NGhiên cứu xử lý nước thải ngành in

(1)

Nghiên cứu xử lý nước thải ngành in - Đào Thị Hiền - CNMT K49

MỤC LỤC

Hình I.1. Sơ đồ công nghệ in [5]...5

Hình I.2. Quy trình in offset [11]...6

Hình II.1 : Bể aeroten thông thường...19

Hình II.2. Mối quan hệ cộng sinh giữa tảo và vi sinh vật trong ...20

hồ hiếu khí...20

Hình III.1. Khái niệm về lớp điện tích kép...22

Hình III.2. Mô tả điện thế trên bề mặt hạt keo...22

Hình III.5. Cơ chế dính bám [12]...26

Hình III.6. Cơ chế kết tủa quét [12]...27

Bảng III.1. Bảng quan hệ giữa hệ số K và nhiệt độ...28

Hình III.7. Biểu đồ mối quan hệ giữa tỉ lệ các hợp chất của nhôm và pH [10]...31

Hình III.8. Mối tương quan giữa độ đục, liều lượng chất keo tụ...33

(Al3+, Fe3+) độ đục dư [2]...33

Hình III.9: Sơ đồ quá trình bắc cầu phá vỡ cân bằng...37

hệ keo nhờ các polymer [8]...37

Hình IV.1: Mô hình nghiên cứu thí nghiệm Jartest...39

Bảng IV.1. Kết quả xác định ảnh hưởng của pH...40

Đồ thị IV.1. Biến thiên COD và hiệu suất theo thay đổi pH...41

Đồ thị IV.2. Biến thiên độ màu và hiệu suất theo sự thay đổi pH...41

Bảng IV.2. Kết quả xác định ảnh hưởng của hàm lượng chất keo tụ...42

Đồ thị IV.3. Biến thiên COD và hiệu suất theo ...43

Đồ thị IV.4. Biến thiên độ màu và hiệu suất theo ...43

Bảng IV.3. Kết quả xác định ảnh hưởng của hàm lượng chất trợ keo...44

Bảng IV.4: Kết quả xác định ảnh hưởng của pH...46

Đồ thị IV. 7. Biến thiên COD và hiệu suất theo sự thay đổi pH...47

Đồ thị IV.9. Biến thiên COD và hiệu suất theo hàm lượng Al2(SO4)3...49

Bảng IV.6 Xác định ảnh hưởng của pH...50

Đồ thị IV.11. Biến thiên COD và hiệu suất theo sự thay đổi pH...51

Bảng IV.7. Xác định ảnh hưởng của chất keo tụ...52

Bảng IV.8. Quan hệ giữa các yếu tố, hệ số và số thí nghiệm ...57

Bảng IV.9. Đặc trưng chủ yếu của ma trận quy hoạch quay...57

Bảng IV.10. Ma trận quy hoạch quay với ba yếu tố...59

Bảng IV.11. Giá trị các hệ số a...59

Bảng IV.12 . Các biến số độc lập và mức mã hóa...62

Bảng IV.13. Ma trận quy hoạch 23 và kết quả thực nghiệm...62

Bảng IV.14. Ma trận quy hoạch thực nghiệm quay bậc hai, ba yếu tố...64

Bảng IV.15. Giá trị các hệ số của hàm mục tiêu trong thực nghiệm...65

Bảng IV.16. Giá trị các phương sai của hàm mục tiêu...65

Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường (INEST) ĐHBKHN - Tel: (84.4) 8681686 –

(2)

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng III.1. Bảng quan hệ giữa hệ số K và nhiệt độ...28

Bảng IV.1. Kết quả xác định ảnh hưởng của pH...40

Bảng IV.3. Kết quả xác định ảnh hưởng của hàm lượng chất trợ keo...44

Bảng IV.4: Kết quả xác định ảnh hưởng của pH...46

Bảng IV.6 Xác định ảnh hưởng của pH...50

Bảng IV.7. Xác định ảnh hưởng của chất keo tụ...52

Bảng IV.8. Quan hệ giữa các yếu tố, hệ số và số thí nghiệm ...57

Bảng IV.9. Đặc trưng chủ yếu của ma trận quy hoạch quay...57

Bảng IV.10. Ma trận quy hoạch quay với ba yếu tố...59

Bảng IV.11. Giá trị các hệ số a...59

Bảng IV.12 . Các biến số độc lập và mức mã hóa...62

Bảng IV.13. Ma trận quy hoạch 23 và kết quả thực nghiệm...62

Bảng IV.14. Ma trận quy hoạch thực nghiệm quay bậc hai, ba yếu tố...64

Bảng IV.15. Giá trị các hệ số của hàm mục tiêu trong thực nghiệm...65

Bảng IV.16. Giá trị các phương sai của hàm mục tiêu...65

(3)

DANH MỤC CÁC HÌNH VẼ, ĐỒ THỊ

Hình I.1. Sơ đồ công nghệ in [5]...5

Hình I.2. Quy trình in offset [11]...6

Hình II.1 : Bể aeroten thông thường...19

Hình II.2. Mối quan hệ cộng sinh giữa tảo và vi sinh vật trong ...20

hồ hiếu khí...20

Hình III.1. Khái niệm về lớp điện tích kép...22

Hình III.2. Mô tả điện thế trên bề mặt hạt keo...22

Hình III.5. Cơ chế dính bám [12]...26

Hình III.6. Cơ chế kết tủa quét [12]...27

Hình III.7. Biểu đồ mối quan hệ giữa tỉ lệ các hợp chất của nhôm và pH [10]...31

Hình III.8. Mối tương quan giữa độ đục, liều lượng chất keo tụ...33

(Al3+, Fe3+) độ đục dư [2]...33

Hình III.9: Sơ đồ quá trình bắc cầu phá vỡ cân bằng...37

hệ keo nhờ các polymer [8]...37

Hình IV.1: Mô hình nghiên cứu thí nghiệm Jartest...39

Đồ thị IV.1. Biến thiên COD và hiệu suất theo thay đổi pH...41

Đồ thị IV. 7. Biến thiên COD và hiệu suất theo sự thay đổi pH...47

Đồ thị IV.9. Biến thiên COD và hiệu suất theo hàm lượng Al2(SO4)3...49

Đồ thị IV.11. Biến thiên COD và hiệu suất theo sự thay đổi pH...51

(4)

MỞ ĐẦU

Cùng với sự phát triển của khoa học kĩ thuật cũng chính là những bước phát triển vượt bậc của các ngành công nghiệp cả về quy mô và công nghệ. Đi kèm theo đó là những tác động tiêu cực của nó đối với môi trường. Đặc biệt là ô nhiễm nguồn nước.

Ngành in là một ngành xuất hiện rất sớm trên thế giới (xuất hiện đầu tiên ở Trung Quốc và thế kỉ VI). Ở Việt Nam, nó là một ngành trực tiếp sản xuất và phát triển mạnh trong những năm gần đây với hàng trăm cơ sở in công nghiệp trong cả nước. Ngành in tuy không th i ra môi trả ường lượng l n nớ ước th iả nh ng nư ước th i c a nó ch a nhi u tác nhân gây ô nhi m, cácả ủ ứ ề ễ ch t đ c h i gây ô nhi m ngu n nấ ộ ạ ễ ồ ước và các loài sinh v t ậ thuỷ sinh.

c tr ng n c th i ngành in là có đ màu cao, ch a nhi u d u

Đặ ư ướ ả ộ ứ ề ầ

m , các ch t l l ng khó tan trong nỡ ấ ơ ử ước, các dung môi h u c vàữ ơ có th ch a c kim lo i và các ch t h u c , vô c r t đ c. Dể ứ ả ạ ấ ữ ơ ơ ấ ộ o đó vấn đề nước thải ngành in cũng là vấn đề rất cần được quan tâm.

Từ những cơ sở đó, đề tài: “Nghiên cứu khả năng xử lý nước thải ngành in bằng phương pháp keo tụ” được tiến hành nhằm tìm ra giải pháp giảm thiểu độ màu, COD của nước thải in để giảm thiểu ảnh hưởng đến con người, môi trường.

Em xin chân thành cảm ơn sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Nguyễn Ngọc Lân, và của Ths Đỗ Thị Tuyết Loan đã giúp em hoàn thành đồ án này.

(5)

CHƯƠNG I

TỔNG QUAN VỀ NGÀNH IN

I.1. Giới thiệu chung về ngành in

Công nghiệp in đã có từ lâu đời và ngày nay vẫn giữ vai trò quan trọng trong việc góp phần phát triển văn hóa đọc của xã hội.

Ngày nay, tuy các phương tiện truyền đạt thông tin, văn hóa ngày càng đa dạng như internet, TV, báo giấy,… nhưng các sản phẩm in như báo, tiền,…vẫn chiếm vị trí quan trọng. Để cạnh tranh tốt thì sản phẩm này càng cần phải bền, đẹp về cả hình thức và nội dung. Điều đó đòi hỏi công nghệ in cần cải tiến ngày càng hoàn thiện. Trên thế giới hiện nay áp dụng rất nhiều công nghệ in khác nhau như: công nghệ in flexo, công nghệ in ống đồng, công nghệ in offset…

Công nghệ in trong những năm qua đã phát triển rất mạnh, hiện đại, tiên tiến và luôn thay đổi làm cho môi trường lao động của chúng ta cũng thay đổi liên tục. Tiêu biểu cho sự phát triển mạnh đó là việc cải tiến thiết bị và công nghệ từ việc trước kia chúng ta in bằng các chữ đúc bằng chì được sắp xếp lại với nhau thành bản in đến nay bản in đó đã được thay bằng bản in của công nghệ in offset, tiếp tới trong tương lai công nghệ in ống đồng và công nghệ in flexo sẽ được áp dụng rộng rãi và phổ biến. Hai công nghệ trên sẽ được áp dụng rộng rãi vì bản in được chế tạo rẻ, bền, chất lượng hình ảnh đẹp và sản lượng in lớn. Bên cạnh việc thay đổi công nghệ thì việc cải tiến các thiết bị cũng đạt những thành tựu lớn như hệ thống công nghệ “Computer to plate” (máy tính trực tiếp sản xuất ra bản in, bỏ qua khâu trung gian từ phim ra bản) và công nghệ “Computer to print” (máy tính điều khiển máy in tạo ra sản phẩm in mà không cần chế ra bản in). Với loại thiết bị này, các công đoạn ghi phim, hiện bản đã được loại bỏ hoặc được làm một cách tự động, con người phải điều khiển chúng thông qua màn hình máy tính chứ không phải trực tiếp thao tác, tác động như trước đây nữa. Bên cạnh đó thiết bị này cũng hạn chế được các sai hỏng, hạn chế được số lượng nhân công tham gia sản xuất, hạn chế được các ảnh hưởng tiêu cực của hoá chất đến môi trường và sức khoẻ của con người.

Đối với khu vực Đông Nam Á nói chung và Việt Nam nói riêng do hạn chế của nền kinh tế nên chúng ta chưa có điều kiện đầu tư các loại thiết bị tiên tiến đồng bộ như các nước phát triển khác mà nước ta chỉ mới đầu tư được ở mức bán tự động. Công nghệ chủ yếu được nước ta áp dụng là công nghệ in offset, bên cạnh đó cũng áp dụng công nghệ in flexo công nghệ in ống đồng nhưng ở mức hạn chế. Với các thiết bị ở mức trung bình thì các công đoạn chủ yếu chưa được tự động hoá mà phần lớn đều do người công nhân tác động trực tiếp và các loại vật liệu thì chưa được quan tâm cải thiến nhiều lắm, vẫn dùng các loại hoá chất mà một số rất độc hại và một số

(6)

thì tương đối độc hại. Công đoạn hiện bản và ra phim là công đoạn mà người công nhân phải tiếp xúc với nhiều hoá chất thì vẫn chưa được cải tiến. Đồng thời do kinh phí còn eo hẹp, nên việc quan tâm tới môi trường trong nhà máy còn chưa được coi trọng và đầu tư thích đáng. Do đó tác động và ảnh hưởng của môi trường tới sức khoẻ của người lao động là rất lớn.

I.2. Công nghệ in

Hiện nay có rất nhiều công nghệ in hiện đại và khác nhau. Về nguyên tắc, quy trình in cơ bản trải qua ba công đoạn [11]:

I.2.1. Công đoạn chuẩn bị

Giấy được dỗ tơi cho vào khay đựng giấy.

Giấy nến nhạy nhiệt được lắp một lần vào máy theo vị trí cố định, nhờ hệ thống lô, có bộ phận cắt tự động và bán tự động, nên ta có thể cắt 1 đoạn giấy nến nhạy nhiệt ban đầu để tạo độ phẳng và vuông góc cho tờ giấy nến đầu tiên rồi từ đó mỗi lần lệnh cho bộ phận chế bản làm việc, ta được một bản nến in gắn trực tiếp vào máy in, bộ phận cắt nến tự động cắt với chiều dài bằng chu vi ôm ống của quả lô. Khi tờ nến cuối cùng còn lại, máy sẽ tự động báo hết cuộn nến in và tiến hành lắp cuộn khác vào, cứ như vậy vận hành tiếp tục chu trình lặp lại. Mực in được lắp vào vị trí cấp mực nhờ hệ thống bơm khi mực đạt ở một ngưỡng nhất định nào đó thì máy mới hoạt động để in sản lượng nhờ hệ thống tín hiệu cảnh báo và ra lệnh cho cơ cấu chấp hành mở khoá để bơm mực hoạt động.

I.2.2. Công đoạn chế bản in

Bản mẫu (Makét) được đặt lên một tấm kính như máy Fotocopy. Nhờ hệ thống quang học mà những tín hiệu quang từ các phần tử in biến thành tín hiệu điện qua bộ vi sử lý. Những tín hiệu điện này, biến thành nhiệt năng ở đầu nhiệt, để đốt lớp phủ nhựa dẻo trên bề mặt tờ giấy nến bản in ở những chỗ là phần tử in, để lộ ra hệ thống vi lỗ từ các phần tử in, để cho mực chui qua, tạo ra các phần tử in trên vật liệu in khi được ép in, còn các phần tử không in thì không bị đốt cháy. Công đoạn chế bản in có thể kết nối được với máy tính để điều khiển quá trình chế bản, đang dần từng bước hiện đại hoá công đoạn này.

Khâu chế bản này là rất quan trọng, nó quyết định đến chất lượng sản phẩm rất lớn vì nó điều chỉnh hệ thống vi lỗ xốp trên bề mặt tờ nến bản in, để cho mực có khả năng chui qua khi ép in được thực hiện.

Tùy từng công nghệ in khác nhau mà sử dụng loại bản, hoá chất hiện khác nhau. Trong công nghệ in offset có thể dùng các loại bản diazo, bản offset khô, bản đa kim loại… Mỗi loại bản lại dùng dung dịch hiện khác nhau như bản diazo thì dung

(7)

dịch hiện là dung dịch NaOH loãng hoặc dung dịch mang tính kiềm hoặc nước ấm đối với bản diazo có màng cảm quang cô cứng, bản offset khô thì dung dịch hiện là cồn hay hidrocacbua no…[7].

Trong công nghệ in flexo dùng bản photopolime và dung dịch hiện là cồn [7]. Trong công nghệ in lõm thì bản in sử dụng là bản in Fe/Cu và dung dịch dung dịch ăn mòn FeCl3 [7].

I.2.3. Công đoạn in và sau in

Sau khi bản in bằng giấy nến nhạy nhiệt đã được chế bản xong, tiến hành in thử và điều chỉnh tay kê đầu, tay kê nách, đầu giấy vào, đầu giấy ra và tiền hành in sản lượng.

Cũng như các công nghệ in khác trong quá trình in luôn phải theo dõi kiểm tra chất lượng sản phẩm đề tiếp thêm giấy và mực. Kiểm tra chế độ mực in có cấp đều không, để có thể điều chỉnh cho phù hợp, nhất là khi in màu cần kiểm tra độ chồng màu.

Phần gia công sau in tương tự như in Offset các công đoạn gồm : gấp, lồng, vào bìa, đóng gáy hoặc vào hồ bìa, cắt xén và đóng gói. Qua các công đoạn đều được kiểm tra nghiên ngặt theo qui trình kỹ thuật, sao cho sản phẩm đạt chất lượng cao được thị trường chấp nhận.

Quy trình in này có thể biểu diễn theo sơ đồ hình I.1.

I.3. Một số loại hình công nghệ in

I.3.1. In offset

In offset là một kỹ thuật in phổ biến nhất trong in ấn đương đại. Các hình ảnh dính mực in được ép lên các tấm cao su (gọi là các tấm offset). Sau đó mới ép từ miếng cao su lên giấy. Khi sử dụng với in thạch bản, kỹ thuật này tránh được việc làm nước bị dính lên giấy theo mực in [11].

(8)

Hình I.1. Sơ đồ công nghệ in [5] Bản mẫu Chữ Hình ảnh Vi tính Tách mầu _{điện tử} Giấy can Dung dịch hiện phim – định phim Phim Nước rửa, vệ sinh, … Bình Nước rửa, bản hỏng,… Phơi _{Bức xạ nhiệt.} Ánh sáng Bản in sống Hiện NaOH H₂O₂ Cồn FeCl₃

Nước thải có chứa NaOH, cồn, FeCl_3,… Nước ngưng, cồn bay hơi, VOCs In Mực Giấy NH₄H₂PO₄ Axit benzoic Hóa chất tẩy rửa

Khí thải, bụi, rung động và tiếng ồn.

Nước thải mang các chất màu, dầu mỡ, dung môi hữu cơ, kim loại,…

Giấy bản in Gia công

(9)

Hình I.2. Quy trình in offset [11]

In offset là phương pháp in phẳng, các thông tin hình ảnh được thể hiện trên bản in có tính quang hoá để tạo ra các phần tử in bắt mực và phần tử không in thì bắt nước. Ngoài ra hình ảnh trên khuôn in phải là hình ảnh thuận, tức là cùng phương với tờ in sẽ được in ra.

Các ưu điểm của kỹ thuật in này là:

• Chất lượng hình ảnh cao-nét và sạch hơn in trực tiếp từ bản in lên giấy vì miếng cao su áp đều lên bề mặt cần in.

• Khả năng ứng dụng in ấn lên nhiều bề mặt, kể cả bề mặt không phẳng (như gỗ, vải, kim loại, da, giấy thô nhám).

• Việc chế tạo các bản in dễ dàng hơn.

• Các bản in có tuổi thọ lâu hơn – vì không phải trực tiếp tiếp xúc với bề mặt cần in.

I.3.2. In flexo

In flexo là một phương pháp cao trực tiếp dạng trục quay có các phần tử in cao hơn phần tử không in và bản in sử dụng là cao su hay photopolyme có tính đàn hồi. Bản in được gắn vào trục bản có các chu vi khác nhau và được chà mực bởi lô định lượng mực (lô anilox) có cấu trúc các vi lỗ, có thể có hoặc không có hệ thống dao gạt mực. Mực in dạng lỏng có khả năng khô nhanh truyền lên khuôn in và chúng được in lên bất kỳ một loại vật liệu nào, cả vật liệu thấm hút và không thấm hút [11].

(10)

I.3.3. In lưới

In lưới có nguồn gốc xa xưa là in dùng khuôn thủng (in giấy nến).

Theo phương thức in này, từ một khung gỗ hình chữ nhật với kích thước tùy thuộc vào kích thước vật phẩm/ấn phẩm cần in ấn. Trên khung này, đặt một tấm “vải” mỏng (ban đầu là lụa, bây giờ là polyester) và kéo căng ra. Đây là bản phim. Kết hợp với hình ảnh cần in, dùng một loại hóa chất nhạy cảm với tia cực tím để “cắt” lỗ và tạo hình ảnh cần in bằng ánh sáng. Sau đó đặt ấn phẩm lên trên một bàn phẳng và đặt bản phim lên trên vị trí cần in. Cho mực in dưới dạng đặc vào và dùng một miếng gạt, quét mực in chảy qua bản in và in lên trên ấn phẩm/vật phẩm [11].

Đối với thiết kế nhiều màu, phải thực hiện quá trình này nhiều lần, bắt đầu với màu sáng nhất cho đến màu tối nhất.

I.3.4. In ống đồng

Phương pháp in ống đồng là phương pháp in trực tiếp cho nên hình ảnh trên khuôn phải là hình ảnh ngược. Hình ảnh được tạo ra trên khuôn in bằng phương pháp phơi rồi ăn mòn hoặc phương pháp khắc điện tử. Toàn bộ những phần tử in được t’ram hóa. Mạng t’ram tạo ra những “bờ thành” có độ cao bằng nhau và qua đó thanh gạt mới gạt hết mực trên những bờ thành này. Nghĩa là những phần tử không in sẽ được gạt sạch mực trên bề mặt của chúng trước khi tiến hành in lên giấy, còn ở những phần tử in mực vẫn nằm lại trên khuôn in [11].

Loại khuôn in có diện tích bề mặt t’ram thay đổi ngày nay ít được sử dụng, kể cả các loại khuôn có độ nông sâu của những điểm t’ram thay đổi cũng ít được sử dụng. Do phương pháp chế tạo khuôn in của chúng phức tạp và lâu theo kiểu phơi chụp và ăn mòn. Phương pháp chế khuôn in lõm được sử dụng nhiều hiện nay là phương pháp quét khắc điện tử.

I.4. Đặc trưng nước thải trong ngành in và tác động của nó đến môi

trường sinh thái

Nước thải được sinh ra từ các công đoạn làm phim, quá trình chế tạo khuôn in, quá trình in và dung dịch tẩy rửa trong quá trình in. Mỗi công nghệ in khác nhau thì sinh ra nước thải có các thành phần khác nhau, nó đặc trưng cho mỗi loại hình công nghệ đó.

I.4.1. Công đoạn làm phim

Nước thải trong công đoạn làm phim gồm [7]:

•Các chất hiện hình là các dẫn xuất của benzol và naphtalin như: hyđro quinon, metol…

•Các chất tăng tốc trong quá trình hiện phim như KOH, NaOH, Na2CO3, K2CO3, Na2B4O7, các chất chống Voal như KBr, benzotriajol, tetrajol,…

(11)

•Các chất bảo quản như Na2SO3, các chất hiện bản cho công nghệ in offset như Natri silacat, NaOH, các chất mang tính kiềm.

I.4.2. Quá trình chế tạo khuôn in

Trong quá trình chế tạo khuôn in offset thì trong nước thải còn có thể chứa các kim loại như Zn, Al, Pb, Cr, Ni, Fe, Cu....

Các hoá chất sử dụng trong quá trình tạo màng của bản in như các chất tạo màng PVA, novolac, gelatin và các chất nhạy sáng như O-Napthoquinon-diazid, bicromat, các muối của axit cacboxylic…

Ngoài ra, trong quá trình chế tạo bản đa kim loại sinh ra nước thải chứa các chất độc hại như CuSO4, H2SO4, CrO3, AgNO3, NaOH, Na2SO4, NaHSO3, H2CrO3, CaCl2, HCl, KOH, NaOCl,… quá trình hiện bản nước thải có thể chứa các chất mang tính kiềm như NaOH, Na2SiO3, glyxerin, parafin hay các dung môi hữu cơ như cồn, tricloetylen, butanol và một vài dung mỗi hữu cơ khác.

Nước thải trong quá trình chế tạo khuôn in lõm có thể chứa nhiều hoá chất độc hại như Na2Cu(CN) 3, CuSO4, H2SO4, Fe2SO3, gelatin, FeCl3 , muối crôm, KOH, các chất tẩy rửa, HCl dùng để pha chế dung dịch mạ đồng rất độc có khả năng ăn mòn mạnh và gây bỏng...

Trong công nghệ in Flexo nước thải có thể chứa các hoá chất dùng tạo bản như các chất khơi mào (antracquinon, benzophenol, benzoin), các monome (acrylatmetaerylat, arcylamit, metacrylamit, arylete...), các oligom (PAD, polyvinylankol, polyacrylat, PES, polyaretan,...) dung dịch hiện bản photopolyme như cồn.

Nước thải từ quá trình chế khuôn in lưới có thể chứa các chất như các muối bicrômat, PVA, axit oxalic, muối mangan,… [7].

I.4.3. Quá trình in

Trong quá trình in cũng sử dụng rất nhiều hoá chất khác nhau nên trong nước thải có thể sẽ chứa nhiều chất thải độc hại như [5]:

•NH4, H3PO4 dùng trong dung dịch ẩm, axit benzoic có thể dùng sản phẩm làm chất đệm trong dung dịch ẩm.

•Axit Oxalic dùng để tẩy dầu mỡ và tẩy màng PVA.

•H3PO4 dùng để xử lý bề mặt bản và tăng tính thầm ướt bề mặt và pha chế dung dịch và đệm máng nước.

•Axit tactric và axit xitric dùng để chế dung dịch đệm máng nước.

•Bột tan Mg3(OH).(Si4O10) dùng xoa bề mặt tấm cao su và trục lô in, CaCO3 dùng để làm bột phun chống bẩn tờ in.

•Cồn etylic, isopropylic: dùng trong máng nước.

(12)

•Lưu huỳnh dùng để xoa tấm cao su.

•Các loại xăng, cồn và dung môi dùng để rửa lô

•Mực in, mạt giấy

Như vậy nước thải ở công đoạn in mang màu, chứa nhiều dầu, mỡ, các chất lơ lửng khó tan trong nước, các dung môi hữu cơ và có thể chứa cả kim loại và các chất hữu cơ, vô cơ rất độc.

Ngoài ra trong quá trình sản xuất còn sinh ra một lượng lớn từ nước thải sinh hoạt và tẩy rửa.

Như vậy một nhà máy in có nước thải từ nhiều nguồn khác nhau, mỗi nguồn có đặc thù riêng. Nước thải ngành in có sự dao động về lưu lượng và tải lượng ô nhiễm. Nó biến đổi theo mùa, theo thời gian, tuỳ thuộc vào công nghệ in, phương pháp in và thiết bị in, loại phim, loại bản mà nhà máy sử dụng. Ngoài ra còn có nước thải sinh hoạt. Ngành in thải ra môi trường lượng không lớn nước thải nhưng nó thải ra nhiều tác nhân gây ô nhiễm, có nhiều chất độc hại gây ô nhiễm nguồn nước, gây độc hại tới các loài thuỷ sinh. Nước thải ra bên ngoài có đầy đủ các hoá chất sử dụng trong quá trình sản xuất từ ít độc đến rất độc, có màu, có nhiều dầu mỡ và dung môi hữu cơ, có các chất rắn không tan trong nước.

(13)

CHƯƠNG II

CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Trong dây chuyền xử lý nước thải ngành in thường sử dụng nhiều phương pháp. Ở đây chỉ xin giới thiệu một số phương pháp cơ bản sau:

II.1. Phương pháp cơ học

II.1.1. Quá trình lắng

Quá trình lắng được dùng loại các tạp chất ở dạng huyền phù thô ra khỏi nước thải. Sự lắng diễn ra dưới tác dụng của trọng lực. Theo chức năng, bể lắng được phân thành 3 loại: bể lắng cát, bể lắng cấp I, và bể lắng cấp II (bể lắng trong).

a) Bể lắng cát

Bể lắng cát được dùng để tách các tạp chất rắn vô cơ không tan có kích thước 0,2 ÷ 2 mm.

Dựa vào nguyên lý làm việc, bể lắng cát được chia thành: bể lắng ngang và bể lắng đứng.

Bể lắng cát ngang là một kênh hở có tiết diện hình chữ nhật, tam giác hoặc hình thang. Chiều sâu bể khoảng 0,25÷1m. Tỉ lệ chiều rộng và chiều sâu bể B/H = 1:2. Vận tốc dòng chảy trong bể không được vượt quá 0,3m/s. Thực tế bể lắng cát thường được thiết kế hai ngăn luân phiên nhau làm việc và cạo cặn.

* Bể lắng ngang

Bể lắng ngang là bể hình chữ nhật, có hai hay nhiều ngăn hoạt động đồng thời. Trong bể lắng ngang, dòng nước thải chảy theo phương nằm ngang qua bể.

Chiều sâu bể lắng ngang H=1,5÷4m, chiều dài L = (8÷12)H, chiều rộng B = 3÷6m. Bể lắng ngang thường sử dụng khi lưu lượng nước thải trên 15000m3_/ngày. Hiệu suất lắng đạt 60%.

* Bể lắng đứng

Bể lắng đứng có dạng hình hộp hoặc hình trụ với đáy hình chóp. Nước tahỉ được đưa vào ống phân phối ở tâm bể. Nước phải chuyển động theo phương đứng từ dưới lên trên tới vách tràn. Chiều cao vùng lắng từ 4 đến 5 m. Hiệu suất bể lắng đứng thường thấp hơn bẻ lắng ngang từ 10÷20%.

* Bể lắng theo phương bán kính

Bể này có tiết diện tròng, đường kính 16÷40m. Nước thải được dẫn vào bể theo chiều từ tâm ra thành bể và thu vào máng tập trung rồi dẫn ra ngoài.

Bể này áp dụng cho các trạm xử lý có lưu lượng trên 20000m3_{/ngày đêm. Hiệu} suất đạt 60%.

Căn cứ vào các yếu tố: lưu lượng nước thải và nồng độ các chất lơ lửng để chọn bể lắng cát thích hợp. Bể lắng cát loại ngang vẫn thông dụng nhất.

(14)

II.1.2. Lọc L c đọ ượ ức ng dụng đ tách các t p ch t phân tán có kích thể ạ ấ ướ c nh khi không th lo i đỏ ể ạ ược b ng phằ ương pháp l ng. Quá trình l cắ ọ có th di n ra dể ễ ưới tác d ng c a áp su t th y t nh c a c t ch tụ ủ ấ ủ ĩ ủ ộ ấ l ng ho c áp su t cao trỏ ặ ấ ước vách ng n hay áp su t chân khôngă ấ sau vách ng n.ă V t li u l c d ng h t là cát th ch anh, than c c, s i đá, đáậ ệ ọ ạ ạ ạ ố ỏ nghi n th m chí c than g . Nh ng thông d ng nh t là cát. Kíchề ậ ả ỗ ư ụ ấ thước hi u qu c a h t cát thệ ả ủ ạ ường dao đ ng trong kho ng 0,15ộ ả mm đ n vài mm, kích thế ước l r ng thỗ ỗ ường có giá tr n m trongị ằ kho ng 10ả ÷100 µm. Kích thước này l n h n nhi u so v i kích thớ ơ ề ớ ướ c c a nhi u h t c n nh c n tách lo i, ví d nh vi khu n (0,5ủ ề ạ ặ ỏ ầ ạ ụ ư ẩ ÷5 µm) ho c vi rút (0,05 ặ µm). Do đó, nh ng h t này có th chuy n đ ngữ ạ ể ể ộ xuyên qua l p v t li u l c. Trong quá trình l c, các c n b n đớ ậ ệ ọ ọ ặ ẩ ượ c tách kh i nỏ ước nh tờ ương tác gi a các h t c n và v t li u l c theoữ ạ ặ ậ ệ ọ c ch sau :ơ ế

• Sàng l cọ : X y ra b m t l p v t li u l c khi nả ở ề ặ ớ ậ ệ ọ ước c n x lýầ ử ch a các h t c n có kích thứ ạ ặ ước quá l n, không th xuyên qua l pớ ể ớ v t li u l c.ậ ệ ọ

• L ng ắ : Nh ng h t c n l l ng có kích thữ ạ ặ ơ ử ước kho ng 5 ả µm và kh i lố ượng riêng đ l n h n kh i lủ ớ ơ ố ượng riêng c a nủ ước được tách lo i theo c ch l ng trong các khe r ng c a l p v t li u l c. Tuyạ ơ ế ắ ỗ ủ ớ ậ ệ ọ nhiên, quá trình l ng không có kh n ng kh các h t keo m n cóắ ả ă ử ạ ị kích thước kho ng 0,001ả ÷1 µm.

• H p phấ ụ : Các h t keo đạ ược tách lo i theo c ch h p ph .ạ ơ ế ấ ụ Quá trình này x y ra theo hai giai đo n : v n chuy n các h t trongả ạ ậ ể ạ nước đ n b m t v t li u l c và sau đó k t dính các h t vào bế ề ặ ậ ệ ọ ế ạ ề m t h t v t li u l c. Quá trình này ch u nh hặ ạ ậ ệ ọ ị ả ưởng c a l c hútủ ự (ho c l c đ y) gi a v t li u l c và các h t c n tách lo i, l c hútặ ự ẩ ữ ậ ệ ọ ạ ầ ạ ự quan tr ng nh t là l c Van der Waals và l c hút t nh đi n.ọ ấ ự ự ĩ ệ

• Chuy n hóa sinh h cể ọ : Ho t tính sinh h c c a các thi t b l cạ ọ ủ ế ị ọ có kh n ng d n đ n s ôxy hóa các ch t h u c . Quá trìnhả ă ẫ ế ự ấ ữ ơ chuy n hóa sinh h c hoàn toàn x y ra khi nhi t đ và th i gian l uể ọ ả ệ ộ ờ ư nước trong thi t b l c đế ị ọ ược duy trì thích h p. Do đó, trong thi t bợ ế ị l c ch m, ho t tính sinh h c đóng vai trò quan tr ng h n trongọ ậ ạ ọ ọ ơ thi t b l c nhanh. ế ị ọ

(15)

• Chuy n hóa hóa h cể ọ : Các v t li u l c còn có kh n ngậ ệ ọ ả ă chuy n hóa hóa h c m t s ch t có trong nể ọ ộ ố ấ ước th i nh NHả ư 4+, s t,ắ mangan, …

(16)

II.2. Phương pháp hóa lý

II.2.1. Đông keo tụ

Để tách các chất ô nhiễm ở dạng keo và hòa tan một cách có hiệu quả bằng phương pháp lắng, cần tăng kích thước của chúng thông qua cách liên kết các hạt phân tán thành tập hợp các hạt nhờ sự tác động tương hỗ giữa chúng. Để thực hiện việc này, trước hết cần trung hòa điện tích của chúng (quá trình đông tụ_coagulation), tiếp đến là liên kết chúng với nhau tạo thành các hạt “bông keo” lớn hơn (quá trình keo tụ_flocculation).

Theo thành phần cấu tạo người ta chia hạt “bông keo” thành hai loại:

- Keo ưa nước (Liophitic): Các hạt keo hấp phụ các phần tử của môi trường và được bao bọc bởi lớp vỏ hydrat khá dầy

- Keo kỵ nước (Liophotic): Hầu như không hấp phụ các phần tử của môi trường, thường là keo kim loại, sufua kim loại, các muối.

Trong công nghệ xử lý nước, keo kỵ nước đóng vai trò chủ yếu [4].

Phương pháp đông keo tụ là một trong những phương pháp phổ biến để xử lý nước thải mà đặc biệt là nước thải ngành dệt nhuộm. Trong thực tế, những chất keo tụ thường được sử dụng là Al2(SO4)3.18H2O, FeSO4.7H2O, FeCl3.6H2O.

Do nội dung đồ án nghiên cứu xử lý nước thải ngành in bằng phương pháp keo tụ nên cơ sở lý thuyết và cơ chế của phương pháp này sẽ được trình bày kĩ ở chương III.

II.2.2. Tuyển nổi

Phương pháp tuyển nổi thường được sử dụng để tách các tạp chất (ở dạng rắn hoặc lỏng) phân tán không tan, tự lắmg kém.

Về nguyên tắc, tuyển nổi thường được áp dụng để khử các chất lơ lửng và làm đặc bùn sinh học. Qua trình tuyển nổi được thực hiện bằng cách sục các bọt khí nhỏ (thường là không khí) vào trong pha lỏng. Các khí đó dính kết với các hạt và khi lực nổi của tập hợp các bóng khí và hạt đủ lớn sẽ kéo theo hạt cùng nổi lên bề mặt. Sau đó chúng tập hợp lại với nhau thành các lớp bọt chứa hàm lượng các hạt cao hơn trong chất lỏng ban đầu.

Ưu điểm của phương pháp này so với phương pháp lắng là có thể khử hoàn toàn các hạt nhỏ hoặc nhẹ, lắng chậm trong một thời gian ngắn. Khi các hạt đã nổi lên bề mặt, chúng có thể được thu gom bằng bộ phận vớt bọt [3] .

II.2.3. Hấp phụ

Hấp phụ là phương pháp hiệu quả để giảm nồng độ của các chất hữu cơhòa tan trong nước thải và một số chất hấp phụ đã được sử dụng để loại bỏ màu khỏi nước thải. Vật liệu hấp phụ thường sử dụng gồm than hoạt tính, khoáng vô cơ (silicagen, keo nhôm), các oxit và hydroxit kim loại, các vật liệu hữu cơ,...

(17)

Hấp phụ là quá trình hút khí ( hơi ) hay chất lỏng bằng bề mặt chất rắn xốp. Chất khí hay hơi được hút gọi là chất bị hấp phụ, chất rắn xốp dùng để hút khí hay hơi gọi là chất hấp phụ và những khí không bị hấp phụ gọi là khí trơ. Vật liệu sau hấp phụ có thể hoàn nguyên để sử dụng tiếp.

Nguyên tắc hấp phụ trên các vật liệu được mô tả như sau:

Sự hấp phụ phụ thuộc vào hai yếu tố chính:

- Bản chất và bề mặt riêng của chất hấp phụ: một chất có bề mặt riêng càng lớn thì khả năng hấp phụ càng tốt. Than hoạt tính có bề mặt riêng lớn nhưng kích thước mao quản nhỏ nên hấp phụ kém các chất màu có phân tử lớn, công kềnh. Ngược lại một số chất hấp phụ vô cơ (các khoáng chất, các oxit và hydroxit kim loại) hấp phụ rất tốt các chất màu trên.

- Các dạng liên kết hấp phụ: trong hấp phụ, có hai dạng liên kết hấp phụ là hấp

phụ vật lý và hấp phụ hóa học.

Hấp phụ vật lý được thực hiện bằng các lực Vander Waals, lực liên kết hydro, lực phân tán London. Đây là dạng hấp phụ đa phân tử nhưng lực hấp phụ không lớn lắm nên dễ tách khi tái sinh.

Hấp phụ hóa học được thực hiện thông qua các lực tương tác tĩnh điện hay liên kết cộng hóa trị giữa các chất bị hấp phụ với các “tâm” của các chất hấp phụ. Đây là loại hấp phụ đơn phân tử với lực hấp phụ khá lớn.

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. 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 [9].

II.2.4. 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. Phương pháp này được dùng để khử các kim loại: Zn, Cu, Cr, Pb, Ni, Hg,Cd, V, Mn,… hoặc các hợp chất của asen, photpho, xyanua và các chất phóng xạ,….ra khỏi nước.

II.2.5. Điện hóa

Người ta sử dụng quá trình oxy hóa cực anot và khử catot, đông tụ điện,… để làm sạch nước thải khỏi tạp chất hòa tan và phân tán lớn.

• Tất cả các quá trình này đều xảy ra trên điện cực khi cho dòng điện một chiều đi qua nước thải.

Chất hấp phụ Chất bị hấp phụ _{trong dung dịch} Chất bị hấp _{phụ nằm ở} cân bằng Chất bị hấp phụ liên kết với chất hấp phụ + = ₊

(18)

• Các phương pháp điện hóa cho phép lấy từ nước thải các sản phẩm có giá trị bằng các sơ đồ công nghệ tương đối đơn giản, tự động hóa mà không cần sử dụng các tác nhân hóa học.

• Tuy nhiên phương pháp này tiêu hao năng lượng điện năng lớn.

• Xử lý nước thải bằng phương pháp này có thể tiến hành gián đoạn hoặc liên tục.

II.2.6. Kỹ thuật màng

Có 4 phương pháp bằng màng lọc. Đó là vi lọc, siêu lọc, thẩm thấu ngược và điện thẩm tích. Ba phương pháp đầu phân biệt về nguyên tắc bởi kích thước hạt bị tách dựa trên kích thước lỗ màng. Quá trình vi lọc có đường kính lỗ màng từ 0,1μm ÷ 10 μm; siêu lọc thường với màng có đường kính lỗ trong khoảng 2 ÷ 100nm; còn thẩm thấu ngược với lỗ màng rất nhỏ 0,5 ÷ 2,0nm.

Các quá trình màng, nhất là lọc nano và thẩm thấu ngược kết hợp với một số quá trình xử lý khác (như keo tụ hay ozon hóa) có thể đáp ứng chất lượng nước cho nhu cầu tuần hoàn và sử dụng lại.

Màng sử dụng có độ ổn định cơ, hóa và nhiệt rất tốt, cho phép vận hành với tốc độ dòng cao và bền đối với khoảng pH rộng, nhiệt độ và dung môi. So sánh với các quy trình khác thì mặt bằng lắp đặt yêu cầu đối với quy trình lọc màng là nhỏ hơn và ưu điểm thiết kế cấu tạo dưới dạng modun của nó. Nhược điểm chủ yếu của công nghệ màng là giá thành của màng, thiết bị lọc cao và năng suất thấp [9].

II.3. Các phương pháp hóa học

II.3.1. Phương pháp trung hòa

Nước thải chứa các axit vô cơ hoặc kiềm cần được trung hào đưa về pH khoảng 6,5 đến 8,5 trước khi thải vào nguồn nước hoặc sử dụng cho công nghệ xử lý tiếp theo.

• Trung hòa nước thải có thể thực hiện:

• Trộn lẫn nước thải axit với nước thải kiềm.

• Bổ sung các tác nhân hóa học.

• Lọc nước axit qua vật liệu có tác dụng trung hòa.

• Hấp thụ khí axit bằng nước kiềm hoặc hấp thụ amoniac bằng nước axit. Việc lựa chọn phương pháp nào tùy thuộc vào thể tích và nồng độ nước thải, chế độ thải nước thải, khả năng sẵn có và giá thành của tác nhân hóa học [3].

(19)

II.3.2. Phương pháp oxy hóa và khử

Để làm sạch nước tự nhiên và nước thải người ta có thể dùng các chất oxy hóa như Clo dạng khí và dạng lỏng, điclooxit, CaOCl2, Ca(ClO)2 và Na, KmnO4, K2Cr2O7, H2O2, O2, O3, MnO2,...

Trong quá trình oxy hóa, các chất độc hại trong nước thải chuyển thành các chất ít độc hơn và tách ra khỏi nước. Quá trình này tiêu tốn một lượng lớn các tác nhân hóa học, do đó oxy hóa hóa học chỉ được dùng để loại các tạp chất gây nhiểm bẩn trong nước mà không thể tách bằng phương pháp khác như khử xyanua hay hợp chất hòa tan của As [3].

a) Oxy hóa bằng Clo

Clo và các chất chứa Clo hoạt tính là chất oxy hóa thông dụng nhất, thường được dùng để tách hydrosunfua, hydrosunfit, các hợp chất chứa metylsunfit, phenol, xyanua ra khỏi chất thải.

Ví dụ: Quá trình tách xyanua ra khỏi nước thải được tiến hành ở môi trường kiềm (pH = 9). Xyanua có thể bị oxy hóa tới N2 và CO2 theo phương trình sau:

CN- _{+ 2OH}-_{+ Cl}

2 → CNO- + 2Cl- + H2O 2CNO-_{+ 4OH}-_{+ Cl}

2 → CO2 + 6Cl- + N2 + H2O b) Oxy hóa bằng hydro peoxit

H2O2 được dùng để oxy hóa các nitrit, xyanua, phenol, các chất thải chứa lưu huỳnh và các chất nhuộm mạnh.

Trong môi trường axit, H2O2 thể hiện rõ chức năng oxy hóa, còn trong môi trường kiềm là chức năng khử. Trong môi trường axit, H2O2 chuyển Fe2+ thành Fe3+, HNO2 thành HNO3, SO32- thành SO42-, CN- bị oxy hóa trong môi trường kiềm (pH = 9 – 12) thành CNO-_.

Ngoài tính oxy hóa, người ta còn dùng tính khử của H2O2 để loại Clo ra khỏi nước:

H2O2 +Cl2 → O2 + 2HCl

H2O2 + NaClO → O2 + NaCl + H2O c) Oxy hóa bằng oxy không khí

• O2 trong không khí được dùng để tách Fe ra khỏi nước theo phản ứng: 4Fe2+_{+ O}

2 + 2H2O → 4Fe3+ + 4OH -Fe3+_{+ 3H}

2O → Fe(OH)3↓ + 3H+

• O2 trong không khí còn được dùng để oxy hóa sunfua trong nước thải của các nhà máy giấy, chế biến dầu mỏ và hóa dầu. Quá trình oxy hóa hydrosunfua thành sunfua lưu huỳnh diễn ra như sau:

S2- _{→ S → S}

(20)

2-Khi nhiệt độ tăng, tốc độ phản ứng và mức oxy hóa sunfua và hydrosunfua tăng.

d) Oxy hóa bằng MnO2

MnO2 được dùng để oxy hóa As3+ đến As5+ theo phản ứng sau: H3AsO3 + MnO2 + H2SO4 → H3AsO4 + MnSO4 + H2O

Khi tăng nhiệt độ (nhiệt độ tối ưu 70 – 800_{) thì mức oxy hóa tăng. Quá trình oxy} hóa này thường được tiến hành bằng cách lọc nước thải qua lớp vật liệu MnO2 hoặc trong thiết bị có khuấy trộn với vật liệu đó.

e) Ozon hóa

Oxy hóa bằng ozon cho phép các tạp chất nhiễm bẩn, màu, mùi vị lạ đối với nước, hay có thể làm sạch nước thải khỏi phenol, sản phẩm dầu mỏ, H2S, các hợp chất của As, chất hoạt động bề mặt, xyanua, chất nhuộm, hiđrocacbon thơm, thuốc sát trùng.

Trong xử lý nước bằng ozon, các hợp chất hữu cơ bị phân hủy và xảy ra sự khử trùng đối với nước. Các vi khuẩn chết nhanh hơn so với xử lý nước thải bằng Clo vài nghìn lần.

Ozon có thể oxy hóa tất cả các chất vô cơ và hữu cơ.

Ví dụ: oxy hóa Fe2+_{, Mn}2+_{tạo thành kết tủa hyđroxit hay đioxit permanganat} không tan:

2FeSO4 + H2SO4 + O3 → Fe2(SO4)3 + H2O + O2 MnSO4 + O3 + 2H2O → H2MnO3 + O2 + H2SO4 2H2MnO3 + 3O3 → 2HMnO4 + 3O2 + H2O Oxy hóa NH3 trong môi trường kiềm như sau:

NH3 + 4O3 → NO3- + 4O2 + H2O + H+ f. Làm sạch bằng khử

Phương pháp làm sạch nước thải bằng quá trình khử được ứng dụng trong các trường hợp khi nước thải chứa các chất đẽ bị khử. Phương pháp này được ứng dụng rộng rãi để xử lý các hợp chất thủy ngân, crom, asen.

Phương pháp phổ biến để khử asen là cho nó lắng dưới dạng các hợp chất khó tan, còn các hợp chất chứa crom hóa trị 6 người ta khử nó đến crom hóa trị 3 và cho nó lắng dưới dạng hydroxit trong môi trường kiềm. Chất khử có thể là than hoạt tính, sunfat sắt, bisunfat natri, hydro, dioxit lưu huỳnh, các phế thải hữu cơ.

Ví dụ: Khử bằng dung dịch bisunfat natri:

4H2CrO4 + 6NaHSO3 + 3H2SO4 → 2Cr2(SO4)3 + 3Na2SO4 + 10H2O

Để lắng Cr(III), người ta ứng dụng tác chất kiềm Ca(OH)2, NaOH (giá trị tối ưu là pH = 8 – 9,5):

Cr3+_{+ 3OH}- _{→ Cr(OH)} 3

(21)

Sử dụng sunfat sắt dễ thu được kết quả tốt. * Trong môi trường axit:

2CrO3 + 6FeSO4 + 6H2SO4 → 3Fe2(SO4)3 + Cr2(SO4)3 + 6H2O * Trong môi trường kiềm:

2Cr2O3 + 6FeSO4 + 6Ca(OH)2 + 6H2O → 2Cr(OH)3 + 6Fe(OH)3 + 6CaSO4

Có thể lắng Cr(III) bằng axetat bari (Cr(VI) lắng dưới dạng cromat bari). Ưu điểm của phương pháp này là có thể xử lý đồng thời Cr(VI) và ion SO42-.

II.4. Phương pháp sinh học

Phương pháp này đựa trên khả năng của vi sinh sử dụng đối với chất này làm chất dinh dưỡng trong hoạt động sống. Phương pháp này ứng dụng để loại các chất hữu cơ hòa tan và một số chất hữu cơ ra khỏi nước thải sinh hoạt và công nghiệp.

Để thực hiện qua trình oxy hóa sinh hóa, các chất hữu cơ hòa tan, cả các chất keo và phân tán nhỏ trong nước thải cần được di chuyển vào trong tế bào vi sinh vật.

Có ba phương pháp xử lý sinh hóa là hiếu khí, yếm khí và tùy tiện.

Xử lý hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh hô hấp hiếu khí. Để chúng hoạt động tốt cần đảm bảo có dòng oxy cố định và nhiệt độ 20-40o_C.

Quá trình xử lý yếm khí diễn ra không cần oxy, được ứng dụng để khử cặn độc. Quá trình xử lý tùy tiện sử dụng vi sinh vật hô hấp tùy tiện.

II.4.1. Phương pháp hiếu khí

Quá trình này có thể xảy ra ở điều kiện tự nhiên hoặc trong các công trình nhân tạo.

a) Xử lý nước thải trong công trình nhân tạo

Việc xử lý nước thải trong điều kiện nhân tạo được tiến hành trong bể thông khí (aerotank) hoặc thiết bị sinh học.

* Xử lý trong các bể thông khí

Trong các xử lý hiếu khí, các vi sinh vật sinh trưởng ở trạng thái huyền phù.Quá trình xử lý trong aerotank diễn ra theo dòng nước thải được sục khí và trộn với bùn hoạt tính. Việc sục khí đảm bảo hai yêu cầu của quá trình: bão hòa O2 vào trong nước và duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng.

Nước thải được đưa vào trong bể lắng, để tăng cường sự lắng các hạt lơ lửng có thể đưa vào một phần bùn hoạt tính, sau đó nước trong đi vào bể ổn định – thông khí sơ bộ, đưa thêm vào đây một phần bùn hoạt tính từ bể lắng đợt II.

Các quá trình sinh học xảy ra xảy ra trong aerotank được chia thành 2 giai đoạn:

• Hấp thụ các chất hữu cơ trên bề mặt bùn hoạt tính và khoáng hóa các chất dễ bị oxy hóa với xự tiêu thụ mãnh liệt oxy.

(22)

• Oxy hóa bổ sung các chất khó bị oxy hóa, tái sinh bùn hoạt tính. ở giai đoạn này oxy hóa tiêu thụ chậm.

Buøn Beå laéng 1 Nöôùc chöa

xöû lyù

Buøn tuaàn hoaøn

Buøn thaûi Beå laéng 2

Beå aerotank _Nöôù_{c thaû}_i sau xöû lyù

Hình II.1 : Bể aeroten thông thường * Xử lý trong thiết bị lọc sinh học

Bể lọc sinh học là thiết bị phản ứng sinh học trong đó các vi sinh vật sinh trưởng cố định trên lớp màng bám trên lớp vật liệu lọc ( môi trường lọc). Nước thải được chảy từ trên xuống và được lọc qua lớp vật liệu bao phủ màng vi sinh. Vi sinh trong màng oxy háo các chất hữu cơ, sử dụng chúng làm nguồn dinh dưỡng và năng lượng. Vì vậy chất hữu cơ được tách ra khỏi nước. Đồng thời khối lượng màng sinh học tăng lên. Màng sinh học chết trôi theo nước thải ra khỏi thiết bị.

Vật liệu đệm có thể là đá dăm, xỉ, đá cuội, keramit, vòng sứ nhựa hoặc kim loại. Cường độ oxy hóa trong thiết bị lọc sinh học thấp hơn trong aerotank.

Thiết bị lọc sinh học được dùng xử lý nước với năng suất đến 1000m3_/ngày đêm nếu BOD < 200mg/l [8].

b) Làm sạch nước thải trong điều kiện tự nhiên

Cơ sở của phương pháp này là dựa vào khả năng tự làm sạch của đất và nguồn nước. Việc xử lý nước thải được thực hiện trên các công trình :

* Cánh đồng tưới

Dẫn nước thải theo hệ thống mương đất trên cánh đồng tưới, dùng bơm và ống phân phối phun nước thải lên mặt đất. Một phần nước bốc hơi, phần còn lại thấm vào đất để tạo độ ẩm và cung cấp một phần chất dinh dưỡng cho cây cỏ sinh trưởng. Phương pháp này chỉ được dùng hạn chế ở những nơi có khối lượng nước thải nhỏ, vùng đất khô cằn xa khu dân cư, độ bốc hơi cao và đất luôn thiếu độ ẩm.

Ở cánh đồng tưới không được trồng rau xanh và cây thực phẩm vì vi khuẩn, virút gây bệnh và kim loại nặng trong nước thải chưa được loại bỏ sẽ gây tác hại cho sức khỏe của người sử dụng các loại rau và cây thực phẩm này.

(23)

* Ao sinh học

Ao sinh học là dãy ao gồm 3-5 bậc, qua đó nước thải chảy vào với vận tốc nhỏ, được lắng trong và xử lý sinh học.

Nước thải được xả vào những nơi vận chuyển và chứa nước có sẵn trong tự nhiên để pha loãng chúng và tận dụng khả năng tự làm sạch của các nguồn nước tự nhiên.

Khi xả nước thải vào nguồn tiếp nhận, nước của nguồn tiếp nhận sẽ bị nhiễm bẩn. Mức độ nhiễm bẩn phụ thộc vào: lưu lượng và chất lượng nước thải, khối lượng và chất lượng nước có sẵn trong nguồn, mức độ khuấy trộn để pha loãng. Khi lưu lượng và tổng hàm lượng chất bẩn trong nước thải nhỏ so với lượng nước của nguồn tiếp nhận, ôxy hòa tan có trong nước đủ để cấp cho quá trình làm sạch hiếu khí các chất hữu cơ. Tuy nhiên, các chất lơ lửng, vi trùng gây bệnh và kim loại nặng,…nếu không loại bỏ trước vẫn đe dọa đến sức khỏe và sinh hoạt cộng đồng thông qua hoạt động của các loài cá, chim và các loài sinh vật có ích khác.

* Hồ sinh học hiếu khí

Có diện tích rộng, chiều sâu cạn. Chất hữu cơ trong nước thải được xử lý chủ yếu nhờ sự cộng sinh giữa tảo và vi khuẩn sống ở dạng lơ lửng. Ôxy cung cấp cho vi khuẩn nhờ sự khuếch tán qua bề mặt và quang hợp của tảo. Chất dinh dưỡng và CO2 sinh ra trong quá trình phân hũy chất hữu cơ được tảo sử dụng. Hồ hiếu khí có hai dạng: (1) có mục đích là tối ưu sản lượng tảo, hồ này có chiều sâu cạn 0,15 – 0,45 m; (2) tối ưu lượng ôxy cung cấp cho vi khuẩn, chiều sâu hồ này khoảng 1,5 m. Để đạt hiệu quả tốt có thể cung cấp ôxy bằng cách thổi khí nhân tạo.

Taûo Vi khuaån Taûo môùi Chaát höõu cô Naêng löôïng maët trôøi Vi khuaån môùi O2 CO ,NH_{PO ,H O} 4 3 2 3- 2

Hình II.2. Mối quan hệ cộng sinh giữa tảo và vi sinh vật trong hồ hiếu khí

II.4.2. Phương pháp yếm khí

Phương pháp này được ứng dụng để lên men bùn cặn sinh ra trong quá trình xử lý bằng phương pháp sinh học, cũng như nước thải công nghiệp chứa hàm lượng các

(24)

chất hữu cơ cao (BODtp = 4-5g/l). Đây là phương pháp cổ điển nhất dùng để ổn định bùn cặn , trong đó các vi khuẩn yếm khí phân hủy các chất hữu cơ.

Để xử lý nước thải, người ta sử dụng quá trình lên men metan. Người ta thường giải thích quá trình lên men khí metan gồm hai pha: pha axit và pha kiềm (hay pha metan).

Trong pha axit, các vi khuẩn tạo axit (bao gồm các vi khuẩn tùy tiện, vi khuẩn yếm khí) hóa lỏng các chất rắn hữu cơ sau đó lên men các chất hữu cơ phức tạp đó tạo thành các axit bậc thấp như axit béo, cồn, axit amin, amoniac, glyxerin, axeton, dihydrosunfua, CO2, H2.

Trong pha kiềm, các vi khuẩn tạo metan chỉ gồm các vi khuẩn yếm khí chuyển hóa các sản phẩm trung gian trên tạo thành CH4 và CO2.

(25)

CHƯƠNG III

QUÁ TRÌNH ĐÔNG KEO TỤ

III.1. Cơ chế quá trình keo tụ

III.1.1. Tính chất hạt keo II.1.1.1 Cấu tạo hạt keo

Cấu tạo hạt keo được thể hiện trên hình III.1:

Hình III.1. Khái niệm về lớp điện tích kép

Hình III.2. Mô tả điện thế trên bề mặt hạt keo

(26)

• Nhân hạt keo: là tập hợp nhiều phân tử, nguyên tử hoặc ion đơn giản cũng có trường hợp do sự chia nhỏ của hạt lớn hơn liên kết với nhau, được bao bọc bởi một lớp vỏ ion. Sự hấp phụ một loại ion nào đó trong dung dịch tạo nên lớp vỏ ion này.

• Lớp điện tích kép: hình thành bởi các ion trái dấu với lớp vỏ ion. Nó gồm hai lớp tích điện ngược dấu nhau nhưng cấu tạo phức tạp và luôn luôn biến đổi dưới tác động bên ngoài (môi trường, pH, lực ion, nhiệt độ, …)

• Lớp ion khuếch tán: hình thành ở phần ngoài của lớp điện tích kép.

Khi cho tác nhân keo tụ vào nước, keo kị nước hình thành sau quá trình thủy phân các chất này. Nhờ có điện tích bề mặt lớn nên chúng có khả năng hấp phụ chọn lọc một loại ion trái dấu bao bọc quanh bề mặt hạt keo. Lớp vỏ ion này cùng với lớp phân tử bên trong tạo thành hạt keo. Bề mặt nhân hạt keo mang điện tích của lớp ion gắn chặt lên đó, có khả năng hút một số ion tự do mang điện tích trái dấu. Như vậy, quanh nhân hạt keo có hai lớp ion mang điện trái dấu bao bọc, gọi là lớp điệc tích kép của hạt keo. Lớp ion ngoài cùng do lực liên kết yếu nên thường không đủ điện tích trung hòa với điện tích bên trong và do vậy hạt keo luôn mang một điện tích nhất định. Để cân bằng điện tích trong môi trường, hạt keo lại thu hút quanh mình một số ion trái dấu ở trạng thái khuếch tán [8].

II.1.1.2. Tính chất chung của hạt keo

Các hạt keo tồn tại lơ lửng trong dung dịch , chịu tác động bởi hai lực đối nhau:

• Lực hút phân tử Van der Waals có khuynh hướng kết hợp các hạt keo lại khi chúng ở một khoảng cách rất gần nhau.

• Lực đẩy tĩnh điện: ngăn cản sự kết hợp các hạt keo tích điện cùng dấu. Các lực này luôn tồn tại giữa các hạt keo và độ lớn của chúng thay đổi tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa các hạt và đặc biệt chúng độc lập với ion của nước. Độ ổn định của hạt keo phụ thuộc vào tổng lực hấp dẫn và lực đẩy. Nếu lực tổng hợp là lực hút thì xảy ra quá trình keo tụ. Khi các hạt keo kết dính với nhau, chúng tạo thành các hạt có kích thước lớn hơn gọi là bông cặn và có khả năng lắng nhanh.

(27)

X X

Hình III.3. Cường độ ion cao Hình III.4.Cường độ ion thấp Sơ đồ năng lượng tương tác của các hạt keo [8]

Để làm mất sự ổn định của các hạt keo thì phải giảm hàng rào năng lượng hay nói cách khác là giảm thể năng zeta bằng cách cho thêm các chất đông tụ.

Thế năng Zeta: là điện thế tính từ mặt trượt của hạt và trong lòng dung dịch hay

nói cách khác là hiệu thế giữa lớp cố định và lớp chuyển động. Thế năng zeta phụ thuộc vào thể nhiệt động E và chiều dày của hai lớp.

Thế năng Zeta chi phối sự dịch chuyển của các hạt keo và có tác động qua lại lẫn nhau. Mối quan hệ giữa thế năng Zeta và độ di động điện chuyển [4]:

me =

η

ε

.

k

Z

.

Trong đó: - me: độ di động điện chuyển - ε: Hằng số điện của môi trường - k: hệ số thường chọn từ 4÷6 - η: độ nhớt động học

Để lực hút thắng lực đẩy thì điện thế zeta phải nhỏ hơn 0.03V và quá trình keo tụ càng đạt hiệu quả khi điện thế zeta tiến tới 0.

II.1.2. Cơ chế keo tụ

Ở đây nghiên cứu sự keo tụ bằng chất điện ly vì có ý nghĩa lý thuyết và thực tế quan trọng.

Nguyên tắc:

Khi tăng nồng độ hoặc hóa trị của ion trong dung dịch, sẽ làm giảm bề dày lớp điện tích kép, làm giảm điện thế zeta của hạt. Khi thế điện động giảm đến cực tiểu hoặc khi thế zeta ξ→ 0 thì lực đẩy của hạt giảm đến cực tiểu, lực hút trội hơn, sự keo

(28)

p

ppppp

tụ sẽ xảy ra. Các hạt sẽ sa lắng độc thân, nhưng thường kết dính, tập hợp lại và sa lắng.

Các quy tắc keo tụ bằng chất điện ly

• Ion keo tụ có điện tích ngược dấu với ion keo.

• Ngưỡng keo tụ tỉ lệ nghịch với hóa trị của ion gây keo tụ.

• Ngưỡng keo tụ của chất điện ly đối với sự keo tụ là nồng độ tối thiểu của chất điện ly cần có trong hệ keo để hiện tượng keo tụ bắt đầu xuất hiện.

II.1.2.1. Nén ép lớp khuếch tán

Các ion nằm trong lớp khuếch tán là các ion đối của ion tạo thế. Chính số lượng và sự phân bố của các ion đối trong lớp khuếch tán quyết định giá trị điện thế zeta ở bề mặt trượt (bề mặt ngoài của lớp hấp phụ - lớp kép).

Khi trong dung dịch có các chất điện ly lạ (không có các ion trong thành phần của nhân keo) có ion đối cùng tên và “mạnh” hơn ion đối ở lớp khuếch tán. Các ion đó đi vào bên trong của mặt trượt, làm độ dày của lớp khuếch tán “mỏng” đi và do đó thế zeta giảm xuống, có thể đến 0, đến trạng thái đẳng điện. Hạt keo sẽ bị nén ép lại, tạo điều kiện cho các hạt huyền phù tiếp cận nhau, tính bền của hệ keo sẽ kém đi. Sự keo tụ theo cơ chế này chỉ diễn ra chủ yếu với các hệ keo có thế năng cao, độ dày lớp khuếch tán không lớn và nồng độ ion của dung dịch nhỏ.

Các ion keo tụ “mạnh” là: ion có hóa trị cao và có bán kính thực lớn (không kể độ dày của vở solvat).

Cơ chế tác dụng keo tụ tuân theo lý thuyết DLVO (tên của các tác giả Deryagin, Landau, Verwey và overbeck): Ion của chất điện ly cùng dấu với điện tích của bề mặt thì bị đẩy và ion đối của nó thì bị hút. Sự keo tụ chỉ diễn ra khi nồng độ chất điện ly đạt một giá trị tối thiểu nào đó gọi là ngưỡng keo tụ. Ngưỡng keo tụ (Cγ )

quan hệ với hóa trị và nồng độ ion theo công thức [4]:

6 6 2 5 3 . . ) . ( Z C A T K Kx C_γ = ε p Với - K: là hằng số - A: là hằng số tương tác hút tĩnh điện - ε: là hằng số điện môi.

- Z: hóa trị của ion đối. - Kp : Hằng số Boltzmann - T: Nhiệt độ tuyệt đối (0_K)

(29)

Sự phá bền của hệ keo do hấp phụ và trung hòa điện tích khi sử dụng muối kim loại diễn ra như sau: đầu tiên quá trình thủy phân của các ion kim loại tạo thành phức hydroxo đơn giản, sau đó hình thành các keo polime hydroxo, cuối cùng là kết tủa hydroxit kim loại. Các ion dương trên hấp phụ gây trung hòa điện tích âm của bề mặt hạt huyền phù, giảm lực đẩy giữa các hạt tạo điều kiện cho các hạt huyền phù trung hòa điện tích tiếp cận tương tác với nhau tạo thành các hạt lớn. Cơ chế này chỉ xảy ra khi hệ huyền phù mang điện tích âm tức là trong vùng pH lớn hơn pH đẳng điện của hệ huyền phù.

Các hạt keo nhôm hay sắt có thể làm đảo dấu điện tích làm hệ huyền phù bền trở lại. Nguyên nhân này là do sử dụng tác nhân keo tụ quá liều lượng. Lực tương tác là tổ hợp các lực tĩnh điện và lực hóa học làm các hạt huyền phù đảo dấu tích điện và gây ra sự tái bền hệ.

II.1.2.3.Cơ chế dính bám và kết tủa

Khi các muối kim loại hay các oxit, hydroxit kim loại dùng làm chất keo tụ có nồng độ cao chúng sẽ kết tủa nhanh dưới dạng các bông keo hydroxit. Các hạt keo có thể dính vào khối kết tủa các hydroxit tùy thuộc độ quá bão hòa của dung dịch. Để kết tủa nhanh, thì tỷ số:

[

][ ]

. ₁₀₀ ≥ − + s n K OH Me

- [Men+], [OH-] là nồng độ mol của ion kim loại, hydroxyl trong dung dịch;

- Ks là tích số tan của ion Me(OH)n.

Khi các hạt kết tủa tích điện dương, kết tủa sẽ tăng với sự có mặt của các anion trong dung dịch. Các hạt keo được xem như là các tâm tạo thành kết tủa.

Hình III.5. Cơ chế dính bám [12] II.1.2.4. Cơ chế kết tủa quét, hấp phụ tạo cầu nối.

(30)

Ngoài các cơ chế trên, quá trình keo tụ còn xảy ra theo cơ chế kết tủa quét, hấp phụ tạo cầu nối giữa các hạt keo. Theo cơ chế kết tủa quét, quá trình thủy phân và tạo polyme xảy ra khi nồng độ ở trạng thái siêu bão hòa. Khi lắng chúng lôi cuốn các hạt keo lắng theo. Khi các polyme hình thành trong hệ hay được bổ sung từ ngoài vào, chúng được hấp phụ lên bề mặt hạt keo và tạo nên cầu nối giữa chúng, tạo thuận lợi để hình thành tập hợp lớn hơn.

Hình III.6. Cơ chế kết tủa quét [12]

III.2. Động học quá trình keo tụ

- Đông tụ là sự phá vỡ tính bền của các hạt keo bằng cách đưa thêm một chất phản ứng gọi là chất gây đông tụ

- Kết bông: Là sự tích tụ các hạt đã bị phá vỡ độ bền đầu tiên thành các bông nhỏ, sau đó thành các cụm bông (flocs) có kích thước lớn hơn và có thể lắng được. Để tăng cường sự hình thành của các flocs, thường sử dụng các chất trợ bông.

- Có hai hiện tượng vận chuyển chi phối quá trình kết bông + Kết bông động học: gây ra do chuyển động nhiệt Brown

Tốc độ kết bông hay sự thay đổi của số lượng hạt theo thời gian được tính theophương trình ; Smoluschowski [4]: 2

3

4 n

.

kF

dt

dn

η

α

−

=

Với:

- n: số phần tử chuyển động hay số hạt trong một đơn vị thể tích - α: hệ số va chạm hiệu dụng của quá trình tạo bông cụm

- k: hằng số boltzmann - T: Nhiệt độ tuyệt đối

(31)

+ Kết bông orthokinelic: Hiện tượng kết bông này có sự liên quan đến năng lượng tiêu tán. Hiệu quả của quá trình kết bông cho phép thu được các khối đông tụ lớn hơn và được tách ra.

Quá trình tách ra phụ thuộc vào chế độ chảy [4]:

- Chế độ chảy tầng: _. _. 2_. 0_. 3 6 1 d G n dt dn₌ _α − - Chế độ chảy rối: _k_._G0_._n2_._d3 dt dn ₌ − Với: - G0_{: Grandien vận tốc ở chế độ chảy tầng} G0₌

dz

dv

(1/s) - d: Đường kính hạt

Trên thực tế, chọn G0 = G là grandien tốc độ trung bình tương ứng với chế độ chảy rối. III.2.1. Grandien tốc độ G [4]: G= η η P k v P . . = Với: - G: Gradien tốc độ (1/s)

- P: công suất tiêu tan (m2_.kg/s3₎ - V: Thể tích chất lỏng (m3₎ - η: Độ nhớt động học (kg/m.s)

G phụ thuộc vào nhiệt độ, được thể hiện qua hệ số K

Bảng III.1. Bảng quan hệ giữa hệ số K và nhiệt độ

Nhiệt độ (0_C) _K 0 23,6 5 25,6 10 27,6 15 29,6 20 31,5 30 35,4 40 38,9

G là một thông số quan trọng tác động đến khả năng va chạm của các hạt. Với đông tụ G = 400÷1000(1/s), với kết bông G = 100(1/s)

(32)

Đây là một thông số cơ bản và rất quan trọng của quá trình. Chế độ động học của hệ thống bị ảnh hưởng bởi các thông số của môi trường như: nhiệt độ, nồng độ chất keo, sự có mặt của các chất kìm hãm.

Việc sử dụng chất phản ứng được đặc trưng bằng tham số không thứ nguyên G.τ (τ thời gian tiếp xúc). Giá trị của τ được xác định bằng thực nghiệm.

III.3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ

III.3.1. pH

Độ pH là yếu tố quan trọng, ảnh hưởng rất lớn đến quá trình.

Các chất gây đục trong nước dạng vô cơ có điểm đẳng điện nằm trong khoảng (5; -5,5), các chất hữu cơ có khoảng đẳng điện rộng hơn. Ở khoảng pH trên vùng đẳng điện, các hạt huyền phù tích điện âm và dưới đó tích điện dương. Keo tụ theo cơ chế hấp phụ và trung hòa điện tích chỉ xảy ra khi pH > pH đẳng điện của hệ huyền phù.

Keo tụ theo cơ chế dính bám, kết tủa; hoặc kết tủa quét và hấp phụ tạo cầu nối xảy ra cũng phụ thuộc nhiều vào pH.

Vì vậy để quá trình xử lý đạt hiệu suất cao nhất, đối với mỗi tác nhân keo tụ cần phải tiến hành ở những vùng pH tối ưu.

Đối với mỗi tác nhân keo tụ lại có dải pH tối ưu khác nhau:

• Al2(SO4)3.18H2O : pHopt=6.5-8.

• FeCl3.6H2O: pHopt = 7-8.5.

• FeSO4.7H2O: pHopt = 9-9.5.

• PAC : pHopt = 6.5-7.6 III.3.2. Hàm lượng chất keo tụ

Hàm lượng chất keo tụ cũng là yếu tố ảnh hưởng gần như quyết định đến quá trình keo tụ. Nếu hàm lượng quá thấp, nhân keo tạo ra ít, không đủ để đông keo tụ, lôi kéo các hạt cặn trong hệ huyền phù, hiệu quả xử lý thấp.

Nếu hàm lượng này quá cao, dư thừa, chúng có thể làm đảo dấu điện tích làm hệ huyền phù bền trở lại.

III.3.3. Chất trợ keo tụ

Chất trợ keo tụ có thể có như polyacrylmine PAA. Việc sử dụng chất trợ keo tụ có vai trò như cầu nối liên kết các bông keo, cho phép hạ thấp liều lượng chất keo tụ, giảm thời gian quá trình và nâng cao tốc độ lắng của bông keo.