng sau : Các chất hữu cơ + Cr2O72- + H+ CO2 + H2O + 2Cr3+ Hàm lượng Nitơ Chỉ tiêu hàm lượng Nitơ trong nước cũng được xem như là chất chỉ thị tình trạng ô nhiễm của nước . Ngoài nhưng thông số quan trọng đã nêu trên, một số thông số khác cũng cần phải quan tâm như hàm lượng Photpho , hàm lượng Sunphat, hàm lượng clo, các hợp chất hữu cơ, các kim loại nặng … II. Nước thải nhiễm dầu 1. Các dạng tồn tại của dầu trong nước thải Xử lí nước thải nhiễm dầu cần chú ý đến các dạng tồn tại của dầu trong nước thải . Bản chất của dầu: dầu là chất lỏng sóng sánh, có mùi đặc trưng, nhẹ hơn nước và không tan trong nước. Chúng bị oxy hóa rất chậm, có thể tồn tại đến 50 năm … Trong thực tế dầu hiện diện ở nhiều trạng thái khác nhau và khó xác định chính xác các thành phần này bằng thí ngiệm. Phổ biến dầu tồn tại ở 4 trạng thái sau: 7 Xử lý nước nhiễm dầu - Nhóm 8- Lọc hóa dầu A-K53 Dạng tự do: ở dạng này dầu sẽ nổi lên thành các màng dầu. Dầu hiện diện dưới dạng các hạt dầu tự do hoặc lẫn với một ít nước, dầu tự do sẽ nổi lên trên bề mặt do trọng lượng riêng của dầu thấp hơn so với trọng lượng riêng - của nước. Dạng nhũ tương hóa học: là dạng tạo thành do các tác nhân hóa học ( xà phòng, xút ăn da, chất tẩy rửa, Na …) hoặc các hóa học asphaten làm thay đổi sức căng bề mặt và làm ổn định hóa học dầu phân tán. - Dạng nhũ tương cơ học: có 2 dạng nhũ tương cơ học tùy theo đường kính của giọt dầu: + Vài chục micromet: độ ổn định thấp . + Loại nhỏ hơn: có độ ổn định cao, tương tự như dạng keo. - Dạng hòa tan: phân tử hòa tan như các chất thơm. Ngoài ra dầu không hòa tan tạo thành một lớp màng mỏng bọc quanh các chất rắn lơ lửng, chúng có thể ảnh hưởng đến khả năng lắng hoặc nổi của các chất rắn lơ lửng khi tạo thành các hợp chất kết hợp không lắng được. 2. Các nguồn phát sinh a ) Từ các dàn khoan dầu Tại các dàn khoan nước nhiễm dầu như nước thải tổng hợp có nhiễm dầu phát sinh từ các sàn tàu, các thiết bị máy móc và các khu vực vệ sinh máy móc thiết bị, nước bẩn đáy tàu,… tất cả sẽ được dẫn tới một hệ thống xử lý nước nhiễm dầu,hàm lượng dầu sau khi xử lý phải <1,5mg/l. b ) Từ các sự cố tràn dầu - Phun trào dầu tại các mỏ dầu. Dầu từ các vụ chìm tàu chở dầu, và từ các thiết bị máy móc khi xảy ra sự cố. c ) Trong nhà máy lọc hóa dầu Trong nhà máy lọc hóa dầu các nguồn phát thải nước nhiễm dầu chính mà chúng ta sẽ xét trong phần sau. d ) Từ các các hoạt động của kho chứa xăng dầu Nước thải nhiễm dầu phát sinh từ 2 khu vực: - Khu vực kho chứa: phát sinh do các nguyên nhân sau + Súc rửa, làm mát bồn chứa. 8 Xử lý nước nhiễm dầu Nhóm 8- Lọc hóa dầu A-K53 + Vệ sinh máy móc, thiết bị. + Rơi vãi xăng dầu xuống nguồn nước. + Xảy ra sự cố. + Nước mưa chảy tràn qua khu vực kho. Trong đó nước xả cặn từ quá trình súc rửa bồn chứa với chu kì 2 năm súc rửa 1 lần là nguồn thải có mức độ ô nhiễm dầu cao nhất, nồng độ lên đến hàng chục ngàn ppm. - Khu vực tiếp nhận. + Nước vệ sinh tàu. + Nước ống dầu ( khi kéo từ biển lên boong ). + Rò rỉ trên đường ống dẫn dầu từ tàu về kho chứa. c ) Nước nhiễm dầu từ quá trình sử dụng xăng dầu Trong quá trình sử dụng xăng dầu không thể tránh khỏi việc thất thoát xăng dầu ra ngoài môi trường vì thế sẽ phát sinh ra nước nhiễm dầu. 3. Những ảnh hưởng của nước thải nhiễm dầu a ) Ảnh hưởng tới môi trường Làm thay đổi tính chất lí hóa của môi trường nuớc. Tăng độ nhớt, giảm nồng độ oxy hấp thụ vào nước,.. dẫn đến thiệt hại nghiêm trọng đối với môi trường. Ví dụ như trong các sự cố tràn dầu ra biển: Một tấn dầu mỏ tràn ra biển có thể loang phủ 12 km2 mặt nước, tạo thành lớp váng dầu ngăn cách nước và không khí, làm thay đổi tính chất của môi trường biển, cản trở việc trao đổi khí oxi và cacbonic với bầu khí quyển. b ) Đối với vi sinh vật Nước nhiễm dầu khi chưa được xử lí mà thải ra môi trường sẽ ảnh hưởng rất lớn đến các vi sinh vật. Như trong sự cố tràn dầu sinh vật phù du, ấu trùng cá, và các sinh vật ở dưới đáy đều bị ảnh hưởng một cách mạnh mẽ. Ngay cả cỏ biển, trai, hàu cũng đều bị ảnh hưởng do tràn dầu. Dầu thấm qua bộ lông của chim biển, làm giảm khả năng bảo vệ của lông, vì vậy làm cho chim trở nên dễ tổn thương với sự thay đổi nhiệt độ bất thường và làm 9 Xử lý nước nhiễm dầu Nhóm 8- Lọc hóa dầu A-K53 giảm độ nổi trên mặt nước của chúng. Nó cũng làm giảm khả năng bay của chim, càng làm chúng khó thoát các động vật săn mồi. Khi cố gắng rỉa lông, chim thường nuốt dầu vào bụng, dẫn tới làm hại thận, thay đổi chức năng của phổi, và kích thích hệ tiêu hóa. Các vấn đề này và khả năng hấp thu thức ăn bị hạn chế gây ra sự mất nước và mất cân bằng trao đổi chất. Sự thay đổi cân bằng hormon bao gồm luteinizing protein cũng có thể xảy ra ở một số loài chim khi tiếp xúc với dầu. Hầu hết chim bị ảnh hưởng bởi dầu tràn đều chết, trừ khi có sự can thiệp của con người. Các động vật có vú biển bị dính dầu cũng bị ảnh hưởng tương tự như với chim. Dầu phủ lên bộ lông của rái cá và hải cẩu làm giảm khả năng trao đổi chất và làm giảm thân nhiệt. Khi ăn phải dầu, động vật sẽ bị chứng mất nước và giảm khả năng tiêu hóa. Do dầu nổi trên mặt nước làm ánh sáng giảm khi xuyên vào trong nước, nó hạn chế sự quang hợp của các thực vật biển và các sinh vật phù du. Điều này làm giảm lượng cá thể của hệ động vật cà ảnh hưởng đến chuỗi thức ăn trong hệ sinh thái. Tràn dầu có thể làm hỏng toàn bộ dây chuyền thực phẩm trong khu vực. c ) Đối với kinh tế, xã hội và con người Tốn kém tiền bạc để làm sạch môi trường bị ô nhiễm. Ngoài những thiệt hại trực tiếp về tài sản ra còn có các ảnh hưởng mang tính chất lâu dài như các cảnh quan, các vùng nuôi trồng, đánh bắt thủy hải sản…. Dầu có ảnh hưởng trực tiếp đến người thông qua tiếp xúc trực tiếp hoặc hít thở hơi dầu gây buồn nôn, nhức đầu, các vấn đề về da... Ngoài ra chúng còn gây ra 1 số bệnh như ung thư, bệnh phổi, gián đoạn hormon… Thiệt hại nghiêm trọng về kinh tế cho người dân. Sự suy giảm sản lượng cá đánh bắt, hơn nữa cá đánh bắt lên mang bán ở chợ, người tiêu dùng không dám ăn vì tôm cá có mùi xăng dầu nên người dân đành gác ngư cụ. Suy giảm năng suất của thủy hải sản nuôi. Hiểm họa tràn dầu đang buộc dân nuôi nghêu phải đối mặt với nguy cơ mất trắng hàng ngàn tỉ đồng nếu nghêu bị chết do ô nhiễm dầu. III. Các phương pháp xử lí 10 Xử lý nước nhiễm dầu Nhóm 8- Lọc hóa dầu A-K53 1. Các phương pháp sinh học Thực chất của biện pháp sinh học để xử lý nước thải là sử dụng khả năng sống và hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất bền hữu cơ trong nước thải. Chúng sử dụng các hợp chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và tạo năng lượng. Trong quá trình dinh dưỡng, chúng nhận được các chất làm vật liệu để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên sinh khối được tăng lên. Phương pháp này thường được sử dụng để làm sạch các loại có chứa các chất hữu cơ hòa tan hoặc các chất phân tán nhỏ, keo. Do vậy, chúng thường được dùng sau khi loại các tạp chất phân tán thô ra khỏi nước thải. Đối với các chất hữu cơ có trong nước thải thì phương pháp này dùng để khử các hợp chất sunfit, muối amoni nitrat - tức là các chất chưa bị oxy hóa hoàn toàn. Sản phẩm cuối cùng của quá trình phân hủy sinh hóa các chất bẩn sẽ là CO 2, H2O, N2, SO42-,…Các nghiên cứu cho thấy vi sinh vật có thể phân hủy tất cả các chất hữu cơ có trong thiên nhiên và rất nhiều chất hữu cơ tổng hợp nhân tạo. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học gồm các phương pháp sau: - Phương pháp hiếu khí. - Phương pháp kỵ khí. - Phương pháp thiếu khí. Tùy điều kiện cụ thể như địa hình, tính chất và khối lượng nước thải, khí hậu, mặt bằng nơi cần xử lý, kinh phí cho phép với công nghệ thích hợp, người ta sẽ chọn một trong những phương pháp trên hay kết hợp với nhau Các phương pháp này có những ưu điểm sau: - Có thể xử lý nước thải có phổ nhiễm bẩn các chất hữu cơ tương đối rộng. - Hệ thống có thể tự điều chỉnh theo phổ các chất nhiễm bẩn và nồng độ của chúng. - Thiết kế và trang thiết bị đơn giản. Đồng thời chúng cũng có những nhược điểm sau: - Đầu tư cơ bản cho việc xây dựng khá tốn kém. - Phải có chế độ công nghệ làm sạch đồng bộ và hoàn chỉnh. 11 Xử lý nước nhiễm dầu - Nhóm 8- Lọc hóa dầu A-K53 Các chất hữu cơ khó phân hủy cũng như các chất vô cơ có độc tính ảnh hưởng đến thời gian và hiệu quả làm sạch. Các chất có độc tính tác động đến quần thể sinh vật nói chung và trong bùn hoạt tính làm giảm hiệu suất xử lý của quá trình. - Có thể phải làm loãng nước thải có nồng độ chất bẩn cao, như vậy sẽ làm tăng lượng nước thải và cần diện tích mặt bằng rộng. Tuy vậy, các phương pháp sinh học vẫn được dùng phổ biến rộng rãi và tỏ ra rất thích hợp cho quá trình làm sạch nước thải chứa các chất hữu cơ dễ phân hủy. 2. Các phương pháp hóa lý Làm sạch sinh học chỉ được ứng dụng trong trường hợp cần loại ra khỏi nước các chất hữu cơ, nếu các chất bẩn có nguồn gốc vô cơ thì phương pháp này không phù hợp. Các phương pháp hóa lý được ứng dụng để xử lý nước thải gồm lọc, đông tụ và keo tụ, tuyển nổi, hấp phụ, trao đổi ion, thẩm thấu ngược, siêu lọc, thẩm tách và điện thẩm tách,…Các phương pháp này được ứng dụng để loại ra khỏi nước thải các hạt phân tán lơ lửng ( rắn và lỏng ), các khí tan những chất vô cơ và hữu cơ hòa tan. Việc ứng dụng các phương pháp hóa lý để xử lý nước thải có những ưu điểm sau: - Có khả năng loại các chất độc hữu cơ không bị oxy hóa sinh học. - Hiệu quả xử lý cao hơn. - Kích thước hệ thống xử lý nhỏ hơn. - Độ nhạy đối với sự thay đổi tải trọng thấp hơn. - Có thể tự động hóa hoàn toàn. - Không cần theo dõi hoạt động của sinh vật. - Có thể thu hồi các chất khác nhau. 2.1. Lọc qua song chắn rác ( xử lý sơ bộ ) Đối tượng xử lý là rác thải loại lớn ( như: giẻ, rác, vỏ đồ hộp, các mẫu đá, gỗ và các vật thải khác ), chúng thường được tách ra để khỏi gây tắc nghẽn đường ống. Người ta dùng lưới làm bằng các thanh kim loại được đặt nghiêng một góc 60÷75 0. 12 Xử lý nước nhiễm dầu Nhóm 8- Lọc hóa dầu A-K53 Rác thải được lấy ra bằng cào cơ giới. Đối với rác có kích cỡ nhỏ hơn người ta có thể dùng rây. Đây là hình thức 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 hệ thống 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 xử lý nước tự nhiên lẫn nước thải. 2.2. Lắng tụ Được dùng để lắng các tạp chất tan thô ra khỏi nước thải ( sinh hoạt và công nghiệp ). Lắng tụ diễn ra dưới tác dụng của trọng lực. Để lắng người ta sử dụng bể lắng cát, bể lắng và bể lắng trong. • Bể lắng cát Được dùng để loại sơ bộ chất bẩn khoáng và hữu cơ ( 0,2-0,25mm ) ra khỏi nước thải. Bể lắng cát ngang là hồ chứa có tiết diện ngang là tam giác hoặc hình thang. Chiều sâu bể lắng cát 0,25-1m. Vận tốc chuyển động của nước không quá 0,3m/s. Bể lắng cát dọc có dạng hình chữ nhật, tròn, trong đó nước chuyển động theo dòng từ dưới lên với vận tốc 0,05m/s. • Bể lắng ngang Bể lắng ngang là bể hồ chứa hình chữ nhật, có hai hay nhiều ngăn hoạt động đồng thời. Nước chuyển động từ đầu này đến đầu kia của bể. Chiều sâu của bể lắng H=1,5-4 m, chiều dài L=( 8-12 )xH, chiều rộng B=3-6 m. Bể lắng ngang được ứng dụng khi lưu lượng nước thải lớn hơn 15000m 3/ngày đêm. Hiệu quả bể lắng 60%. • Bể lắng đứng Bể lắng đứng là bể chứa hình trụ ( hoặc tiết diện vuông ) có đáy chóp. Nước thải được cho vào theo ống trung tâm. Sau đó nước chảy từ dưới lên trên vào các rãnh chảy tràn. Như vậy, quá trình lắng cặn diễn ra trong dòng đi lên, vận tốc nước là 0,5-0,6m/s. Chiều cao vùng lắng 4-5m. • Bể lắng hướng tâm 13 Xử lý nước nhiễm dầu Nhóm 8- Lọc hóa dầu A-K53 Bể lắng hướng tâm là bể lắng tròn. Nước trong đó chuyển động từ tâm ra vành đai. Vận tốc nước nhỏ nhất là ở vành đai. Loại bể lắng này được ứng dụng cho lưu lượng nước thải lớn hơn 20.000m3/ngày đêm. • Bể lắng dạng bảng Ở bên trong bể lắng dạng bảng có các bản đặt nghiêng và song song với nhau. Nước chuyển động giữa các bản, còn cặn trượt xuống vào bình chứa. • Bể lắng trong Bể lắng được sử dụng để làm sạch tự nhiên và để làm trong nước thải công nghiệp. Người ta thường sử dụng bể lắng trong với lớp cặn lơ lửng trong đó người ta cho nước với chất đông tụ đi qua đó . 2.3. Lọc Lọc được dùng để xử lý nước thải, để tách các loại tạp chất nhỏ ra khỏi nước thải mà bể lắng không lắng được. Trong các loại phin lọc thường có các loại phin lọc dùng vật liệu lọc dạng tấm hoặc dạng hạt. Vật liệu dạng tấm có thể làm bằng tấm thép có đục lỗ hoặc lưới bằng thép không gỉ, nhôm, niken, đồng, thau,… và cả các loại vải khác nhau ( thủy tinh, amiăng, bông, len, sợi tổng hợp). Tấm lọc cần có trở lực nhỏ, đủ bền và dẻo cơ học, không bị trương nở và bị phá hủy ở điều kiện lọc. Vật liệu lọc dạng hạt là cát thạch anh, than cốc, sỏi, đá nghiền thậm chí cả than gỗ. Đặc tính quan trọng của lớp hạt lọc là độ xốp và bề mặt riêng. Quá trình lọc có thể xảy ra dưới tác dụng của áp suất của cột chất lỏng hay áp suất cao trước vách vật liệu lọc hoặc chân không sau lớp lọc. Các phin lọc làm việc sẽ tách các phần tử tạp chất phân tán hoặc lơ lửng khó lắng khỏi nước. Các phin lọc làm việc không hoàn toàn dựa vào nguyên lí cơ học. Khi nước qua lớp lọc dù ít hay nhiều cũng tạo ra lớp màng trên mặt các hạt vật liệu lọc, màng này là màng sinh học. Do vậy, ngoài tác dụng tách các phần tử tạp chất phân tán ra khỏi nước, các màng sinh học cũng biến đổi các chất hòa tan trong nước thải nhờ quần thể các vi sinh vật có trong màng sinh học. 14 Xử lý nước nhiễm dầu Nhóm 8- Lọc hóa dầu A-K53 Chất bẩn và màng sinh học sẽ bám vào bề mặt vật liệu lọc dần dần bít các khe hở của lớp lọc làm cho dòng chảy bị chậm lại hoặc ngưng chảy. Do đó, trong quá trình làm việc, người ta phải rửa phin lọc, lấy bớt màng bẩn phía trên, và cho nước thải đi từ dưới lên trên để tách màng bẩn ra khỏi vật liệu lọc. 2.4. Đông tụ và keo tụ a. Đông tụ Hỗn hợp phân tán nhỏ được loại ra khỏi nước bằng phương pháp đông tụ. Đông tụ là phương pháp xử lý nước bằng tác chất nhằm hình thành các phân tử lớn từ các phân tử nhỏ. Phần tử các chất đục mang điện tích âm. Việc loại các chất này nhờ các chất đông tụ là tạo thành muối từ các chất kiềm và axit yếu. Chất đông tụ trong nước tạo thành các bông hydroxit kim loại, lắng nhanh trong trường trọng lực. Các bông này có khả năng hút các hạt keo và hạt lơ lửng kết hợp với chúng. Các chất này tham gia vào phản ứng trao đổi với ion nước và hình thành các tạp chất có phối trí phức tạp . Quá trình thủy phân các chất đông tụ và tạo thành các bông keo xảy ra theo các giai đoạn sau: Me3+ + HOH ↔ Me(OH)2+ + H+ Me(OH)2+ + HOH ↔ Me(OH)2+ + H+ Me(OH)2+ + HOH ↔ Me(OH)3 + H+ ⇒ Me3+ + 3HOH ↔ Me(OH)3 + 3H+ Các chất đông tụ thường dùng trong mục đích này là các muối nhôm hoặc muối sắt hoặc hỗn hợp của chúng. Đây là hai loại hóa chất rất thông dụng trong xử lý nước cấp nhất là xử lý nước sinh hoạt. Các muối nhôm gồm có: Al2(SO4)3.18 H2O, NH4Al(SO4)2.12 H2O, NaAlO2. Al2(OH)5Cl, KAl(SO4)2.12 H2O, Trong đó được sử dụng rộng rãi nhất là Al 2(SO4)3 vì Al2(SO4)3 hòa tan tốt trong nước, chi phí thấp, hoạt động có hiệu quả cao trong khoảng pH= 5÷7,5 . Trong phần lớn các trường hợp, người ta dùng hỗn hợp NaAlO 2 và Al2(SO4)3 theo tỉ lệ ( 10:1 )÷( 20:1 ). Phản ứng xảy ra như sau: 15 Xử lý nước nhiễm dầu Nhóm 8- Lọc hóa dầu A-K53 6NaAlO2 + Al2(SO4)3 + 12 H2O ↔ 8 Al(OH)3 ↓ + 3 Na2SO4 Việc sử dụng hỗn hợp này cho phép tăng hiệu quả của quá trình làm trong nước, tăng khối lượng và tốc độ lắng của các bông keo tụ, mở rộng khoảng pH tối ưu của môi trường. Al2(OH)5Cl có độ axit thấp dùng làm sạch nước có độ kiềm yếu nhờ phản ứng: Al2(OH)5Cl + Ca(HCO3)2 → 4 Al(OH)3↓ +CaCl2 + 2CO2↑ Các muối sắt Fe2(SO4)3. 2 H2O, Fe2(SO4)3. 3 H2O, FeSO4. 7 H2O và FeCl3 cũng thường được dùng làm chất đông tụ . Dùng FeCl3 để loại photphat: FeCl3 + 6 H2O + PO43- → FePO4 + 3 Cl- + 6 H2O Tạo bông keo qua phản ứng: FeCl3 + 6 H2O → Fe(OH)3↓ + 3 HCl Fe2(SO4)3 + 6 H2O → 2 Fe(OH)3↓ + 3 H2SO4 Các muối sắt thường được dùng làm chất đông tụ vì có nhiều ưu điểm hơn so với các muối nhôm do: - Tác dụng tốt hơn ở nhiệt độ thấp. - Có khoảng giá trị pH tối ưu của môi trường rộng hơn. - Độ bền lớn và kích thước bông keo có khoảng giới hạn rộng của thành phần muối. - Có thể khử được mùi vị khi có H2S. Nhưng các muối sắt có nhược điểm là chúng tạo thành các phức hòa tan nhuộm màu qua phản ứng của các cation sắt với một số chất hữu cơ Trong quá trình tạo bông keo của hiđroxit nhôm hoặc sắt, người ta thường thêm các chất trợ đông như: tinh bột, các ete, xenlulozơ,…, với liều lượng 1-5mg/l, hay chất trợ đông tụ tổng hợp nhất là polyarylamit nhằm giảm liều lượng chất đông tụ, giảm thời gian đông tụ và nâng cao tốc độ lắng của các bông keo. b. Keo tụ Keo tụ là quá trình kết hợp các hạt lơ lửng khi cho các hợp chất cao phân tử vào nước. Khác với quá trình đông tụ, khi keo tụ sự kết hợp diễn ra không chỉ do tiếp 16 Xử lý nước nhiễm dầu Nhóm 8- Lọc hóa dầu A-K53 xúc trực tiếp mà còn do tương tác lẫn nhau giữa các phân tử chất keo tụ bị hấp phụ trên các hạt lơ lửng. c. Keo tụ điện hóa Keo tụ không có tác chất hay keo tụ điện hóa diễn ra bằng cách dẫn nước qua các tấm nhôm được xếp cách nhau 10-20 mm. Bản chất của quá trình là hòa tan anot của các tấm nhôm được nối lần lượt với các cực dương và cực âm của nguồn điện có cường độ cao và hiệu điện thế thấp. Khi đó ion nhôm sẽ chuyển vào nước và tạo thành hydroxit. Ưu điểm của quá trình này là hình thành và lắng nhanh các sợi bông dai và không cần điều chỉnh pH. Nhược điểm của nó là chi phí điện năng cao. Phương pháp này có thể được dùng để xử lý nước phù sa ở các tỉnh thuộc đồng bằng Sông Cửu Long, nhưng do mạng lưới điện chưa được lắp đặt đầy đủ và chi phí điện cao nên còn bị hạn chế. 2.5. Tuyển nổi Phương pháp tuyển nổi dựa trên nguyên tắc: các phần tử phân tán trong nước có khả năng tự lắng kém, nhưng có khả năng kết dính vào các bọt khí nổi lên trên bề mặt nước. Sau đó người ta tách bọt khí cùng các phần tử dính ra khỏi nước. Thực chất đây là quá trình tách bọt hay làm đặc bọt. Ngoài ra, quá trình này còn để tách các chất hòa tan như các hoạt động bề mặt. Trong công nghiệp, tuyển nổi được áp dụng để xử lý chất khoáng, tái sinh nguyên liệu từ nước rửa, làm sạch nước thải, xử lý bùn và thu hồi khoáng sản quí. Trong xử lý nước cấp, quá trình tuyển nổi được kết hợp với quá trình keo tụ tạo bông, đặc biệt là đối với chất mùn và tảo sau quá trình keo tụ tạo bông được tách ra khỏi nước bằng tuyển nổi. Phương pháp này được thực hiện nhờ thổi không khí thành bọt nhỏ vào trong nước thải. Các bọt khí dính các hạt lơ lửng lắng kém và nổi lên trên mặt nước. Khi nổi lên các bọt khí tập hợp thành bông hạt đủ lớn, rồi tạo thành một lớp bọt chứa nhiều hạt bẩn. 17 Xử lý nước nhiễm dầu Nhóm 8- Lọc hóa dầu A-K53 Tuyển nổi bọt nhằm tách các hạt lơ lửng không tan và một số chất keo hoặc hòa tan ra khỏi pha lỏng. Kĩ thuật này có thể dùng cho xử lý nước thải đô thị và nhiều lĩnh vực công nghiệp như: chế biến dầu béo, dệt thuộc da, lọc hóa dầu, … Ngoài ra, tuyển nổi ion và phân tử là một phương pháp mới để tách các chất tan ra khỏi nước, được sử dụng trong những năm gần đây . Hiệu suất của phương pháp tuyển nổi phụ thuộc vào kích thước và số lượng bong bóng khí, kích thước các tạp chất trong nước thải. Kích thước tối ưu của bong bóng khí là 15 ÷ 30μm, kích thước hạt tạp chất là 0,2 ÷ 1,5μm . Có nhiều phương pháp tuyển nổi để xử lý nước thải: - Tuyển nổi từ sự tách không khí từ dung dịch. - Tuyển nổi với sự phân tán không khí bằng cơ giới. - Tuyển nổi nhờ các tấm xốp. - Tuyển nổi bằng phương pháp tách phân đoạn bọt. - Tuyển nổi hóa học, sinh học và ion. - Tuyển nổi điện. Phương pháp này có ưu điểm là hoạt động liên tục, phạm vi ứng dụng rộng rãi, chi phí đầu tư và vận hành không lớn, hiệu quả xử lý cao, thiết bị đơn giản, thu cặn có độ ẩm nhỏ và có thể thu hồi tạp chất trong cặn. Ngoài ra, nước thải được xử lý bằng phương pháp tuyển nổi sẽ được thông khí, giảm được hàm lượng chất hoạt động bề mặt, chất dễ bị oxy hóa. 2.6. Hấp phụ Phương pháp hấp phụ được dùng rộng rãi để làm sạch triệt để nước thải khỏi các chất hữu cơ hòa tan sau khi xử lý sinh học cũng như xử lý cục bộ khi trong nước thải có chứa một hàm lượng rất nhỏ các chất đó. Những chất này thường không phân hủy bằng con đường sinh học và thường có độc tính cao. Nếu các chất này bị hấp phụ tốt và khi chi phí riêng lượng chất hấp phụ không lớn thì việc ứng dụng phương pháp này là hợp lí hơn cả. Trong xử lý nước thải công nghiệp, hấp phụ được ứng dụng để khử độc nước thải khỏi thuốc diệt cỏ, phenol, thuốc sát trùng, các hợp chất hữu cơ vòng thơm, chất hoạt động bề mặt, thuốc nhuộm, màu hoạt tính. 18 Xử lý nước nhiễm dầu Nhóm 8- Lọc hóa dầu A-K53 Các chất hấp phụ thường dùng là: than hoạt tính, đất sét, silicagen, keo nhôm, một số chất tổng hợp hoặc chất thải sản xuất như: xỉ, mạt sắt,…Trong số này, than hoạt tính là được dùng phổ biến nhất. Than hoạt tính có hai dạng: hạt và bột đều được dùng để hấp phụ. Các chất hữu cơ, kim loại nặng và các chất màu dễ bị than hấp phụ. Lượng chất này tùy thuộc vào khả năng hấp phụ của từng chất và hàm lượng chất bẩn có trong nước. Phương pháp này có khả năng hấp phụ được 58-95% các chất hữu cơ và màu. Các chất hữu cơ có thể bị hấp phụ được tính đến là phenol, alkylbenzen, sunfonic axit, thuốc nhuộm, các hợp chất thơm. Đã có những ứng dụng dùng than hoạt tính để hấp phụ thủy ngân và những thuốc nhuộm khó phân hủy, nhưng tốn kém và làm cho quá trình không kinh tế. Để loại bỏ các kim loại nặng, các chất hữu cơ, vô cơ độc hại, người ta dùng than bùn để hấp phụ và nuôi bèo tây trên mặt hồ. Phương pháp hấp phụ có tác dụng tốt trong việc xử lý nước thải chứa các chất hữu cơ, các kim loại nặng và màu. Để loại bỏ các kim loại nặng, các chất vô cơ và hữu cơ độc hại hiện nay người ta có thể sử dụng than bùn hoặc một số loại thực vật nước như lục bình. Ưu điểm của phương pháp này là hiệu quả cao, có khả năng xử lý nhiều chất trong nước thải và có thể thu hồi các chất này. Xử lý nước hấp phụ có thể tái sinh, tức thu hồi và tận dụng chất thải; phân hủy và tiêu hủy chất thải cùng với chất hấp phụ . 2.7. Trao đổi ion Trao đổi ion là quá trình tương tác của dung dịch với pha rắn có tính chất trao đổi ion chứa nó bằng các ion khác có trong dung dịch. Bằng cách này người ta có thể loại đi một số ion trong dung dịch nước. Phương pháp này được ứng dụng để làm sạch nước hoặc nước thải khỏi các kim loại như: Zn, Cu, Cr, Pb, Ni, Hg, Cd, V, Mn,…, cũng như các hợp chất của asen, photpho, xyanua và các chất phóng xạ, khử muối trong nước cấp, cho phép thu hồi các chất có giá trị và đạt mức độ làm sạch cao. Vì vậy, nó được ứng dụng rộng rãi để tách muối trong xử lý nước và nước thải. Một số chất trao đổi ion: zeolic, silicagen, than đá,… 19 Xử lý nước nhiễm dầu Nhóm 8- Lọc hóa dầu A-K53 2.8. Thẩm thấu ngược Là quá trình lọc dung dịch qua màng bán thấm dưới một áp suất cao hơn áp suất thẩm thấu . • Cơ chế của quá trình: Có nhiều cơ chế giải thích quá trình thẩm thấu ngược. Một trong những cơ chế đó giải thích như sau: màng bán thấm không có khả năng hòa tan. Nếu như chiều dày của lớp phân tử nước bị hấp phụ bằng hoặc lớn hơn một nửa đường kính mao quản của màng thì dưới tác dụng của áp suất chỉ có nước sạch đi qua, mặc dù kích thước của nhiều ion nhỏ hơn kích thước cuả phân tử nước. Lớp hiđrat của các ion này cản trở không cho chúng đi qua mao quản của màng. Kích thước màng hiđrat của các ion khác nhau sẽ khác nhau. Nếu chiều dày của lớp phân tử nước bị hấp phụ nhỏ hơn nửa đường kính mao quản thì các chất hòa tan sẽ chui qua màng cùng với nước. Ưu điểm của phương pháp thẩm thấu ngược là: - Không có pha chuyển tiếp trong tách tạp chất cho phép tiến hành quá trình với chi phí năng lượng thấp. - Có thể tiến hành quá trình ở nhiệt độ phòng không có bổ sung hoặc bổ sung ít hóa chất. - Đơn giản trong kết cấu Nhược điểm của phương pháp thẩm thấu ngược: Năng suất, hiệu quả làm sạch và thời gian làm việc của màng lọc giảm khi nồng độ chất tan trên bề mặt màng lọc tăng. Quá trình hoạt động dưới áp suất cao, do đó cần có vật liệu đặc biệt làm kín thiết bị. Thẩm thấu ngược được ứng dụng rộng rãi để tách muối khỏi nước trong hệ thống cấp nước nhà máy nhiệt điện và các ngành công nghiệp khác ( như công nghiệp bán dẫn, đèn hình, dược…). Những năm gần đây, phương pháp này được sử dụng để làm sạch một số nước thải công nghiệp và đô thị . 2.9. Siêu lọc 20