TRƢỜNG ĐẠI HỌC CẦN THƠ
KHOA MÔI TRƢỜNG VÀ TÀI NGUYÊN THIÊN NHIÊN
BÔ MÔN KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG
---------
LUẬN VĂN TỐT NGHIỆP ĐẠI HỌC
NGÀNH KỸ THUẬT MÔI TRƢỜNG
KHẢO SÁT VÀ SO SÁNH HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƢỚC THẢI
THỦY SẢN BẰNG CÁC HÓA CHẤT KHÁC NHAU
Cán bộ hƣớng dẫn:
Sinh viên thực hiện:
Ts. Nguyễn Võ Châu Ngân
Lƣơng Thị Diễm Thúy
MSSV: 1110868 K37
Cần Thơ, 11/2014
Luận văn tốt nghiệp Đại học
XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
......................................................................................................................................
SVTH: Lƣơng Thị Diễm Thúy (1110868)
i
Luận văn tốt nghiệp Đại học
TÓM TẮT
Hiện nay có rất nhiều phƣơng pháp để xử lý nƣớc thải, mỗi phƣơng pháp có những
ƣu nhƣợc điểm khác nhau tùy vào từng loại nƣớc thải và thành phần của nó mà lựa
chọn phƣơng pháp xử lý thích hợp. Phƣơng pháp keo tụ đƣợc áp dụng phổ biến vì
tính hiệu quả loại bỏ các chất rắn lơ lửng, huyền phù trong nƣớc đặc biệt là với các
chất khó hoặc không bị thủy phân. Trong đó chất keo tụ lại ảnh hƣởng đến hiệu suất
xử lý đáng kể, việc lựa chọn hóa chất keo tụ hiệu quả cũng nhƣ kinh tế luôn đƣợc
quan tâm.
Đề tài “So sánh hiệu quả xử lý nƣớc thải chế biến thủy sản bằng các hóa chất khác
nhau” nhằm tìm ra thông số thích hợp của các chất keo tụ trong quá trình xử lý nƣớc
thải chế biến thủy sản. Nghiên cứu đƣợc thực hiện trên bộ thí nghiệm Jartest trong
phòng thí nghiệm để xác định loại chất keo tụ và thông số thích hợp cho quá trình
keo tụ. Đối tƣợng nghiên cứu trong đề tài là nƣớc thải từ nhà máy chế biến thủy sản
thu thập từ nhà máy Chế biến Thủy sản Panga Mekong - Ban và Toi Foods
Corporation, khu công nghiệp Trà Nóc II, quận Bình Thủy, thành phố Cần Thơ.
Kết quả nghiên cứu của các thí nghiệm đã xác định đƣợc các thông số thích hợp cho
quá trình keo tụ là 500 mg/L PAC kết hợp 1,5 mg/L polymer và 500 mg/L PAC kết
hợp với 2,5 mg/L gel. Ở pH khoảng 6 - 7 khi kết hợp PAC cho hiệu quả xử lý cao.
Các số liệu sau quá trình thí nghiệm đƣợc phân tích SPSS sự khác biệt mức ý nghĩa
hiện luận văn.
Cuối lời, con mong cha mẹ mãi là điểm tựa vững chắc cho con. Chúc quý thầy cô
luôn dồi dào sức khỏe, thành công trong công việc và cuộc sống.
Cần thơ, ngày
tháng
năm 2014
Sinh viên thực hiện
Lƣơng Thị Diễm Thúy
SVTH: Lƣơng Thị Diễm Thúy (1110868)
iii
Luận văn tốt nghiệp Đại học
MỤC LỤC
XÁC NHẬN CỦA CÁN BỘ HƢỚNG DẪN ............................................................. i
TÓM TẮT ĐỀTÀI....................................................................................................... i
LỜI CẢM TẠ ............................................................................................................. ii
MỤC LỤC ................................................................................................................. iv
DANH SÁCH BẢNG ............................................................................................... vi
DANH SÁCH HÌNH ................................................................................................ vii
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT .......................................................................... ix
CHƢƠNG 1. GIỚI THIỆU ........................................................................................ 1
Khái niệm ............................................................................................... 7
2.4.2
Quá trình keo tụ ...................................................................................... 7
2.4.3
Bản chất của các hạt keo trong nƣớc...................................................... 9
2.4.4
Cơ chế của quá trình keo tụ .................................................................. 10
2.4.5
Phƣơng pháp keo tụ .............................................................................. 13
2.4.6
Các chất keo tụ ..................................................................................... 13
2.4.7
Các yếu tố ảnh hƣởng đến hiệu suất keo tụ ......................................... 16
2.4.8
Trợ keo tụ ............................................................................................. 19
Phƣơng tiện thí nghiệm ........................................................................ 22
3.4
PHƢƠNG PHÁP NGHIÊN CỨU .............................................................. 23
3.4.1
Bố trí thí nghiệm .................................................................................. 23
4.1 KẾT QUẢ PHÂN TÍCH CÁC THÔNG SỐ HÓA LÝ CỦA NƢỚC
THẢI NHÀ MÁY CHẾ BIẾN THỦY SẢN PANGA MÊKÔNG ....................... 31
4.2
KẾT QUẢ THÍ NGHIỆM JARTEST ......................................................... 32
4.2.1
Thí nghiệm 1: định hƣớng xác định liều lƣợng PAC và thời gan lắng 32
4.2.2 Thí nghiệm 2: khảo sát ảnh hƣởng của pH đến hiệu quả xử lý độ đục
và COD, qua đó xác định pH tốt nhất cho quá trình keo tụ .............................. 35
4.2.3
Thí nghiệm 3: xác định liều lƣợng PAC thích hợp kết hợp polymer ... 37
4.2.4
Thí nghiệm 4: xác định liều lƣợng PAC thích hợp kết hợp gel ........... 38
Bảng 2.1 Đặc trƣng ô nhiễm nƣớc thải chế biến thủy sản.......................................... 3
Bảng 2.2 Thành phần nƣớc thải chế biến thủy sản ..................................................... 4
Bảng 2.3 Thống kê khả năng có thể đạt đƣợc khi xử lý bằng quá trình keo tụ .......... 8
Bảng 2.4 Ƣu và nhƣợc điểm của các chất đông tụ - keo tụ ...................................... 14
Bảng 2.5 Đặc điểm lý hóa của các chất keo ............................................................ 15
Bảng 2.6 pH thích hợp cho hoạt động của các chất keo tụ ...................................... 20
Bảng 2.7 So sánh hiệu suất loại bỏ chất ô nhiễm có và không sử dụng hóa chất .... 21
Bảng 2.8 Mức độ keo tụ của FeCl3 ở pH = 7,5, liều lƣợng 800 mg/L .................... 21
Bảng 2.9 Mức độ keo tụ của PAC ở pH = 8,5, liều lƣợng 900 mg/L ..................... 21
Bảng 3.1 Phƣơng pháp phân tích các thông số......................................................... 23
Bảng 0.1. Kết quả phân tích một số chỉ tiêu của nƣớc thải ...................................... 32
SVTH: Lƣơng Thị Diễm Thúy (1110868)
vi
Luận văn tốt nghiệp Đại học
DANH SÁCH HÌNH
Hình 2.1 Cấu tạo điện tích của hạt keo ..................................................................... 10
Hình 2.2 Điện tích trên hạt lơ lửng khi giải thích bằng lý thuyết hai lớp ................ 11
Hình 2.3 Thêm các ion trái dấu hóa trị 3 để giảm điện tích thực trên các hạt rắn .. 11
Hình 3.1 Mẫu nƣớc thải đƣợc lấy tại cống ra của phân xƣởng fillet........................ 22
Hình 3.2 Bộ Jartest Lovibond ................................................................................... 23
Hình 3.3 Sơ đồ bố trí thí nghiệm định hƣớng chọn liều lƣợng chất keo tụ .............. 25
Hình 3.4 Sơ đồ bố trí thí nghiệm Jartest xác định pH tốt nhất cho quá trình keo tụ
bằng PAC .................................................................................................................. 26
Hình 3.5 Sơ đồ bố trí thí nghiệm xác định liều lƣợng chất keo tụ thích hợp kết
Hình 4.13 Ảnh hƣởng kết quả keo tụ của PAC kết hợp polymer đến hiệu suất loại
bỏ ni-tơ...................................................................................................................... 43
Hình 4.14 Ảnh hƣởng kết quả keo tụ của PAC kết hợp polymer đến hiệu suất loại
bỏ SS ......................................................................................................................... 44
Hình 4.15 Ảnh hƣởng kết quả keo tụ của PAC kết hợp gel đến hiệu suất loại bỏ
COD .......................................................................................................................... 45
Hình 4.16 Ảnh hƣởng kết quả keo tụ của PAC kết hợp gel đến hiệu suất loại bỏ
độ đục ....................................................................................................................... 46
Hình 4.17 Ảnh hƣởng kết quả keo tụ của PAC kết hợp gel đến hiệu suất loại bỏ
photpho ..................................................................................................................... 47
Hình 4.18 Ảnh hƣởng kết quả keo tụ của PAC kết hợp gel đến hiệu suất loại bỏ
SS .............................................................................................................................. 48
Hình 4.19 Ảnh hƣởng kết quả keo tụ của PAC kết hợp gel đến pH ........................ 48
Hình 4.20 Ảnh hƣởng kết quả keo tụ của PAC kết hợp gel đến hiệu suất loại bỏ
nitơ ............................................................................................................................ 49
SVTH: Lƣơng Thị Diễm Thúy (1110868)
viii
Luận văn tốt nghiệp Đại học
DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT
COD
ĐV
SS
Ntổng
dạng trải dài từ Bắc vào Nam, đƣờng bờ biển dài, sông ngòi chằng chịt… tất cả
những điều đó tạo điều kiện cho Việt Nam phát triển ngành nuôi trồng thủy sản.
Nuôi trồng, đánh bắt và chế biến thủy sản là một ngành kinh tế quan trọng của Việt
Nam, đem lại nguồn lợi không nhỏ vào sự phát triển kinh tế của đất nƣớc. Vị trí của
xuất khẩu thủy sản Việt Nam khá vững chắc và hiện nằm trong 10 nƣớc có giá trị
thủy sản xuất khẩu hàng đầu thế giới. Theo thống kê của Tổng Cục Hải quan, tổng
xuất khẩu thủy sản cả nƣớc năm 2013 đạt 6,7 tỷ USD, tăng 9,6% so với năm 2012.
Trong đó đồng bằng sông Cửu Long (ĐBSCL) là một vùng có thế mạnh về chế biến
và xuất khẩu thủy sản đem lại lợi nhuận kinh tế đáng kể cho Việt Nam nói chung và
của ngƣời dân nuôi trồng thủy sản nói riêng, với 606.000 ha mặt nƣớc nuôi thủy sản
cùng giá trị xuất khẩu hàng tỉ USD mỗi năm (Tổng Cục Thủy sản, 2013).
Tuy nhiên, bên cạnh những lợi ích mang lại thì sự phát triển của ngành chế biến
thủy sản (CBTS) cũng làm cho vấn đề ô nhiễm môi trƣờng ngày càng lớn. Ngành
chế biến thủy sản tác động đến môi trƣờng với những đặc trƣng cơ bản nhƣ khí thải
gây ô nhiễm môi trƣờng bởi những mùi hôi phát sinh từ nguồn phế thải đƣợc lƣu trữ
trong quá trình sản xuất. Chất thải rắn từ các dây chuyền chế biến thủy sản gồm
đầu, xƣơng, vây, nội tạng mực và cá… Nƣớc thải trong sản xuất chế biến (chiếm 85
- 90% tổng lƣợng nƣớc thải) từ hoạt động rửa nguyên liệu, chế biến… Trong các
nguồn phát sinh ô nhiễm từ dây chuyền chế biến thủy sản thì nƣớc thải là nguồn gây
ô nhiễm nghiêm trọng nhất vì đổ vào môi trƣờng lƣợng nƣớc thải lớn có nồng độ ô
nhiễm cao do tiếp nhận nguồn protein và lipid từ mực, tôm, cá. Theo kết quả điều
tra thì các chế biến đông lạnh có lƣợng nƣớc thải lớn hơn các nhà máy chế biến khô,
nƣớc mắm, đồ hộp (Tổng Cục Thủy sản, 2014).
Trong quá trình chế biến thủy sản, sự khác biệt trong nguyên liệu thô và sản phẩm
cuối liên quan đến sự khác nhau trong quá trình sản xuất, dẫn đến tiêu thụ nƣớc
khác nhau (cá da trơn 5 - 7 m3/tấn sản phẩm; tôm đông lạnh 4 - 6 m3/tấn sản phẩm;
surimi 20 - 25 m3/tấn sản phẩm; thủy sản đông lạnh hỗn hợp 4 - 6 m3/tấn sản phẩm
…). Mức độ ô nhiễm của nƣớc thải từ quá trình chế biến thủy sản thay đổi rất lớn
phụ thuộc vào nguyên liệu thô (tôm, cá, cá mực, bạch tuộc, cua, nghiêu, sò…), sản
phẩm, thay đổi theo mùa vụ, và thậm chí ngay trong ngày làm việc. Đặc biệt đối với
-
Giảm hàm lƣợng các chất ô nhiễm trong nƣớc thải phát sinh từ quy trình chế
biến nhƣ độ màu, SS và nồng độ COD từ đó làm giảm chi phí cho hệ thống xử
lý nƣớc thải, đồng thời mang lại hiệu quả kinh tế cho nhà máy.
SVTH: Lƣơng Thị Diễm Thúy (1110868)
2
Luận văn tốt nghiệp Đại học
CHƢƠNG 2. LƢỢC KHẢO TÀI LIỆU
2.1
THÀNH PHẦN, TÍNH CHẤT NƢỚC THẢI CHẾ BIẾN THỦY SẢN
Nƣớc thải sản xuất bẩn có thể chứa các loại tạp chất khác nhau, có loại chứa chất
bẩn chủ yếu là vô cơ, có loại chứa chất bẩn chủ yếu là hữu cơ. Đa số các loại nƣớc
thải sản xuất đều chứa hỗn hợp các chất bần (Trần Hiếu Nhuệ, 2001).
Theo Lâm Minh Triết (2006), công nghiệp chế biến thủy sản là một trong các ngành
phát triển khá mạnh ở khu vực phía Nam. Bên cạnh những lợi ích đạt đƣợc về kinh
tế - xã hội, ngành công nghiệp này cũng phát sinh nhiều vấn đề môi trƣờng bức xúc.
Nƣớc thải thủy sản có thành phần ô nhiễm vƣợt quá tiêu chuẩn thải cho phép nhiều
lần, đây là một trong những ngành công nghiệp có tải lƣợng ô nhiễm cao. Với đặc
tính dòng thải giàu chất hữu cơ, nitơ, photpho, các phụ phế phẩm phân hủy tạo mùi
hôi khó chịu… gây mất cảm quan và mỹ quan cho cộng đồng, ảnh hƣởng đến sức
TN (mg/L)
50 - 200 (100)
TP (mg/L)
10 - 100 (30)
(Nguồn: Lê Văn Cát, 2007)
Hầu hết các loại hình công nghệ CBTS đều có nhu cầu sử dụng nƣớc khá lớn cho
nhiều công đoạn: chế biến, bảo quản nguyên liệu và sản phẩm. Tất cả những công
đoạn này phát sinh một lƣợng lớn nƣớc thải trong quá trình sản xuất. Lƣu lƣợng thải
của một cơ sở chế biến thủy sản xấp xỉ 90% lƣợng nƣớc cấp hàng ngày với điều
kiện tách triệt để nguồn nƣớc mƣa. Cũng có cùng nhận định về lƣu lƣợng Lâm
SVTH: Lƣơng Thị Diễm Thúy (1110868)
3
Luận văn tốt nghiệp Đại học
Minh Triết (2013) cho rằng “Lƣu lƣợng nƣớc thải đƣợc tính trên một đơn vị khá
lớn, thƣờng từ 30 - 80 m3 nƣớc thải cho một tấn thành phẩm”.
Tổng lƣợng nƣớc thải công nghiệp CBTS ƣớc tính trong năm 2004 vào khoảng 27,1
triệu m3. Theo quy mô và cơ cấu sản phẩm, lƣợng nƣớc thải từ CBTS đông lạnh lớn
hơn rất nhiều so với các nhóm sản phẩm khác, chiếm tới 61,2% tổng lƣợng thải và
có đủ thành phần tính chất đặc trƣng cho nƣớc thải của ngành CBTS.
Theo Lê Văn Cát (2007), dựa trên các sản phẩm tiêu thụ, chế biến thủy sản có thể
phân loại:
và phức tạp.
Bảng 2.2 Thành phần nƣớc thải chế biến thủy sản
Chỉ tiêu
Đơn vị
Nồng độ
Tôm đông lạnh
Cá da trơn (cá
tra, cá basa)
Thủy sản đông
lạnh hỗn hợp
pH
-
6,5 - 9,0
6,5 - 7,0
5,5 - 9,0
SS
mg/L
100 - 300
100 - 300
30 - 100
P tổng
mg/L
10 – 120
50 - 100
3 - 50
Dầu mỡ
mg/L
-
250 - 830
2,4 - 100
(Nguồn: Tổng Cục Môi trường, 2009)
Dựa vào Bảng 2.2 cho thấy thành phần nƣớc thải phát sinh từ ngành chế biến thủy
sản có nồng độ COD, BOD5, chất rắn lơ lửng, tổng nitơ và tổng photpho cao. Nƣớc
cầu về chất lƣợng sản phẩm mà nƣớc thải từ các nguồn phát sinh có sự khác biệt về
thành phần, tính chất, lƣu lƣợng cũng nhƣ chế độ thải nƣớc. Nƣớc thải từ chế biến
sản phẩm đông lạnh, sản phẩm ăn liền, đồ hộp và sản xuất agar đƣợc tạo ra gần nhƣ
liên tục từ hầu hết các công đoạn sản xuất, trong đó chủ yếu là từ xử lý nguyên liệu
và chế biến sản phẩm. Nƣớc thải từ chế biến đồ khô phần lớn tập trung ở khâu xử lý
nguyên liệu. Trong chế biến mắm và bột cá, ngoài công đoạn rửa nguyên liệu còn
tạo ra nhiều nƣớc thải xả theo đợt từ vệ sinh định kỳ thiết bị máy móc. Riêng đối
với sản xuất bột cá, còn phát sinh một lƣợng nƣớc thải có hàm lƣợng hữu cơ rất cao
từ công đoạn ép cá. Nƣớc thải sinh hoạt tại các cơ sở chế biến thủy sản thƣờng
chiếm từ 10 - 15% tổng lƣợng nƣớc thải, đƣợc phát sinh ra từ quá trình phục vụ cho
nhu cầu ăn, uống, tắm, rửa, vệ sinh… của ngƣời lao động.
Nƣớc thải CBTS thƣờng chứa nhiều các thành phần hữu cơ tồn tại chủ yếu ở dạng
keo, phân tán mịn, tạp chất lơ lửng tạo nên độ màu, độ đục cho dòng thải. Nƣớc thải
thƣờng có mùi khó chịu, độc hại do quá trình phân hủy sinh học. Thành phần không
tan và dễ lắng chủ yếu là các mảnh vụn xƣơng thịt, vây, vẩy… và còn có các tạp
chất vô cơ nhƣ cát, sạn… Để đánh giá hiện trạng nƣớc thải ngành chế biến thủy sản
một cách đúng đắn cần tìm hiểu về tính chất nguyên liệu, các thành phần cấu tạo
nên nguyên liệu thủy sản.
-
Nƣớc: chiếm tỷ lệ khá lớn từ 60 - 80% trọng lƣợng cơ thể động vật thủy sản và
tồn tại ở hai dạng chủ yếu là nƣớc tự do và nƣớc liên kết.
-
Protit: là thành phần chính trong tổ chức cơ thịt động vật chiếm 15 - 25% trọng
lƣợng phần thịt ăn đƣợc. Quá trình phân giải protit diễn ra rất nhanh dƣới tác
dụng xúc tác đặc hiệu của các nhóm enzym. Ở các loại thủy sản quá trình này
diễn ra rất nhanh khiến nguyên liệu dễ bị hƣ hỏng, ƣơn thối sau khi đánh bắt.
Trimetylamin, Ure, Sunfua-hydro.
Ảnh hƣởng của ngành chế biến thủy sản đến môi trƣờng có sự khác nhau đáng kể,
không chỉ phụ thuộc vào loại hình chế biến, mà còn phụ thuộc vào nhiều yếu tố
khác nhƣ quy mô sản xuất, sản phẩm, nguyên liệu đầu vào, mùa vụ, trình độ công
nghệ sản xuất, trình độ tổ chức quản lý sản xuất… trong đó yếu tố kỹ thuật, công
nghệ và tổ chức quản lý sản xuất có ảnh hƣởng quyết định đến vấn đề bảo vệ môi
trƣờng của từng doanh nghiệp. Một số tác động đặc trƣng của ngành chế biến thủy
sản gây ảnh hƣởng đến môi trƣờng có thể kể đến nhƣ sau:
-
Ô nhiễm không khí: mùi hôi phát sinh từ việc lƣu trữ các phế thải trong quá
trình sản xuất, khí thải từ các máy phát điện dự phòng. Trong các nguồn ô nhiễm
không khí, mùi là vấn đề chính đối với các nhà máy chế biến thủy sản.
-
Chất thải rắn phát sinh chủ yếu từ quá trình chế biến bao gồm các loại đầu vỏ
tôm, vỏ nghêu, da/mai mực, nội tạng mực và cá…
-
Nƣớc thải sản xuất trong chế biến thủy sản chiếm 85 - 90% tổng lƣợng nƣớc
thải, chủ yếu từ các công đoạn nhƣ rửa trong xử lý nguyên liệu, chế biến, hoàn
tất sản phẩm, vệ sinh nhà xƣởng và dụng cụ, thiết bị, và nƣớc tải sinh hoạt.
Trong các nguồn phát sinh ô nhiễm, nƣớc thải là nguồn gây ô nhiễm nghiêm trọng
đến môi trƣờng bởi phát sinh thể tích nƣớc thải lớn với nồng độ ô nhiễm cao nếu
không đƣợc xử lý thích hợp.
2.3
Trong quá trình dinh dƣỡng các VSV sẽ nhận các chất để xây dựng tế bào và sinh
năng lƣợng nên sinh khối của nó tăng lên.
Theo Trần Hiếu Nhuệ (2001) ngƣời ta phân biệt hai giai đoạn, chúng diễn ra với tốc
độ khác nhau:
-
Giai đoạn hấp phụ các chất phân tán nhỏ, keo và hòa tan (dạng hữu cơ và vô cơ)
lên bề mặt tế bào VSV.
-
Giai đoạn phân hủy các chất đã hấp phụ và qua màng vào trong tế bào VSV. Đó
là các phản ứng sinh hóa (ô-xy hóa và khử).
2.4
TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ NƢỚC THẢI BẰNG PHƢƠNG PHÁP KEO
TỤ TẠO BÔNG
2.4.1 Khái niệm
Ngô Xuân Trƣờng et al. (2008) cho rằng keo tụ - kết bông là một trong những hình
thức xử lý nƣớc thải làm các chất lơ lửng và các chất keo kết tủa lại thành những hạt
cặn có kích thƣớc lớn hơn hoặc kết thành những bông cặn và có thể loại ra khỏi
nƣớc bằng cách để lắng hoặc lọc chậm. Nhờ keo tụ nƣớc trở nên trong hơn và các vi
trùng gây bệnh bám vào các hạt sẽ bị khử đi.
Jarvis (2005) trích dẫn từ Cornwell và Bishop (1983), Gregory et al. (1997) cho
rằng đông tụ là quá trình làm thay đổi tính chất của các hạt keo về phƣơng diện hóa
học, qua đó giúp chúng có thể tiến đến gần nhau hơn và tạo thành các hạt keo có
kích thƣớc lớn hơn.
Trong khi đó, keo tụ đƣợc định nghĩa là quá trình liên kết các hạt lơ lửng có kích
thƣớc nhỏ thành những hạt có kích thƣớc lớn hơn. Thông thƣờng keo tụ là giai đoạn
tiếp theo của quá trình đông tụ nhằm liên kết các hạt keo đã bị phá vỡ trạng thái ổn
Photphat (PO43-)
Nitrat (NO3-)
Amon NH4+
Clorua (Cl-)
Sunfat (SO4-)
Florua (F-)
+++
0
0
-, 0, +
tùy hóa chất
++
-
Sắt
Mangan
Nhôm
Đồng
Kẽm
Coban
Niken
Vanadi
Asen
Cadimi
Crôm
Chì
Selen
+++
0, +
+++
+++
+++
0
++
+, ++
Các vi sinh vật:
- Vi-rút
- Vi trùng
- Tảo
+++
+++
++
(Nguồn: Nguyễn Thị Thu Thủy, 2003)
SVTH: Lƣơng Thị Diễm Thúy (1110868)
8
Luận văn tốt nghiệp Đại học
Ghi chú:
hệ thống
-
Phá vỡ trạng thái ổn định của hệ keo, chất gây đục trong nƣớc
-
Tạo ra bông keo tụ kích thƣớc nhỏ hơn nhờ gradient vận tốc lớn để cho các chất
keo bông nhỏ tạo thành
-
Tạo ra bông keo tụ lớn nhờ gradient vận tốc nhỏ để tách các hạt cặn ra khỏi
nƣớc, có thể cần hoặc không cần chất keo tụ
2.4.3 Bản chất của các hạt keo trong nƣớc
Theo Lê Hoàng Việt và Nguyễn Võ Châu Ngân (2014), Trịnh Xuân Lai (2011),
trong nƣớc và nƣớc thải tồn tại 2 loại keo chính là keo kỵ nƣớc và keo ƣa nƣớc.
-
Keo ƣa nƣớc (hydrophilic nhƣ tinh bột, protein ở dạng hòa tan…): có khả năng
kết hợp với các phân tử nƣớc tạo thành vỏ bọc hydrat, các hạt keo riêng biệt
mang điện tích bé và dƣới tác dụng của các chất điện phân không bị keo tụ, do
đó keo ƣa nƣớc trở nên bền vững và khó bị loại bỏ hơn.
-
Keo kỵ nƣớc (hydropholic nhƣ các hạt sét, các hydroxide kim loại…): là hạt
không kết hợp với các phân tử nƣớc của môi trƣờng để tạo ra vỏ bọc hydrat, các
Lớp ion đối cố
định
Khoảng cách
Hình 2.1 Cấu tạo điện tích của hạt keo
(Nguồn: Hoàng Văn Huệ, 2002)
Theo Hoàng Văn Huệ (2002) khả năng dính kết tạo bông keo tụ tăng lên khi điện
tích cả hạt giảm xuống và keo tụ tốt nhất khi điện tích của hạt bằng 0. Chính vì vậy
lực tác dụng lẫn nhau giữa các hạt mang điện tích khác nhau giữ vai trò chủ yếu
trong keo tụ. Lực hút phân tử tăng nhanh khi giảm khoảng cách giữa các hạt bằng
cách tạo nên những chuyển động khác nhau đƣợc tạo ra do quá trình khuấy trộn.
2.4.4 Cơ chế của quá trình keo tụ
Trần Văn Nhân và Ngô Thị Nga (2002) cơ chế của quá trình keo tụ có thể giải thích
bằng mô hình hai lớp theo Hình 2.2. Những hạt rắn lơ lửng mang điện tích âm trong
dung dịch sẽ hút lấy các ion trái dấu. Một số các ion trái dấu bị hút chặt vào hạt rắn
đến mức chúng chuyển động cùng hạt rắn, do đó chúng tạo thành một mặt trƣợt.
Xung quanh các ion trái dấu bên trong này là lớp ion bên ngoài mà hầu hết là các
ion trái dấu, nhƣng chúng bị hút bám vào một cách lỏng lẻo và có thể dễ dàng bị
trƣợt ra. Khi các hạt rắn mang điện tích âm chuyển động qua chất lỏng thì điện tích
âm đó bị giảm bởi các ion mang điện tích dƣơng ở lớp bên trong. Hiệu số điện năng
giữa các lớp cố định và lớp chuyển động gọi là thế zeta (ξ) hay thế điện động. Khác
với thế nhiệt động E (là hiệu số điện thế giữa bề mặt hạt và chất lỏng). Thế zeta phụ
thuộc vào E và chiều dày hai lớp, giá trị của nó sẽ xác định lực tĩnh điện đẩy của
các hạt là lực cản trở lực dính kết giữa các hạt rắn với nhau.
SVTH: Lƣơng Thị Diễm Thúy (1110868)
10
Luận văn tốt nghiệp Đại học
Nguyễn Thị Thu Thủy (2006) và Davis (2010) cho rằng quá trình đông tụ - keo tụ
diễn ra theo các cơ chế sau:
-
Cơ chế nén lớp điện tích kép: hai phần tử keo có điện tích bề mặt giống nhau khi
lại gần chúng sẽ đẩy nhau do lực đẩy tĩnh điện. Việc bổ sung các muối kim loại
có khả năng thủy phân sẽ tạo ra các ion trái dấu, các ion này sẽ làm tăng mật độ
điện tích trong lớp điện tích kép, gây giảm thế điện động zêta và làm giảm lực
tĩnh điện. Mặt khác, giữa các phần tử tồn tại một lực hút tĩnh điện, khi mật độ
các ion trái dấu trong dung dich tăng lên đến một mức độ nào đó thì lực hút Van
der Walls sẽ thắng lực đẩy tĩnh điện, các hạt keo sẽ xích lại gần nhau hơn, kết
dính và tạo thành bông keo tụ. Trong quá trình nén lớp điện tích kép, lực ion và
điện tích của các ion trái dấu giữ vai trò quan trọng.
-
Cơ chế hấp phụ và trung hòa điện tích: các hạt keo hấp phụ lên bề mặt các ion
dƣơng trái dấu làm thay đổi điện tích bề mặt tạo nên sự trung hòa điện tích, phá
vỡ trạng thái bền vững của hệ keo. Các hạt keo hấp phụ ion trái dấu lên bề mặt
song song với cơ chế nén lớp điện tích kép nhƣng cơ chế hấp phụ mạnh hơn.
-
Cơ chế hấp phụ bắc cầu: khi sử dụng các hợp chất cao phân tử (polymer), nhờ
cấu trúc mạch dài, các đoạn phân tử polymer hấp phụ lên bề mặt các hạt keo, tạo
ra cầu nối các hạt keo lại với nhau, hình thành bông keo tụ có kích thƣớc lớn
làm tăng tốc độ lắng của các hạt keo (Hình 2.4).
o Nhờ chuyển động Brown, các hạt keo với điện tích nhỏ khi va chạm dễ kết
dính bằng lực hút phân tử Van der Walls, tạo nên các bông cặn lớn hơn. Khi
kích thƣớc của bông cặn đạt đến 1µm thì chuyển động Brown hết tác dụng.
Nếu muốn tăng kích thƣớc bông cặn lên nữa thì cần phải tác động (khuấy
trộn) để các cặn xích lại gần nhau hơn.
-
Phƣơng pháp keo tụ dùng hệ keo ngƣợc dấu:
o Trong quá trình này ngƣời ta sử dụng muối nhôm hoặc sắt hóa trị 3, còn gọi
là phèn nhôm hoặc sắt làm chất keo tụ, đây là hai loại hóa chất rất thông
dụng trong xử lý nƣớc cấp, nhất là xử lý nƣớc sinh hoạt.
o Các muối này đƣợc đƣa vào nƣớc dƣới dạng dung dịch hòa tan, trong dung
dịch chúng phân ly thành các cation và anion theo phản ứng sau:
Al2(SO4)3 → 2Al3+ + 3SO42FeCl3 → Fe3+ + 3Cl-
Quan sát quá trình keo tụ dùng phèn nhôm, sắt ta thấy có khả năng tạo ra ba loại
bông cặn sau:
-
Loại thứ nhất là tổ hợp của các hạt keo tự nhiên bị phá vỡ thế điện động zeta,
loại này chiếm số ít.
-
Loại thứ hai gồm các hạt keo mang điện tích trái dấu nên kết hợp với nhau và
trung hòa về điện tích. Loại này không có khả năng kết dính và hấp phụ trong
quá trình lắng tiếp theo vì vậy số lƣợng không đáng kể.
-
-
Tạo thành các sản phẩm có độ hòa tan thấp hay không hòa tan ở pH thƣờng gặp
của nƣớc thải (bảo đảm để lại ít dƣ lƣợng nhất)
Các chất keo tụ thƣờng đƣợc sử dụng là Al2(SO4)3.FeSO4 (kết tinh), Fe2(SO4)3,
FeCl3, Ca(OH)2.
Bảng 2.4 Ƣu và nhƣợc điểm của các chất đông tụ - keo tụ
Hóa chất
Ƣu điểm
Nhƣợc điểm
Aluminum sulfate
Al2 (SO4)3.18H2O
Dễ bảo quản và sử dụng, sử dụng
phổ biến, tạo ít bùn hơn khi sử
dụng vôi, hiệu quả nhất ở pH 6,5
÷ 7,5
Tạo thêm muối hòa tan trong
nƣớc, chỉ hiệu quả trong một
khoảng pH nhỏ
Sodium Aluminate
Na2Al2O4
Hiệu quả khi xử lý nƣớc cứng,
gấp 2 lần phèn nhôm
Ferrous Sulfate
FeSO4.7H2O
Không nhạy cảm với pH nhƣ vôi
Tạo thêm muối hòa tan trong
nƣớc, cần bổ sung alkalinity và
oxy
Vôi Ca(OH)2
Đƣợc sử dụng phổ biến và rất
hiệu quả; có thể không tạo thêm
muối trong nƣớc thải sau xử lý
Rất phụ thuộc vào pH, tạo lƣợng
bùn lớn, sử dụng quá liều sẽ cho
chất lƣợng nƣớc đầu ra thấp
(Nguồn: US Army of Engineer, 2001)
Bảng 2.5 Đặc điểm lý hóa của các chất keo tụ
Tên hóa chất
Công thức
Trọng lƣợng
phân tử
14
Luận văn tốt nghiệp Đại học
Ferric sulfate
Fe2(SO4)3
Fe2(SO4)3.3H2O
Ferrous sulfate
FeSO4.7H2o
Vôi
Ca(OH)2
400
454
1121 - 1153
278,0
993 - 1057
56 theo CaO
561 - 801
theo CaCO3) để phản ứng hoàn toàn với 10 mg/L phèn nhôm. Do đó nếu cần
thiết phải sử dụng thêm vôi để bổ sung đủ lƣợng alkalinity cho quá trình (Lê
Hoàng Việt và Nguyễn Võ Châu Ngân, 2014).
Ferric sulfate đƣa vào nƣớc thải phản ứng xảy ra nhƣ sau:
-
Hòa tan: Fe2(SO4)3 + 12H2O → Fe(H2O)63+ + 3SO42-
-
Thủy phân: Fe(H2O)63+ + H2O → Fe(H2O)5(OH)2+ + H3O+
-
Polymer hóa: tạo thành Fe2(OH)24+
Ferric sulfate cũng tác dụng với alkalinity trong nƣớc để tạo thành Fe(OH)3
Fe2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 <=> 3CaSO4 + 2Fe(OH)3 + 6CO2 + 6CO2
Trong trƣờng hợp không đủ alkalinity có thể thêm vôi vào nƣớc thải và phản
ứng xảy ra nhƣ sau:
Fe2(SO4)3 + Ca(OH)2 <=> 3CaSO4 + 2Fe(OH)3
SVTH: Lƣơng Thị Diễm Thúy (1110868)
15
Copyright: Tài liệu đại học ©