Thiết kế hệ thống xử lý nước thải và đề xuất giải pháp thu hồi axit nitoric trong nước thải cho nhà máy nhôm kim sen, bắc ninh

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

=====***=====

NGUYỄN THỊ YẾN

THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI
PHÁP THU HỒI AXIT NITORIC TRONG NƯỚC THẢI CHO NHÀ
MÁY NHÔM KIM SEN, BẮC NINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

HÀ NỘI - 2016


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA HÀ NỘI

=====***=====

NGUYỄN THỊ YẾN

THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI
PHÁP THU HỒI AXIT NITORIC TRONG NƯỚC THẢI CHO NHÀ
MÁY NHÔM KIM SEN, BẮC NINH

LUẬN VĂN THẠC SĨ KỸ THUẬT
Chuyên ngành: Kỹ thuật Môi trường

CHỦ TỊCH HỘI ĐỒNG

NGƯỜI HƯỚNG DẪN KHOA HỌC

TS. VŨ VĂN MẠNH

PGS.TS. HUỲNH TRUNG HẢI

HÀ NỘI - 2016


LỜI CẢM ƠN
Đầu tiên cho tơi xin bày tỏ lịng biết ơn sâu sắc và lời cảm ơn chân thành đến thầy
giáo TS. Vũ Văn Mạnh - Viện Khoa học và Công nghệ Môi trường, trường Đại học Bách
Khoa Hà Nội đã giúp đỡ, hướng dẫn, chỉ bảo tận tình trong suốt q trình hồn thành
luận văn.
Tơi xin chân thành gửi lời cảm ơn tới Ban giám hiệu trường Đại học Bách Khoa Hà
Nội, Viện Đào tạo sau Đại học và các thầy giáo, cô giáo Viện Khoa học và Công nghệ
Môi trường, trường Đại học Bách Khoa Hà Nội, cũng như gửi lời cảm ơn tới gia đình,
bạn bè, đồng nghiệp và các cán bộ, công nhân viên tại nhà máy sản xuất thanh nhơm định
hình Kim Sen, Bắc Ninh đã cung cấp tài liệu trong q trình tơi làm luận văn để tơi có thể
hồn thành luận văn tốt nghiệp này.
Dù đã cố gắng rất nhiều, nhưng chắc chắn bài luận văn của tôi sẽ không tránh khỏi
những thiếu sót và hạn chế. Kính mong nhận được sự chia sẻ và đóng góp ý kiến của các
thầy cơ giáo và các bạn.
Một lần nữa tôi xin chân thành cảm ơn!
Hà Nội, ...... tháng ......năm 2016
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Yến

i


LỜI CAM ĐOAN
Tôi xin cam đoan, kết quả của luận văn là do chính tơi nghiên cứu dưới sự hướng dẫn
của TS. Vũ Văn Mạnh - Bộ môn Công nghệ môi trường - Đại học Bách Khoa Hà Nội.
Trên cơ sở tổng hợp, phân tích các tài liệu kết quả của đề tài mà tôi thực hiện. Các
số liệu và kết quả của luận văn là hoàn toàn trung thực. Những vấn đề về các số liệu tham
khảo đều được sự đồng ý của tác giả và được trích dẫn rõ ràng, theo quy định.
Hà Nội, ...... tháng ...... năm 2016
Tác giả luận văn

Nguyễn Thị Yến

ii


MỤC LỤC
LỜI CẢM ƠN ....................................................................................................................... i
LỜI CAM ĐOAN ................................................................................................................ii
DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU .......................................................... v
DANH MỤC CÁC BẢNG ................................................................................................. vi
DANH MỤC CÁC HÌNH..................................................................................................vii
MỞ ĐẦU ............................................................................................................................. 1
CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MẠ NHÔM VÀ THU HỒI AXIT
HNO3 TRONG NƯỚC THẢI MẠ TẠI VIỆT NAM .......................................................... 3
1.1. Tổng quan về công nghệ mạ nhôm và ô nhiễm môi trường do nước thải mạ
nhôm gây ra.......................................................................................................................... 3
1.1.1. Công nghệ mạ nhôm và các chất thải ....................................................................... 3

1.1.2. Ảnh hưởng của chất thải mạ nhôm đến môi trường .................................................. 4
1.1.3. Ảnh hưởng của axit HNO3trong nước thải mạ nhôm ................................................ 6
1.2. Các phương pháp xử lý nước thải mạ nhôm ................................................................. 8
1.2.1. Các phương pháp xử lý nước thải xi mạ .................................................................... 8
1.2.2. Công nghệ xử lý nước thải điển hình của cơ sở mạ nhơm trong nước .................... 11
1.3. Tổng quan về công nghệ thu hồi axit trong nước thải mạ nhơm ................................ 12
1.3.1. Tình hình thu hồi axit HNO3 tại các cơ sở mạ ......................................................... 12
1.3.2. Các phương pháp thu hồi axit trong nước thải mạ nhôm ........................................ 13
1.4. Khái quát về công nghệ XLNT mạ tại nhà máy nhôm Kim Sen ................................ 18
1.4.1. Giới thiệu sơ lược về nhà máy nhôm Kim Sen ........................................................ 18
1.4.2. Giới thiệu hệ thống XLNT hiện hữu của nhà máy Kim Sen ................................... 24
CHƯƠNG 2: ĐÁNH GIÁ CÔNG NGHỆ XLNT VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP THU
HỒI AXIT HNO3 TRONG NƯỚC THẢI MẠ TẠI NHÀ MÁY NHÔM KIM SEN ....... 26
2.1. Hiện trạng công nghệ xử lý nước thải mạ tại nhà máy nhôm Kim Sen...................... 26
2.1.1. Lưu lượng và thành phần nước thải ......................................................................... 26
2.1.2. Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải nhà máy nhôm Kim Sen ..................................... 27
2.2. Đánh giá công nghệ XLNT mạ tại nhà máy nhôm Kim Sen ...................................... 34
2.2.1. Đặc tính kỹ thuật của hệ thống xử lý nước thải ....................................................... 34
2.2.2. Hiệu quả của quá trình xử lý .................................................................................... 40
2.3. Đề xuất các giải pháp giảm thiểu ô nhiễm và thu hồi axit HNO3 trong nước
thải mạ nhôm...................................................................................................................... 41
iii


2.3.1. Áp dụng các giải pháp sản xuất sạch hơn trong công nghiệp mạ nhôm .................. 41
2.3.2. Đề xuất lựa chọn công nghệ thu hồiaxit HNO3tại nhà máy nhôm Kim Sen ........... 44
CHƯƠNG 3: THIẾT KẾ CẢI TẠO HỆ THỐNG THU HỒI AXIT HNO3 TRONG
NƯỚC THẢI TẠI NHÀ MÁY NHÔM KIM SEN ........................................................... 51
3.1. Cơ sở lựa chọn để tính toán thiết kế ........................................................................... 51
3.1.1. Dữ liệu đầu vào ........................................................................................................ 51

3.1.2. Cơ sở lựa chọn tính tốn hệ thống thu hồi axit HNO3 ............................................. 51
3.2. Tính tốn thiết kế cải tạo hệ thống XLNT thu hồi axit HNO3 .................................... 57
3.2.1. Song chắn rác của dòng thải axit HNO3 ................................................................. 57
3.2.2. Kích thước của bể lắng cát và phân ly dầu mỡ dòng thải axit HNO3 ...................... 57
3.2.3. Chọn bể điều hịa lưu lượng ..................................................................................... 58
3.2.4. Thiết bị lọc thơ ......................................................................................................... 60
3.2.5.Tính tốn thiết bị trao đổi ion ................................................................................... 62
3.3. Phân tích hiệu quả chi phí và xây dựng hệ thống ....................................................... 65
3.3.1. Khái tốn chi phí cải tạo và vận hành hệ thống XLNT thu hồi axit HNO3 ............. 65
3.3.2. Bố trí mặt bằng xây dựng và vận hành chạy thử hệ thống ...................................... 68
3.3.3. Hiệu quả và lợi ích thu được khi xây dựng hệ thống ............................................... 70
KẾT LUẬN ........................................................................................................................ 72
TÀI LIỆU THAM KHẢO ................................................................................................. 73

iv


DANH MỤC CÁC CHỮ VIẾT TẮT VÀ KÝ HIỆU
BTNMT

Bộ Tài ngun mơi trường

CNH – HĐH

Cơng nghiệp hóa – Hiện đại hóa

CTNH

Chất thải nguy hại

KCN

Khu cơng nghiệp

NT

Nước thải

PAA

Poly Acrylamide

PC

Poly Carbonate

QCVN

Quy chuẩn Việt Nam

SXSH

Sản xuất sạch hơn

TCCP

Tiêu chuẩn cho phép

TCVN

Tiêu chuẩn Việt Nam

TNHH

Trách nhiệm hữu hạn

XLNT

Xử lý nước thải

v


DANH MỤC CÁC BẢNG
Bảng 1.1.

Quy định về hàm lượng NO3- và NO2- trong nước uống .................................7

Bảng 1.2.

Tóm tắt ưu điểm và hạn chế của một số phương pháp xử lý nước thải mạ
nhơm thường dùng ......................................................................................... 10

Bảng 1.3.

Tóm tắt ưu nhược điểm của các phương pháp xử lý thu hồi axit HNO3 .......17

Bảng 1.4.

Thành phần hóa học của hợp kim nhơm ........................................................19

Bảng 2.1.

Thơng số thiết kế các cơng trình đơn vị của hệ thống XLNT hiện hữu ......... 34

Bảng 2.2.

Thông số kỹ thuật các thiết bị của hệ thống XLNT hiện hữu ........................36

Bảng 2.3.

Thành phần nước thải tại cống thải chung của dịng thải 1 ...........................40

Bảng 3.1.

Các thơng số nước thải đầu vào và yêu cầu sau xử lý của dịng nước thải axit
HNO3 .............................................................................................................. 51

Bảng 3.2.

Thơng số đặc trưng chính của nhựa A400 và C100H .................................... 52

Bảng 3.3.

Sự biến đổi lưu lượng của dòng thải theo thời gian .......................................58

Bảng 3.4.

Thể tích tích luỹ dịng ra theo thời điểm trong ngày ......................................59

Bảng 3.5.

Chi phí xây dựng hệ thống .............................................................................66

Bảng 3.6.

Chi phí hố chất sử dụng trong ngày .............................................................68

vi


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình 1.1.

Sơ đồ cơng nghệ xử lý nước thải nhà máy sản xuất thanh nhôm Tung –
Kuang .............................................................................................................12

Hình 1.2.

Quy trình sản xuất thanh nhơm định hình ......................................................20

Hình 1.3.

Quy trình đùn ép thanh nhơm định hình của nhà máy Kim Sen ....................21

Hình 1.4.

Quy trình anode sản phẩm..............................................................................22

Hình 1.5.

Quy trình sơn tĩnh điện/sơn vân gỗ ................................................................23

Hình 2.1.

Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước thải mạ nhôm của nhà máy Kim
Sen, Bắc Ninh .................................................................................................30

Hình 2.2.

Sơ đồ cơng nghệ cải tạo hệ thống XLNT thu hồi axit HNO3 ........................47

Hình 2.3.

Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải thu hồi axit HNO3 ........................................48

Hình 3.1.

Vùng trao đổi ion............................................................................................54

Hình 3.2.

Sơ đồ hệ thống xử lý nước thải của nhà máy .................................................57

Hình 3.3.

Quy trình chạy thử hệ thống ...........................................................................69

vii

MỞ ĐẦU
Công nghệ mạ xử lý bề mặt kim loại có vai trị quan trọng trong cơng nghệ cơ khí và
sản xuất vật liệu kim loại. Ứng dụng của nó trong các ngành sản xuất là rất rộng rãi như
trong lĩnh vực sản suất hàng tiêu dùng hoặc trong ngành cơ khí chế tạo máy, xây dựng…
Tuy nhiên, nước thải sinh ra từ quá trình xi mạ lại là một vấn để rất đáng lo ngại bởi pH
của dòng thải thay đổi từ thấp đến cao, và đặc biệt là có chứa nhiều ion kim loại nặng
(Cr, Ni, Zn, Cu, Al, …) gây ô nhiễm trầm trọng cho môi trường sinh thái, ảnh hưởng
nghiêm trọng đến sức khỏe con người.
Hiện nay tại hầu hết các cơ sở mạ nhôm chưa có hệ thống thu hồi axit và kim loại, đặc
biệt là các cơ sở tiểu thủ công nghiệp, nước thải sinh ra thường đổ trực tiếp vào môi
trường, không qua xử lý hoặc xử lý mang tính chất hình thức, nồng độ ơ nhiễm vượt xa
so với tiêu chuẩn dịng thải, gây tác hại nghiêm trọng dến hệ sinh thái khu vực cũng như
đối với sức khỏe của người dân xung quanh. Vì vậy việc đầu tư lắp đặt một hệ thống xử
lý nước thải thích hợp là vơ cùng cần thiết.
Nước thải từ q trình mạ nhơm đặc biệt có tính axit mạnh và crom.Đây là nguồn gây
ơ nhiễm nghiêm trọng cho mơi trường đất, nước, khơng khí và con người. Chất ô nhiễm
này cần được loại bỏ trong nước thải trước khi thải ra môi trường.Việc thu hồi axit trong
nước thải nếu được thực hiện sẽ mang lại lợi ích rất lớn, ngăn chặn ơ nhiễm tại nguồn
phát sinh và biến chất thải thành nguồn nguyên liệu tuần hoàn tái sử dụng trong sản xuất.
Căn cứ vào điêu kiện thực tế và những tồn tại hiện nay của nhà máy nhôm Kim Sen, dưới
sự hướng dẫn của TS. Vũ Văn Mạnh , tôi đã chọn đề tài cụ thể như sau:
"Thiết kế hệ thống xử lý nước thải và đề xuất giải pháp thu hồi axit nitoric trong nước
thải cho nhà máy nhôm Kim Sen, Bắc Ninh”.
Mục tiêu của đề tài là: Xác định ô nhiễm đặc trưng của nước thải và đề xuất các giải
pháp phòng giảm thiểu nước thải trong q trình sản xuất thanh nhơm. Thiết kế hệ thống
xử lý nước thải có thu hồi axit nitoric phù hợp với điều kiện Việt Nam.
Các phương pháp nghiên cứu được sử dụng bao gồm:
- Phương pháp thu thập thông tin, tổng hợp tài liệuliên quan đến đề tài.
1

- Phương pháp khảo sát thực địa: khảo sát thực tế phân xưởng sản xuất và hệ thống
xử lý nước thải của công ty.
- Phương pháp thống kê, xử lý số liệu, thơng tin: sử dụng để phân tích và xử lý một
cách hệ thống các nguồn số liệu.
Nội dung của luận văn gồm các phần chính như sau:
Chương 1: Tổng quan về công nghệ mạ nhôm và thu hồi axit HNO3 trong nước thải
mạ tại Việt Nam
Chương 2: Đánh giá công nghệ XLNT và đề xuất giải pháp thu hồi axit HNO3 trong
nước thải mạ tại nhà máy nhôm Kim Sen.
Chương 3: Thiết kế cải tạo hệ thống thu hồi axit HNO3 trong nước thải tại nhà máy
nhôm Kim Sen.

2


CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN VỀ CÔNG NGHỆ MẠ NHÔM VÀ THU HỒI AXIT
HNO3 TRONG NƯỚC THẢI MẠ TẠI VIỆT NAM
1.1. Tổng quan về công nghệ mạ nhôm và ô nhiễm môi trường do nước thải mạ
nhôm gây ra
1.1.1. Công nghệ mạ nhơm và các chất thải [3]
Q trình mạ nhơm hay cịn gọi là q trình anode hóa nhơm. Khác với các kim loại
khác, q trình oxy hố khơng làm yếu đi liên kết của nhôm mà tạo ra lớp phủ bề mặt
siêu cứng với độ dày chỉ: 10-12 micromet.
Anode nhôm là việc xử lý bề mặt nhôm, thanh nhôm trở thành tập hợp các anode cực
dương, cực âm là bể hóa chất, cho dịng điện chạy qua bể oxi hóa bề mặt nhơm, khi đó sẽ
có một lớp bọc cứng thay lớp nhôm thông thường, cứng gần bằng kim cương.
a. Q trình Anode hóa nhơm [3]
+ Đưa thanh nhơm vào bể anode chứa dung dịch điện phân có thành phần thích hợp như

(dung dịch H2SO4, HNO3).
+ Tại đây, thanh nhơm được coi là cực dương và bể hóa chất là cực âm.
+ Dòng điện chạy qua bể anode, làm oxy hố bề mặt nhơm. Tạo thành một lớp phủ
mỏng, siêu cứng trên bề mặt nhôm thay cho lớp nhôm ngun bản ở bên ngồi. Lớp oxy
hóa này là lớp bảo vệ hồn hảo cho thanh nhơm giúp chống ăn mịn, gỉ sét và có độ cứng
gần bằng kim cương.
b. Cơ chế q trình Anode hóa nhơm [3]
Giai đoạn đầu của q trình anode nhơm hình thành một lớp màng oxit nhơm Al2O3
đặc khít, mỏng và có độ dầy khoảng 0,01 – 0,1 µm chiếm 0,5 – 2% độ dầy tồn bộ lớp
oxit Al2O3 gắn chặt vào bề mặt nhơm kim loại và khơng thay đổi q trình anode hóa.
Trên nền lớp mỏng oxit nhơm này sẽ hình thành lớp Al2O3 thứ hai, có vơ số những cột
rỗng, sáu mặt, hình cơn, có độ dầy từ 1- 500µm.
Chất điện ly dùng trong q trình anode hóa nhơm phải chứa một hay vài anion trong
số các anion gốc axit chứa oxy sau: NO3-, SO42-, PO43-, (COO)22-, …

3


Sự liên kết giữa nhôm kim loại với oxy tạo thành Al2O3, trong q trình anode hóa là
kết quả nhiều quá trình sơ cấp nối tiếp nhau như hấp thụ, khuếch tán, điện ly, phóng điện
và nhiều phản ứng hóa học khác trên bề mặt nhôm tiếp xúc với dung dịch chất điện phân.
Phương trình phản ứng như sau:
Al – 3e → Al3+
Al3+ + 3SO42- + 3H2O → Al2O3 + 3H2SO4
Al3+ + NO3- + H2O → Al2O3 + HNO3
Đồng thời với q trình tạo thành Al2O3 trên bề mặt nhơm ln kèm theo phản ứng
hịa tan nó:
Al2O3 + 3H2SO4→ Al2(SO4)3 + 3H2O
Q trình hịa tan này làm cho lớp oxit có lỗ xốp
1.1.2. Ảnh hưởng của chất thải mạ nhơm đến môi trường

a. Ảnh hưởng của nước thải
Nước thải mạ nhôm chứa nhiều chất độc hại chủ yếu là các muối kim loại. Các chất
này hoà tan trong nước sau đó ngấm vào nước ngầm theo chuỗi thức ăn thâm nhập vào cơ
thể sống của con người cũng như sinh vật ở vùng lân cận khu cơng nghiệp có thể gây
nhiễm độc mãn tính.
Một số chất độc hại trong nước thải công nghiệp mạ như axit, kiềm, xianua và các kim
loại nặng có thể gây ảnh hưởng trực tiếp đến cơ thể động vật. Khi tiếp xúc với các chất
độc này thì hiện tượng xảy ra là bị nhiễm độc, bị nguy hiểm hoặc bị chết tùy thuộc vào
liều lượng chất độc, thời gian tiếp xúc và khả năng chịu đựng của từng loài,
Việc các cơ sở mạ thải bỏ trực tiếp nước thải nguồn nước mà không qua xử lý là một
trong những nguyên nhân dẫn đến sự có mặt của các ion kim loại độc trong lòng đất,
trong nước ngầm và nguồn nước mặt, là nguyên nhân gây ảnh hưởng tới sức khỏe cộng
đồng.
Trong những năm gần đây cùng với sự gia tăng dân số và sự phát triển chung của nền
kinh tế đất nước, công nghiệp mạ cũng ngày càng phát triển thì nhu cầu nước sạch ngày
4


càng tăng. Đồng thời lượng rác thải, nước thải của công nghiệp mạ cũng gia tăng. Điều
này đã ảnh hưởng không nhỏ tới môi trường và nguồn nước sinh hoạt ở một số địa
phương.
Nước thải công nghiệp mạ ảnh hưởng có hại đến q trình xử lý nước thải bằng
phương pháp sinh học. Đó là do sự có mặt của axit, kiềm và các ion kim loại độc như:
Al3+, Cr6+, Ni2+, Cu2+... đã kìm hãm hoặc giết chết vi sinh vật trong quá trình làm sạch
nước thải bằng các phương pháp sinh học.
Ngoài ra do chứa nhiều axit nên nước thải mạ còn gây ăn mòn hệ thống cống rãnh,
đường ống có nước thải đi qua. Sự thủy phân axit sẽ giải phóng axit béo tạo lớp váng nổi,
có khả năng liên kết với nhau gây tắc nghẽn cống và đường ống.
b. Ảnh hưởng của khí thải
Bụi kim loại phát sinh từ công đoạn gia công bề mặt trước khi đưa chi tiết vào mạ. Bụi

kim loại khi đi vào phổi có thể gây bệnh bụi phổi, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khoẻ.
Ngồi ra nó cịn gây viêm da, viêm niêm mạc họng và mũi.
Các dung môi hữu cơ bay hơi cùng với kiềm, hơi axit, ... có thể gây khó chịu khi tiếp
xúc. Nếu thời gian tiếp xúc kéo dài thì có thể dẫn đến các bệnh mãn tính, bệnh ung thư ở
người. Hơi axit khi thốt ra ngồi gặp lạnh (đặc biệt vào mùa đơng) sẽ ngưng tụ thành
các giọt mù axit có kích thước rất nhỏ lơ lửng trong khơng khí gây các bệnh về đường hô
hấp.
c. Ảnh hưởng của chất thải rắn
Chất thải rắn từ q trình sản xuất cơng nghiệp mạ có rất nhiều loại khác nhau nhưng
hầu hết có chứa các kim loại nặng và các kim loại độc hại khác.
Chẳng hạn như bùn thải từ quá trình xử lý bụi ở khu vực đánh bóng, phân xưởng nếu
khơng có kế hoạch quản lý hợp lý có thể làm cho kim loại hồ tan trở lại và đi vào nguồn
nước ngầm đang khai thác của nhà máy hoặc dân cư xung quanh.

5


1.1.3. Ảnh hưởng của axit HNO3 trong nước thải mạ nhôm
a. Ảnh hưởng đến con người
Lượng NO3- dư thừa sẽ đi vào nguồn nước mặt, nước ngầm gây ô nhiễm, ảnh hưởng
trực tiếp đến sức khỏe con người. NO3- khi vào cơ thể người sẽ tham gia phản ứng khử ở
dạ dày và đường ruột do tác dụng của các men tiêu hoá sinh ra NO2-. NO2-sinh ra phản
ứng với Hemoglobin tạo thành methaemoglobinemia làm mất khả năng vận chuyển oxi
của Hemoglobin. Thơng thường Hemoglobin chứa Fe2+, ion này có khả năng liên kết với
oxi. Khi có mặt NO2- sẽ chuyển hóa Fe2+ làm cho hồng cầu khơng làm được nhiệm vụ
chuyển tải O2.Nếu duy trì lâu sẽ dẫn tới tử vong.
4HbFe2+ + (O2) + 4NO2- + 2H2O → 2HbFe3+ + OH- + 4NO3- + O2
Sự tạo thành methaemoglobinemia đặc biệt thấy rõ ở trẻ em.Trẻ em mắc chứng bệnh
này thường xanh xao (bệnh Blue baby) và dễ bị đe dọa đến cuộc sống đặc biệt là trẻ dưới
6 tháng tuổi.

Ngoài ra, NO2- trong cơ thể dễ tác động với các amin tạo thành nitrosamine- một hợp
chất tiền gây ung thư. Các hợp chất nitroso được tạo thành từ amin bậc hai và axit nitrơ
(HNO2) có thể trở nên bền vững hơn nhờ tách loại proton để trở thành nitrosamie.

Các amin bậc ba trong môi trường axit yếu ở pH = 3- 6 với sự có mặt của ion nitrit
chúng dễ dàng phân huỷ thành anđehit và amin bậc hai. Sau đó amin bậc hai tiếp tục
chuyển thành nitrosamine.

6


Khi dùng thực phẩm hay nguồn nước chứa hàm lượng NO3- và NO2- vượt quá giới
hạn cho phép sẽ gây ngộ độc, ở liều lượng cao có thể gây chết người. Vì vậy những thực
phẩm và các nguồn nước có chứa NO3- và NO2- cao cần phải loại bỏ và việc xác định
hàm lượng chúng có ý nghĩa rất quan trọng trong việc đánh giá chất lượng nước.
Do NO3- và NO2- có độc tính cao như vậy nên tổ chức y tế thế giới và các quốc gia đều có
những quy định về hàm lượng NO3- và NO2- trong các rau quả, trong nước uống. Quy
định về hàm lượng NO3- và NO2- trong trong nước uống của một số quốc gia, tổ chức như
sau:
Bảng 1.1. Quy định về hàm lượng NO3- và NO2- trong nước uống
STT

Tổ chức

Hàm lượng NO3- (mg/l)

Hàm lượng NO2- (mg/l)

1

WHO

45

-

2

TCVN 5001- 91

50

0,1

3

Canada

10

1

4

EEC

50

0,1

5

CHLB Đức

50

0,1
Nguồn [1]

b. Ảnh hưởng đến môi trường
− Là độc tố đối với cá và thực vật nước. Tiêu diệt các sinh vật phù du, gây bệnh cho
cá và biến đổi các tính chất lý hóa của nước, tạo sự tích tụ sinh học đáng lo ngại
theo chiều dài chuỗi thức ăn
− Ảnh hưởng đến đường ống dẫn nước, gây ăn mòn, xâm thực hệ thống cống rãnh
− Ảnh hưởng đến chất lượng cây trồng, vật ni canh tác nơng nghiệp, làm thối
hóa đất do sự chảy tràn và thấm của nước thải
− Ảnh hưởng đến hệ thống xử lý nước thải

7


1.2. Các phương pháp xử lý nước thải mạ nhôm
1.2.1. Các phương pháp xử lý nước thải xi mạ
Nước thải xi mạ nói chung hay nước thải từ nhà máy mạ nhơm có thành phần rất đa
dạng, nồng độ lại thay đổi rất rộng, pH cũng luôn biến động từ axit đến trung tính hoặc
kiềm. Để xử lý nước thải mạ có thể dùng nhiều phương pháp khác nhau, phù hợp với
từng loại nước thải và nồng độ tạp chất chứa trong nó. Dưới đây là các phương pháp xử
lý nước thải ngành mạ
a. Phương pháp oxi hóa – khử và kết tủa hóa học:
Nguyên tắc:

+ Phản ứng oxi hóa - khử: Dùng tác nhân oxi hóa (Clo, Oxy, peoxyt, …) hoặc tác
nhân khử (Na2SO3, FeSO4, …) để oxy hóa – khử các chất ơ nhiễm thành dạng ít ơ nhiễm
hoặc khơng ơ nhiễm.
+ Phản ứng kết tủa hóa học: Dựa trên phản ứng giữa chất đưa vào nước thải với kim
loại có trong nước thải ở pH thích hợp, tạo ra chất kết tủa và tách ra bằng phương pháp
lắng thông thường. Đây là phương pháp được dùng phổ biến nhất hiện nay [10].
b. Phương pháp điện hóa:
Nguyên tắc:
+ Dựa trên ngun tắc của q trình oxy hóa khử để tách các kim loại trên các điên
cực nhúng trong nước thải khi cho dòng điện một chiều đi qua.
+ Trong đó, Anot khơng hịa tan làm bằng Grafit hoặc Chì oxit, Catot làm bằng
molipđen hoặc hợp kim Vonfram – sắt – niken. Tại Catot, xảy ra quá trình khử (tức là
quá trình nhận điện tử), kim loại bị khử để tạo thành ion ít độc hơn hoặc tạo thành kim
loại bám vào điện cực [10]:
Mem+ + (m-n)e-→ Men+, (m>n>=0)
(Trong đó m, n là các số oxy hóa của kim loại Me)
c. Phương pháp hấp phụ
Nguyên tắc:
+ Quá trình hấp phụ chủ yếu là hấp phụ vật lý tức là q trình di chuyển của các chất
ơ nhiễm (các ion kim loại) (chất bị hấp phụ) đến bề mặt pha rắn (chất hấp phụ).
+ Người ta thường dùng biện pháp hấp phụ sinh học, tức là dùng các vật liệu sinh học
để tách các kim loại hay các hợp chất của nó ra khỏi nước thải. Chẳng hạn như: Chitosan
8


– một polyme sinh học dạng glucosamine là sản phẩm deacetyl hóa chitin lấy từ vỏ tơm,
cua, một vài loại nấm và một số loài động vật giáp xác. Dung lượng hấp phụ đạt
241mgCr6+/g [11].
d. Phương pháp trao đổi ion
Nguyên tắc:

Là quá trình trao đổi diễn ra giữa các ion có trong dung dịch và các ion trong pha rắn,
được đặc trưng bởi dung lượng trao đổi.
R – H+ + Ni2+→ R – Ni2+ + 2H+
R – OH- + Cl-→ R – Cl- + OHViệc lựa chọn vật liệu trao đổi ion chọn lọc có ý nghĩa quan trọng cho thu hồi các kim
loại quý hiếm. Khi các vật liệu này đạt trạng thái bão hòa, ta tiến hành tái sinh hoặc thay
chúng.
Các điều kiện kỹ thuật cần tuân thủ khi dùng phương pháp trao đổi ion là [10]:
- Trước tiên nước thải phải lọc sạch các tạp chất cơ học, hấp phụ hết dầu mỡ, chất
hữu cơ và những chất làm ngộ độc nhựa ionit rồi mới đưa vào để trao đổi ion;
- Tổng lượng muối tạp trong nước thải cần xử lý không được vượt quá 1- 2g/l. Vậy
nên rửa thu hồi trước giảm bớt nồng độ hóa chất trong nước rửa thải.
Phương pháp trao đổi ion thích hợp với việc làm sạch nước thải crom và nước thải
chứa kiềm - axit, tuy nhiên cần phải phân luồng dịng thải. Ví dụ, với lượng nước thải
chứa crom nhỏ, thải ra từ 1 - 2 bể rửa thì dùng một bộ trao đổi ion là phù hợp [10].
Tốt nhất là dùng trao đổi ion ngay tại các bể rửa. Khi đó tùy yêu cầu chất lượng nước
tại khâu rửa mà thiết kế thiết bị trao đổi ion chỉ loại bỏ cụthể một số các tạp chất cần thiết
và có thể dùng lại để rửa. Nhờ vậy có thể đạt được hiệu quả kinh tế cao hơn, bỏ được
nhiều cống rãnh hay ống dẫn, nước và tái sử dụng hóa chất thu hồi được[10].
Tái sinh cho nhựa trao đổi ion và cho chất hấp phụ phải tiến hành riêng rẽ, độc lập với
nhau và dùng những dung dịch tái sinh khác nhau. Sau mỗi chu kỳ làm việc phải được tái
sinh đúng quy định. Tính tốn thiết bị, thời gian cho mỗi chu kỳ và các thông số vận hành
khác đều căn cứ vào hoạt động cụ thể của mỗi dây chuyền[10].

9


Trong nhiều trường hợp phương pháp trao đổi ion được dùng để xử lý triệt để nước
thải đã qua xử lý bằng hóa chất. Ưu điểm của phương pháp này là dung dịch sau tái sinh
được dồn chung vào nhóm làm sạch bằng hóa chất nên cơng nghê đơn giản hơn. Phương
pháp tổ hợp kết hợp xử lý hóa học với trao đổi ion địi hỏi diện tích xây dựng và dung

tích cơng trình xử lý nhỏ hơn so với chỉ áp dụng một phương pháp trao đổi ion [10].
e. Phương pháp sinh học
Nguyên tắc:
+ Nguyên lý chung của phương pháp là sử dụng các loại thực vật, vi sinh vật, vi khuẩn
như bèo tổ ong, tảo, các vi sinh vật yếm khí, … để tiêu hủy các kim loại nặng có trong
nước thải. Các loại sinh vật này đã sử dụng các kim loại nặng có trong nước thải như một
nguồn dinh dưỡng cho chúng tồn tại và phát triển [10].
+ Quá trình tiến hành phải lựa chọn và phân lập giống, phải cho những lồi sinh vật
nào có khả năng “tiêu hóa” nhiều kim loại nặng có hiệu quả nhất. Tuy nhiên do yêu cầu
về mặt bằng lớn, hơn nữa việc lựa chọn và phân lập vi sinh vật còn nhiều hạn chế nên khi
áp dụng vào thực tế gặp rất nhiều khó khăn.
∗ Ngồi các phương pháp đã nêu ở trên, cịn có một số phương pháp mới đang được đề
nghị nhằm bổ sung cho công nghệ xử lý nước thải chứa kim loại nhưng ứng dụng của
chúng vào thực tế vẫn còn tương đối hạn chế, ví dụ như phương pháp trích ly bằng dung
mơi, bốc hơi hồn ngun, kết tủa hóa học và làm lạnh, …
Bảng 1.2. Tóm tắt ưu điểm và hạn chế của một số phương pháp xử lý nước thải mạ nhôm
thường dùng
Phương pháp xử lý
Ưu điểm
Hạn chế
Oxy hoá khử - kết - Xử lý nước thải lưu lượng lớn - Chuyển chất thải từ dạng
tủa
- Chi phí thấp
này sang dạng khác
- Đơn giản, dễ vận hành
- Tạo lượng bùn kim loại lớn
Điện hoá

Hấp phụ

Trao đổi ion

- Nồng độ kim loại đầu vào cao - Chi phí điện năng rất lớn
- Thu hồi kim loại với độ tinh
khiết cao
- Tự động hoá q trình
- Khơng cần sử dụng hố chất
- Vận hành đơn giản
- Khó kiểm sốt nồng độ
- Giá thành vật liệu rẻ
- Giải hấp phụ không đạt hiệu
quả cao
- Nồng độ đầu vào loãng
- Yêu cầu vận hành chặt chẽ
- Thu hồi kim loại quý
- Tái sinh vật liệu trao đổi
10


Phương pháp xử lý
Sinh học

Ưu điểm
Hạn chế
- Nhu cầu năng lượng thấp
- Quá trình xử lý tạo ra chất - Yêu cầu mặt bằng xử lý lớn
thải ít nên thân thiện với môi
- Hiệu quả thấp nếu hàm
trường.
lượng chất ô nhiễm trong

- Giá thành thấp.
dịng thải khơng ổn định hoặc
q lớn.
- Q trình vận hành phải
kiểm sốt được các chất ô
nhiễm trong dòng thải và
lượng chất dinh dưỡng N, P
cấp thêm vào dịng thải

1.2.2. Cơng nghệ xử lý nước thải điển hình của cơ sở mạ nhơm trong nước
Hiện nay tại nước ta có rất nhiều nhà máy sản xuât thanh nhơm, nói chung cơng nghệ
XLNT chưa có hệ thống thu hồi axit từ nước thải. Ví dụ như : Sơ đồ xử lý nước thải điển
hình của cơ sở mạ nhôm trong nước, nhà máy nhôm Tung Kuang, Việt Hàn, Đông á...

11


Hố thu gom

SCR

SCR

SCR

Hố thu gom

Hố thu gom

Bể điều hòa kết hợp trung

hịa dịng thải

Bể điều hịa

Bể khử

Bể kết tủa

Bể đơng keo tụ

Máy ép bùn

Bơm bùn

Bể lắng

Đóng bao đem chơn lấp
hoặc thu hồi kim loại

Lọc nhanh

Nước đầu ra
Hình 1.1. Sơ đồ công nghệ xử lý nước thải nhà máy sản xuất thanh nhôm
Tung – Kuang
1.3. Tổng quan về công nghệ thu hồi axit trong nước thải mạ nhơm
1.3.1. Tình hình thu hồi axit HNO3 tại các cơ sở mạ
Khái niệm về một hệ thống “khơng dịng thải” đang ngày càng trở thành một lựa chọn
khả thi đối với ngành công nghiệp. Điều này có được dựa trên lý thuyết rằng axit HNO3
chứa trong nước thải có thể được khơi phục và tái sử dụng trong q trình. Vì chi phí cho
việc xử lý và thải bỏ chất thải ngày càng đắt đỏ, nên chắc chắn sẽ đến lúc việc xử lý và

tái sử dụng nước thải sẽ tiết kiệm hơn là xử lý và loại bỏ chúng.
Nước thải được xử lý có thể được tái sử dụng cho các q trình phụ trợ như rửa, làm
sạch, bể tẩy gỉ hay vệ sinh sàn xưởng. Đến 90% lượng nước sử dụng trong mạ điện đều
sử dụng cho các hoạt động rửa, vì thế lợi ích từ việc tái sử dụng nguồn tài nguyên này là
rất rõ ràng.
12


Việc thu hồi axit HNO3 trong nước thải nếu được thực hiện sẽ mang lại lợi ích rất lớn,
ngăn chặn ô nhiễm tại nguồn phát sinh và biến chất thải thành nguồn nguyên liệu tuần
hoàn tái sử dụng trong sản xuất.
1.3.2. Các phương pháp thu hồi axit trong nước thải mạ nhôm
Các phương pháp thu hồi axit nitoricvề lý thuyết cũng chính là các phương pháp xử
lý. Tuy nhiên, do mục đích xử lý, thu hồi khác nhau mà lựa chọn phương pháp trực tiếp
phục vụ cho từng mục đích khác nhau. Một số phương pháp được sử dụng để thu hồi axit
nitoric chủ yếu là bay hơi và trao đổi ion.
a. Phương pháp bay hơi
Phương pháp bay hơi cưỡng bức: Nhờ phương pháp bay hơi cưỡng bức, chất lỏng được
gia nhiệt tới điểm sơi, nước dần hóa hơi. Để làm bay hơi 1 kg nước ở 100oC cần dùng
2300 kJ (0,64 Kwh). Năng lượng tồn tại trong hơi, nếu khơng thu hồi năng lượng bằng
cách ngưng tụ hơi thì chi phí làm bay hơi lượng lớn nước sẽ rất cao.
Thiết bị bay hơi áp suất thường là thiết bị bay hơi được sử dụng rộng rãi nhất trong
công nghiệp mạ điện. Chất lỏng và khơng khí chuyển động ngược chiều trong thiết bị với
diện tích tiếp xúc lớn, thuận lợi cho bay hơi. Khơng khí bão hịa hơi nước ở 20-30oC, sau
đó được thải ra khí quyển qua thiết bị phân tách mù. Thiết bị bay hơi này tiêu thụ nhiều
năng lượng nên chi phí vận hành lớn, trừ khi công ty sử dụng nhiệt dư cho bay hơi.
Thiết bị bay hơi chân khơng thường tốn ít năng lượng hơn nhưng lại đắt hơn. Chất
lỏng bay hơi ở áp suất thấp. Hơi nước được rút ra bởi một bơm chân khơng và ngưng tụ
dễ dàng. Bởi vậy nó khơng địi hỏi lượng khơng khí lớn như thiết bị bay hơi áp suất
thường. Thiết bị này có ưu thế lớn nếu khơng khí tạo hợp chất khơng mong muốn với

chất lỏng.
Thông thường, thiết bị bay hơi chân không được thiết kế với nhiều bậc bay hơi để
giảm tiêu thụ năng lượng. Chất lỏng bay hơi song song với quá trình chuyển động trong
ống, hơi ngưng tụ trên bề mặt gia nhiệt để tận dụng nhiệt.
Thiết bị bay hơi trong ống đặc biệt có các bàn chải quay trên bề mặt gia nhiệt, kiểm
soát độ dày của màng lỏng. Đây là thiết bị bay hơi mạnh, tốn ít năng lượng (dưới
50Wh/lit nước bay hơi) và phù hợp với chất lỏng bẩn.
13


Mặc dù tăng chi phí năng lượng song kỹ thuật bay hơi cưỡng bức được sử dụng phổ
biến để thu hồi hóa chất từ nước rửa. Ngày nay, thiết bị bay hơi tiêu thụ năng lượng rất
thấp (50 Wh/kg nước), mở ra nhiều cơ hội áp dụng công nghệ này.
Phương pháp bay hơi nước róc/nước rửa: Phương pháp này thường được áp dụng cho
nước róc/nước rửa mạ crom trang trí và mạ crom cứng. Do sử dụng nhiều năng lượng,
phương pháp này thường kết hợp với các q trình cơ đặc khác và với các giải pháp như
rửa nhiều bậc để tối thiểu hóa thể tích cần bay hơi. Nhiệt bay hơi được lấy một phần từ
quá trình mạ (do q trình sinh nhiệt). Có thể thấy, đây là chu kì đóng khơng phát sinh
chất thải.
b. Phương pháp trao đổi ion
Nguyên tắc của phương pháp: Trao đổi ion là một q trình trao đổi diễn ra giữa các ion
có trong dung dịch và các ion có trong pha rắn được xác định bằng khả năng hấp phụ của
các ionit (còn gọi là là dung lượng trao đổi).[4]
Trao đổi ion xảy ra theo tỉ lệ tương đương và trong một số trường hợp là phản ứng
thuận nghịch. Phản ứng trao đổi xảy ra do hiệu số thế hóa học của các ion trao đổi.
Với phản ứng sau:
R- - A+ + B+X- → R-B+ + A+XR+ - A- + B-X+ → R+B- + A-X+
Quá trình làm sạch nước thải bằng phương pháp trao đổi ion nhằm tách các ion kim
loại như: Cr6+, Ni2+, Cu2+, Zn2+… và các anion: NO3-, SO42-, Cr2O7, CN-, ... ra khỏi nước
thải.

Các chất trao đổi ion rất đa dạng, tùy thuộc vào yêu cầu xử lý người ta có thể chọn
những chất trao đổi ion khác nhau.
Trong xử lý nước và nước thải, trao đổi ion là một trong các phương pháp có hiệu suất
rất cao, có thể thu hồi được nhiều sản phẩm có giá trị kinh tế.
Phương pháp trao đổi ion được áp dụng khá phổ biến để xử lý nước cấp cho các mục
đích như: Nước cấp lị hơi, nước cấp cho ngành hóa dược, hóa chất tinh khiết, cho ngành
14


chế tạo điện tử…Song việc áp dụng phương pháp trao đổi ion cịn nhiều hạn chế vì nó
địi hỏi mức độ đầu tư kinh phí khá lớn, chi phí chung cho yêu cầu xử lý cao. Phương
pháp này đang được áp dụng để xử lý nước thải chứa kim loại nặng tại các nước phát
triển như: Canada, Thụy điển, Đức, Trung quốc…và ở Việt Nam đã có một số nhà máy
áp dụng.[4]
c. Phương pháp thẩm thấu ngược
Thẩm thấu ngược là kỹ thuật lọc sử dụng một màng rất đặc, gần như khơng có lỗ, giữ
lại ion và hợp chất hịa tan nhưng cho nước đi qua. Có thể sử dụng màng để giữ lại một
loại muối nhất định. Tùy thuộc vào dạng màng mà một lượng nhất định ion và hợp chất
tan (0,1-1%) sẽ đi qua màng. Nếu yêu cầu nồng độ ion cịn lại thấp, ta có thể cần sử dụng
vài thiết bị RO nối tiếp nhau.
Màng RO thường được làm từ polyamid hoặc polysulphon, làm việc trong khoảng pH
= 2-12. Chất lỏng đã lọc được gọi là phần thấm qua trong khi dung dịch cô đặc được giữ
lại gọi là phần lưu hay phần cô đặc. Trong thực tế, mối quan hệ đặc trưng giữa thể tích
phần thấm qua và cô đặc là 2:1, phụ thuộc vào nồng độ muối và dạng màng.
Thẩm thấu ngược có nhiều ứng dụng tiềm năng trong việc thu hồi hóa chất sản xuất từ
nước rửa hoàn tất kim loại hoặc các quá trình tương tự. Thơng thường, phải lọc dung dịch
trước khi cho qua thiết bị RO, nhưng điều này là không đủ để tránh tắc màng. Nước có
thể vẫn chứa các hợp chất sẽ kết tủa trong q trình cơ đặc. Các hợp chất kết tủa có thể là
vơi, silicat hoặc hidroxit kim loại nặng. Một vài biện pháp có thể là giảm pH tới 6, loại bỏ
kim loại nặng bằng trao đổi ion chọn lọc trước RO hoặc bổ sung hóa chất để ngăn kết tủa.

Một số bể sản xuất ăn mịn mạnh màng. Khơng thể cơ đặc bể mạ crom bằng màng có mặt
trên thị trường hiện nay do chúng không chịu được axit cromic.
Các yêu cầu đối với thiết bị RO:
+ Màng phải chịu được hóa chất thực tế;
+ Hợp chất hóa học khơng kết tủa trên màng trong q trình cơ đặc;
+ Áp suất thẩm thấu của chất lỏng được cô đặc không quá cao;
+ Nước không chứa cặn, tránh tắc.

15


d. Phương pháp lọc nano (NF)
Phương pháp lọc nano giống thẩm thấu ngược, là kỹ thuật sử dụng màng polyme hữu
cơ có kích thước rất nhỏ (<0,002). Đặc tính của vật liệu polime làm cho màng nguyên lý
giữ lại ion hóa trị hai và ba trở lên, cũng như các phân tử lớn, ion hóa trị một và phân tử
lượng nhỏ dưới 200 có thể đi qua màng nano.
Một số lượng ion dương và ion âm sẽ qua màng tạo cân bằng điện tích ở các bên của
màng. Bởi vậy, đơi lúc khó biết được chính xác ion nào bị giữ bởi màng NF đối với một
dung dịch nhất định. Phụ thuộc vào kiểu màng, một phần muối và phân tử hữu cơ sẽ
được giữ lại bởi màng, có thể sử dụng một hoặc nhiều màng thích hợp tùy theo yêu cầu
lọc. Khuyến nghị sử dụng và đánh giá nhiều loại màng cho cùng một mục đích trước khi
quyết định lắp đặt cho thiết bị kích cỡ thật.
Màng NF điển hình gồm các polime kết tủa trên vật liệu polysulphon hoặc
polyetesulphon. Những vật liệu này chịu pH từ 0,5 đến 13. Màng có thể dạng dây xoắn,
ống hoặc đĩa.
Một vài điều kiện phải được xem xét khi áp dụng lọc nano:
+ Màng phải chịu được các hóa chất trong nước, đây là điều kiện quan trọng quyết
định đến nồng độ hóa chất thu được.
+ Lắng các hợp chất hóa học trong màng không được diễn ra cùng lúc với quá trình
cơ đặc. Do vậy càng phải đảm bảo chất lượng đầu vào.

Ứng dụng: Đây là một công nghệ sạch không sử dụng hóa chất, có thể thu gom tất cả hóa
chất trong bể rửa trả lại về bể sản suất.
Độ bền của màng với hóa chất crom cũng là một vấn đề. Ngày nay tồn tại loại màng
chịu được hợp chất axit cromic trung bình, tuy nhiên tuổi thọ ngắn. Điều này làm hạn chế
mức độ cơ đặc, có thể phải thay thế màng 3 - 6 tháng một lần, trong khi trung bình là 1 2 năm, như vậy sẽ tốn chi phí màng lọc hơn nhiều.

16