Bài giảng Công nghệ môi trường

g không giống nhau, khoảng pH tối ưu cho các hydroxyt kim loại kết tủa dao động từ 8 -12. 48 Hình: Các ngưỡng nồng độ chất thải nhỏ nhất có thể được kết tủa hóa học được cho trong bảng: 49 Trong thực tế, giá trị này còn phụ thuộc vào các vật chất hữu cơ và nhiệt độ nước thải. Như thảo luận ở trên, việc kết tủa phospho trong nước thải thường được thực hiện với các chất keo tụ như muối nhôm, muối sắt các polymer. Cùng với đó, sẽ loại bỏ được một phần các ion vô cơ và một phần các kim loại nặng. Khi mà nước thải công nghiệp và nuớc thải sinh hoạt được xử lý cùng nhau, thường thấy quá trình đồng kết tủa này trong các thiết bị lắng thứ cấp. 1.4.3. Làm mềm nước bằng phương pháp kết tủa Độ cứng của nước chủ yếu là do sự có mặt của ion Ca2+ và Mg2+. Hai tạp chất trên không gây độc cho sức khỏe nhưng gây hại cho các thiết bị: đóng cặn trong nồi hơi, ống dẫn nước, ảnh hưởng đến chất lượng đồ uống, các quá trình lên men. Ví dụ, nước nấu bia chứa trên 10 mg Mg/l, có vị đắng. Một số loại nước sử dụng trong công nghiệp có qui định về dộ cứng cho phép. Loại bỏ caxi, magie trong nước sử dụng vào mục đích công nghiệp chủ yếu theo hai phương pháp: kết tủa với vôi – sôđa và trao đổi ion. Phương pháp trao đổi ion có hiệu suất loại bỏ cao hơn phương pháp kết tủa. Làm mềm nước (khử độ cứng của nước) theo phương pháp kết tủa Phương pháp loại bỏ Ca2+, Mg2+ ra khỏi nước dựa trên cơ sở tính tan thấp của CaCO3 và Mg(OH)2 và có thể tách ra bằng các biện pháp lắng lọc. Như chúng ta biết, độ cứng của nước bị gây ra bởi các ion kim loại đa hóa trị; các ion kim loại có hóa trị cao hơn lại dễ bị thủy phân, chuyển thành dạng hydroxyt nên độ cứng của nước chủ yếu là do các cation Ca2+ và Mg2+. Các anion đi kèm theo chúng là HCO3 - , SO4 2- , Cl - , NO3 - , SiO3 2-. Ngoài canxi và magie, các nguyên tố khác như Sr2+, 50 Fe 2+ , Mn 2+ cũng gây ra độ cứng của nước nhưng sự đóng góp của chúng là không đáng kể. Độ cứng tổng được định nghĩa là tổng nồng độ của ion canxi và magie, được tính theo các đơn vị khác nhau tùy theo các quốc gia. Thông thường hàm lượng canxi trong nước cao hơn hàm lượng magie; người ta chia ra hai loại: độ cứng carbonat và độ cứng phi carbonat. Trong quá trình kết tủa hình thành hợp chất ít tan là CaCO3 và Mg(OH)2. Nồng độ của các cấu tử CO3 2- , HCO3 -, pH đóng vai trò quan trọng của quá trình kết tủa. Độ cứng carbonat có thể khử được bằng cách tăng pH (pH>10), trong môi trường pH cao thế cân bằng giữa HCO3 - - CO3 2- lệch về phía CO3 2- thúc đẩy sự tạo thành CaCO3 và xảy ra quá trình kết tủa. Ion magie dạng carbonat, phi carbonat chỉ kết tủa khi nồng độ OH- đủ lớn để hình thành Mg(OH)2 có nồng độ vượt mức bão hòa (Ksp = 1,2.10 -11 ) Khử cứng theo phương pháp vôi – sôđa là nhằm tăng pH của môi trường (vôi) và ion CO3 2- từ sôđa. Có thể dùng NaOH để cung cấp OH- cho phản ứng nhưng giá thành của nó cao hơn vôi. Các phản ứng hóa học chính xảy ra trong quá trình làm mềm nước (hay khử độ cứng) bao gồm: H2CO3 + Ca(OH)2 → CaCO3 +2H2O (1) Ca 2+ + 2HCO3 - + Ca(OH)2 → 2CaCO3 + 2H2O (2) Ca 2+ + (SO4 2- + Cl - ) + Na2CO3 → CaCO3 + 2Na + + (SO4 2- + Cl - ) (3) Mg 2+ + 2HCO3 - + Ca(OH)2 → 2CaCO3 + Mg(OH)2 + 2H2O (4) Mg 2+ + (SO4 2- + Cl - ) + Ca(OH)2 → Mg(OH)2 + Ca 2+ + (SO4 2- + Cl - ) (5) Tóm lại: sử dụng vôi có thể loại bỏ được độ cứng carbonat theo cơ chế chuyển dịch cân bằng từ HCO3 - thành CO3 2- nhờ tăng pH của dung dịch và tạp thành hợp chất CaCO3 ít tan. Lượng vôi cần sử dụng so với CO2 và Ca 2+ theo tỷ leek khối lượng là 1:1 tính thep CaCO3. Đối với Mg(HCO3)2 thì cần lượng vôi lớn gấp và dạng kết tủa là Mg(OH)2. 51 Trong quá trình sử dụng vôi để kết tủa còn loại bỏ được cả thành phần kiềm (HCO3 - ) của nước. 52 3.3. Oxy hóa hóa học 3.3.1. Các khái niệm Oxy hóa hóa học là quá trình trong đó có sự cho nhận điện tử làm thay đổi bản chất chất ô nhiễm thành các chất không độc hoặc sản phẩm ổn định. Ví dụ như quá trình oxy hóa sắt II thành sắt III hydroxyt kết tủa để loại bỏ sắt trong nước; hay quá trình oxy hóa Cr (IV) độc về dạng Cr (III) không độc…. Trong quá trình trao đổi điện tử, những chất nhận điện tử là chất oxy hóa, những chất nhường điện tử là chất khử (hay là chất bị oxy hóa). Phản ứng của một chất nhận điện tử và giảm số oxy hóa gọi là phản ứng khử, và ngược lại phản ứng của một chất nhường điện tử tăng số oxy hóa gọi là phản ứng oxy hóa. Hai phản ứng này luôn diễn ra đồng thời và là hai cặp bán phản ứng của phản ứng oxy hóa khử. Quá trình oxy hóa hóa học được gặp phổ biến ngay cả trong môi trường tự nhiên như quá trình oxy hóa các chất dưới tác dụng của oxy không khí, và là kỹ thuật quan trọng trong xử lý khí thải, xử lý nước thải với các chất oxy hóa và các xúc tác. Trong xử nước và xử lý nước thải, quá trình oxy hóa hóa học được ứng dụng để loại bỏ các chất vô cơ như kim loại sắt, mangan, các khí H2S, NO2, các chất gây mùi, màu, các chất hữu cơ và khử trùng nước … Các quá trình oxy hóa các hợp chất hữu cơ dưới tác dụng của các vi sinh vật cũng được coi là một quá trình oxy hóa hóa học,vì bản chất để chuyển hóa các hợp chất hữu cơ đó vi sinh vật sử dụng oxy để phân hủy các hợp chất này thành các dạng đơn giản hơn như CO2 và nước. Đây là quá trình quan trọng trong quá trình tự làm sạch của môi trường nước tự nhiên. Nguyên lý về các quá trình sinh học sẽ được giới thiệu trong chương 4. Các chất oxy hóa thường sử dụng trong quá trình oxy hóa hóa học là: oxy không khí, H2O2, các halogen (chủ yếu là clo và hợp chất của clo như Cl2, HOCl, ClO2, ), các chất oxy hóa mạnh như MnO4, Cr2O7 và O3, tia UV … trong oxy hóa nâng cao. 53 3.3.2. Nguyên lý Bản chất của của quá trình oxy hóa hóa học là sự thay đổi bản chất của các nguyên tố, giảm khả năng linh động hay giảm tính độc của chúng thông qua việc cho nhận điện tử giữa các chất tham gia phản ứng. Quá trình thay này bao gồm cả sự cho và nhận điện tử diễn ra đồng thời vì điện tử không thể tồn tại đơn độc, tự do. Đặc trưng của một phản ứng oxy hóa khử này khác với phản ứng khác ở chỗ thế cân bằng của nó và tốc độ, tức là phản ứng xảy ra thuận lợi hay không và với tốc độ nào. Khác với các phản ứng giữa các ion trong môi trường nước có tốc độ nhanh các phản ứng oxy hóa khử thường xảy ra với tốc độ chậm trong môi trường nước, nó thường kết thúc ở vị trí còn cách xa với thế cân bằng. Ví dụ: Cu2+ +Zn ↔ Zn2+ + Cu (1) Trong phản ứng này Cu2+ đã nhận 2e từ Zn và chuyển xuống hóa trị Cu0, và ngược lại Zn cho 2e để tăng lên hóa trị Zn2+, phản ứng trên được thành lập từ hai bán phản ứng: 54 Cu 2+ + 2e - ↔ Cu (sự khử) (2) Zn - 2e - ↔ Zn2+ (sự oxy hóa) (3) ———————————— Cu 2+ + Zn ↔ Cu + Zn2+ Mỗi phản ứng (2), (3) được đặc trưng bởi thế điện cực chuẩn Eo , đặc trưng cho khả năng nhường hoặc nhận e của mỗi nguyên tố và được cho bởi bảng sau: Bảng: Thế điện cực chuẩn cho bán phản ứng khử (Nguồn: Principles of water Quality control) Bảng: Thế điện cực chuẩn cho bán phản ứng oxy hóa (Nguồn: Principles of water Quality control) Thế điện cực chuẩn viết cho phản ứng oxy hóa khử được tính bằng: E o = E o ox + E o red (1) Thế điện cực chuẩn Eo đặc trưng cho khả năng cho, nhận electron của một chất khử và chất ôxy hóa. Năng lượng tự do Gibbs của phản ứng ∆G với thế điện cực, hằng số Faraday F và số lượng e trao đổi thông qua biểu thức: ∆G = - n.F.Eo (2) Với phản ứng có 1 electron trao đổi, phương trình trên được viết: ∆G (Kcal) = - 23.Eo (volts) (3) 55 Nhiệt động lực học phản ứng cho thấy khi mà năng lượng tự do Gibbs âm (hay Eo dương) thì phản ứng diễn ra theo chiều thuận, và khi ∆G dương (hay Eo âm) thì phản ứng sẽ diễn ra theo chiều ngược lại. Xem xét 1 phản ứng oxy hóa chung: aAox + bBred → aAred + bBox Hằng số cân bằng viết cho phản ứng: K = [Ared] a .[Box] b / [Aox] a .[Bred] b (4) Và thế điện cực tiêu chuẩn có mối quan hệ gián tiếp với hệ số cân bằng cho bởi phương trình: E o = RT.lnK / n.F (5) Và tại điều kiện 25oC, với phản ứng có 1 e trao đổi, có thể viết đơn giản: log K = 1. E o /0.059 (6) Thế (5) vào (2), ta có: ∆G = - n.F.Eo = -RT.lnK Bài tập ví dụ : a) Loại bỏ sắt trong nước bằng oxy không khí phản ứng oxy hóa: Fe2+ + 3H2O ↔ Fe(OH)3 + 3H + + e (E o ox = - 1,01) Phản ứng khử : O2 + 4H + + 4e ↔ 2H2O (E o red = 1,23) ———————————————————————————— Phản ứng tổng hợp: 4Fe2+ + O2 + 10H2O ↔ 4Fe(OH)3 + 8H + E o = E o ox + E o red = 0,22 V lgK = n.E o /0,059 = 3,7 => K = 10 15 b) 3.3.3. Các yếu tố ảnh hưởng a) Nhiệt độ b) pH môi trường 3.3.4. Các chất oxy hóa a) Oxy không khí b) Hydrogen peroxide (H2O2) c) Halogen *) Clo và hợp chất của clo d) Ozon 56 3.3.5. Ứng dụng Bảng : Các ứng dụng của oxy hóa hóa học trong (1). Loại bỏ sắt, mangan trong nước cấp Sắt và mangan trong nước ngầm là đối tượng hay gặp ở nhiều vùng trên lãnh thổ Việt nam, ở Hà Nội và một số tỉnh phía Bắc, xác suất nguồn nước chứa sắt vượt tiêu chuẩn quy định khoảng 60 -70% và mangan là 30 -40 %. Sắt và mangan thường tồn tại song song với xác suất khoảng 40%, tuy nhiên có những nguồn chỉ nhiễm sắt hoặc mangan đơn lẻ. Sắt và mangan tuy không độc hại đối với sức khỏe con người nhưng chúng gây mùi khó chịu, gây ra màu quần áo, đồ dùng, lắng căn. Thành phần đáng quan tâm là sắt và mangan hóa trị 2 tan trong nước tồn tại dạng hợp chất với carbonat, bicarbonat hoặc phức chất hữu cơ. Hàm lượng sắt thường gặp là 4-20mg/l, một số nơi cao hơn, nồng độ mangan thấp hơn thường là 2-8 mg/l là giá trị hay gặp ở vùng phía Bắc Việt Nam. Để loại bỏ sắt và mangan có thể sử dụng nhiều phương pháp đơn lẻ hay phối hợp : loại bỏ trực tiếp bằng thuật trao đổi ion, oxy hóa chúng về dạng khó tan Mn (IV), Fe (III) hoặc phương pháp vi sinh vật. 57 Trong phương pháp oxy hóa, Fe2+ , Mn 2+ thông qua phản ứng với một chất oxy hóa. Chất oxy hóa có nhiều dạng nhưng trong công nghệ xử lý nước hay sử dụng ozon, clo và hợp chất của clo, KMnO4 , H2O2 ,oxy O2 cũng như một số loại chất rắn có tính oxy hóa như MnO2 , Fe2O3, Mg2O2 . a) Loại bỏ sắt bằng phương pháp oxy hóa Trong nước tự nhiên, sắt tồn tại dưới nhiều dạng khác nhau. Trong nước mặt, sắt có thể tồn tại ở dạng ion sắt hóa trị ba hoặc dưới dạng các phức chất sắt, các hợp chất hữu cơ và vô cơ của sắt ở thể keo và thể hạt phân tán lơ lửng. Trong nước ngầm, sắt thường tồn tại ở dạng ion sắt hóa trị 2 trong thành phần của các muối hòa tan như bicacbonat, sunfat, clorua… Khi nước có hàm lượng sắt cao, nước có vị tanh và tạo ra cặn bẩn màu vàng làm giảm chất lượng nước cấp cho sinh hoạt và công nghiệp. Do vậy, khử sắt đến giới hạn cho phép là công việc rất cần thiết để đảm bảo chất lượng nước cấp. Nguyên lý của phương pháp oxy hóa sắt là oxy hóa sắt II thành sắt III và tách chúng ra khỏi nước dưới dạng hydroxyt sắt (III). Trong nước ngầm, sắt II bicacbonat là một muối không bền, nó dễ dàng bị thủy phân thành sắt II hydroxyt theo phản ứng : Fe(HCO3)2 + 2H2O → Fe (OH)2 + 2H2CO3 (1) Nếu trong nước có oxy hòa tan, sắt II hydroxyt sẽ bị oxy hóa thành sắt III hydroxyt theo phản ứng: 4Fe(OH)2 + 2H2O + O2 → 4Fe(OH)3↓ (2) Sắt III hydroxyt trong nước kết tủa thành bông cặn màu vàng và có thể tách ra khỏi nước một cách dễ dàng nhờ quá trình lắng lọc Kết hợp hai phản ứng trên ta được phản ứng chung của quá trình oxy hóa sắt như sau: 4Fe 2+ + 8HCO3 - + O2 + H2O → 4Fe(OH)3 +8H + + 8HCO3 - Theo định luật tác dụng khối lượng, tốc độ phản ứng oxy hóa nói trên có thể được tính như sau: Như vậy tốc độ của phản ứng phụ thuộc vào hàm lượng ion H+ được giải phóng. Tuy nhiên, trong nước ngầm thường chứa ion HCO3 - với hàm lượng lớn và có tác dụng như dung dịch đệm. Các ion H+ được giải phóng từ phản ứng oxy hoá sắt II lập tức kết hợp với các ion HCO3 - và như vậy ta có thể coi nồng độ ion H+ trong nước không đổi. Tích phân phương trình trên ta được : Trong đó: [Fe 2+ ]o – hàm lượng sắt II trong nước nguồn; [Fe 2+ ] – hàm lượng sắt II trong nước sau thời gian phản ứng t; [O2] – hàm lượng oxy hòa tan trong nước; [H + ] – hàm lượng ion H+; 58 K – hằng số tốc độ phản ứng, phụ thuộc vào nhiệt độ và chất xúc tác Khi trong nước có chứa các muối đồng mangan, photpho, cũng như khi nước tiếp xúc với cặn lắng của sắt III hydroxyt và mangan oxyt, do tác dụng xúc tác của chúng, quá trình oxy hóa sẽ diễn ra nhanh hơn (hình 1) Người ta cũng nhận thấy rằng tốc độ phản ứng oxy hóa sắt tăng khi pH của nước tăng (nồng độ H+ giảm) và khi nồng độ oxy hòa tan tăng (hình 2) Nước ngầm thường không chứa oxy hòa tan hoặc có hàm lượng oxy hòa tan rất thấp. Để tăng nồng độ oxy hòa tan trong nước ngầm, biện pháp đơn giảm nhất là làm thoáng. Hiệu quả của bước làm thoáng được xác định theo nhu cầu oxy cho quá trình khử sắt. Quá trình oxy hóa khử xảy ra: Fe3+ + e- → Fe2+ Qua quá trình tính toán người ta thấy rằng với nước ngầm có tổng hàm lượng muối nhỏ hơn 1000 mg/l, có thể coi hệ số hoạt hóa là 1, để đảm bảo sau khi oxy hóa lượng Fe2+ còn lại trong nước là 0,3 mg/l, thế oxy hóa khử cần thiết cho quá trình này phụ thuộc vào pH và được tính toán theo phương trình: E = 1,34 – 0,177.pH Như vậy, nếu pH của nước càng lớn thì thế oxy hóa khử cần thiết càng nhỏ và quá trình khử sắt diễn ra càng nhanh. Thường thì các nguồn nước ngầm có thế oxy hóa khử gần như bằng không, giá trị pH nhỏ hơn 7,5 nên sắt II luôn ở trạng thái hòa tan và không bị oxy hóa. Oxy hòa tan trong nước là chất oxy hóa và làm tăng thế oxy hóa khử của nước, quá trình xảy ra như sau: O2 + 4e + 2H2O ↔ 4OH - Ở nhiệt độ 25oC người ta tính được thế oxy hóa khử của quá trình này bằng: E = 1,231 – 0,059.pH +0,0145.lg pO2 Trong đó: pO2 là áp suất riêng phần của oxy trong nước (at) Để tiện tính toán có thể lấy hàm lượng oxy hòa tan trong nước tính theo mol thay cho áp suất riêng phần của oxy trong nước Làm thoáng đơn giản trên bề mặt lọc Nước cần khử sắt được làm thoáng bằng giàn phun mưa ngay trên bề mặt lọc. chiều cao giàn phun thường lấy cao khoảng 0,7 m, lỗ phun có đường kính 5-7mm, lưu lượng tưới vào khoảng 10 m3/m2.h. Lượng oxy hòa tan trong nước sau làm thoáng ở nhiệt độ 25oC lấy bằng 40% lượng oxy hòa tan bão hòa(ở 25oC lượng oxy hòa tan bão hòa bằng 8,1 mg/l) Làm thoáng bằng giàn mưa tự nhiên Nước cần làm thoáng được tưới trên giàn làm thoáng một bậc hay nhiều bậc với các sàn rải xỉ hoặc tre gỗ. Lưu lượng tưới và chiều cao tháp cũng lấy nhưu trường hợp trên. 59 Lượng oxy hòa tan sau làm thoáng bằng 55% lượng oxy hòa tan bão hòa. Hàm lượng CO2 sau làm thoáng giảm 50%. Làm thoáng cưỡng bức Cũng có thể dùng tháp làm thoáng cưỡng bức với lưu lượng tưới từ 30 – 40 m3/h. Lượng không khí tiếp xúc lấy từ 4 -6 m3 cho 1m3 nước. Lượng oxy hòa tan sau làm thoáng bằng 70% làm lượng oxy hòa tan bão hòa. Hàm lượng CO2 sau làm thoáng giảm 75% Oxy hóa bằng các tác nhân hóa học Đối với nước ngầm có hàm lượng sắt quá cao đồng thời tồn tại cả H2S thì lượng oxy thu được nhờ làm thoáng không đủ để oxy hóa hết H2S và sắt, trong trường hợp này cần dùng các tác nhân hóa học khác. Một số trường hợp, nước nguồn có hàm lượng chất hữu cơ cao, các chất hữu cơ sẽ tạo ra dạng keo bảo vệ của các ion sắt, như vậy muốn khử sắt phải phá vỡ màng hữu cơ đó bằng tác dụng của các chất oxy hóa mạnh. Vôi Phương pháp này có thể áp dụng cho cả nước mặt và nước ngầm. Nhược điểm của phương pháp này là phải dùng đến các thiết bị pha chế cồng kềnh, quản lý phức tạp, cho nên thường kết hợp khử sắt với quá trình xử lý khác như ổn định nước bằng kiềm hóa, làm mềm nước bằng nước vôi và sôda. Khi cho vôi vào nước, độ pH tăng lên. Ở điều kiện giàu ion OH-, các ion Fe2+ thủy phân nhanh chóng thành Fe(OH)2 và lắng xuống một phần, thế oxy hóa khử tiêu chuẩn của hệ Fe(OH)2/Fe(OH)3 giảm xuống, do đó sắt II dễ dàng chuyển hóa thành sắt III. Sắt III hydroxyt kết tụ thành bông cặn, lắng trong bể lắng và có thể dễ dàng tách ra khỏi nước. Lượng vôi cần thiết cho quá trình được tính như sau: [CaO] = 0,8[CO2] +1,8[Fe] Trong đó: [CaO] – lượng vôi cần thiết cho quá trình mg/l [CO2] – hàm lượng CO2 tự do trong nước nguồn, mg/l [Fe] - tổng hàm lượng sắt trong nước, mg/l *) Khử sắt bằng clo Quá trình khử sắt bằng clo được thực hiện nhờ phản ứng sau: 2Fe(HCO3)2 + Cl2 + Ca(HCO3)2 + 6H2O → 2Fe(OH)3 + CaCl2 + 6H + + 6HCO3 - Với tốc độ oxy hóa bằng: Từ phương trình tốc độ oxy hóa nói trên ta thấy, tốc độ quá trình oxy hóa sắt bằng clo tăng nhanh khi giảm nồng độ ion H+, tức là tăng pH của nước. Tuy nhiên, do clo là chất oxy hóa mạnh nên phản ứng oxy hóa sắt bằng clo vẫn xảy ra nhanh ở pH ≥ 5. Trong nước có các hợp chất amoni hòa tan, clo sẽ kết hợp với chúng để tạo ra cloamin có thế oxy hóa khử 0,76V nhỏ hơn thế oxy hóa khử của clo 2,36V, do đó quá trình oxy 60 hóa chậm lại. Khi nước có pH = 7, quá trình oxy hóa sắt II bằng cloamin kết thúc sau 60 phút. Vì vậy, với nước có chứa các hợp chất amoni việc sử dụng clo để khử sắt là không hiệu quả. Đồng thời với khử sắt, các chất hữu cơ cũng được khử khỏi nước, do đó liều lượng clo cần thiết cho quá trình còn phụ thuộc vào hàm lượng các chất hữu cơ có trong nước. Thông thường người ta bổ sung một lượng clo để khử các tạp chất hữu cơ bằng: MCl = 0,5.[O2] (mg/l) Trong đó [O2] – độ oxy háo bằng kali permanganat của muối tính chuyển ra oxy. Khử sắt bằng kali permanganat (KMnO4) Khi dùng KMnO4 để khử sắt, quá trình xảy ra rất nhanh vì cặn mangan IV hydroxyt vừa được tạo thành sẽ là nhân tố xúc tác cho quá trình khử. Phản ứng khử xảy ra theo phương trình sau : 5Fe 2+ + MnO4 - + 8H + → 5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O Trong quá trình khử sắt, các ion Fe3+ được tạo thành sẽ thủy phân và tạo bông cặn ngay nên nồng độ ion Fe3+ trong nước còn không đáng kể. Phản ứng trên vì thế không xảy ra thuận nghịch mà xảy ra theo chiều thuận một cách nhanh và triệt để. Người ta thấy rằng, để khử hết 1 mg Fe2+ cần đến 0,564 mg KmnO4 Công nghệ khử sắt thường gồm 3 công đoạn: Giai đoạn đưa hóa chất vào nước → giai đoạn xử lý sơ bộ → giai đoạn làm sạch b) Khử mangan *) Cơ sở lý thuyết Mangan trong nước ngầm thường cùng tồn tại với sắt ở dạng ion hóa trị hai và dạng keo hữu cơ trong nước bề mặt. Do vậy, quá trình khử mangan thường được tiến hành đồng thời với quá trình khử sắt. Mangan II hòa tan khi bị oxy hóa sẽ chuyển dần thành mangan III và mangan IV ở dạng hydroxyt kết tủa. Quá trình oxy hóa xảy ra theo phản ứng sau: 2Mn(HCO3)2 + O2 + 6H2O → 2Mn(OH)4 + 4H + + 4HCO3 - Như vậy quá trình khử mangan phụ thuộc vào pH của nước, pH của nước cao tức nồng độ H+ thấp, tốc độ oxy hóa và thủy phân mangan càng lớn và quá trình oxy hóa mangan sẽ đạt hiệu quả cao nhất ở một giá trị pH nào đó. Kết quả thực nghiệm cho thấy, khi pH < 8 và không có chất xúc tác thì quá trình oxy hóa mangan II thành mangan IV diễn ra rất chậm. Độ pH tối ưu cho quá trình thường trong khoảng 8,5 đến 9,5. Tương tự như với sắt, quy trình xử lý mangan cơ bản cũng bao gồm các khau làm thoáng, lắng và lọc. Trong quá trình lọc, lớp vật liệu lọc được phủ dần một lớp 61 Mn(OH)4 có tác dụng làm chất xúc tác hấp thụ các ion Mn 2+ và oxy hóa Mn2+ theo phản ứng sau: Mn(OH)4 + Mn(OH)2 → 2Mn(OH)3 4Mn(OH)3 + O2 + 2H2O → 4Mn(OH)4 Lớp phủ Mn(OH)4 mới tạo thành lại tham gia vào phản ứng mới và cứ như vậy tạo ra một chu trình phản ứng liên tục. Như vậy, hiệu quả khử mangan phụ thuộc vào lớp phủ Mn(OH)4 do chính bản thân quá trình khử tạo ra trên bề mặt hạt vật liệu lọc. *) Loại bỏ mangan bằng phương pháp oxy hóa Công nghệ khử mangan về cơ bản cũng giống như khử sắt, bao gồm giàn mưa, lắng tiếp xúc và lọc. Riêng phần bể lọc, do phản ứng oxy hóa mangan xảy ra chậm nên lớp cát lọc phải có bề dày từ 1,2 – 1,5 m. Cũng bằng thực nghiệm người ta chọn biện pháp thích hợp nhất để quá trình có thể đạt được hiệu quả và đảm bảo tạo ra được lớp màng Mn(OH)4 bảo vệ bao quanh các hạt vật liệu lọc làm màng xúc tác cho chu kỳ lọc tiếp theo. Nếu rửa sạch vật liệu lọc thì vào chu kỳ sau lại cần có thời gian để tạo ra lớp màng tiếp xúc mới này. Để đạt được hiệu quả lọc cao, người ta khuyên nên dùng cát đen đã được phỏ một lớp dioxyt mangan làm vật liệu lọc. Trường hợp có cả sắt và mangan, phải tiến hành làm thực nghiệm để tìm ra quy trình xử lý kết hợp một cách hợp lý. Giàm làm thoáng phải đủ oxy hòa tan cho cả việc oxy hóa sắt và mangan. Do sắt bị oxy hóa trước nên quá trình oxy hóa mangan sẽ xảy ra ở lớp cát lọc nằm dưới. *) Oxy hóa mangan bằng chất oxy hóa mạnh Chất oxy hóa mạnh ở đây có thể là Clo, ozon, KMnO4 , dùng để oxy hóa Mn 2+ thành Mn 4+ . Clo oxy hóa Mn2+ ở pH bằng 7 trong thời gian 60 đến 90 phút Dioxyt clo ClO2 và O3 oxy hóa Mn 2+ ở pH bằng 6,5 – 7 KMnO4 oxy hóa Mn 2+ ở mọi dạng tồn tại, kể cả dạng keo hữu cơ thành Mn(OH)4 4. Trung hòa hóa học (đang dịch tài liệu) 5. Khử trùng hóa học (đang hoàn thiện) Cơ sở của phương pháp khử trùng bằng các hóa chất là sử dụng các chất oxy hóa mạnh để oxy hóa men của tế bào vi sinh vật và tiêu diệt chúng. Các hóa chất thường dùng là các halogen như Clo, Brom, iot, clo dioxyt, các hypoclorit và các muối của nó, ô zôn, kali permanganat, hydro peroxyt,…. Phương pháp khửu trùng hóa học có hiệu suất cao nên được sử dụng rất rộng rãi và cho mọi quy mô. (1). Khử trùng nước bằng clo và các hợp chất của clo 62 Clo là một chất oxy hóa mạnh, ở bất kỳ dạng nào, nguyên chất hay hợp chất, khi clo tác dụng với nước đều cho các phân tử hypoclorit axit HOCl, một hợp chất có khả năng khử trùng rất mạnh. 3. Quá trình trao đổi ion Một vài quá trình hóa học có thể được sử dụng để thu hút các ion hòa tan từ pha lỏng vào pha rắn và một trong số những quá trình này là quá trình trao đổi ion, là quá trình được sử dụng một cách rộng rãi trong xử lý nước thải công nghiệp. Trao đổi ion cho phép di chuyển một hoặc nhiều loại ion từ pha lỏng này sang pha khác thông qua một vật liệu nhựa trao đổi. Để đạt được điều này, một nhóm các loại ion có mặt trong dung dịch (ion độc hại) sẽ được trao đổi với nhóm các loại ion khác trong pha rắn. Các ion độc hại này sẽ được tập trung trên bề mặt của nhựa trao đổi ion. Trao đổi ion là một quá trình thuận nghịch. Hiện tượng trao đổi ion được Thompson và Way phát hiện vào năm 1850 khi phát hiện các ion Ammoni trong dung dịch có thể được thay thế bởi ion Ca2+ sau khi lọc dung dịch qua một ống được đổ đầy đất. ứng dụng quy mô công nghiệp đầu tiên về trao đổi ion được thực hiện vào năm 1905. Các chất trao đổi ion trong tự nhiên (được gọi là Zeolits) đã và đang được sử dụng nhưng không có sự ổn định do sự xuất hiện của các chất cạnh tranh (như là các axit khoáng). Người ta đã giải quyết vấn đề này bằng cách sử dụng các nhựa tổng hợp. Nhựa này là các polimer đặc được hình thành từ phản ứng giữa formaldehyde (CH3CHO) với phenol. 63 Chương IV Các quá trình vi sinh học trong công nghệ môi trường 1. Quá trình chuyển hoá chất ô nhiễm của vi sinh vật trong môi trường Mục tiêu của quá trình xử lý sơ cấp là để loại bỏ SS và các vật chất nổi. Trong hầu hết các trường hợp, quá trình xử lý sơ cấp thường đạt được từ 40 đến 60% SS, từ 25 đến 35% BOD. Nếu quá trình xử lý sơ bộ không đáp ứng được mục đích xả thải vào môi trường tiếp nhận, xử lý thứ cấp sử dụng các quá trình sinh học sẽ được áp dụng do khả năng xử lý đạt hiệu quả cao và chi phí xử lý thấp. Quá trình xử lý thứ cấp được áp dụng để loại bỏ các chất hữu cơ dạng hòa tan và dạng keo là loại chất ô nhiễm vẫn còn lại trong môi trường sau quá trình xử lý sơ bộ. Trong một vài trường hợp, quá trình này còn được áp dụng để xử lý các chất dinh dưỡng như N và P. Xử lý sinh học có khả năng xử lý lớn hơn 85% BOD5, SS nhưng hầu như ít có hiệu quả đối với xử lý dinh dưỡng, các chất hữu cơ không phân hủy sinh học, kim loại nặng và vi sinh vật. Hệ thống xử lý sinh học được thiết kế với mục đích duy trì với lượng lớn các vi sinh vật hoạt tính, chủ yếu là các vi khuẩn trong một hệ thống giới hạn dưới các điều kiện thuận lợi của môi trường ví dụ như DO, dinh dưỡng…Quá trình xử lý sinh học cơ bản được phân chia thành: quá trình sinh trưởng lơ lửng và quá trình sinh trưởng bám dính và sự kết hợp đồng thời cả hai quá trình này. Trong quá trình xử lý sinh học kiểu lơ lửng, với sự cung cấp oxy liên tục, các vi sinh vật hiếu khí được xáo trộn hoàn toàn với các chất hữu cơ trong nước thải và sử dụng các chất hữu cơ này như là một nguồn dinh dưỡng đối với sự sinh trưởng của các vi sinh vật. Trong quá trình sinh trưởng, các vi sinh vật này tạo nên các hạt bùn hoạt tính. Hình: Quá trình bùn hoạt tính truyền thống 1.1 Sự sinh trưởng của tế bào 64 Khi một vi khuẩn đơn bào sinh trưởng đạt đến một kích thước