Nghiên cứu xử lý nước thải xí nghiệp in

TRẦN DUY DŨNG

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

LUẬN VĂN THẠC SĨ KHOA HỌC
NGÀNH: CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC

CÔNG NGHỆ HOÁ HỌC
2007 - 2009
HÀ NỘI
2009

NGHIÊN CỨU XỬ LÝ
NƯỚC THẢI XÍ NGHIỆP IN

TRẦN DUY DŨNG

HÀ NỘI - 2009


1

M ỤC L ỤC
Trang
LỜI NÓI ĐẦU

3

Ch−¬ng 1: Kh¸i qu¸t vÒ n−íc th¶i c«ng nghiÖp in

5

1.1 Khái quát về nước thải công nghiệp in

5

1.1.1. Nước thải công nghiệp in nói chung

5

1.1.2 Thành phần chính của nước thải phân xưởng in.

6

1.2 Tác động của nước thải công nghiệp in đến môi trường

9

Ch−¬ng 2 - C¸c ph−¬ng ph¸p xö lý n−íc th¶i
2.1 Xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học

13
13

2.1.1 Bể điều hòa

13

2.1.2 Bể lọc

14

2.1.3 Bể lắng

15

2.2 Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa học
2.2.1 Phân loại quá trình hoá học trong xử lý nước thải công
nghiệp

17
17

2.2.2. Vai trò và ứng dụng của phương pháp hoá học

18

2.2.3 Cơ chế của xử lý nước thải bằng phương pháp hoá học

22

2.2.3.1 Bản chất của điều chỉnh pH

22

2.2.3.2 Phản ứng oxi hóa bậc cao trong xử lý nước thải xưởng in 25
2.3. Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa lý
2.3.1 Xử lý bằng phương pháp keo tụ

32
32

2.3.1.1. Phương pháp keo tụ

32

2.3.1.2 C¬ chÕ cña qu¸ tr×nh keo tô

36

2.3.1.3. Ảnh hưởng một số yếu tố đến quá trình keo tụ

40

2.3.2 Phương pháp hấp phụ kết hợp với keo tụ

43

2.4 Một số phương pháp xử lý và hiệu quả xử lý

44


2

CHƯƠNG 3 - LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ VÀ NỘI DUNG
NGHIÊN CỨU

45

3.1 Đặt vấn đề

45

3.2 Khảo sát dây chuyền xử lý nước thải hiện tại

48

3.3. Lựa chọn công nghệ xử l ý

50

3.4 Nội dung nghiên cứu

51

CHƯƠNG 4 - THỰC NGHIỆM VÀ THẢO LUẬN KẾT QUẢ
4.1. Hóa chất sử dụng và thiết bị thí nghiệm

56
56

4.1.1 Hóa chất sử dụng

56

4.1.2 Thiết bị thí nghiệm

56

4.2 Mô tả thí nghiệm

58

4.3 Xây dựng mô hình thực nghiệm thống kê bậc 1 hai mức tối ưu

58

4.3.1 Xác định hệ

59

4.3.2 Xác định cấu trúc của hệ

59

4.3.3 Xác định các hàm toán mô tả hệ

59

4.3.4 Xác định các thông số của mô hình

60

4.3.5 Kiểm tra tính tương hợp của mô hình và cải tiến mô hình

61

4.3.6 Tính toán các thông số của mô hình

61

4.3.7 Tối ưu hóa mô hình

70

4.3.8 Kiểm tra xử lý nước thải khi tuần hoàn nước đã xử lý sơ bộ

73

4.4 Đề xuất thiết kế thiết bị keo tụ làm việc liên tục

75

KẾT LUẬN

77

TÀI LIỆU THAM KHẢO

79

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỀ TÀI (tiếng việt)

81

TÓM TẮT NỘI DUNG ĐỀ TÀI (tiếng anh)

83

PHỤ LỤC


3

Lêi nãi ®Çu
Trong những năm gần đây, cùng với sự phát triển của các ngành công
nghiệp, quá trình đô thị hoá càng tăng thì nước thải của các khu dân cư trong
thành phố cũng như của các nhà máy, xí nghiệp ngày càng nhiều. Việc xả trực
tiếp các dòng nước thải công nghiệp vào hệ thống cống thoát nước của thành
phố đã và đang gây ra những ảnh hưởng xấu về môi trường nói chung cũng
như môi trường nước nói riêng. ở nước ta, ô nhiễm nguồn nước ở các khu vực
dân cư gần nguồn nước thải của các nhà máy có phân xưởng in đã lên đến
mức báo động. Chính vì vậy, cùng với sự quan tâm chung của các quốc gia
trên thế giới, chúng ta cũng đã tiến hành xây dựng một số trạm xử lý nước
thải tại một số nhà máy có phân xưởng in.
Tuy vậy các nhà máy đa số sử dụng công nghệ xử lý nước thải thành
nước đủ tiêu chuẩn quy định rồi thải ra cống thoát chung.
Như vậy muốn đảm bảo tiêu chuẩn thải nước ra môi trường, quá trình
công nghệ xử lý phải đảm bảo xử lý toàn bộ các chất độc hại có trong nước
thải đến giới hạn cho phép, yêu cầu công nghệ và thiết bị xử lý phức tạp, phải
đồng bộ thì mới đạt yêu cầu của quá trình xử lý. Việc tuần hoàn để tái xử
dụng nước đã xử lý hầu như chưa được các cơ sở in của nước ta quan tâm. Do
đó việc đổi mới thiết bị và hoàn thiện công nghệ quá trình xử lý nước thải
nhằm tái sử dụng lại nước thải đã qua xử lý mang lại hiệu quả của các trạm xử
lý nước thải này cũng là một đòi hỏi bức bách của thực tiễn sản xuất tại các
cơ sở in ở nước ta.
Vì những lý do như trên mà tôi quyết định chọn đề tài:
“ Nghiên cứu xử lý nước thải của xí nghiệp in”

Nội dung chính của đề tài là nghiên cứu thành phần nước thải của xí
nghiệp in, đánh giá các phương pháp xử lý nước thải, đánh giá hiện trạng của


4

phân xưởng xử lý nước thải Nhà máy in tiền Quốc gia, lựa chọn và nghiên
cứu các thông số công nghệ của quá trình xử lý bằng keo tụ, tiến hành thí
nghiệm để xác định chế độ tối ưu cho qúa trình xử lý nước thải bằng phương
pháp keo tụ tại phòng thí nghiệm nhằm mục đích tái sử dụng nước sau khi xử
lý. Nước sau xử lý sẽ quay lại làm nước rửa lô máy in phân xưởng in.


5

Ch−¬ng 1 - Kh¸i qu¸t vÒ n−íc th¶i c«ng nghiÖp in
Tùy theo từng lĩnh vực in và tùy từng phân xưởng trong các nhà máy in
mà tính chất của nước thải tương ứng khác nhau, do đó để tìm hiểu rõ hơn về
nước thải công nghiệp in ta đi vào tìm hiểu các nội dung dưới đây.
1.1 Khái quát về nước thải công nghiệp in
1.1.1. Nước thải công nghiệp in nói chung.
Do các nhà máy hiện nay đều thực hiện việc tách các dòng thải riêng để
thuận tiện cho công nghệ xử lý nên nước thải ở phân xưởng in ở các nhà máy
in thông thường chỉ bao gồm các loại hóa chất, bã mực dư thừa trong quá
trình in, dầu mỡ, các kim loại nặng và dung môi. Tùy theo từng lĩnh vực in
mà thành phần nước thải khác nhau, trong mỗi nhà máy in cũng tùy thuộc vào
từng khâu của quá trình in mà thành phần nước thải cũng khác nhau.
Tuy phần lớn các cơ sở in của nước ta chỉ có quy mô vừa, nhưng lại tập
trung ở một số thành phố lớn như: Hà nội, Hồ Chí Minh, Hải Phòng...và hầu
hết các phân xưởng này chưa tiến hành xử lý nước thải theo một quy trình

công nghệ nghiêm ngặt nên nước thải sau xử lý vẫn chưa được ổn định theo
tiêu chuẩn cho phép. Nguyên nhân chủ yếu do công nghệ và thiết bị xử lý
chưa đáp ứng đủ công suất của nguồn thải cũng như sự gia tăng các chất thải
trong nước thải. Luận văn này chỉ tập trung nghiên cứu xử lý nước thải của
phân xưởng in.
Theo các kết quả nghiên cứu, các chất ô nhiễm chủ yếu có trong nước
thải phân xưởng in thường là các hợp chất hữu cơ khó phân hủy, chất màu,
các chất hoạt động bề mặt và pH của nước thải cao do lượng kiềm trong nước
thải lớn. Trong số các chất ô nhiễm có trong nước thải in, chất màu là thành
phần khó xử lý nhất. Đây chính là nguyên nhân làm cho nước thải in có độ
màu cao và nồng độ chất ô nhiễm lớn.


6

Xem xét quá trình in, chúng ta thấy rằng: tuy lượng nước thải của các
phân xưởng in ở nước ta không lớn do quá trình in đòi hỏi lượng nước thải
không nhiều, nhưng nồng độ của những chất độc hại gây ô nhiễm dòng thải
lại cao, gây ô nhiễm cục bộ nguồn nước các khu vực dân cư gần nhà máy
cũng như các ao hồ, huỷ diệt sinh vật, cá, tôm . Nước thải của công nghiệp in
còn thay đổi theo thời gian trong ngày phụ thuộc vào quá trình sản xuất và ở
các nhà máy khác nhau đều có thành phần chất thải trong nước khác nhau.
1.1.2 Thành phần chính của nước thải phân xưởng in.
Trong các cơ sở in có nhiều dòng thải khác nhau như nước thải của
phân xương chế bản, xưởng in và nước thải sinh hoạt. Hầu hết các cơ sỏ in
đều sử dụng biện pháp tách dòng thải để xử lý riêng rẽ sau đó qua bể chứa
trước khi xả ra hệ thống nước thải thành phố. Trong đề tài này chúng tôi chỉ
đi sâu nghiên cứu xử lý nước thải của phân Xưởng in, đây là nơi có lượng
nước thải cần xử lý nhiều nhất và có chất quyết định đến chất lượng dòng thải
của toàn nhà máy in.

Chúng tôi đã lấy mẫu và phân tích nhiều lần nước thải phân xưởng in
Nhà máy ịn tiền Quốc Gia, kết quả cho ở bảng như sau:


7

Bảng 1.1 Thành phần nước thải phân xưởng in
Nhà máy in tiền Quốc Gia (phụ lục 1)
TT

Tên chỉ tiêu

1

pH

2

Tiêu chuẩn

Đơn vị

Kết quả

5,5 đến 9

-

13,5

COD

80

mg/l

15600

3

SS

100

mg/l

2580

4

S2-

0,5

mg/l

2,43

5

Độ màu

150

Co-Pt

44092

6

Tổng Nitơ

30

mg/l

75,3

7

Tổng phốtpho

6

mg/l

10,21

8

Tổng Cr

1,1

mg/l

1,67

9

Zn

2

mg/l

0,595

10

Ni

0,5

mg/l

0,26

cột B

(Mẫu lấy tại cửa dòng thải của phân xưởng in trước khi vào bể chứa)
Qua phân tích có thể thấy màu sắc của nước thải phân xưởng in có
thành phần chính là mực dư thừa do đó để hiểu rõ hơn về nước thải phân
xưởng in ta cần tìm hiểu cấu tạo và tính chất của mực in.
Thành phần cấu tạo của mực in gồm có: hạt màu (pigment), chất liên
kết và phụ gia.
1. Pigment: là các chất màu tạo ra màu sắc cho cho mực in, màu của
pigment là màu của mực.
Pigment thường là những hợp chất hữu cơ hoặc vô cơ có màu, có công
thức hoá học khác nhau và chúng có đặc điểm chung là không thấm nước,
không tan trong nước, cồn và dung môi hữu cơ. Pigment có kích thước siêu
mịn (trong in offset đường kính hạt pigment nhỏ hơn 1µm), đồng thời


8

pigment không có ái lực với vật liệu và các nguyên vật liệu sản xuất mực.
Theo các tiêu chuẩn chung với in offset thì mực vàng thường có từ (11 –
13)% pigment, mực đen là (25-30)% và mực đỏ và cyan là (17-20)%.
Pigment quyết định các tính chất quang học của mực cũng như độ bền
màu của mực in.
Pigment dùng trong mực in đều phải có các tính chất sau:
- Độ đậm màu của pigment cần phải đồng nhất và không thay đổi màu
dưới tác dụng của ánh sáng mặt trời.
- Độ đậm màu của pigment phải cao để đảm bảo khi chế tạo mực in, chỉ
cần dùng lượng nhỏ pigment cũng đủ để chế tạo được mực có màu đậm mong
muốn.
Mức độ thấm chất liên kết phải nhỏ nhất để có thể đem dùng chế tạo ra
các loại mực in trong đó chứa lượng pigment tương đối cao- mực in có độ
đậm cao. Tính chất này đặc biệt quan trọng đối với loại pigment đen (muội

than) dùng để chế tạo các loại mực đen và đối với các loại pigment có màu
dùng để chế tạo các loại mực in dùng để in các tài liệu từ ba đến bốn màu.
Cấu trúc của pigment cần mềm mại để đảm bảo cho chúng dễ dàng hỗn
hợp với chất liên kết khi đem nghiền ở các máy nghiền dùng chế tạo mực in.
2. Chất liên kết: là các chất lỏng tự nhiên hoặc tổng hợp có tính nhớt
dính, có khả năng dàn thành màng mỏng trên bề mặt vật liệu in và bám dính
chắc vào đó.
Thành phần của chất liên kết bao gồm: chất tạo màng (amino
formandehit, phenol formandehit, dầu thực vật, bitum, xenlăc), dung môi hữu
cơ hoà tan chất tạo màng (rượu, cồn, dầu khoáng).
Chất liên kết quyết định đến độ bám dính, độ đặc lỏng, tính xúc biến,
tính lưu biến của mực, quyết định đến tính bền cơ học của mực.
Các loại chất liên kết khác nhau thể hiện các loại hình bám dính khác
nhau: quá trình thẩm thấu, quá trình khô bằng nhiệt, quá trình hoá học. Tính
chất chung của mọi chất liên kết trong thành phần mực in cần phải có là:


9

- Phải có đủ độ dính để tạo thành hợp chất với pigment, dầu khô, chất
độn, thì mực in có thể dính được nên mặt các lô in, các ống kim loại, mặt giấy
in, nếu không mực in không thể được truyền từ máng mực qua hệ thống lô lên
mặt khuôn in rồi sang giấy để tạo thành chữ, hình ảnh mà sẽ nằm nguyên vẹn
trong máng mực của máy in rồi quay và trượt trên mặt lô sắt máng mực. Cần
có độ nhớt thích hợp để mực không ngấm sâu vào trong lòng giấy rồi để lại
trên mặt giấy các hạt pigment, chất độn, không được gắn chắc trên mặt giấy
và dễ dàng bong khỏi mặt giấy khi có điều kiện.
- Phải có tính đồng nhất- các chất tạo thành chất liên kết (như các chất
có độ trùng hợp không giống nhau, trọng lượng phân tử khác nhau), được
phân bố đồng đều ở mọi điểm trong lòng chất liên kết.

- Trong thành phần của chất liên kết phải có chứa một lượng thích hợp
chất hoạt động bề mặt để ổn định pigment và phụ gia.
3. Các chất phụ gia: là các chất cho thêm vào mực để làm tăng tính in
của mực như: làm tăng- giảm tốc độ khô, tăng hay giảm độ bám dính của
mực, tăng hay giảm khả năng ngấm của mực trên bề mặt vật liệu.
Thành phần các chất phụ gia bao gồm:
- Chất dầu khô: các muối kim loại như Co, Mg, các loại dầu: làm thay
đổi độ dính.
- Các chất ngấm: neocan... làm tăng độ ngấm của mực.
- Các chất dầu mỡ: làm tăng độ bám dính, độ bóng của mực.
Qua tìm hiểu về mực in trên đây và so sánh với kết quả phân tích nước
thải của quá trình rửa lô bản in, ta thấy nước thải này có chứa các thành phần
chính của mực in và các hóa chất pha thêm vào nước trước khi rửa lô.
1.2 Tác động của nước thải công nghiệp in đến môi trường.
Nước thải của phân xưởng in do có chứa các hóa chất nêu trên nên nếu
không được xử lý tốt sẽ gây rất nhiều tác hại cho môi trường nói chung và con


10

người nói riêng. Nhằm đảm bảo sự phát triển bền vững của môi trường cũng
như hệ sinh thái khu vực, đồng thời đảm bảo yêu cầu phát triển kinh tế, kỹ
thuật, thực sự mang lại khả năng phát triển và đảm bảo tính cạnh tranh lành
mạnh của các cơ sở sản xuất nước thải ra cống chung phải đạt được tiêu
chuẩn cụ thể về dòng thải (TCVN 5945 - 2005) là điều kiện pháp lý đối với
tất cả các cơ sở in.
Tiêu chuẩn cụ thể cho dòng thải của công nghiệp ở những nước như
Mỹ, Anh, Austrâylia, Thái Lan được đưa ra trong [5]. Tiêu chuẩn của các
nước này căn cứ vào loại hình sản xuất, quy mô sản xuất cũng như quy trình
công nghệ, được đảm bảo về mặt luật pháp, trên cơ sở của nền công nghiệp

tiên tiến. Còn với nước ta, do điều kiện sản xuất ở các phân xưởng in còn khó
khăn, công nghệ lạc hậu, sản xuất chưa được cơ khí hoá và tự động hoá nên
các cơ sở sản xuất chưa tuân thủ toàn bộ các quy định về bảo vệ môi trường.
Chính do tình trạng ô nhiễm do nước thải công nghiệp nói chung và nước thải
công nghiệp in nói riêng, Nhà nước ta đã ban hành tiêu chuẩn cụ thể cho nước
thải công nghiệp, có chỉnh lý và bổ sung tương đối hoàn thiện trong tiêu
chuẩn: TCVN 5945-2005 - [6].

.


11

Bảng 1.2

TCVN 5945 – 2005 giá trị giới hạn các thồng số

và nồng độ các chất ô nhiễm trong nước thải công gnhiệp

Tiêu chuẩn B áp dụng cho nước thải bề mặt - Nước sau xử lý thải trực
tiếp vào cống thoát chung của Thành phố.


12

Theo bảng 1.2, để đạt được đầy đủ các tiêu chuẩn về nước thải su xử lý,
các trạm xử lý phải phân tích đầy đủ các thông số của nước trước và sau xử lý
và kiểm soát hoạt động bình thường của toàn bộ hệ thống các thiết bị xử lý
trong dây chuyền.
So với tiêu chuẩn dòng thải công nghiệp in của các nước phát triển,

nồng độ các chất ô nhiễm chính cho phép thải vào đường thải chung như độ
màu, chất rắn lơ lửng, crôm, niken ... quy định trong TCVN - 5945 - 2005 là
quá thấp - thấp hơn hai lần nếu so với tiêu chuẩn của Mỹ, do đó chưa hợp lý
với điều kiện sản xuất, xử lý cũng như tính kinh tế, kỹ thuật của ngành công
nghiệp in còn tương đối nhỏ bé ở nước ta hiện nay, nhất là đối với các doanh
nghiệp không liên doanh với nước ngoài.
Tuy nhiên, so với các tiêu chuẩn về dòng thải của Thái Lan, các tiêu
chuẩn của ta tương đối cụ thể hơn, đã quan tâm đến đặc tính sản xuất nhỏ của
công nghiệp in Việt Nam, do đó thành phần và tính chất của nước thải đã
được quy định cụ thể cho từng khu vực thải theo các giá trị nồng độ chất độc
cao thấp khác nhau.
Nếu tiêu chuẩn về dòng thải quy định thấp quá, chi phí xử lý nước thải
sẽ cao, ảnh hưởng đến giá thành sản phẩm, không kích thích quá trình phát
triển sản xuất mà thậm chí còn phải đình chỉ sản xuất nếu thực hiện đúng luật
môi trường. Nếu tiêu chuẩn quy định cao, không đảm bảo cho sự phát triển
bền vững của môi trường cũng như hệ sinh thái sẽ ảnh hưởng trực tiếp đến
sức khoẻ của cộng đồng, đến mọi sinh vật trong khu vực có nước thải chảy
qua, nhất là vùng dân cư ở cạnh nguồn nước thải này.


13

Ch−¬ng 2 - C¸c ph−¬ng ph¸p xö lý n−íc th¶i
Xem xét các công nghệ xử lý nước thải có thể tổng hợp và đưa ra các công
nghệ xử lý nước thải áp dụng cho xử lý nước thải công nghiệp in, tùy theo
từng lĩnh vực in khác nhau có thể áp dụng các phương pháp xử lý khác nhau
hoặc kết hợp các phương pháp với nhau để tạo nên một dây chuyền công nghệ
xử lý cho từng lĩnh vực. Theo [7, 9, 13, 15] với nước thải có màu, cặn bẩn và
COD cao có thể dùng một số phương pháp xử lý chính như sau:
2.1

Xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học

Phương pháp này được sử dụng để tách các tạp chất không hòa tan và một
phần các chất ở dạng keo ra khỏi nước thải
2.1.1 Bể điều hòa
Là đơn vị dùng để khắc phục các vấn đề sinh ra do sự biến động về lưu
lượng và tải lượng dòng vào, đảm bảo hiệu quả của các công trình xử lý sau,
đảm bảo đầu ra sau xử lý, giảm chi phí và kích thước của các thiết bị sau này.
Có 2 loại bể điều hòa:
− Bể điều hòa lưu lượng
− Bể điều hòa lưu lượng và chất lượng
Các phương án bố trí bể điều hòa có thể là bể điều hòa trên dòng thải hay
ngoài dòng thải xử lý. Phương án điều hòa trên dòng thải có thể làm giảm
đáng kể dao động thành phần nước thải đi vào các công đoạn phía sau, còn
phương án điều hòa ngoài dòng thải chỉ giảm được một phần nhỏ sự dao động
đó. Vị trí tốt nhất để bố trí bể điều hòa cần được xác định cụ thể cho từng hệ
thống xử lý, và phụ thuộc vào loại xử lý, đặc tính của hệ thống thu gom cũng
như đặc tính của nước thải.


14

2.1.2

Bể lọc.

Lọc được ứng dụng để tách các tạp chất phân tán có kích thước nhỏ khỏi
nước thải, mà các bểlắng không thể loại được chúng. Người ta tiến hành quá
trình lọc nhờ các vật liệu lọc, vách

ngăn xốp, cho phép chất lỏng đi qua và giữ các tạp chất lại.
Vật liệu lọc được sử dụng thường là cát thạch anh, than cốc, hoặc sỏi,
thậm chí cả than nâu, than bùn hoặc than gỗ. Việc lựa chọn vật liệu lọc tùy
thuộc vào loại nước thải và điều kiện địa phương.
Có nhiều dạng lọc: lọc chân không, lọc áp lực, lọc chậm, lọc nhanh, lọc
chảy ngược, lọc chảy xuôi…

Hình 2.1 Bể lọc áp lực


15

2.1.3 Bể lắng
Lắng là quá trình tách khỏi nước cặn lơ lửng hoặc bông cặn hình thành
trong giai đoạn keo tụ tạo bông hoặc các cặn bùn sau quá trình xử lý sinh học.

Hình 2.2 Bể lắng tròn phân phối nước vào bằng buồng phân phối trung tâm

Hình 2.3 Bể lắng tròn phân phối nước vào
bằng buồng phân phối trung tâm


16

Hình 2.4 Bể lắng tròn tổng phân phối nước vào
và thu nước ra bằng máng đặt vòng quanh theo chu vi bể
Trong công nghệ xử lý nước thải quá trình lắng được ứng dụng :
- Lắng cát, sạn, mảnh kim loại, thuỷ tinh, xương, hạt sét...ở bể lắng cát.
- Loại bỏ chất lơ lửng ở bể lắng đợt 1.
- Lắng bùn hoạt tính hoặc màng vi sinh vật ở bể lắng đợt 2.

Hai đại lượng quan trọng trong việc thiết kế bể lắng chính là tốc độ
lắng và tốc độ chảy tràn.
Để thiết kế một bể lắng lý tưởng, đầu tiên người ta xác định tốc độ lắng
của hạt cần được loại và khi đó đặt tốc độ chảy tràn nhỏ hơn tốc độ lắng.
Tính chất lắng của các hạt có thể chia thàng 3 dạng như sau :
Lắng dạng I: lắng các hạt rời rạc. Quá trình lắng được đặt trưng bởi các
hạt lắng một cách rời rạc và ở tốc độ lắng không đổi. Các hạt lắng một cách
riêng lẽ không có khả năng keo tụ, không dính bám vào nhau suốt quá trình
lắng. Để có thể xác định tốc độ lắng ở dạng này có thể ứng dụng định luật cổ
điển của Newton và Stoke trên hạt cặn. Tốc độ lắng ở dạng này hoàn toàn có
thể tính toán được.
Lắng dạng II: lắng bông cặn. Quá trình lắng được đặt trưng bởi các hạt
( bông cặn) kết dính với nhau trong suốt quá trình lắng. Do quá trình bông cặn
xảy ra trên các bông cặn tăng dần kích thước và tốc độ lắng tăng. Không có


17

một công thức toán học thích hợp nào để biểu thị giá trị này. Vì vậy để có các
thông số thiết kế về bể lắng dạng này, người ta thí nghiệm xác định tốc độ
chảy tràn và thời gian lắng ở hiệu quả khử bông cặn cho trước từ cột lắng thí
nghiệm, từ đó nhân với hệ số quy mô ta có tốc độ chảy tràn và thời gian lắng
thiết kế.
Lắng dạng III: lắng cản trở. Quá trình lắng được đặt trưng bởi các hạt
cặn có nồng độ cao (>1000mg/l). Các hạt cặn có khuynh hướng duy trì vị trí
không đổi với các vị trí khác, khi đó cả khối hạt như là một thể thống nhất
lắng xuống với vận tốc không đổi. Lắng dạng này thướng thấy ở bể nén bùn.

2.2 Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa học.
Khử-kết tủa là một cách gọi riêng của phương pháp hoá học để xử lý

nước thải nói chung. Để hiểu rõ cơ chế của phương pháp này chúng ta sẽ xem
xét một số nội dung chính của xử lý nước thải công nghiệp và đặc biệt là các
cơ sở về lý thuyết của xử lý nước thải bằng phương pháp hoá học.
2.2.1. Phân loại quá trình hoá học trong xử lý nước thải công nghiệp.
Thừa nhận rằng quá trình hoá học biến đổi một phần tử này thành phần
tử khác và để tiện lợi cho các quy trình kiểm soát ô nhiễm có thể chia quá
trình hoá học thành hai loại:
+ Loại một là các phản ứng chuyển hoá trong đó các phần tử cần thiết
bị biến đổi hoàn toàn bởi phản ứng hoá học.
+ Loại thứ hai gồm không chỉ có phản ứng hoá học mà còn có sự
chuyển pha của các chất. Thí dụ điển hình của loại này là sự kết tủa của các
ion tan trong nước thải, khi cho hoá chất vào nước th¶i tác dụng để loại trừ ra
khỏi nước thải.
Sự khác biệt này quan trọng ở chỗ trong phản ứng loại thứ nhất, sự
chuyển hoá vật chất thu được vẫn ở trong cùng pha mà tại đó nó được xử lý,


18

do đó khống chế những điều kiện để phản ứng xảy ra theo mong muốn ở đây
rất quan trọng. Trong khi đó ở loại thứ hai (chuyển pha) thì sự xử lý chỉ phụ
thuộc vào tính hiệu quả của sự phân ly pha tiếp theo [14].
2.2.2. Vai trò và ứng dụng của phương pháp hoá học
Tất cả các quá trình xử lý ô nhiễm không đơn giản chỉ là vật lý mà còn
có các phản ứng hoá học, ngay cả phương pháp sinh học phân huỷ oxy hoá
cũng có các phản ứng hoá học tham gia. Rõ ràng rằng để hiểu hoàn toàn việc
kiểm soát ô nhiễm nước thì cần tìm hiểu kỹ về các phản ứng đó và chắc chắn
rằng không một nhà máy công nghiệp nào được thiết kế mà không biết cơ sở
hoá học của chương trình xử lý nước bị ô nhiễm. Trước hết chúng ta cần nhận
biết và mô tả các phản ứng hoá học quan trọng trong kiểm soát ô nhiễm và

khôi phục tài nguyên, làm cơ sở cho việc thiết kế hệ thống các nhà máy xử lý.
ở đây ta không xét những quá trình sinh hoá hiếu khí, kỵ khí vì điếu đó đã
được trình bày trong các tài liệu hiện hành, bao gồm các bài của tập đoàn
Metcalf & Eddy (1979) Sundstrom và Klei (1979), Curi và Eckenfelder
(1980), Grady và Lim (1980) cũng như trong sách thực hành do Hiệp hội
kiểm soát ô nhiễm nước của Mỹ ấn hành (1976, 1977).
Xử lý hoá học các chất ô nhiễm mặc dù đã áp dụng khá thành công
trong xử lý nước sinh hoạt, nhưng vẫn được phát triển tiếp cho nước thải công
nghiệp bởi vì các ứng dụng rộng rãi của nó.
Nước thải công nghiệp rất phức tạp, thường chứa các chất độc hại và
kháng các sinh vật trong quá trình sinh học, bị ô nhiễm nặng và biến động về
lưu lượng cũng như nồng độ các chất ô nhiễm. Những yếu tố đó cộng với sự
giới hạn về không gian đã khuyến khích áp dụng phương pháp kỹ thuật hoá lý
để xử lý nước thải trong chừng mức có thể nhằm thay thế cho phương pháp
sinh học. Cũng vì lý do này, chúng ta chỉ tập trung vào xem xét vấn đề sử
dụng phương pháp hoá học dùng cho xử lý nước thải công nghiệp như là một


19

phương cách có các cơ chế riêng khác với các phương pháp xử lý khác [12],
[13], [14].
Các kỹ sư xử lý nước thải dường như đã quen với việc sử dụng các hệ
thống xử lý sinh học, nên phương pháp hoá học chưa thường xuyên được sử
dụng mặc dù biết đây là cách rất tốt. Chính vì vậy chúng ta cần phải nhận rõ
các lợi ích của phương pháp hoá học để sử dụng chúng cho phù hợp. Điều này
được trình bày trong bảng 2-1.
Bảng 2.1. Phạm vi sử dụng của phương pháp hoá học
trong xử lý nước thải công nghiệp
Công nghệ

Thông số ô nhiễm

Quá trình hoá học điển

chính

hình được sử dụng

Cốc hoá (bao gồm cả

COD, các hợp chất

Ôxi hoá, chỉnh pH,

sản phẩm phụ)

sunfua, xianua

kết bông

Phát điện

Chất rắn

Ôxyhoá, kết bông,

Kỹ thuật chung

Dầu, mỡ, chất rắn,

chỉnh pH

(Gồm chế tạo máy, xử

sunfua, kim loại, kiềm

lý nhiệt...)
Phân bón

COD

Ôxy hoá, kết bông

Chế biến thực phẩm

BOD, chất béo, rắn

Phá vỡ nhũ tương, kết
bông.

(Gồm: lò mổ, thịt, cá,
chế biến hoa quả và
rau...)
Trừ sâu, trừ nấm.

COD

chỉnh pH.

Mỏ (than, khoáng sản
v.v...)
Hoá chất hữu cơ (bao

Ôxy hoá, kết bông, điều

Chất rắn, kim loại, axit

Kết bông, chỉnh PH.


20

gồm chất dẻo)

COD, axit, kiềm

Chưng cất dầu, hoá dầu COD, dầu, hợp chất

Chỉnh pH, ôxy hoá, kết
bông.

sunfua, xiamua, axit

Phá vỡ nhũ tương, oxy

kiềm

hoá, chỉnh pH, kết

Dược phẩm

COD, axit, kiềm

bông.

Chụp ảnh

Hợp chất sunfua axit,

ôxy hoá, kết bông,

kiềm, COD

chỉnh pH

Gia công bề mặt :

Axit, kiềm, các ion kim ôxy hoá khử, chỉnh pH

(Gồm anốt hoá, mạ

loại, chất hoạt đông bề

Chỉnh pH, ôxy hóa, tạo

điện, tráng men, tráng

mặt, dầu mỡ, chất rắn.

bông, phá vỡ nhũ
tương, kết tủa.

kim loại sơn, cho công
nghệ máy bay, ô tô,
điện tử, hàng gia dụng,
kim loại đen và màu,

Oxy hoá, tạo bông,

kim hoàn, xe lửa...)
Dệt (gồm cả nhuộm)

chỉnh pH, phá vỡ nhũ
COD, chất rắn, axit

tương, tạo bông.

kiềm, chất hoạt động bề
mặt, BOD, mỡ, chất
rắn, kiềm
Xét tổng thể và so sánh với các phương pháp xử lý nước khác, phương
pháp hoá học có những lợi ích sau:
1. Vì hệ thống xử lý hoá học nhận biết dễ hơn và dễ kiểm tra bằng
những kỹ thuật giản đơn, nên các thiết bị dễ điều khiển hơn so với thiết bị xử
lý trên cơ sở sinh học. Chúng có thể hoạt động gián đoạn hoặc liên tục theo


21

nguyên tắc “tắt – mở” không khó khăn và hệ thống có thể khởi động nhanh
chóng.
2. Xử lý hoá học thường chịu được thay đổi nhiệt độ (mặc dù tốc độ
của một số phản ứng bị ảnh hưởng), đòi hỏi thời gian để lập lại điều kiện của
quá trình công nghệ là thấp nhất.
3. Phân xưởng xử lý hoá học có thể thiết kế dễ dàng cho thích hợp với
tải lượng đầu vào và lưu lượng thay đổi. Đó là một nhân tố đặc biệt quan
trọng trong xử lý nước thải công nghiệp. Trái với hệ thống sinh học cần hoạt
động liên tục 24 giờ/ngày và tải lượng phải phân bố đều đặn, thì phần lớn các
quá trình hoá học có thể bố trí dễ dàng để phù hợp với lưu lượng nước thải
ngắt quãng và phức tạp cả về nồng độ các chất ô nhiễm. Chúng không nhạy
cảm với các hoạt động của vi khuẩn, do đó mặc dù xưởng xử lý hoá học phải
được thiết kế đúng đắn để có thể thích hợp với thành phần nước thải, nhưng ít
ra xưởng không bị mất tác dụng bởi các vật liệu đầu vào thay đỏi một cách
ngẫu nhiên. Còn hệ thống xử lý sinh học cần phải có thời gian đủ dài thích
hợp.
Mặt khác, xử lý hoá học còn đạt được các kết quả rất tốt tại những nơi
phương pháp sinh học không sử dụng được hoặc hiệu quả kém, ví dụ như
nước thải chứa chất độc, vật liệu bền sinh học, nước thải chứa ion crôm,
niken, phốt pho hoặc các chất màu.
4. Giá thành và không gian của hệ thống xử lý hoá học nhỏ hơn nhiều
so với loại xử lý bằng sinh học - điều này đặc biệt quan trọng với khu vực đô
thị hoá cao, mặt khác phải thừa nhận rằng chi phí vận hành của phương pháp
hoá học có cao hơn xử lý sinh học ít nhiều, tuy nhiên điều này chỉ có ý nghĩa
với những xưởng xử lý lớn.
5. Xưởng xử lý bằng hoá học có thể nhanh chóng thay đổi hoặc tăng
thêm quá trình một cách đơn giản hoặc thay đổi chút ít quá trình hoá học mà
thông thường thì điều này không cần thay đổi kết cấu hạ tầng của xưởng.

22

6. Đôi khi sản phẩm phụ của phản ứng hoá học cũng có ích hoặc ít nhất
có thể thiết kế quá trình để có được sản phẩm phụ hữu dụng.
Cũng có những bất lợi với xử lý hoá học, ví dụ so với phương pháp xử
lý sinh học thì xử lý hoá học có nhiều bùn thải hơn. Hoặc khi sử dụng phương
pháp hoá học để kết tủa thì nồng độ của muối hoà tan trong nước thải tăng
lên. Trong thực tế nhiều khi người ta sử dụng tổng hợp quá trình xử lý hoá
học và sinh học khi có thể: trước tiên xử lý hoá học để giảm mức độ ô nhiễm
để nó có thể xử lý tiếp được bằng phương pháp sinh học cho đến khi nước
thải đạt các tiêu chuẩn cho phép. Còn khi tồn tại các chất thải trong nước
không xử lý được bằng phương pháp sinh học thì buộc phải dùng những
phương pháp khác xử lý phân huỷ mạnh hơn như phương pháp hoá học,
phương pháp hấp phụ hoặc kết hợp cả hai.
2.2.3 Cơ chế của xử lý nước thải bằng phương pháp hoá học
Xử lý nước thải bằng phương pháp hoá học bao gồm một số bước theo
cơ chế phụ thuộc vào bản chất của quá trình hoá học xảy ra trong đó.
2.2.3.1

Bản chất của điều chỉnh pH [15]

Tính chất của tất cả các dung dịch (trừ dung dịch đậm đặc) đều phản
ánh đặc điểm của dung môi nước. Nước là chất điện giải yếu, có hằng số
điện môi cao và bị phân ly theo phản ứng :
H2O ↔

H+ + OH-

Các ion H+ và OH- (với mức độ nào đó) đều bị bao vây bởi các phân tử
nước, nghĩa là chúng bị hydrat hoá. Tích ion của nước - hệ số Kw được định

nghĩa như sau :
Kw = a H . a OH
+

−

Kw rất nhỏ và khoảng 10-14 tại nhiệt độ bình thường của môi trường. Trong
nước nguyên chất hoạt độ của dung môi nước aH 2 O thực tế là không đổi và


23

được coi là đơn vị. Trong thực tế, trường hợp đó mỗi phân tử có cùng hoạt độ
a H = a OH =
+

−

K W = 10-7 và đây là trường hợp nước ở điều kiện trung tính.

Khi có chất điện giải hoà tan trong nước, thì sự cân bằng và trung hoà
như trên nêu bị xáo động. Như khi thêm các phần tử cho ion H+ sẽ được dung
dịch axit, hoặc cho những phần tử nhận proton thì sẽ được dung dịch kiềm.
Dung dịch đầu thừa ion H+ so với OH − , còn dung dịch sau thì ngược lại.
Danh từ “pH” dùng để chỉ mức độ axit hoá dung dịch nước và từ định
nghĩa xưa của điện hoá cho nồng độ hydro CH + bằng biểu thức: pH =-lg
CH + .
Thật ra định nghĩa này không được thực hiện trên thực tế với độ chính
xác cho các suy luận nhiệt đông học và pH là một quan niệm sử dụng ngày
nay như một tiêu chuẩn để vận hành các quá trình công nghệ trong công

nghiệp. Có thể chứng minh điều này khi xem xét hai loại pin điện hoá dùng
để đo pH. Loại quen thuộc dùng hai nửa pin, một nửa pin có điện thế thay đổi
theo hoạt độ của ion Hydro aH + (bằng nồng độ của ion hyđro CH + nhân với
hệ số hoạt độ f ), trong khi nửa pin kia có điện thế không đổi (tại nhiệt độ
không đổi) ; Cả hai nửa pin nối với nhau bằng mối nối lỏng. Dạng đầu tiên
của nửa pin đáp ứng với ion hydro là điện cực khí Pt - H2 nhúng trong chất
điện giải (thường dùng điện cực thủy tinh), còn nửa pin clorua thủy ngân thủy ngân (điện cực Calomel) có thể dùng làm điện cực so sánh có điện thế
không đổi. Điện cực này tiếp xúc dung dịch clorua có hoạt độ không đổi tại
bất kỳ nhiệt độ nào. Biểu diễn sơ đồ nguyên lý toàn bộ pin như sau :
Pt ; H2 ⎟ HX ⎟⎟ Satd. KCl ⎟ Hg2Cl2 ; Hg
- Thành phần thứ nhất là nửa pin hydro.
- HX là điện cực hydro.
- Satd.KCl là mặt điện giải so sánh.


24

- Thành phần cuối chính là điện cực calomel.
- Hai vạch thẳng đứng biểu thị bề mặt phân chia của mối nối lỏnglỏng giữa hai nửa pin.
Sức điện động mạch hở của pin đó tại nhiệt độ tuyệt đối T là hiệu số
điện thế của hai nửa pin theo phương trình Nernst :
2.3026 RT
2,2026 RT
⎞ ⎛
⎞
0
E = E Cal − E H = ⎛⎜ ECal
. lg aCl ⎟ − ⎜ E H0 +
. lg a H ⎟ +Ej
−

⎝

−

F

+

F

⎠ ⎝

⎠

Trong đó:
- R là hằng số khí.
- F là số Faraday.
-

0
E Cal
là điện thế tiêu chuẩn của điện cực Calomel ở nhiệt độ T nghĩa

là giá trị của Ecal khi lga = 0.
-

E 0H là điện thế tiêu chuẩn của điện cực hydro.

- Ej là điện thế của mối nối lỏng nảy sinh tại biên giới giữa hai chất
lỏng khác nhau. Theo qui ước điện hoá E 0H = 0 nên:

0
E = E Cal
-

2,3026 RT
(lga H .f H + lga Cl .f Cl ) + Ej
F
+

+

−

−

Có thể thấy rằng lgCH+ và pH như định nghĩa ở trên không thể tính từ
hệ thức này bởi vì không biết các hệ số hoạt độ fH+, fCl- và Ej nên ta cũng
không thể tính chính xác pH từ biểu thức lý tưởng: pH = - lga H ; và cũng vì
+

không thể đánh giá chính xác được a Cl .
−

Loại pin thứ hai không dùng mạch chất lỏng. Đó là loại pin dạng:
Pt ; H2 ⎟ HCl ⎟ AgCl ; Ag
Trong đó sức điện động tính theo công thức :
E = E 0Ag ,AgCl -

2,3026 RT
( lga H + lga Cl )

F
+

−