TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCMKHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH

TÌM HIỂU XỬ LÝ CHẤT THẢITRONG HÓA HỌC XANH

Giảng viên hướng dẫn: T.S LÊ THỊ THANH HƯƠNG

Sinh viên thực hiện: VŨ VĂN ĐẠT

MSSV: 09070271

Lớp: DHHC5

Khoá: 2009-2013

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2013

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP. HCMKHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌC

ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH

TÌM HIỂU XỬ LÝ CHẤT THẢITRONG HÓA HỌC XANH

Giảng viên hướng dẫn: T.S LÊ THỊ THANH HƯƠNG

Sinh viên thực hiện: VŨ VĂN ĐẠT

MSSV: 09070271

Lớp: DHHC5

Khoá: 2009-2013

Tp. Hồ Chí Minh, tháng 6 năm 2013

i

TRƯỜNG ĐẠI HỌC CÔNG NGHIỆP TP.HCM

KHOA CÔNG NGHỆ HÓA HỌCCỘNG HOÀ XÃ HỘI CHỦ NGHĨA VIỆT NAM

Độc lập – Tự do - Hạnh phúc

NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN CHUYÊN NGÀNH(KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP)

Họ và tên sinh viên: Vũ Văn Đạt

MSSV: 09070271

Lớp: DHHC5

Chuyên ngành: Công nghệ Hóa hữu cơ

Tên đề tài đồ án: Tìm hiều xử lý chất thải trong hóa học xanh.

Nhiệm vụ của khóa luận:

1. Vai trò của ngành công nghiệp hóa chất

2. Những nguồn gây nguy hại môi trường

3. Hóa học xanh và kỹ thuật xanh

3.1. Định nghĩa hóa học xanh

3.2. Định nghĩa hóa học xanh

3.3. Các nguyên tắc của hóa học xanh

3.4. Tiết kiệm “nguyên tử”

3.5. Xử lý chất thải

3.5.1. Các vấn đề của chất thải

3.5.2. Các nguồn phát sinh chất thải trong công nghiệp hóa chất

3.5.3. Một số vấn đề gây ra do chất thải và chi phí xử lý chất thải

3.6. Các kỹ thuật giảm thiểu phát sinh chất thải

3.6.1. Thiết kế quy trình giảm thiểu chất thải

3.6.2. Giảm thiểu chất thải từ các quá trình hiện hữu

ii

3.7. Xử lý chất thải tại chỗ

3.7.1. Xử lý bằng các phương pháp vật lý

3.7.2. Xử lý bằng các phương pháp hóa học

3.8.3. Xử lý bằng các phương pháp sinh học

3.8. Sự giảm cấp và chất hoạt động bề mặt

3.8.1. Thuốc DDT

3.8.2. Polymer

3.8.3. Một số quy luật của sự giảm cấp

3.8.4. Vấn đề tái sinh polymer

3.8.5. Tách và sàng lọc

3.8.6. Thiêu kết

3.8.7. Tái sinh cơ học

3.8.8. Tái sinh hóa học thành các monomer

3.8.9. Thiết kế dành cho quá trình giảm cấp

Ngày giao khóa luận: 14/01/2013

Ngày hoàn thành khóa luận: 05/2013

Họ tên giáo viên hướng dẫn: T.S Lê Thị Thanh Hương

Chủ nhiệm bộ môn

Tp. Hồ Chí Minh, ngày 13 tháng 6 năm 2013

Giáo viên hướng dẫn

iii

LỜI CẢM ƠN

Tôi xin cảm ơn gia đình là điểm tựa, là nguồn động lực rất lớn giúp tôi hoàn

thành tốt việc học trong suốt thời gian qua.

Em chân thành biết ơn sâu sắc đến:

Cô TS.Lê Thị Thanh Hương đã tận tình hướng dẫn, chỉ bảo và tạo mọi điều kiện

tốt nhất giúp em hoàn thành tốt đề tài tốt nghiệp.

Cảm ơn thầy cô bộ môn Hóa Hữu Cơ, thầy cô khoa Hóa đã tận tình truyền dạy,

giúp đỡ em trong quá trình học tập.

Cuối cùng em xin cảm ơn các anh chị và các bạn khoa Hóa đã giúp đỡ tôi trong

quá trình thực hiện đề tài.

TP. Hồ Chí Minh, ngày 13 tháng 6 năm 2013

Họ tên sinh viên

iv

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN HƯỚNG DẪN

................................................................................................................................................................

................................................................................................................................................................

................................................................................................................................................................

................................................................................................................................................................

................................................................................................................................................................

................................................................................................................................................................

................................................................................................................................................................

................................................................................................................................................................

................................................................................................................................................................

................................................................................................................................................................

................................................................................................................................................................

Phần đánh giá:

Ý thức thực hiện:..................................................................................................

Nội dung thực hiện:..............................................................................................

Hình thức trình bày:.............................................................................................

Tổng hợp kết quả:................................................................................................

Điểm bằng số:.....................................Điểm bằng chữ:........................................

Tp. Hồ Chí Minh, ngày ..... tháng ..... năm

Giáo viên hướng dẫn

v

NHẬN XÉT CỦA GIÁO VIÊN PHẢN BIỆN

................................................................................................................................................................

................................................................................................................................................................

................................................................................................................................................................

................................................................................................................................................................

................................................................................................................................................................

................................................................................................................................................................

................................................................................................................................................................

................................................................................................................................................................

................................................................................................................................................................

................................................................................................................................................................

Phần đánh giá:

Ý thức thực hiện:..................................................................................................

Nội dung thực hiện:..............................................................................................

Hình thức trình bày:.............................................................................................

Tổng hợp kết quả:................................................................................................

Điểm bằng số:.....................................Điểm bằng chữ:........................................

Tp. Hồ Chí Minh, ngày ..... tháng ..... năm 2013

Giáo viên phản biện

vi

MỤC LỤC

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN......................................................................................1

1.1. Vai trò của ngành công nghiệp hóa chất...............................................................1

1.2. Công nghệ xanh.....................................................................................................1

1.3. Hóa học xanh.........................................................................................................3

1.3.1. Định nghĩa.......................................................................................................... 3

1.3.2. Các nguyên tắc của hóa học xanh...................................................................... 4

1.3.3. Tiết kiệm nguyên tử........................................................................................... 5

1.4. Những nguồn gây nguy hại môi trường................................................................6

1.4.1 Chất thải...............................................................................................................6

1.4.2. Sự phát sinh chât thải trong xã hội công nghiệp................................................7

1.4.3. Ảnh hưởng của chất thải.................................................................................... 8

1.5. Giảm thiểu chất thải.............................................................................................. 9

1.5.1. Khái niệm........................................................................................................... 9

1.5.2. Giảm thiểu tại nguồn........................................................................................11

CHƯƠNG 2: XỬ LÝ NƯỚC THẢI....................................................................... 13

2.1. Một số khái niệm.................................................................................................13

2.1.1. Sự ô nhiễm nước, các dạng và thành phần của nước thải............................... 13

2.1.2. Các tiêu chuẩn và chỉ tiêu đánh giá bộ ô nhiễm của nước thải....................... 13

2.1.3. Điều kiện xả nước thải ra nguồn......................................................................15

2.2. Xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học.........................................................18

2.2.1. Song chắn rác................................................................................................... 18

2.2.2. Bể lắng cát........................................................................................................ 19

2.2.3. Bể lắng..............................................................................................................20

2.3. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học......................................................22

vii

2.3.1. Các công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện tự

nhiên............................................................................................................................22

2.3.2. Các loại bể lọc sinh học (bể biophil)............................................................... 26

2.3.3. Bể thổi khí có bùn hoạt tính (bể Aerotank) thường đạm.................................28

2.3.4. Bể lắng đợt II và bể nén bùn............................................................................ 29

2.4. Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa lý......................................................... 30

2.4.1. Phương pháp đông tụ và keo tụ........................................................................31

2.4.2. Tuyển nổi..........................................................................................................38

2.4.3. Hấp phụ.............................................................................................................43

2.4.4. Trao đổi ion...................................................................................................... 48

2.4.5. Các quá trình tách bằng màng..........................................................................54

2.4.6. Các phương pháp điện hóa...............................................................................60

2.5. Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa học.......................................................67

2.5.1. Phương pháp trung hòa.................................................................................... 68

2.5.2. Phương pháp oxy hóa và khử...........................................................................73

2.6. Xử lý bùn cặn...................................................................................................... 80

2.7. Xả nước thải ra nguồn......................................................................................... 82

CHƯƠNG 3: XỬ LÝ CHẤT THẢI KHÍ VÀ CHẤT THẢI RẮN......................83

3.1. Xử lý chất thải khí............................................................................................... 83

3.1.1. Xử lý cơ học..................................................................................................... 83

3.1.2. Xử lý bằng phương pháp hóa lý.......................................................................83

3.2. Xử lý chất thải rắn............................................................................................... 90

3.2.1. Các phương pháp chung:..................................................................................90

3.2.2. Phương pháp cơ học.........................................................................................91

3.2.2. Phương pháp nhiệt............................................................................................93

3.2.3. Phương pháp tuyển chất thải............................................................................94

3.2.5. Phương pháp hóa lý..........................................................................................96

3.2.6. Phương pháp sinh hóa...................................................................................... 99

CHƯƠNG 4: XỬ LÝ DDT VÀ RÁC THẢI POLYMER.................................. 101

4.1. Thuốc DDT........................................................................................................101

viii

4.1.1. Khái niệm về DDT......................................................................................... 101

4.1.2. Ảnh hưởng của DDT tới môi trường và sức khỏe.........................................102

4.1.3. Các phương pháp xử lý DDT.........................................................................106

4.1.4. Phân hủy sinh học DDT................................................................................. 109

4.2. Tái sinh nhựa..................................................................................................... 116

4.2.1. Giảm cấp phế thải...........................................................................................118

4.2.2. Tái sinh cơ học............................................................................................... 119

4.2.3. Tái sinh hóa học............................................................................................. 121

4.3. Tái sinh cao su...................................................................................................122

4.3.1. Chuẩn bị cho quá trình tái sinh...................................................................... 123

4.3.2. Các phương pháp tái sinh cao su................................................................... 124

KẾT LUẬN............................................................................................................. 128

TÀI LIỆU THAM KHẢO..................................................................................... 129

ix

DANH MỤC HÌNH ẢNH

Hình 1. Sơ đồ phát sinh chất thải trong sản xuất công nghiệp.................................... 7

Hình 2. Tác động trực tiếp của chất thải đối với người và động vật........................... 9

Hình 3. Các kỹ thuật giảm thiểu chất thải..................................................................10

Hình 4. Song chắn rác cào bằng tay...........................................................................18

Hình 5. Song chắn rác có bộ phận lấy rác bằng cơ giới............................................ 19

Hình 6. Bể lắng cát nước chảy thẳng......................................................................... 20

Hình 7. Hồ hiếu khí.................................................................................................... 23

Hình 8. Hồ sinh vật tùy tiện....................................................................................... 23

Hình 9. Hoạt động của hồ sinh vật yếm khí (kỵ khí).................................................24

Hình 10. Sơ đồ lọc bằng bể lọc sinh học nhỏ giọt..................................................... 26

Hình 11. Sơ đồ aerotank xử lý sinh học nhiều bậc.................................................... 28

Hình 12. Sơ đồ xử lý bằng bể bùn hoạt tính và bể lắng sinh học..............................29

Hình 13. Điên tích trên hạt lơ lửng khi giải thích bằng lý thuyết hai lớp................. 31

Hình 14 Giảm điện tích thực trên hạt rắn bằng thêm các ion trái dấu hóa trị 3........ 32

Hình 15. Sơ đồ thiết bị làm sạch nước thải bằng đông tụ..........................................35

Hình 16. Các thiết bị đông tụ..................................................................................... 36

Hình 17. Sự kết dính của hạt rắn và bóng khí trong tuyển nổi..................................37

Hình 18. Hệ thống tuyển nổi băng không khí hòa tan không có tuần hoàn.............. 39

Hình 19. Hệ thống tuyển nổi băng không khí hòa tan có tuần hoàn......................... 39

Hình 20. Thiết bị tuyển nổi cấp không khí qua đầu khuếch tán bằng vật liệu xốp...41

Hình 21. Thiết bị tuyển nổi cấp khí qua tấm lọc........................................................41

Hình 22. Hệ thống với cấp chất hấp phụ nổi tiếp...................................................... 43

Hình 23 . Hệ thống cấp chất hấp phụ ngược chiều....................................................43

Hình 24. Sơ đồ các hệ thống hấp phụ........................................................................ 44

Hình 25. Sơ đồ một số loại tháp hấp phụ...................................................................46

Hình 26. Trao đổi anion kiềm yếu............................................................................. 50

x

Hình 27. Trao đổi hỗn hợp cation và anion............................................................... 50

Hình 28. Quá trình trao đổi ion sử dụng sơ đồ lọc nhúng......................................... 51

Hình 29. Thiết bị trao đổi ion với lớp ionit chuyển động..........................................52

Hình 30. Các loại thiết bị thẩm thấu ngược............................................................... 55

Hình 31. Sơ đồ kết hợp siêu lọc và thảm thấu ngược................................................57

Hình 32. Nguyên lý của điện thẩm tách.....................................................................58

Hình 33. Sơ đồ điện phân........................................................................................... 59

Hình 34. Sơ đồ hệ thống đông tụ bằng điện...............................................................63

Hình 35. Sơ đồ hệ thống thiết bị tuyển nổi điện một ngăn........................................64

Hình 36. Sơ đồ nguyên lý trạm trung hòa nước thải bằng sơ đồ bổ sung tác nhân.. 67

Hình 37. Sơ đồ sử dụng nước không có nước thải của nhà máy sản xuất xi măng

amian...........................................................................................................................71

Hình 38. Sơ đồ nguyên lý công nghệ oxy hóa sunfua............................................... 74

Hình 39. Các sơ đồ thiết bị lọc sạch nước thải bằng ozon theo một bậc...................76

Hình 40. Thiết bị phản ứng ozon hóa.........................................................................77

Hình 41. Sơ đồ quá trình khử..................................................................................... 78

Hình 42. Bể tự hoại 3 ngăn.........................................................................................79

Hình 43. Thiết bị hấp phụ với chất hấp phụ không chuyển động............................. 85

Hình 44. Thiết bị hấp phụ với chất hấp phụ chuyển động.........................................86

Hình 45. Mỏ đốt có sự trộn trước khí thải và không khí........................................... 87

Hình 46. Các phương pháp chuẩn bị và chế biến chất thải rắn................................ 88

Hình 47. Một số sơ đồ đập đơn giản.......................................................................... 90

Hình 48. Sơ đồ xử lý chất thải công nghiệp...............................................................98

Hình 49. Công thức cấu tạo của một số đồng phân DDT..........................................99

Hình 50. Con đường chuyển hoá DDT bởi vi khuẩn trong điều kiện kị khí theo cơ

chế loại khử clo.........................................................................................................109

Hình 51. Con đường phân hủy DDT bởi loài nấm trắng p. Chrysosporium...........111

Hình 52. Con đường phân hủy DDT bởi alcaligenes eutrophus A5....................... 112

Hình 53. Sơ đồ tái sinh nhựa phế thải......................................................................118

Hình 54. Sơ đồ sản xuất cao su tái sinh bằng phương pháp nhiệt cơ......................124

xi

DANH MỤC BẢNG BIỂU

Bảng 1. Thành phần tính chất nước thải tính bằng.................................................... 14

Bảng 2. Nguyên tắc vệ sinh khi xả nước thải vào nguồn nước................................. 16

Bảng 3: Nồng độ giới hạn cho phép của một số chất độc hại................................... 17

trong các nguồn nước dùng trong sinh hoạt hoặc nuôi cá......................................... 17

Bảng 4. Liều lượng chất đông tụ ứng với hàm lượng khác nhau của tạp chất..........32

Bảng 5. Độ hòa tan của không khí ở áp suát khí quyển tại các nhiệt độ khác nhau. 38

Bảng 6. Tải lượng theo chất rắn của các thiết bị tuyển nổi bằng không khí hòa tan 40

Bảng 7. Các quá trình tách bằng màng...................................................................... 53

Bảng 8. Lượng tác nhân tiêu tốn theo lý thuyết để trung hòa các axit.....................68

Bảng 9. Lượng tác nhân tiêu tốn riêng cần thiết để tách kim loại.............................68

Bảng 10. Các chất hấp thụ dùng để làm sạch khí thải............................................... 82

Bảng 11. Các vi sinh vật phân hủy DDT................................................................. 107

Bảng 12. Phân loại, kí hiệu và nguồn sử dụng nhựa............................................... 114

xii

LỜI NÓI ĐẦU

Trong nền sản xuất công nghiệp hiện đại thì vấn đề chất thải là vấn đề đáng được

lưu tâm nhất. Chất thải gây ô nhiễm môi trường, ảnh hưởng trực tiếp đến đời sống

và kinh thế của con người. Ngoài ra chất thải cũng góp phần là nguyên nhân gây ra

các vấn đề về sức khỏe. Với mỗi ngành sản xuất khác nhau sẽ cho ra đời mỗi loại

chất thải khác nhau và qua từng thời kỳ phát triển thì thành phần và tính chất nguy

hại của chất thải lại đòi hỏi một phương pháp xử lý riêng.

Trên cơ sở vận dụng những hiểu biết đã học tập tại trường, dưới sự hướng dẫn

của cô Lê Thị Thanh Hương. Với mục đích là tìm hiểu thêm về lĩnh vực xử lý chất

thải trong công nghệ hóa học với đề tài tốt nghiệp được phân là: Tìm hiểu xử lý chất

thải trong hóa học xanh. Em xin trình bày một số công nghệ cũng như phương pháp

xử lý chất thải hiện đang được áp dụng hiện nay.

Do kiến thức còn hạn chế và thời gian thực hiện không được nhiều nên nội dung

đề tài của em không tránh khỏi sai sót, hạn chế mong có được sự góp ý và sửa chữa

để đề tài được hoàn thiện hơn.

1

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

1.1. Vai trò của ngành công nghiệp hóa chất

Công nghiệp hóa chất là một ngành công nghiệp nặng và còn tương đối trẻ, phát

triển nhanh từ thế kỉ XIX do nhu cầu cung cấp nguyên liệu cho các ngành kinh tế và

do sự phát triển mạnh mẽ của nền khoa học ‒ kĩ thuật.

Ngày nay, công nghiệp hóa chất ngày càng đóng vai trò quan trọng đối với sự

phát triển kinh tế, đảm nhận việc cung cấp nguyên liệu và sản phẩm phục vụ cho

nhiều ngành sản xuất, trở thành ngành công nghiệp mũi nhọn của nhiều quốc gia

trên thế giới trong đó có Việt Nam.

Đối với nền sản xuất, ngành công nghiệp hóa chất đóng một số vai trò chủ yếu

như:

‒ Cung cấp nguyên liệu hoặc thành phẩm cho nhiều ngành công nghiệp.

‒ Tạo ra nhiều sản phẩm mới mà đặc tính của chúng nhiều khi không có trong

tự nhiên.

‒ Cung cấp phân bón, thuốc bảo vệ thực vật, giúp nâng cao năng suất nông

nghiệp.

‒ Tận dụng các nguồn nguyên liệu tự nhiên, tận dụng phế liệu của ngành khác

Đối với đời sống xã hội.

‒ Tạo ra nhiều sản phẩm phục vụ nhu cầu của con người (mĩ phẩm, da giầy, xà

phòng....).

‒ Bào chế thuốc chữa bệnh phục vụ cho ngành y tế, chăm sóc sức khỏe con

người.

1.2. Công nghệ xanh

Hàng năm có rất nhiều Hội nghị ở cấp quốc gia và quốc tế về vấn đề trên qua

những chương trình kỹ thuật nhất là ở các đại hội của Hội Hóa học Hoa Kỳ

(American Chemical Societ√ – ACS). Nhiều tạp chí khoa học khác đều có những ấn

2

bản đặc biệt liên quan đến Hóa học Xanh như tạp chí Nghiên cứu Khoa học và

Hạch toán Hóa học (Scientific Research & Accounts of Chemical). Riêng tại Anh

Quốc, Hội Hoá học Hoàng gia đã phát hành từ 4 năm qua tạp chí Hóa học Xanh.

Một số viện đại học trên thế giới cũng đã thành lập phân khoa riêng cho môn

Hóa học Xanh nằm trong chương trình Công nghệ xanh. Viện Hóa học Xanh thuộc

Hội Hóa học Hoa Kỳ đã đóng góp rất nhiều khóa huấn luyện cho sinh viên và các

nhà nghiên cứu khắp nơi trên thế giới. Và công nghệ Hóa học Xanh đã ra đời cũng

như đã được xem như là một công nghệ xanh chiến lược cho phát triển bền vững

toàn cầu.

Hiện tại, trên thế giới đã có nhiều Viện hay Trung tâm nghiên cứu đã được thành

hình ở Anh Quốc, Ý, Nhật Bổn, Hoa Kỳ, và Uùc Châu. Có thể nói hầu hết các nhà

hóa học trên thế giới đều được biết qua thông tin về Hóa học Xanh ngày nay.

Định nghĩa Công nghệ Xanh

Danh từ “công nghệ” (technology) dùng để chỉ sự áp dụng các kiến thức khoa

học vào trong thực tế của đời sống. Công nghệ xanh là một khái niệm mới của con

người trước nguy cơ ô nhiễm toàn cầu. Đây là một nỗi ưu tư lớn của những nhà

làm khoa học chân chính nhằm mục đích cổ suý việc tạo dựng và tiêu dùng năng

lượng qua chiều hướng phát thải phế thải không độc hại hay ít độc hại ngõ hầu hạn

chế được vấn nạn hâm nóng toàn cầu hiện tại. Từ suy nghĩ đó, họ luôn luôn nghĩ

đến phương cách, quy trình mới, sáng tạo và cải tiến các công nghệ cũ trở thành

công nghệ xanh để bảo vệ môi trường chung cho thế giới.

Mục tiêu của chiều hướng giải quyếtt vấn đề qua khái niệm công nghệ xanh gồm

nhiều lãnh vực căn bản liệt kê như sau:

‒ Phát triển bền vững bằng những công nghệ thân thiện với môi trường

(friendly), không làm tổn hại đền nguồn tài nguyên thiên nhiên hay ảnh hưởng

nguy hại đến những thế hệ tương lai.

‒ Tạo dựng một chu trình kín trong sản xuất, nghĩa là phế phẩm của một quy

trình sẽ là nguyên liệu của một quy trình sản xuất khác.

3

‒ Giảm thiểu tối đa phế thải độc hại và tăng cường khả năng tái tạo sản phẩm

cũ thành nguyên liệu mới.

‒ Trong nông nghiệp, sáng tạo công nghệ mới thay vì sư dụng phân bón và hoá

chất.

‒ Một trong những lãnh vực quan trọng nhất cần phải nêu ra là lãnh vực năng

lượng. Công nghệ xanh đòi hỏi cần phải sử dụng năng lượng hợp lý hoặc giảm

thiểu hầu bảo vệ mội trường thiên nhiên.

‒ Hóa học xanh cũng là một yếu tố quan trọng góp phần vào việc giải quyết

công nghệ xanh.

1.3. Hóa học xanh

1.3.1. Định nghĩa

Bảo vệ môi trường và phát triển bền vững có tầm quan trọng đặc biệt trong từng

quốc gia, trong tất cả các ngành kinh tế và đặc biệt trong ngành hóa chất ‒ một

trong các ngành gây ô nhiễm lớn nhất do tính độc, tính oxy hóa, tính cháy nổ của

các hóa chất.

Các nhà hoạt động môi trường, các tổ chức, các đảng hoạt động với tôn chỉ bảo

vệ môi trường, giữ gìn sự xanh, sạch, đẹp của trái đất đều chọn màu xanh là biểu

tượng của mình như đảng Xanh hoặc nhóm Hòa bình Xanh. Màu xanh cũng được

các nhà hóa học chọn lựa làm biểu tượng cho hóa học bền vững dưới tên gọi hóa

học xanh.

Hóa học xanh nghĩa là thiết kế, phát triển và ứng dụng các sản phẩm hóa chất

cũng như các quá trình sản xuất, tổng hợp hóa chất nhằm giảm thiểu hoặc loại trừ

việc sử dụng các chất gây nguy hại tới sức khỏe cộng đồng và môi trường.

Có nhiều phương pháp để “xanh hóa” những công nghệ hóa học. Những phương

pháp này có thể thực hiện riêng lẻ hay phối hợp trong các qui trình của công nghệ

hóa học, nhằm mục tiêu làm tăng hiệu suất và giảm lượng thải độc hại.

Bao gồm 4 phương pháp:

‒ Xúc tác xanh

4

‒ Dung môi xanh

‒ Phương pháp vi sóng–siêu âm

‒ Vi bình phản ứng (micro reactor)

1.3.2. Các nguyên tắc của hóa học xanh

Trong cuốn sách xuất bản vào năm 1998 mang tựa đề Ngành hóa chất xanh: Lý

thuyết và thực tiễn (Nhà Xuất bản Đại học Oxford), Paul Anastas và John Warner

đã đưa ra 12 nguyên tắc như một lộ trình cho các nhà hóa học trong việc thực hiện

hóa chất xanh.

1. Ngăn ngừa chất thải: Tốt nhất là ngăn ngừa sự phát sinh của chất thải hơn là

là xử lý hay làm sạch chúng.

2. Tính kinh tế: Các phương pháp tổng hợp phải được thiết kế sao cho các

nguyên liệu tham gia vào quá trình tổng hợp có mặt tới mức tối đa trong sản

phẩm cuối cùng.

3. Tìm ra những phương pháp tổng hợp hóa học ít độc hại: Các phương pháp

tổng hợp được thiết kế nhằm sử dụng và tái sinh các chất ít hoặc không gây

nguy hại tới sức khỏe con người và cộng đồng.

4. Tạo ra những hóa chất và sản phẩm an toàn hơn: Sản phẩm hóa chất được

thiết kế, tính toán sao cho có thể đồng thời thực hiện được chức năng đòi hỏi của

sản phẩm nhưng lại giảm thiểu được tính độc hại.

5. Dung môi và các chất phụ trợ an toàn hơn: Trong mọi trường hợp có thể nên

dùng các dung môi, các chất tham gia vào quá trình tách và các chất phụ trợ

khác không có tính độc hại.

6. Thiết kế nhằm sử dụng hiệu quả năng lượng: Các phương pháp tổng hợp được

tính toán sao cho năng lượng sử dụng cho các quá trình hóa học ở mức thấp nhất.

Nếu như có thể, phương pháp tổng hợp nên được tiến hành ở nhiệt độ và áp suất

bình thường.

7. Sử dụng nguyên liệu có thể tái sinh: Nguyên liệu dùng cho các quá trình hóa

học có thể tái sử dụng thay cho việc loại bỏ.

5

8. Giảm thiểu dẫn xuất: Vì các quá trình tổng hợp dẫn xuất đòi hỏi thêm các hóa

chất khác và thường tạo thêm chất thải.

9. Xúc tác: Tác nhân xúc tác nên dùng ở mức cao hơn so với đương lượng các

chất phản ứng.

10. Tính toán, thiết kế để sản phẩm có thể phân hủy sau sử dụng: Các sản phẩm

hóa chất được tính toán và thiết kế sao cho khi thải bỏ chúng có thể bị phân huỷ

trong môi trường.

11. Phân tích thời gian hữu ích để ngăn ngừa ô nhiễm: Phát triển các phương

pháp phân tích cho phép quan sát và kiểm soát việc tạo thành các chất thải nguy

hại.

12. Hóa học an toàn hơn để đề phòng các sự cố: Các hợp chất và quá trình tạo

thành các hợp chất sử dụng trong các quá trình hóa học cần được chọn lựa sao

cho có thể hạn chế tới mức thấp nhất mối nguy hiểm có thể xẩy ra do các tai nạn,

kể cả việc thải bỏ, nổ hay cháy, hóa chất.

1.3.3. Tiết kiệm nguyên tử

Tiết kiệm nguyên tử hay tính kinh tế của hóa học xanh là nguyên tắc thứ 2 trong

12 nguyên tắc được liệt kê ở trên của hóa học xanh

Tiết kiệm nguyên tử (hay sử dụng nguyên tử hiệu quả) là khái niệm mô tả việc

chuyển đổi có hiệu quả về mặt nguyên tử của một quá trình hóa học để cho ra sản

phẩm mong muốn. Trong một quá trình hóa học lý tưởng thì tổng lượng tác chất

ban đầu sẽ bằng với tổng lượng sản phầm được tạo thành và không có lượng tác

chất lãng phí (hiệu suất phản ứng là 100%). Với sự phát triển gần đây của các loại

nguyên liệu có độ thô cao (ví dụ như dầu mỏ) thì chi phí sản xuất và vấn đề gia tăng

độ nhạy cảm với môi trường đã làm cho việc tiếp cận với tiết kiệm nguyên tử trở

phổ biến hơn. Tiết kiệm nguyên tử là một khái niệm quan trọng của lý thuyết hóa

học xanh và là một trong những cách phổ biến nhất để đánh giá độ "xanh" của một

quá trình chuyển hóa hoặc tổng hợp hóa học.

Để đánh giá sự tiết kiệm nguyên tử của 1 quá trình người ta sử dụng công thức

sau:

6

Cần chú ý rằng tỉ lệ tiết kiệm nguyên tử có thể thấp ngay cả trong phản ứng cho

sản phẩm thu được có hiệu suất là 100%, ví dụ như phản ứng cho sản phẩm mong

muốn có cấu trúc đối xứng do đó phản ứng cần phải được chọn lọc lập thể khi xét tỉ

lệ tiết kiệm nguyên tử của phản ứng đó. Ngoài tiết kiệm nguyên tử người ta còn có

các tiêu chí khác để đánh giá một quá trình hóa học như tiêu thụ năng lượng, phát

sinh chất ô nhiễm và giá thành.

Tạo phản ứng ứng dụng tiết kiệm nguyên tử là mục tiêu nền tảng trong các phản

ứng hóa học, ví dụ xét đến phản ứng: A + B → C + D trong đó có hai sản phẩm

được tạo thành với chất C là sản phẩm mong muốn. Trong trường hợp đó, D được

coi là một sản phẩm phụ. Vì nó là một mục tiêu quan trọng của hóa học xanh để tối

đa hóa hiệu quả của các chất phản ứng và giảm thiểu việc sản sinh ra các chất thải,

do đó D hoặc là phải được đưa vào ứng dụng, hoặc được loại bỏ hay được giảm

thiểu đến mức ít nhất có thể. Với phương trình mới của mẫu A + B → C, bước đầu

tiên trong việc sản xuất hóa chất hiệu quả hơn là sử dụng các phản ứng tương tự

như phản ứng cộng đơn giản với chỉ bổ sung khác là vật liệu xúc tác.

1.4. Những nguồn gây nguy hại môi trường

1.4.1 Chất thải

Những nguồn gây nguy hại đến môi trường chủ yếu là các loại chất thải chưa qua

xử lý của con người thải ra môi trường. Dựa vào tính chất người ta chia chất thải

làm 3 loại là chất thải rắn, chất thải lỏng và chất thải khí.

Chất thải rắn: bao gồm tất cả các chất thải ở dạng rắn, phát sinh do các hoạt động

của con người và sinh vật, được thải bỏ khi chúng không còn hữu ích hay khi con

người không muốn sử dụng nữa.

Chât thải lỏng (hay nước thải) là một tổ hợp phức tạp các thành phần vật chất

trong đó nguồn gốc nhiễm bẩn có nguồn gốc vô cơ và hữu cơ thường tốn tại dưới

dạng không hòa tan, keo và hòa tan. Thành phần và nồng độ nhiễm bẩn phụ thuộc

7

nhiều vào loại nước thải. Dựa vào nguồn gốc người ta chia nước thải làm 3 loại là

nước thải sinh hoạt, nước thải sản xuất và nước mưa.

Chất thải khí (hay khí thải): là không khí có chứa khí, bụi, khói hoặc mùi với số

lượng có hại. Chất gây ô nhiểm chủ yếu là khí thải từ các phương tiện công nghiệp

và động cơ. Ngoài ra còn có các nguồn tự nhiên như gió thổi bụi và khói từ các đám

cháy.

1.4.2. Sự phát sinh chât thải trong xã hội công nghiệp

Trong xã hội công nghiệp, quá trình phát sinh chất thải gắn liền với quá trình sản

xuất, mỗi giai đoạn của quá trình sản xuất đều tạo ra chất thải, từ khâu khai thác,

tuyển chọn nguyên liệu đến khi tạo ra sản phẩm phục vụ người tiêu dùng. Sản phẩm

sau khi sử dụng có thể tái sinh, tái chế hoặc đổ bỏ, và đó cũng là chất thải.

Hình 1. Sơ đồ phát sinh chất thải trong sản xuất công nghiệp

Theo Báo cáo của Bộ Tài nguyên và Môi trường, tính đến ngày 20/4/2008 cả

nước có 185 khu công nghiệp được Thủ tướng Chính phủ quyết định thành lập trên

địa bàn 56 tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương. Đến hết năm 2008, cả nước có

8

khoảng trên 200 khu công nghiệp. Ngoài ra, còn có hàng trăm cụm, điểm công

nghiệp được Uỷ ban nhân dân các tỉnh, thành phố trực thuộc Trung ương quyết định

thành lập. Theo báo cáo giám sát của Uỷ ban khoa học, công nghệ và môi trường

của Quốc hội, tỉ lệ các khu công nghiệp có hệ thống xử lí nước thải tập trung ở một

số địa phương rất thấp, có nơi chỉ đạt 15 - 20%, như Bà Rịa - Vũng Tàu, Vĩnh Phúc.

Một số khu công nghiệp có xây dựng hệ thống xử lí nước thải tập trung nhưng hầu

như không vận hành vì để giảm chi phí. Đến nay, mới có 60 khu công nghiệp đã

hoạt động có trạm xử lí nước thải tập trung (chiếm 42% số khu công nghiệp đã vận

hành) và 20 khu công nghiệp đang xây dựng trạm xử lí nước thải. Bình quân mỗi

ngày, các khu, cụm, điểm công nghiệp thải ra khoảng 30.000 tấn chất thải rắn, lỏng,

khí và chất thải độc hại khác.

1.4.3. Ảnh hưởng của chất thải

Chất thải là nguyên nhân chủ yếu gây nên các vấn đề về ô nhiễm môi trường,

như ô nhiễm môi trường nước và môi trường không khí là do việc quản lý chất thải

không hợp lý. Ví dụ như nước rò rỉ từ các bãi chôn lấp không hợp vệ sinh gây ô

nhiễm nguồn nước mặt và nước ngầm. Trong khu hầm mỏ, nước rò rỉ từ nơi thải bỏ

chất thải có thể chứa các độc tố như đồng, asen và uranium, là nguyên nhân khiến

nước ngầm bị ô nhiễm.

Mặc dù thiên nhiên có khả năng pha loãng, phân tán, phân huỷ, hấp phụ làm

giảm tác động do sự phát thải các chất ô nhiễm vào khí quyển, nước và đất, nhưng

khả năng đồng hoá này chỉ có giới hạn, nên khi hàm lượng các chất ô nhiễm quá

cao, tất yếu sẽ gây mất cân bằng sinh thái.

Trong khu vực có mật độ dân số cao, việc thải bỏ các chất thải gây nên nhiều vấn

đề bất lợi về môi trường. Lượng rác thay đổi khác nhau theo từng khu vực.

Ngoài ra chất thải còn có thể làm gia tăng sự lan truyền các loại bệnh tật có

nguồn gốc từ ruồi, muỗi… ví dụ: bệnh hô hấp, dị ứng, tim mạch, tiêu hóa, da, mắt

và đặc biệt nguy hiểm đó là chất thải cũng có thể gây ra các bệnh ung thư và thần

9

kinh. Tác động của chất thải đến sức khỏe con người và động vật được trình bày ở

sơ đồ sau:

Hình 2. Tác động trực tiếp của chất thải đối với người và động vật

1.5. Giảm thiểu chất thải

1.5.1. Khái niệm

Giảm thiểu ô nhiễm bao gồm tất cả các hoạt động nhằm giảm việc tạo ra chất

thải. Các hoạt động bao gồm: giảm thiểu chất thải, giảm chất thải tại nguồn phát

sinh, làm thay đổi đặc tính chất thải, hạn chế ô nhiễm, tái sinh và tái sử dụng. Trong

quá trình sản xuất, nhằm có thể giảm thiểu chất thải, các kỹ thuật thường được áp

dụng như được trình bày trong hình 3.

10

Hình 3. Các kỹ thuật giảm thiểu chất thải

Trong các kỹ thuật nêu trên, kỹ thuật giảm thiểu tại nguồn là bước tiến hành

được ưu tiên thực hiện đầu tiên theo như xu hướng của hệ thống quản lý chất thải

nguy hại hiện nay. Các bước tiến hành trong một hệ thống quản lý chất thải nguy

hại sắp xếp theo thứ tự ưu tiên như sau:

‒ Giảm thiểu tại nguồn

‒ Tái sinh

‒ Xử lý

‒ Chôn lấp

11

Việc thực hiện giảm thiểu tại nguồn sẽ bị ảnh hưởng bởi rất nhiều yếu tố, trong

đó các yếu tố sau sẽ ảnh hưởng đáng kể đến khả năng giảm thiểu chất thải:

‒ Xác định chất thải cần quan tâm

‒ Tiến trình thực hiện

‒ Các yếu tố tác động đến tiến trình thực hiện

Trong các yếu tố nêu trên, việc xác định loại chất thải nguy hại nào đáng quan

tâm cần giảm thiểu có thể dựa trên các qui định của pháp luật hiện hành. Các tiến

trình thực hiện là một vấn đề gây nhiều tranh cãi giữa các nhà quản lý nhà nước và

giữa các nhà khoa học. Vì đây là yếu tố nắm phần quan trọng quyết định sự thành

công hay thất bại của chương trình giảm thiểu. Các yếu tố tác động đến tiến trình

thực hiện cũng rất đa dạng và phức tạp bao gồm rất nhiều nguyên do bao gồm từ kỹ

thuật, kinh tế đến các vấn đề xã hội. Tuy nhiên xét về mặt kỹ thuật thuần túy các

yếu tố ảnh hưởng đến tiến trình nắm vai trò quan trọng đó việc xác định loại, lượng

thải và tiềm năng áp dụng kỹ thuật giảm thiểu đối với loại chất thải quan tâm. Vấn

đề này xuất hiện do nhiều nguyên nhân như sau:

‒ Bản thân người thực hiện bị thiếu thông tin.

‒ Khó khăn trong việc xác định lượng chất thải phát sinh theo nguyên liệu vào.

‒ Các nhà máy có thể không thu thập đủ dữ liệu để tính toán .

‒ Sự thay đổi theo thời gian của hoạt động công nghiệp, tính đa dạng sản phẩm,

yêu cầu của luật môi trường làm tác động đến lượng thải và đặc tính chất thải.

‒ Lượng chất thải giảm nhưng mức độ nguy hại của chất thải có thể như cũ

thậm chí đôi khi lớn hơn.

1.5.2. Giảm thiểu tại nguồn

Kỹ thuật giảm thiểu chất thải có thể áp dụng cho tất cả các nhà máy sản xuất có

quy mô khác nhau từ nhỏ đến lớn, với công nghệ từ đơn giản đến phức tạp. Các kỹ

thuật hiện nay có thể đơn giản là sự thay đổi chế độ vận hành cho đến việc áp dụng

các kỹ thuật thiết bị hiện đại tiên tiến. Nhìn chung có thể chia các kỹ thuật giảm

thiểu thành 4 nhóm chính như sau:

12

‒ Quản lý và kiểm soát sản xuất

+ Kiểm soát quản lý

+ Kiểm soát nguyên vật liệu

‒ Cải tiến quy trình sản xuất:

+ Chế độ vận hành và bảo dưỡng

+ Thay đổi nguyên liệu

+ Cải tiến thiết bị

‒ Giảm thể tích, khối lượng chất thải:

+ Tách nguồn thải

+ Cô đặc chất thải (tăng nồng độ chất thải)

‒ Thu hồi, tái sinh, tái sử dụng:

+ Thu hồi, tái sinh, tái sử dụng tại nhà máy

+ Thu hồi, tái sinh, tái sử dụng ngoài nhà máy

Việc lựa chọn kỹ thuật thực hiện phải dựa theo các thông tin chính xác về lượng

chất thải phát sinh thực tế và chi phí quản lý chất thải. Điều này được thực hiện

trong quá trình thiết lập chương trình và triển khai chương trình và nó là vấn đề chủ

chốt trong một chương trình quản lý chất thải toàn diện. Các thành phần của một

chương trình giảm thiểu bao gồm: phương thức thu thập số liệu, đánh giá các

phương án, xác định tính hiệu quả‒kinh tế của kỹ thuật giảm thiểu. Một khi kỹ thuật

đã được chọn lựa, nó sẽ được triển khai và trở thành một phần của việc quản lý và

vận hành nhà máy. Một điểm quan trọng cần chú ý là nên đánh giá các kỹ thuật

(phương án) giảm thiểu tác động đến toàn bộ dòng thải, và phải đánh giá cẩn thận

trước khi tiến hành. Ví dụ khi chúng ta muốn thay đổi dung dịch rửa là dung môi

bằng các chất rửa có thành phần là nước để giảm độc tính của chất thải, điều này sẽ

làm gia tăng tải trọng hữu cơ của nước thải và có thể sẽ dẫn đến giảm hiệu quả của

hệ thống xử lý nước thải.

13

CHƯƠNG 2: XỬ LÝ NƯỚC THẢI

2.1. Một số khái niệm

2.1.1. Sự ô nhiễm nước, các dạng và thành phần của nước thải

Sự ô nhiễm nước là sự có mặt của một số chất ngoại lai trong môi trường nước tự

nhiện dù chất đó có hại hay không. Khi vượt quá một ngưỡng nào đó thì chất đó sẽ

trở nên độc hại đói với con người và sinh vật. Sự ô nhiễm nước có thể có nguồn gốc

tự nhiên hay nhân tạo.

Sự ô nhiễm có nguồn gốc tự nhiên là do mưa. Nước mưa rơi xuống mặt đất, mái

nhà, đường phố đô thị, khu công nghiệp… kéo theo các chât thải bẩn xuống song,

hồ hoặc các sản phẩm của các hoạt động sống của sinh vật, vi sinh vật kể cả xác

chết của chúng. Sự ô nhiễm này còn gọi là sự ô nhiễm không xác định được nguồn

gốc.

Sự ô nhiễm nhân tạo chủ yếu do nguồn gốc nước thải từ các khu dân cư, khu

công nghiệp, hoạt động giao thông vận tải, thuốc trừ sâu, thuốc diệt cỏ và các phân

bón trong công nghiệp.

2.1.2. Các tiêu chuẩn và chỉ tiêu đánh giá bộ ô nhiễm của nước thải

Để đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường nước, người ta thường dùng các thông

số chất lượng môi trường nước:

‒ Các thông số vật lý: nhiệt độ, màu, mùi vị, độ dẫn điện, độ phóng xạ…

‒ Các thông số hóa học: độ pH, hàm lượng chất lơ lửng, các chỉ số BOD, COD,

oxy hòa tan, dầu mỡ, clorua, sunphat, amoni nitrit, nitrat, photphat, các nguyên

tố vi lượng, kim loại nặng, thuốc trừ sâu, các chất tẩy rửa và nhiều chất độc hại

khác.

14

‒ Các thông số sinh học: coliform, Faecal strepiacucus, tổng số vi khuẩn hiếu

khí, kỵ khí…

Để đánh giá mức độ ô nhiễm môi trường nước, người ta dùng các chỉ tiêu hay

các thông số phổ biến là:

‒ Chất lơ lửng: là các chất không hòa tan trong nước và được xác định bằng

cách lọc một mẫu nước qua giấy lọc tiêu chuẩn. Cặn thu được trên giấy lọc sau

khi sấy ở 105oC cho đến khi khối lượng không đổi thì đem cân xác đinh khối

lượng – đó được gọi là lượng chất lơ lửng trong mẫu nước phân tích.

Bảng 1. Thành phần tính chất nước thải tính bằng ml/l

‒ Nhu cầu sinh hóa (BOD): là lượng oxy cần thiết để oxy hóa sinh hóa (bởi

các vi sinh vật hiếu khí) các chất bẩn hữu cơ trong nước trong một khoảng thời

gian xác định. Nó đặc trưng cho lượng chất hữu cơ dễ bị phân hủy bởi các vi

sinh vật hiếu khí. Thông thường đối với nước thải sinh hoạt, để phân hủy hết

Các chỉ tiêu Min Trung bình Max

Chất rắn (cặn khô) toàn phần 450 800 1250

Chất rắn bay hơi (volatile) 240 420 810

Chất rắn lơ lửng 96 200 360

Chất rắn lơ lửng bay hơi (vilatile) 75 135 215

Chất rắn dễ lắng (ml/l) 2.5 5 7

Bod ‒ nhu cầu oxy sinh hóa 95 210 400

Nitơ amoni 5 12 21

Nitơ hữu cơ 8 21 40

Amon albuminoit 3 7 12

Clorua 21 42 83

Chất ete tan 6 14 22

15

các chất bẩn hữu cơ đòi hỏi thời gian 20 ngày ‒ BOD20 hay BOD toàn phẩn.

Trong thực tế chúng ta chỉ xác định BOD5 tương ứng với 5 ngày đầu mà thôi.

‒ Nhu cầu oxy hóa (COD): là lượng oxy cần thiết để oxy hóa các vật chất hữu

cơ có trong nước. Đại lượng này đặc trưng cho tất cả các chất bẩn hữu cơ có

trong nước.

Việc xác định mức độ nhiễm bẩn của nước thải bằng phân tích hóa học gặp rất

nhiều khó khăn nên người ta thường chỉ xác định một số chỉ tiêu đặc trưng nhất về

chất lượng và sử dụng nó để kiểm tra hoặc thiết kế các công trình xử lý nước thải.

2.1.3. Điều kiện xả nước thải ra nguồn

Ở việt nam cũng như ở các nước khác đã có quy định về chất lượng cho phép của

các dòng nước thải xả ra nguồn nước mặt. Nguồn nước mặt được chia làm hai loại:

‒ Nguồn nước loại I: bao gồm các nguồn nước dùng vào mục đích cấp nước

sinh hoạt, ăn uống hoặc cho sản xuất trong các xí nghiệp công nghiệp thực

phẩm.

‒ Nguồn nước loại Ii: bao gồm các nguồn nước để tắm, bơi lội, thể thao thể

dục, vui chơi giải trí.

Bảng 2 giới thiệu mốt số quy định về nồng độ giới hạn cho phép hoặc một số chỉ

tiêu vệ sinh của nguồn nước sau khi xáo trộn với nước thải (TCVN‒1972. Tiêu

chuẩn thiết kế hệ thống thoát nước bên ngoài).

Ngoài các quy định trên đối với các ngành còn có các quy định riêng cho các

nguồn nước để nuôi trồng thủy sản, cung cấp nước cho trồng trọt cây nông, lâm

nghiệp.

Bảng 2. Nguyên tắc vệ sinh khi xả nước thải vào nguồn nước

16

Chỉ tiêu nhiễm bẩn của

nước thải

Tính chất nguồn nước

loại I sau khi xả nước

thải vào

Tính chất nguồn nước loại II

sau khi xả nước thải vào

Nồng độ pH 6.5‒8.5

Màu, mùi, vị Không màu, không mùi

Hàm lượng chất lơ lửng

Cho phép tăng hàm lượng chất lơ lửng trong nguồn nước

mặt

0.75‒1.00 mg/l 1.50‒2.00 mg/l

Hàm lượng chất hữu cơ

Nước thải sau khi hòa trộn với nguồn nước mặt không

được nâng hàm lượng chất hữu cơ lên quá:

5 mg/l 7 mg/l

Lượng oxy hòa tan

Nước thải sau khi hòa trộn với nguồn nước mặt không làm

giảm lượng oxy hòa tan dưới 4mg/l (tính theo lượng oxy

trung bình trong ngày vào mùa hè)

Nhu cầu oxy cho quá trình

sinh hóa BOD5

Nước thải sau khi hòa trộn với nguồn nước mặt BOD5

trong nước mặt không được vượt quá

4 mg/l 8‒10 mg/l

Vi trùng gây bênh (nước

thải sinh hoạt bệnh viện,

nhà máy da, len, lò mổ…)

Cấm xả nước thải vào nguốn nước mặt nếu nước thải chưa

xử lý và khử trùng triệt để

Tạp chất nổi trên mặt

nước

Nước thải khi xả vào nguồn nước mặt không được chứa

dầu mỡ xà phòng và các chất nổi khác trên mặt nước thành

từng mảng dầu lớn hay từng bảng bọt lớn

Chất độc hại Nước thải vào nguồn nước không mang tính chất độc hại

17

Bảng 3: Nồng độ giới hạn cho phép của một số chất độc hạitrong các nguồn nước dùng trong sinh hoạt hoặc nuôi cá

Tên các chất

Nồng độ giới hạn cho phép mg/l

Nguồn nước dùng

cho sinh hoạt

Nguồn nước

dùng để nuôi cá

Chì (Pb) 0.10 0.10

Asen (As) 0.05 0.05

Đồng (Cu) 3.00 0.01

Kẽm (Zn) 5.00 0.01

Niken (Ni) 0.10 0.01

Crom hóa trị 3 0.50 0.50

Cadimi (Cd) 0.01 0.005

Xianua 0.01 0.05

Magie (Mg) 50.00 50.00

Phenon 0.001 0.001

Dầu mỏ và các sản phẩm

dầu mỏ0.1‒0.3 0.05

18

2.2. Xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học

Xử lý nước thải bằng phương pháp cơ học là nhằm tách các chất không hòa tan

và một phần các chất ở dạng keo ra khỏi nước thải. Các công trình sử dụng để xử lý

nước thải bằng phương pháp cơ học bao gồm:

2.2.1. Song chắn rác

Song chắn rác được dùng để giữ rác và các tạp chất rắn kích thước lớn trong

nước thải. Song chắn rác được đặt trên các màng dẫn nước thải vào trạm bơm đến

trạm xử lý nước thải. Cấu tạo song chắn rác gồm các thanh kim loại hình chữ nhật,

hình tròn hay hình elip. Khoảng cách giữa các thanh là 16‒20mm phụ thuộc vào vị

trí song chắn rác.

Song chắn rác được chia thành 2 loại: loại di động và loại cố định. Song chắn rác

được chia thành hai loại: loại di động và loại cố định. Song chắn rác được đặt

nghiêng một góc từ 60‒90o theo hướng dòng chảy.

Lượng rác giữ lại trên song chắn rác phụ thuộc vào loại nước thải, chiều rộng khe

hở song chắn rác và phương pháp vớt rác.

Rác vớt được vận chuyển ra khỏi trạm xử lý nước thải hoặc được nghiền trong

các máy nghiền rác, sau đó xả thẳng vào máng dẫn nước phía trước song chắn rác.

19

Hình 4. Song chắn rác cào bằng tay

Hình 5. Song chắn rác có bộ phận lấy rác bằng cơ giới

2.2.2. Bể lắng cát

Bể lắng cát được dùng để tách cát và các chất vô cơ không tan khác ra khỏi nước

thải. Việc tách cát và các tạp chất này là cần thiết cho các quá trình ổn định bùn cặn

phía sau diễn ra bình thường.

Dưới tác dụng của lực trọng trường, các phân tử rắn có tỷ trọng lớn hơn tỷ trọng

của nước sẽ được lắng xuống đáy bể trong quá trình chuyển động. Bể lắng cát phải

được tính toán với vận tốc dòng chảy trong đó đủ lớn để các phân tử hữu cơ nhỏ

không lắng được và đủ nhỏ đển cát và các tạp chất rắn vô cơ giữ lại được trong bể.

20

bể thường được tính toán: để giữ lại các hạt cát có đường kính >0.25mm, thì vận tốc

dòng chảy là 0.15 m/s ≤v≤0.3m/s.

Theo nguyên tắc chuyển động của nước trong bể thường chia ra: bể lắng cát

ngang, bể lắng cát đứng, bể lắng cát với dòng chảy theo phương tiếp tuyến.

Có nhiều loại bể lắng cát:

‒ Bể lắng cát ngang được sử dụng rộng rãi nhất bao gồm phần công tác và

phần cận lắng

‒ Bể lắng cát có sục khí

‒ Bể lắng cát đứng

Cát được xả khỏi bể bằng nhiều cách: xả thủ công, bằng máy hút hoặc nhờ thiết

bị nâng thủy lực… đưa vào sân phơi khô và chuyển đi.

Hình 6. Bể lắng cát nước chảy thẳng

2.2.3. Bể lắng

Bể lắng thường được dùng để xử lý sơ bộ nước thải trước khi xử lý sinh học hoặc

như một công trình xử lý độc lập nếu chỉ yêu cầu tách các loại cặn lắng khỏi nước

thải trước khi xả ra nguồn nước mặt.

Dựa vào chức năng và vị trí có thể chia bể lắng thành các loại: bể lắng đợt I trước

công trình xử lý sinh học và bể lắng đợt II sau công trình xử lý sinh học nước thải.

21

Theo nguyên tắc hoạt động người ta có thể chia ra các loại bể lắng hoạt động

gián đoạn hay hoạt động liên tục.

Theo cấu tạo có thể phân biệt bể lắng ngang, bể lắng đứng, bể lắng ly tâm.

Ngoài các loại bể lắng này còn có bể lắng trong có tầng cặn lơ lửng, bể lắng với

lớp mỏng.

Bể lắng ngang:có dạng mặt bằng hình chữ nhật. Trong bể lắng, nước thải chuyển

động theo phương ngang. Nước trong được thu ở cuối bể và dẫn đến công trình tiếp

theo.

Bể lắng đứng: có dạng hình trụ, đáy dạng hình nón cụt nghiêng 1 góc 45o, đường

kính đến 10m. Nước thải vào bể qua ống trung tâm ở giữa bể với vận tốc ≤ 30mm/s

và từ dưới đáy lên với vận tốc rất nhỏ 0.5÷0.7 mm/s, thời gian nước lưu lại cũng từ

0.75÷1.5 giờ. Chiều sâu phần nước của bể từ 2.7÷3.8m (nếu là bể lắng đợt II>1.5m)

Bể lắng ly tâm: được áp dụng với các trạm xử lý có công suất >20.000m3/ngd.

Về nguyên lý làm việc, bể lắng ly tâm được xem là một dạng của bể lắng đứng,

trong đó dòng chảy theo phương nằm ngang đi từ ống trung tâm ra máng thụ xung

quanh với vận tốc giảm dần.

Bể loại các tạp chất nổi: thường ứng dụng khi xử lý nước thải công nghiệp, nhằm

tách các tạp chất nhẹ hơn nước (chủ yếu là dầu mỡ). Đối với nước thải sinh hoạt vì

hàm lượng dầu mỡ không cao nên được kết hợp ngay ở bể lắng lần I nhờ bộ phận

gạt chất nổi.

Bể lọc: dùng để tách các tạp chất phân tán nhỏ khỏi nước thải (bụi, dầu, mỡ bôi

trơn…) mà ở các bể lắng không giữ lại được. Những loại vật liệu lọc có thể sử dụng

là cát thạch anh, than cốc hoặc sỏi nghiền, thậm chí cả than nâu, than bùn, than gỗ.

Ngày nay để xử lý triệt để nước thải (sau khi xử lý sinh hóa) người ta cũng dùng

bể lọc. Về cấu tạo và các thông số tính toán về thủy lực và công nghệ những bể lọc

này giống những bể lọc xử lý nước cấp. Tốc độ lọc cần phải xác định bằng thực

nghiệm đối với từng loại nước thải, chiều dày lớp hạt vật liệu.

22

Phương pháp xử lý nước thải bằng cơ học có thể loại các tạp chất không hòa tan

trong nước thải tới 60% và làm giảm BOD tới 20%. để tăng hiệu suất công tác của

công trình xử lý cơ học co thể ứng dụng nhiều biện pháp tăng cường quá trình lắng

nước như làm thoáng sơ bộ, làm thoáng đông tụ sinh học, hiệu suất lắng đạt tới 75%

và hàm lượng BOD giảm 40‒50%.

Trong số các công trình xử lý cơ học còn kể đến bể tự hoại, bể lắng hai vỏ, bể

lắng trong có ngăn phân hủy là những công trình vừa để lắng vừa để phân hủy cặn

lắng.

Nếu điều kiện địa phương cho phép thì sau khi làm sạch bàng phương pháp cơ

học, người ta khử trùng nước và xả vào nguồn, nhưng thông thường thì xử lý cơ học

là giai đoạn làm sạch sơ bộ trước khi tiếp tục làm sạch sinh học.

2.3. Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học

Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là dựa vào sự sống và hoạt động của

các vi sinh vật để oxy hóa và làm khoáng hóa các chất hữu cơ ở dạng keo và hòa tan

có ở trong nước thải.

Các công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học được phân làm hai

nhóm: các công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện tự

nhiên và nhân tạo.

2.3.1. Các công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong

điều kiện tự nhiên

Để tách các chât hữu cơ ở dạng keo và hòa tan trong điều kiện tự nhiên, người ta

xử lý nước thải trong ao hồ (hồ sinh vật) hay trên đất (cánh đồng tưới, cánh đồng

lọc). Các công trình này rất thích hợp cho các vùng nhiệt đới và với trạm công suất

nhỏ.

23

2.3.1.1. Hồ sinh vật

Hồ sinh vật là các ao hồ có nguồn gốc tự nhiện hoặc nhân tạo. Trong hồ sinh vật

diễn ra quá trình oxy hóa sinh hóa các chất bẩn hữu cơ nhờ vi khuẩn, tảo và các loại

thủy sinh vật khác, tương tự như quá trình tự làm sạch nguồn nước mặt.

Theo bản chất quá trình sinh hóa, người ta chia hồ sinh vật ra các loại: hồ sinh

vật hiếu khí, hồ sinh vật tùy tiện và hồ sinh vật yếm khí.

Hồ sinh vật hiếu khí: quá trình xử lý nước thải diễn ra trong điều kiện đầy đủ oxy.

Nguồn oxy cung cấp cho hồ là sự làm thoáng không khí qua bề mặt hồ (hồ được

làm thoáng tự nhiên) hoặc nhờ các hệ thống thiết bị cấp khí (hồ được làm thoáng

cưỡng bức). Các loại phù du thực vật cũng đóng một vai trò rất lớn trong việc cung

cấp oxy cho hồ. Độ sâu thông thường của hồ hiếu khí từ 0.5÷1.5m.

Hình 7. Hồ hiếu khí

Hồ sinh vật tùy tiện: có độ sâu từ 1.5÷2.5m. trong hồ sinh vật tùy tiện, theo chiều

sâu lớp nước, có thể diễn ra hai quá trình oxy hoá hiếu khí và lên men yếm khí các

chất bẩn hữu cơ. Trong hồ sinh vật tùy tiện vi sinh vật và tảo có quan hệ tương hỗ

và đóng vai trò cơ bản đối với sự chuyển hóa chất bẩn.

24

Hình 8. Hồ sinh vật tùy tiện

Hồ sinh vật yếm khí: có độ sâu lớn (>3m): do sự xâm nhập oxy vào toàn bộ lớp

nước khó khan nên quá trình phân hủy chất bẩn hữu cơ trong hồ chủ yếu diễn ra

trong điều kiện yếm khí. Loại hồ này thường dùng để làm sạch nước thải công

nghiệp có độ nhiễm bẩn lớn, ít khi dùng để làm sạch nước thải sinh hoạt vì nó gây

mùi hôi thối khó chịu. Hồ yếm khí phải đặt cách xa nhà ở và xí nghiệp thực phẩm

1.5÷2km.

Hồ sinh vật có thể dùng như một công trình độc lập, xử lý sinh học nước thải sau

khi đã tách cặn lắng, hoặc để xử lý bổ sung theo yêu cầu về chất lượng của nguồn

tiếp nhận nước thải.

Thời gian nước lưu lại trong hồ sinh vật từ 2 đến 10 ngày đêm, có khi tới 30 ngày

đêm. Trong hồ sinh vật, các loại vi khuẩn gây bệnh thường bị tiêu diệt tới 95‒99%.

Người ta thường tính toán hồ sinh vật theo tải trọng thủy lực (đối với các hồ sinh

vật tùy tiện dùng để xử lý nước thải có BOD<250 mg/l, trong điều kiện nhiệt độ

không khí 20oC, tải trọng thủy lực là 300÷500 m3/ha.ngd).

25

Hình 9. Hoạt động của hồ sinh vật yếm khí (kỵ khí)

2.3.1.2. Cánh đồng tưới và cánh đồng lọc

Cánh đồng tưới: là những khoảng đất canh tác có thể tiếp nhận và xử lý nước thải.

Các chất bẩn của nước thải bị hấp thụ và giữ lại trong đất. Sau đó các loại vi khuẩn

có sẵn trong đất sẽ phân hủy chúng thành các chất đơn giản để cây trồng hấp thụ.

Nước thải sau khi ngấm vào đất, một phần được cây trồng sử dụng, phần còn lại

chảy vào hệ thống tiêu nước ra sông hồ hoặc bổ sung cho nước ngầm.

Cánh đồng lọc được dùng khi có những khoảng đất không thể sử dụng cho canh

tác nông nghiệp. Trên khảng đất này người ta phân ra các thửa có bố trí hệ thống

mương máng, đường ống phân phối và tiêu thụ nước. Số ô thừa ≥2 và có diện tích

5÷8 ha. Độ dốc tự nhiên của cánh đồng lọc ≤0.02. Khả năng lọc và làm sạch nước

thải phụ thuộc vào loại đất. Người ta thường chọn các vùng đất cát, á cát để làm

cánh đồng lọc.

Nước thải sau khi xử lý trên cánh đồng tưới và cánh đồng lọc có BOD20=8÷15

mg/l, hàm lượng nitrat đến 25 mg/l. số lượng vi khuẩn bị tiêu diệt tới 99%.

Diện tích yêu cầu của cánh đồng lọc được xác định theo tải trọng thủy lực và phụ

thuộc và lượng mưa trung bình năm cũng như đặc điểm loại đất. Đối với các loại

đất cát, á cát khi lượng mưa trung bình năm là 2000mm có thể chọn tải trọng thủy

lựa từ 40 đến 60 m3/ha.ngd.

26

Các công trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học trong điều kiện tự

nhiên có giá thành xây dựng thấp, quản lý đơn giản, hiệu quả làm sạch và diệt

khuẩn cao, thích hợp với các khu dân cư hoặc nhà máy có lưu lượng nước thải thấp

(<15000 m3/ngd) kêt hợp được việc xử lý nước thải với các mục đích kinh tế như

nuôi cá, trồng cây… Nhược điểm cơ bản của các loại công trình này là yêu cầu diện

tích đất xây dựng lớn, chế độ làm việc không ổn định, phụ thuộc vào các điều kiện

thời tiết, khí hậu…

2.3.2. Các loại bể lọc sinh học (bể biophil)

Bể lọc sinh học là công trình nhân tạo, trong đó chất thải được lọc qua lớp vật

liệu rắn có bao bọc lớp màng vi sinh vật. Bể lọc sinh học gồm các bộ phận chính

sau: phần chứa vật liệu lọc, hệ thống phân phối nước trên toàn bộ bề mặt bể, hệ

thống thu và dẫn nước sau khi lọc, hệ thống dẫn và phân phối khí cho bể lọc.

Quá trình oxy hóa chất bẩn trong bể lọc sinh học diễn ra giống như trên cánh

đồng lọc nhưng với cường độ lớn hơn nhiều. Màng vi sinh vật đã sử dụng và xác vi

sinh vật chết theo nước trôi khỏi bể được tách khỏi nước thải đã xử lý tại bể lắng

đợt II. Để đảm bảo quá trình oxy hóa sinh hóa diễn ra ổn định, oxy được cấp cho bể

lọc bằng các biện pháp thông gió tự nhiện hoặc nhân tạo.

Hiện nay theo năng suất lọc (tải trọng nước thải) người ta chia ra các loại bể lọc

sinh học nhỏ giọt và bể lọc sinh học cao tải.

Bể lọc sinh học nhỏ giọt có dạng hình vuông, hình chữ nhật hoặc hình tròn trên

mặt bằng, làm việc theo nguyên tắc: nước thải sau bể lắng đợt I được đưa về thiết bị

phân phối theo chu kỳ tưới nước trên toàn bộ bề mặt bể lọc. Nước thải sau khi loc

chảy vào hệ thống thu nước và được dẫn ra khỏi bể. Oxy cung cấp cho bể chủ yếu

nhờ hệt thống xung quanh thành bể. Vật liệu của bể lọc sinh học nhỏ giọt thường là

các hạt cuội, đá… đường kính trung bình 20÷30 mm. tải trọng nước thải của bể thấp

(0,5÷1.5m3 nước thải trên 1m3 vật liệu trong một ngày đêm). Chiều cao lớp vật liệu

lọc trong bể 1.5÷2m. Hiệu suất xử lý nước thải theo chỉ tiêu BOD của bể cao

27

(thường trên 90%). Bể dùng cho các trạm xử lý nước thải công suất nhỏ hơn 1000

m3/ngd.

Hình 10. Sơ đồ lọc bằng bể lọc sinh học nhỏ giọt

Bể lọc sinh học cao tải có các đặc điểm cấu tạo và quản lý khác so với bể lọc

sinh học nhỏ giọt. Vật liệu của bể lọc sinh học cải tải là các loại cuội, đá… đường

kính trung bình 40÷70 mm. Nước thải tưới lên mặt bể nhờ hệ thống phân phối phản

lực nên bể có dạng hình tròn trên mặt bằng. Bể có tải trọng thủy lực cao 10÷20m3

nước thải/m2 bể mặt bể lọc trong một ngày đêm nếu trong các trường hợp cần thiết

khi BOD cảu nước thải quá cao người ta phải tiến hành pha loãng chúng bằng nước

thải đã làm sạch tuần toàn nước. Nếu chiều cao lớp vật liệu lọc >2m bể phải được

cấp khí cưỡng bức bằng hệ thống thông gió từ phía dưới đáy bể. Lượng nước cấp

cho bể 8÷12 m3/nước thải bể được thiết kế cho các trạm xử lý nước thải công suất

<50000 m3/ngd. Ngoài các loại bể lọc có vật liệu lọc dạng hạt, người ta còn dùng

các loại bể lọc có vật liệu lọc bằng nhựa tổng hợp hoặc amiang dưới dạng lưới tạo

thành từng lớp. Các loại bể lọc này thường có công suất tải trọng thủy lực có tới

10m3 nước thải/m2 vật liệu lọc trong một ngày đêm. Đối với những loại có lưu

lượng nước thải <500 m3/ngd người ta còn dùng đĩa lọc sinh học có đường kính 2÷3

m và vận tốc quay 1÷40 vòng/phút. Tại tâm đĩa quay ngập trong nước thải sẽ thành

mảng vi sinh vật, nhờ đó mà diễn ra các quá trình hấp thụ và oxy hóa chất bẩn.

28

2.3.3. Bể thổi khí có bùn hoạt tính (bể Aerotank) thường đạm.

Bể aerotank là công trình nhân tạo, trong đó người ta cung cấp oxy và khuấy trộn

nước thải với bùn hoạt tính. Bùn hoạt tính trong aerotin tồn tại dưới dạng bông xốp,

tập hợp chủ yếu cá quần thể vi khuẩn khoáng hóa có khả năng hấp thụ, oxy hóa chất

bẩn hữu cơ nhờ oxy có trong nước thải.

Để đảm bảo có oxy hóa thường xuyên và trộn đều nước thải với bùn hoạt tính,

người ta thường cấp khí cho aerotank bằng các hệ thống khuấy trộn cơ khí, hệ thống

cấp khí nén hoặc kết hợp hai loại này. Sau khi hấp thụ chất hữu cơ trong nước thải,

sinh khối bùn hoạt tính tăng lên, taoọ thành lượng bùn hoạt tính dư. Phần bùn trong

hỗn hợp bùn‒nước sau aerotank sẽ được giữ lại trong bể lắng đợt II. Một phần của

lượng bùn này được tuần hoàn trở lại aerotank tiếp tục chu trình hấp thụ và oxy hóa

chất hữu cơ và được gọi là bùn hoạt tính tuần hoàn. Phần bùn hoạt tính dư được đưa

về bể nén bun và các công trình xử lý bùn cặn khác. Hiệu suất xử lý nước thải trong

aerotank, chất lượng bun hoạt tính… phụ thuộc vào thành phần và tính chất nước

thải, điều kiện thủy động học quá trình khuấy trộn, nhiệt độ và độ ph nước thải, sự

tồn tại các nguyên tố dinh dưỡng và các yếu tố khác.

Nếu nước thải có BOD lớn (>150 mg/l) và có các chất độc hại đối với vi khuẩn

thì cần phải tái sinh bùn hoạt tính bằng cách thổi khí cho chúng sau khi tuần hoàn

lại và trước khi tiếp xúc với nước thải, hoặc phải sử dụng sơ đồ công nghệ xử lý

nước thải trong aerotank nhiều bậc.

Theo sơ đồ chuyển động của dòng nước thải và sự tuần hoàn của bùn hoạt tính

người ta chia ra các loại aerotank đẩy và aerotank trộn. đối với bể aerotank đẩy

nước thải và bùn hoạt tính tuần hoàn được đưa vào từ một phía. Bùn và nước tiếp

xúc với nhau trong quá trình chuyển động dọc aerotank. Aerotank đẩy thường dùng

cho các loại nước thải có BOD20<300 mg/l.

29

Hình 11. Sơ đồ aerotank xử lý sinh học nhiều bậc

2.3.4. Bể lắng đợt II và bể nén bùn

Bể lắng đợt II dùng để tách lượng bùn tạo thành từ quá trình xử lý nước thải bằng

phương pháp sinh học trước đó. Lượng bùn hoạt tính giữ lại trong bể lắng đợt II sau

aerotank một phần được đưa trở lại ngăn tái sinh của aerotank (phần bùn hoạt tính

tuần hoàn) để tham gia xử lý nước thải, một phần đưa vào bể nén bùn để đảm giảm

độ ẩm và ổn định (phần bùn hoạt tính dư). Vì vậy bể lắng đợt II cũng tham gia vào

quá trình xử lý nước thải trong hệ thống aerotank. Bùn màng sinh vật giữ lại trong

bể lắng đợt II cũng tham gia vào quá trình xử lý nước thải trong hệ thống aerotank.

Bùn màng sinh học có độ ẩm thấp (p=96‒98%) nên có thể đưa trực tiếp vê ổn định

trong bể metan.

Đối với các trạm xử lý nước thải công suất nhỏ bể lắng đợt II thường là bể lắng

đứng: đối với các trạm công suất trung bình hoặc lớn‒bể lắng ngang hoặc lắng ly

tâm.

Bùn từ bể lắng đợt II thường được xả bằng áp lực thủy tĩnh từ 0.9 đến 1.2m.

Dung tích phần bùn bể lắng được xác định theo thời gian bùn lưu lại trong bể: hai

ngày đêm đối với bùn màng sinh vật và hai giờ đối với bùn hoạt tính.

30

Bể nén bùn dùng để giảm sơ bộ độ ẩm cho bùn hoạt tính từ 99% xuống 97‒98%

trước khi đưa đi ổn định trong bể metan. Hiện nay người ta thường dùng bể nén bùn

đứng cho cá trạm xử lý nước thải công suất nhỏ và bể nén bùn ly tâmcho trạm công

suất lớn. Lượng bùn hoạt tính dư độ ẩm 99% tính cho mọt người trong một ngày

đêm là 4l. Trong bể nén bùn, bùn được tách ra khỏi nước theo nguyên lý trọng lực.

Hình 12. Sơ đồ xử lý bằng bể bùn hoạt tính và bể lắng sinh học

2.4. Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa lý

Thực chất của phương pháp này là lợi dụng vào tính chất hóa lý của nước thải mà

có những tác động vật lý, hóa học nhằm tăng cường các quá trình tách các chất bẩn

ra khỏi nước thải. Ví dụ khi người ta đưa vào nước thải chất phản ứng nào đó nó sẽ

tác dụng với các tạp chất bẩn tạo thành các tạp chất khác dưới dạng cạn hoặc hòa

tan không mang tính độc hại…

Phương pháp hóa học có thể là đông tụ, trung hòa, oxy hóa, ozon hóa… phương

pháp hóa lý thông dụng nhất là: keo tụ, hấp phụ, trích ly, bay hơi tuyển nổi, trao đổi

ion, tinh thể hóa…

Tùy thuộc vào điều kiện địa phương và yêu cầu vệ sinh… mà phương pháp làm

sạch hóa học, hóa lý và giải pháp cuối cùng hoặc chỉ là giai đoạn làm sạch sơ bộ

cho các giai đoạn tiếp theo, thường được áp dụng cho nước thải công nghiệp.

31

2.4.1. Phương pháp đông tụ và keo tụ

Quá trình lắng chỉ có thể tách được các hạt rắn huyền phù nhưng không thể tách

được các chất gây nhiểm bẩn ở dạng keo và hòa tan vì chúng là những hạt rắn có

kích thước quá nhỏ. Để tách các hạt rắn đó một cách hiệu quả bằng phương pháp

lắng, cần tăng kích thước của chúng nhờ sự tác động tương hỗ giữa các hạt phân tán

liên kết thành tập hợp các hạt, nhằm làm tăng vận tốc lắng của chúng. Việc khử các

hạt keo rắn bằng lắng trọng lượng đòi hỏi trước hết cần trung hóa điện tích của

chúng, thứ đến là liên kết chúng với nhau. Quá trình trung hòa điện tích thường

được gọi là quá trình đông tụ có quá trình tạo thành các bông lớn hơn từ cá hạt nhỏ

gọi là quá trình keo tụ.

Trong tự nhiên, tùy theo nguồn gốc xuất xứ cũng như bản chất hóa học, các hạt

cặn lơ lửng đều mang điện tích âm hoặc dương. Ví dụ, cá hạt rắn có nguồn gốc silic,

các hợp chất hữu cơ đều có điện tích âm, ngược lại các hydroxit sắt và nhôm mang

điện tích dương. Khi thê cân bằng điện động của nước bị phá vỡ, các thành phần

mang điện tích sẽ kết hợp hoặc dính kết với nhau bằng lực liên kết phân tử và điện

tử, tạo thành một tổ hợp các phân tử, nguyên tử hoặc các ion tự do. Các tổ hợp trên

được gọi là các hạt “bông keo”. Theo thành phần cấu tạo người ta chia chúng thành

hai loại keo: keo kỵ nước là loại chống lại các phân tử nước và keo háo nước là loại

hấp thụ các phân tử nước như vi khuẩn, vi rút… trong đó keo kỵ nước đóng vai trò

chủ yếu trong công nghệ xử lý và nước thải.

Cơ chế của quá trình đông tụ hoàn toàn có thể giải thích đơn giải bằng mô hình

hai lớp như minh họa trên hình 13.

32

Hình 13. Điên tích trên hạt lơ lửng khi giải thích bằng lý thuyết hai lớp.

Những hạt rắn lơ lửng mang điện tích âm trong nước sẽ hút các ion trái dấu. Một

số các ion trái dấu đó bị hút chặt vào hạt rắn đến mức chúng chuyển động cùng hạt

rắn, do đó tạo thành một mặt trượt. Xung quanh lớp ion trái dấu bên trong này là

lớp ion bên ngoài mà hầu hế là các ion trái dấu, nhưng chúng bị hút bám vào một

cách lỏng lẻo và có thể dễ dàng bị trượt 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

dương ở lớp bên trong. Hiệu số điện năng giữa các lớp cố định và lớp chuyển động

gọi là thế zeta (ζ) 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, igá trị

của nó sẽ xác định lực tĩnh điện đẩy của các hạt là lực cản trở việc dính kết giữa các

hạt rắn với nhau.

Nếu như điện tích âm thực là điện tích đẩy như ở hình 14 và thêm vào đó tất cả

các hạt còn có lực hút tĩnh điện‒lực vander waals‒ do cấu trúc phân tử của các hạt.

Tổng của hai loại điện tích này là điẹn tích đẩy thực hay là một hàng rào năng lượng

cản trở cá lhạt rắn liên kiết vơi nhau. Như vậy mục thiêu của đông tụ là giảm thế

zeta‒tức là giảm chiều cao hàng rào năng lượng này tới giá trị tới hạn, sao cho các

33

hạt răn không đẩy lẫn nhau bằng cách thêm các ion có điện tích dương. Như vậy

trong đông tụ diễn ra quá trình phá vỡ ổn định trạng thái keo của các hạt nhờ trung

hòa điện tích. Hiệu quả đông tụ phụ thuộc vào hóa trị của ion, chất đông tụ mang

điệntích trái dấu với điện tích của hạt. Hóa trị của ion càng lớn thì hiệu quả đông tụ

càng cao.

Quá trình thủy phân các chất động tụ và tạo thành các bông keo xảy ra theo các

giai đoạn sau:

Hình 14 Giảm điện tích thực trên hạt rắn bằng thêm các ion trái dấu hóa trị 3

Liều lượng của các chất đông tụ tùy thuốc vào nồng độ tạp chất rắn trong nước

thải và được giới thiệu trong bảng 4.

Me3+ + HOH ↔ Me(OH)2+ + H+

Me(OH)2+ + HOH ↔ Me(OH)+ + H+

Me(OH)+ + HOH ↔ Me(OH)3 + H+

Me3+ + HOH ↔ Me(OH)3 + 3H+

34

Bảng 4. Liều lượng chất đông tụ ứng với hàm lượng khác nhau của tạp chất

Các chất đông tụ thường dùng là các muối nhôm, sắt hoặc hỗn hợp của chúng.

việc lựac họn chất đong tụ phụ thuộc vào các tính chất hóa lý, chi phí, nồng độ tập

chất trong nước, pH và thầnh phần muối trong nước. trong thực tế người ta thường

sẻ dụng các chất đông tụ sau: Al2(SO4)3.18H2O, NaAlO2, Al2(OH)5Cl,

KAl(SO4)2.12H2O, NH4Al(SO4)2.12H20.

Trong đó được dùng rộng rãi nhất là Al2(SO4)3 bởi vì Al2(SO4)3 hòa tan tốt trong

nước, chi phí thấp và hoạt động có hiệu quả cao trong khoảng pH=5÷7.5.

Trong quá trình đông tụ, Al2(SO4)3 tác dụng với canxi bicacbonat trong nước

theo phản ứng sau:

Trong phần lớn các trường hợp người ta sử dụng hỗn hợp NaAlO2 và Al2(SO4)3theo tỉ lệ (10:1)÷(20:1). phản ứng xảy ra như sau:

Nồng độ tạp chất trong nước, mg/l Liều lượng chất đông tụ khan, mg/l

từ 1 đến 100 25÷35

101÷200 30÷45

201÷400 40÷60

401÷600 45÷70

601÷800 55÷80

801÷1000 60÷90

1001÷1400 65÷105

1401÷1800 75÷115

1801÷2200 80÷125

2201÷2500 90÷130

Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 ↔ Al(OH)3↓ + 3CaSO4 + 6H2O

35

Việc sử dụng hỗn hợp muối trên cho phép tăng hiệu quả quá trình làm trong

nước, tăng khối lượng và tốc độ lắng của các bông keo tụ, mở rộng khoảng pH tối

ưu của môi trường.

Al2(OH)5Cl có độ axit thấp nên rất phù hợp đê dùng làm sạch nước có độ kiềm

yếu và quá trình được thực hiện nhờ phản ứng sau:

Các muối sắt: Fe2(SO4)3.2H2O, Fe2(SO4)3.3H2O, Fe2(SO4)3.7H2O, FeCl3. Cũng

thường được dùng làm chất đông tụ. việc tạo thành bông keo diễn ra theo các phản

ứng:

Các muối sắt được sử dụng làm chất đông tụ có nhiều ưu điểm hơn so với các

muối nhôm, do:

‒ Tác dụng tốt hơn ở nhiệt độ thấp.

‒ Có khoảng giá trị pH tối ưu của môi trường rộng hơn.

‒ Độ bền lớn và kích thước bông keo có khoảng giới hạn rộng của thành

phần muối.

‒ Có thể khử được mùi vị khi có H2S.

Tuy nhiên các muối sắt cũng có những nhược điểm, chúng tạo thành các phức

hòa tan nhuồm màu qua phản ứng của các cation sắt với một số hợp chất hữu cơ.

Người ta dùng thí nghiệm Jar‒test để xác định liều lượng tối ưu của chất đông tụ

trong quá trình xử lý nước và nước thải.

Để tăng cường quá trình tạo thành bông keo hydroxyt nhôm và sát với mục đích

tăng tốc độ lăgns, người ta tiến hành quá trình keo tụ bằng cách cho thêm vào nước

6NaAlO2 + Al2(SO4)3 + H2O ↔ 8Al(OH)3↓ + 3Na2SO4

Al2(OH)5Cl + Ca(HCO3)2 → 4Al(OH)3↓ + CaCl2 + 2CO2

FeCl3 + 3H2O → Fe(OH)3 + HCl

Fe2(SO4)3 + 6H2O → 2Fe(OH)3↓ + 3H2SO4

Trong điều kiện kiềm hóa xảy ra các phản ứng sau:

2FeCl3 + 3Ca(OH)2 → 2Fe(OH)3↓ + 3CaCl2FeSO4 + 3Ca(OH)2 → 2Fe(OH)3↓ + 3CaSO4

36

thải các hợp chất cao phân tử gọi là chất trợ đông tụ (flocculant). Việc sử dụng các

chất trợ đông tụ cho phép hạ thấp liều lượng chất đông tụ, giảm thời gian quá trình

đông tụ và nâng cao tốc độ lắng của các bông keo.

Để xử lý nước thải người ta dùng các chất keo tụ có nguồn gốc thiên nhiên hoặc

tổng hợp. Các chats trợ đông tụ có nguồn gốc thiên nhiên thường dùng là tinh bột,

dextrin (C6H10O5)n, các ete, xenlulo và dioxit silic hoạt tính (xSiO2.yH2O).

Các chất trợ đôngtụ tổng hợp thường dùng nhất là polyacrylamit:

(CH2CHCONH2)n. Tùy thuộc vào các nhóm ion khi phân ly mà các chất trợ đông tụ

có điện tích âm hoặc dương (các chất trợ đông tụ loại anion hoặc cation):

polyacrylic axit (CH2CHCOO)n hoặc polydiallyldimetyl‒amoni.

Đa số chất bẩn hữu cơ, vô cơ dạng keo trong nước thải có điện tích âm và do đó

nếu dùng các chất trợ đông tụ cation trước đó sẽ không cần phải đông tụ sơ bộ. Việc

lựa chọn hóa chất, liều lượng tối ưu của chúng, trình tự cho vào nước… cũng đều

phải được xác định bằng thực nghiệm. Thông thường liều lượng chất trợ đông tụ

cho vào trong khoảng 1÷5mg/l.

Để phản ứng diễn ra hoàn toàn và tiết kiềm, phải khuấy trộn đều hóa chất với

nước thải. Thời gian nước lưu lại trong bể trộn khoảng 1 đến 5 phút. Tiếp đó thời

gian cần thiết để nước thải tiếp xúc với hóa chất cho tới khi bắt đầu lắng dao động

trong khoảng 20 đến 60 phút. Trong khoảng thời gian này các chất hóa học có tác

dụng và sẽ diễn ra quá trình đông tụ và tạo bông.

Để khuấy trộn nước thải với hóa chất vào tạo được bông keo, người ta dùng

những loại thiết bị khuấy trộn khác nhau.

Quá trình làm sạch nước thải bằng đông tụ và keo tụ gồm các giai đoạn: định

lượng, khuấy trộ hóa chất với nước thải, tạo thành bông keo và lắng bông keo.

37

Hình 15. Sơ đồ thiết bị làm sạch nước thải bằng đông tụ.

Để khuấy trộn chất đông tụ vơi nước thải người ta thường dùng các phương pháp

khuấy thủy lực và khuấy cơ học. Có nhiều loại thiết bị khác nhau để tiến hành quá

trình đông tụ. Hình 16 minh họa một số loại thiết bị điển hình.

Khoảng cách giữa hai vách ngăn bằng hai lần chiều rộng bể. Vận tốc nước trong

bể vào khoảng 0.6m/s còn qua cửa thông vào khoảng 1m/s. Thời gian lưu của nước

trong bể khuấy trộn bằng khoảng 3 đến 5 phút. Vận tốc dòng nước trong loại b

thường chọn bằng 0.2 đến 0.3m/s.

38

Hình 16. Các thiết bị đông tụ

2.4.2. Tuyển nổi

Phương pháp tuyển nổi thường được sử dụng để tách các tạp chất (ở dạng hạt rắn

hoặc lỏng) phân tác không tan, tự lắng kém ra khỏi pha lỏng. Trong một số trường

hợp, quá trình này cũng được dùng để tách các chất hòa tan như các chất hoạt đọng

bề mặt. Quá trình như vậy được gọi là quá trình tách bọt hay làm đặc bọt.

Trong xử lý nước thải, bề nguyên tắc, tuyển nổi thường được sẻ dụng để khử các

chất lơ lửng và làm đặc bùn sinh học. Ưu điểm cơ bản của phương pháp này so với

phương pháp lắng là có thể khử được hoàn toàn các hạt nhỏ hoặc nhẹ, lắng chậm,

39

trong một thời gian ngắn. Khi các hạt đã nổi lên bề mặt, chúng có thể được thu gom

bằng bộ phận vớt bọt.

Quá trình tuyển nổi được thực hiện bằng cách sục cách bọt khí nhỏ (thường là

không khí) vào trong pha lỏng. Các khí đó kết dính với các hạt và khi lực nổi của

tập hợp lại với nhau thành các lớp bọt chứa hàm lượng các hạt cao hơn trong chất

lỏng ban đầu.

Trong trường hợp cần tách các hạt rắn kỵ nước, khi bóng khí dính chặt vào

chúng sẽ tạo thành mọt đường bao là biên giới của pha rắn‒lỏng‒khí giới hạn diện

tích dính của bọt khí. Đường tiếp tuyến với mặt bọt khí tại điểm tiếp xúc và bề mặt

của hạt rắn tạo thành một góc θ (hình 17) gọi là góc biên của sự thấm ướt.

Hình 17. Sự kết dính của hạt rắn và bóng khí trong tuyển nổi

Khả năng tạo thành tổ hợp tuyển nổi của các hạt‒bọt khí, vận tốc của quá trình,

độ bền vững của mối dính kế và thời gian tòn tại của tổ hợp của tổ hợp trên phụ

thuộc vào bản chất của hạt, vào đặc tính tác dụng tương hỗ của các tác nhân với bề

mặt hạt và khả năng thấm ướt của bề mặt hạt.

Hiệu suất của quá trình tuyển nổi phụ thuộc vào số lượng bọt khí. Kích thước tối

ưu của chúng năm trong khoảng 15 đến 30μm. ở điều kiện như vậy nước cần đạt độ

bảo hòa không khí thật lớn. Hay nói một cách khác, nước cần chứa một lượng lớn

40

không khí. Song ta biết rằng độ hòa tan của không khí vào trong nước tỉ lệ thuận

với áp suất và tỷ lệ nghịch với nhiệt độ. Bảng 5 cho một số giá trị độ hòa tan của

không khí ở các nhiệt đọ khác nhau trong điều kiện áp suất khí quyển.

Bảng 5. Độ hòa tan của không khí ở áp suát khí quyển tại các nhiệt độ khác nhau

Mặt khác lượng không khí tiêu tốn riêng sẽ giảm khi hàm lượng hạt rắn cao, vì

khi đó xác suất va chạm và kết dính giữa các hạt sẽ tăng lên. Tùy thuộc vào khối

lượng riêng của vật liệu, quá trình tuyển nổi sẽ có hiệu suất tách cao đối với các hạt

có kích thước từ 0.2 đến 1.5mm.

Trong quá trình tuyển nổi, việc ổn định kích thước bọt khí có ý nghĩa quan trọng.

Để đạt mục đích này đôi khi người ta bổ sung thêm vào nước các chất tạo bọt có tác

dụng làm giảm năng lượng bể mặt phân pha như dầu bạch dương, cresol, natri

alkylsilicat, phenol…

Tác nhân thông dụng nhất trong các phương pháp tuyển nổi xử lý nước thải là

không khí. Không khí được cấp vào nước và tạo bọt theo các phương pháp sau:

‒ Sục không khí vào nước ở áp suất cao, sau đó giảm áp‒gọi là tuyển nổi

bằng không khí hòa tan.

‒ Sục khí ở áp suất khí quyển gọi là tuyển nổi bằng không khí.

‒ Bão hòa không khí ở áp suất khí quyển sau đó thoát khí ra khỏi nước ở áp

suất chân không gọi là tuyển nổi chân không.

Nhiệt độ, oC 0 10 20 30

Độ hòa tan của không khí trong nước, ml/l 29.2 22.8 18.7 15.7

41

Hình 18. Hệ thống tuyển nổi băng không khí hòa tan không có tuần hoàn

Hình 19. Hệ thống tuyển nổi băng không khí hòa tan có tuần hoàn

Phương pháp tuyển nổi có những ưu điểm nổi bật sau:

‒ Do quá trình thực hiện liên tục và có phạm vi ứng dụng rộng rãi.

‒ Vốn đầu tư và chi phí vận hành không lớn.

‒ Thiết bị đơn giản.

‒ Có độ lựa chọn tách các tạp chất.

42

Tốc đố quá trình tuyển nổi cao hơn quá trình lắng và có khả năng cho bùn cặn có

độ ẩm thấp hơn (90‒95%)

Phương pháp tuyển nổi được sử dụng rộng rãi trong xử lý nước thải của nhiều

ngành công nghiệp như chế biến dầu mỏ, sợi tổng hợp, giấy, da, chế tạo máy, thực

phẩm và hóa chất.

Diện tích bề mặt cần thiết của thiết bị làm đặc bùn bằn tuyển nổi cũng có thể

được xác định trên cơ sở vận tốc nổi của hạt rắn, thường nằm trong khoảng từ 8 đến

160 l/m2.phút, tùy thuộc vào nồng độ hạt rắn, mức độ làm đặc cần đạt và tải trọng

riêngtheo chất rắn như ghi trong bảng 6.

Bảng 6. Tải lượng theo chất rắn của các thiết bị tuyển nổi bằng không khí hòa tan

Phương pháp tuyển nổi này so với các phương pháp khác có ưu điểm là cấu tạo

đơn giản, chi phí năng lượng thấp, nhược điểm là các lỗ mao quản hay bị bẩn và tắc,

khó chọn vật liệu có kích thước mao quản giống nhau để đảm bảo thành các bọt khí

có kích thước đồng đều.

Hiệu suất quá trình tuyển nổi bằng sục khí phụ thuộc vào kích thước lỗ xốp, áp

suất không khí và lưu lượng khí, thời gian thực hiện quá trình và mức nước trong

thiết bị tuyển nổi.

Loại bùn Tải lượng, kg/m3.ngày

Hỗn hợp lỏng‒bùn hoạt tính (bằng sục không

khí)

25÷75

Bùn hoạt tính (lằng bằng sục không khí) 50÷100

Bùn hoạt tính (lắng) bằng sục oxy tinh khiết 60÷150

50% bùn lắng cấp 1÷50% bùn hoạt tính (lắng) 100÷200

Bùn lắng cấp I Tới 260

43

Theo kinh nghiệm, kích thước của lỗ thường lấy từ 4 đến 20μm, áp suất không

khí từ 0.1 đến 0.2MPa, lưu lượng không khí từ 40 đến 70 m3/m2.h, thời gian tuyển

nổi từ 20 đến 30 phút và mức nước trong buồng tuyển nổi từ 1.5 đến 2m.

Hình 20. Thiết bị tuyển nổi cấp không khí qua đầu khuếch tán bằng vật liệu xốp

Hình 21. Thiết bị tuyển nổi cấp khí qua tấm lọc

2.4.3. Hấp phụ

.Phương pháp hấp phụ được dùng rộng rãi để làm sạch triệt để nước thải khỏi các

chất hữu cơ hòa tan sau khi xử lý sinh học cũng như xử lý cục bộ khi trong nước

44

thải có chứa một hàm lượng rất nhỏ các chất đó. Những chất này không phân hủy

bằng con đường sinh học và thường có độc tính cao. Nếu các chất cần khử bị hấp

phụ tốt và khi chi phí riêng lượng chất hấp phụ không lớn thì việc ứng dụng phương

pháp này là hợp lý hơn cả.

2.4.3.1. Cơ sở quá trình hấp phụ

Hấp phụ là quá trình xảy ra khi một chất khí hay chất lỏng bị hút trên bề mặt

một chất rắn xốp. Chất khí hay hơi được gọi là chất bị hấp phụ, chất rắn xốp dùng

để hút khí hay hơi gọi là chất hấp phụ và những khí không bị hấp phụ gọi là khí trơ.

Quá trình ngược lại của hấp phụ gọi là quá trình giải hấp phụ hay nhả hấp phụ.

Các chất hấp phụ thường dùng là than hoạt tính, các chất tổng hợp hoặc một số

chất thải của sản xuất như xỉ tro, xỉ, mạt sắt và các chất hấp phụ bừng khoáng chất

như đất sét, silicagen, keo nhôm. Các hydroxit kim loại ít được sử dụng để hấp phụ

các chất khác nhau trong nước thải vì năng lượng tác dụng tương hỗ của chúng với

các phân tử của nước rất lớn, đôi khi cao hơn cả năng lượng hấp phụ.

2.4.3.2. Thiết bị hấp phụ

Quá trình làm sạch nước thải bằng hấp phụ được tiến hành ở điều kiện khuấy

trộn mãnh liệt chất hấp phụ với nước, hoặc lọc nước thải qua lớp chất hấp phụ hay

trong lớp lỏng giả trong các hệ thống thiết bị làm việc gián đoạn và liên tục. Khi

tiến hành quá trình này có sự khuấy trộn chất hấp phụ với nước, người ta thường sử

dụng than hoạt tính ở dạng hạt có kích thước nhỏ hơn hoặc bằng 0.1mm.

Quá trình hấp phụ có thể tiến hành một bậc hoặc nhiều bậc. Hấp phụ một bậc ở

trạng thái tĩnh được ứng dụng trong trường hợp khi chất hấp phụ có giá thành thấp

hoặc là chất thải sản xuất. Tuy nhiên khi quá trình tiến hành trong hệt thong nhiều

bậc sẽ có hiệu quả cao hơn.

Hình 22 trình bày hệ thống thiết bị hấp phụ khi cho chất hấp phụ vào nói tiếp

nhau. Trong sơ đồ này lượng chất hấp phụ cần thiết cho vào bậc thứ nhất đẻ giảm

nồng độ chất gây nhiễm bẩn từ C0 đến C1. Sau đó tách chất hấp phụ ra bằng thiết bị

lắng hay lọc 2, còn nước thải được chuyển tiếp sang bậc thứ 2. Ở đây người ta cho

45

chất hấp phụ mới vào. kết thúc quá trình hấp phụ ở bậc 2, nồng độ của chất gây

nhiễm bẩn trong nước giảm xuống từ C1 đến C2…

Hình 22. Hệ thống với cấp chất hấp phụ nổi tiếp

Hình 23 trình bày sơ đồ ngược chiều, chất hấp phụ được đưa vào một lần ở bậc

cuối cùng và chuyển động ngược chiều với dòng nước thải. theo sơ đồ này người ta

tiến hành quá trình liên tục với tiêu tốn chất hấp phụ ít hơn nhiều so với theo sơ đồ

cấp nối tiếp. tuy nhiên, hệ thống thiết bị này đắt hơn và vận hành phức tạp hơn.

Hình 23 . Hệ thống cấp chất hấp phụ ngược chiều

46

Trong các điều kiện động lực học, quá trình làm sạch được tiến hành bằng lọn

nước thải qua lớp hấp phụ. Tốc độ lọc phụ thuộc vào nồng độ các chất hòa tan và

dao động từ 2 đến 6m3/m2.h. Nước được cho chảy từ trên xuống và chiếm đầy toàn

bộ tiết diện ngang của tháp. Các chất hấp phụ ở dạng hạt có kích thước từ 1.5 đến

5mm. Khi kíc thước các hạt nhỏ hơn sẽ dẫn đến tăng trở lực lọc đối với chất lỏng.

Khi tiến hành quá trình làm sạch nước thải trong tháp với lớp than cố định

thường theo phương pháp gián đoạn. Còn trong quá trình liên tục người ta sử dụng

một số tháp như ở hình 24. Trong sơ đồ hai tháp đầu làm việc nối tiếp nhau, còn

tháp thứ ba dùng để tái sinh chất hấp phụ.

Hình 24. Sơ đồ các hệ thống hấp phụ

Nguyên lý làm việc của hệ thống như sau: than hoạt tính được đưa liên tục vào

tháp qua phễu 2 xuống dưới điaã phân phối. Nước thải đi từ dưới lên cuốn theo các

hạt than hoạt tính qua lưới 4 tạo thành lớp lỏng giả trên lưới. Tại đây xảy ra quá

trình làm sạch. Than thừ được thu gom ở bình chứa 5 rồi qua tái sinh. Nước sạch

theo máng ở phía trên được dẫn ra ngoài, còn các loại than bị cuốn theo sẽ được

tách ra và đưa vào bình 5. Trong các tháp hấp phụ, lớp hạt hoạt tính lỏng giả được

tạo thành giữa các đĩa. Giữa hai khoang này được nối với nhau bằng các ống hình

côn.

47

2.3.4.3. Giải hấp phụ

Tái sinh chất hấp phụ là một gia đoạn rất quan trọng trong quá trình hấp phụ. Các

chất bị hấp phụ có thể được tách ra khỏi than hoạt tính bằng quá trình nhả nhừo hơi

nước bão hòa hay hơi quá nhiệt hoặc bằng khí trơ nóng. Nhiệt độ của hơi quá nhiệt

để tái sinh thường vào khoảng 200 đến 300oC (ở áp suất dư 0.3 đến 0.6MPa). Còn

trong khí trơ ở nhiệt độ vào khoảng 120 đến 140oC. Lượng hơi tiêu tốn để đuổi các

chất dễ bay hơi bằng khoảng 2.5 đến3 kg/1kg chất được tách.

Để tái sinh than hoạt tính cũng có thể sử dụng phương pháp trích ly bằng các

chất hữu cơ có nhiệt độ sôi thấp và dễ chưng bằng hơi nước như metanol (CH3OH),

benzen (C6H6), toluen (C6H5CH3), dicloetanol…

Trong một số trường hợp, trước khi tái sinh các chất bị hấp phụ được chuyển hóa

bằng con đường hóa học thành một chất khác dễ tách từ chất hấp phụ hơn. Trong

trường hợp các chất bị hấp phụ không có giá trị thì có thể phá vỡ cấu trúc của chúng

bằn các tác nhân hóa học. Tái sinh bằng nhiệt thường được tiến hành trong các lò

nung ở nhiệt độ 700 đến 800oC trong môi trường không có oxy. Ngoài ra, các

phương pháp sinh học để tái sinh than hoạt tính cũng đã được nghiên cứu trong

trường hợp các chất bị hấp phụ là các chấ có thể bị oxy hóa sinh hóa. Phương pháp

tái sinh này kéo dài được thời giạn sử dụng cất hấp phụ một cách đáng kể.

Quá trình hấp phụ có thể được sử dụng để tách các chất hữu cơ như phenol.

Alkelbenzen‒sulphonic axit, thuốc nhuộm, các hợp chất thơm từ nước thải bằng

than hoạt tính. Logsdon và cộng sự (1976) đã đề xuất ứng dụng than hoạt tính để

khử thủy ngân. Để khử 0.1μg/l thủy ngân càn 1mg/l bột cacbon. Than hoạt tính

cũng được đề xuất dùng để khử các chất nhuộm khó phân hủy (Eberle & cộng sự,

1976). Tuy nhiên, việc ứng dụng vào thực tế còn bị hạn chế do chi phí của phương

pháp này còn quá cao.

48

Hình 25. Sơ đồ một số loại tháp hấp phụ

2.4.4. Trao đổi ion

Phương pháp trao đổi ion được ứng dụng để làm sạch nước hoặc nước thải khỏi

các kim loại như Zn, Cu, Cr, Ni, Pb, Hg, Cd, V, Mn… cũng như các hợp chất của

asen, photpho, xyanua và chất phóng xạ.

2.4.4.1. Bản chất của quá trình trao đổi ion

Trao đổi ion là một quá trình trong đó các ion trên bề mặt của chất rắn trao đổi

với ion có cùng điên tích trong dung dịch khi tiếp xúc với nhau. Các chất này gọi là

các ionit (chất trao đổi ion), chúng hoàn toàn không tan trong nước.

Các chất có khả năng hút các ion dương từ dung dịch điện ly goj là cationit.

Những chất này mang tính axit. Các chất có khả năng hút các ion âm gọi là anionit

và chúng mang tính kiềm. Nếu như các ionit nào đó trao đổi cả cation và anion thì

người ta gọi chúng là các ionit lưỡng tính.

Khả năng hút của các ionit được đặc trưng bởi dung lượng thể tích và đại lượng

này được xác định bằng số ion tương đương được hút bở 1 đơn vị khối lượng hay

49

thể tích ionit. Người ta phân biệt dung lượng thể tích toàn phần, dung lượng thể tích

tĩnh và dung lượng thể tích động.

Dung lượng thể tích toàn phần là dung lượng cá chất được hút khi bão hòa của 1

đơn vị thể tích hay khối lượng ionit.

Dung lượng thể tích tĩnh là dung lượng thể tích của ionit khi cân bằng ở điều

kiện làm ivệc cho trước và nhỏ hơn dung lượng thể tích toàn phần.

Dung lượng thể tích động là dung lượng của ionit trước khi đạt trạng thái dừng

trao đổi của ion trong nước lọc. Đại lượng này được xác định trong điều kiện lọc

qua ionit. Giá trị đại lượng này nhỏ hơn dung lượng tĩnh.

2.4.4.2. Các chất trao đổi ion

Các chất trao đổi ion có thể là các chất vô cơ hoặc hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên

hay tổng hợp nhân tạo.

Thuộc nhóm các chất trao đổi ion vô cơ tự nhiên gồm có các zeolite, kim loại

khoáng chất, đất sét, fenspat, chất mica khác nhau v.v… Các chất có tính chát trao

đổi cation là các chát chứa nhôm silicat loại: Na2O.Al2O3.nSiO2.mH2O. Các chất

như flo apatit [Ca5(PO4)3]F và hydroxyt apatit [Ca5(PO4)3]OH cũng có tính chất trao

đổi ion.

Các chất trao đổi ion có nguồn gốc các chất vô cơ tổng hợp gồm silicagen,

pecmutit (chất làm mềm nước), các oxyt khó tan và hydroxyt của một số kim loại

như nhôm, crom, ziriconi v.v… Ví dụ các tính chất trao đổi ion của silicagen là do

sự trao đổi của các ion hydro nhóm hydroxyt với các cation kim loại trong môi

trường kiềm.

Các chất trao đổi ion (ionit) hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên gồm axit humic của

đất (chất mùn) và than đá, chúng mang tính axit yếu. Để tăng tính axit và dung

lượng trao đổi người ta nghiền nhỏ than và lưu hóa ở điều kiện dư oleum. Than

sunfo là các chất điện ly cao phân tử, rẻ và chứa cả các nhóm axit mạnh và axit yếu.

Các chất trao đổi ion này có nhược điểm là độ bền hóa học và độ bề cơ học thấp,

dung lượng thể tích không lớn, đặc biệt trong môi trường trung tính.

50

Các chất trao đổi ion hữu cơ tổng hợp là các nhựa có bề mặt riêng lớn, chúng là

các hợp chất cao phân tử. Các gốc hydrocacbon của chúng tạo nên lưới không gian

với các nhóm chức năng trao đổi ion cố định. Lưới không gian hydrocacbon được

gọi là ma trận, còn các ion trao đổi ion là các ion trái dấu. để đơn giản hóa người ta

ký hiệu ma trận đó là R, còn các nhóm hoạt đọng được biểu thị rõ, đầu đủ. Ví dụ,

các chất trao đổi cation sunfua: RSO3H, trong đó R‒ma trận, H‒ ion trái dấu và

SO3‒ion nhận điện tử, hoặc cation cacboxylic: R‒COOH, cation phenolic: R‒OH,

cation photpho: R‒PO3‒H.

Người ta phân biệt giữa chất trao đổi ion axit mạn được nhận từ một axít mạnh

như H2SO4 và chất trao đổi ion axit yếu được nhận từ một axit yếu như H2CO3.

Cũng có thể xác định giá trị pK cho các chất trao đổi ion cũng như đã xác định độ

axit nói chung.

Khi đun nóng các ionit trong nước hoặc không khs có thẻ làm vỡ cá hạt của

chúng, tách rời nhóm hoạt động ra dẫn đến giảm dung lượng. Mỗi một nhựa trao

đổi ion có giới hạn nhiệt độ của mình, vượt quá ngưỡng nhiệt độ đó không thể sử

dụng được. nói chung độ bền về nhiệt của các anionit thấp hơn các cationit.

Đại lượng pH của nước thải để tiến hành trao đổi ion phụ thuộc vào hằng số phân

lý cá nhom trao đổi ion của nhựa. Các cation axit mạnh cho phép tiến hành quá

trình trong bất kỳ môi trường nào, còn các cation axit yếu thì tiến hành quá trình

trao đổi trong môi trường kiềm và trung tính. Như vậy các cationit với nhóm

HCO3‒ trao đổi ion ở pH lớn hơn 7, còn với nhóm phenol sẽ ở pH lớn hơn 8.

Các ionit khi tiếp xúc với nước không bị hòa tan, nhưng chúng sẽ hút một lượng

nước và trương lên thành các keo với độ trương giới hạn.

Khi làm trương các ionit, kích thước vi mao quản tăng từ 0.5÷1nm đến 4nm mà

kích thước của các vi mao quản bằng 70÷130 nm thì thể tích của các ionit tăng từ

1.5 đến 3 lần. Mức độ trương sẽ phụ thuộc vào cấu tạo của nhựa trao đổi ion, vào

bản chất các ion trái dấu, vào thành phần của dung dịch. Sự trương nở ảnh hưởng

đến tốc độ, mức đọ trao đổi của các ion cũng như khả năng lựa chọn của chúng. Sự

51

trương nở sẽ ngừng khi hiệu số áp suất thẩm thấu trước và sau trao đổi được cân

bằng bởi các lực đàn hồi của sự kéo và nén của ionit.

Các nhựa trao đổi ion trương mạnh được gọi là các chất tạo keo có bể mặt thể

tích riêng từ 0.1 đến 0.2 m2/g. Các ionit có mao quản macro có bề mặt thể tích riêng

từ 60 đến 80 m2/g. Các ionit tổng hợp trương trong nước lớn hơn các ionit tự nhiên

và có dung lượng thể tích lớn. Thời hạn làm việc của các cationit lớn hơn của các

anionit rất nhiều. Điều này được giải thích bởi đọ ỏn định thấp của nhóm thực hiện

chức năng của các ion cố định trong anionit.

Độ lựa chọn trao đổi phụ thuộc vào áp suất trương trong mao quản của nhựa trao

đổi và kích thước mao quản của ionti. Khi kích thước nhỏ thì các ion lớn không thể

chui vào các nhóm chức hoạt động bên trong. Để tăng độ lựa chọn của các ionit đới

với các kim loại nhất định, người ta đưa vào thành phần của chúng các chất có khả

năng tạo hợp chất phức với các ion của kim loại đó.

Theo năng lượng đẩy các ion ra khỏi các cation axit mạnh và yếu, người ta sắp

xếp thành dãy theo trình tự sau:

H+<Na+<NH4+<Mg2+<Zn2+<Co2+<Cu2+<C2+<Ni2+<Ca2+<Sr2+<Pb2+<Ba2+

Đối với cationit axit yếu K – 4 có dãy:

Mg2+<Ca2+<Ni2+<+<Co2+<Cu2+

Những chất trao đổi ion thông dụng:

2.4.4.3. Các sơ đồ hệ thống thiết bị trao đổi ion

Sự loại khoáng hoàn toàn bao gồm: một cột trao đổi cation tiếp theo là cột trao

đổi anion kiềm yếu như ở hình 26.

Sản xuất tại Nga Tương ứng với sản phẩm của các nước phương Tây

KY28 IR‒120, SK‒1A, Serolit‒225, Imak C‒12, Levatit S‒100

KY23 Levatit SP‒120, C‒300P, Amberlit 15, Varion KSM

52

Hình 26. Trao đổi anion kiềm yếu

Cũng có thể sử dụng trao đổi ion hỗn hợp cả cation và anion theo sơ đồ làm việc

gián đoạn như ở hình dưới.

Hình 27. Trao đổi hỗn hợp cation và anion

53

Quá trình làm việc gồm 4 giai đoạn: trao đổi ion, rửa ionit khỏi các tạp chất, tái

sinh ionit (dung dịch axit/kiềm) và rửa ionit khỏi dung dịch tái sinh.

Hình 28. Quá trình trao đổi ion sử dụng sơ đồ lọc nhúng.

Trong sơ đồ này huyền phù được bơm tuần hoàn cho tới khi tạo thành lớp iont

trên bộ phận lọc với chiều dày 5 đến 10mm htì chuyển sang giai đoạn rửa bằng

nước sạch và tách ra khỏi bề mặt lọc bằng không khí. Sau đó lặp lại chu kỳ.

54

Hình 29. Thiết bị trao đổi ion với lớp ionit chuyển động.

2.4.5. Các quá trình tách bằng màng

Các kỹ thuật như điện thẩm tích, thẩm thấu ngược, siêu lọc và các quá trình

tương tự khác ngày càng đóng vai trò quan trọng trong xử lý nước thải.

Màng được định nghĩa là một pha đóng vai trò ngăn cách giữa các pha khác nhau.

Đó có thể là chất rắn, hoặc một gel (chất keo) trương nở do dung môi hoặc thậm chí

cả một chất lỏng. Việc ứng dụng màng để tách các chất, phụ thuộc vào độ thấm qua

của các lớp chất đó qua màng.

Bảng 7 khái quát các quá trình tách bằng màng theo động lực, chức năng và

phạm vi ứng dụng của nó.

55

Bảng 7. Các quá trình tách bằng màng.

2.4.5.1. Thẩm thấu ngược

Thẩm thấu ngược được định nghĩa là sự di chuyển tự phát của dung môi từ một

dung dịch loãng vào một dung dịch đậm đặc qua màng bán thấm. Ở tại một áp suất

nhất định, sự cân bằng được thiết lập thì áp suất đó được gọi là áp suất thẩm thấu.

Quá trình thẩm thấu ngược có thể so sánh với quá trình lọc vì nó cũng là quá

trình chuyển chất lỏng từ một hỗn hợp qua một “vách lọc”. Tuy nhiên, một điều

quan trọng nhất ở đây là áp suất thẩm thấu là đại lượng rất nhỏ trong quá trình lọc

lại đóng một vai trò quan trọng trong thẩm thấu ngược. Điểm khác thứ hia là trong

thẩm thấu ngược không thể thu được bã lọc có độ ẩm thấp vì áp suất thẩm thấu của

dung dịch tăng cùng với sự tách của dung môi. Điểm khác thứ ba là quá trình lọc

tách một hỗn hợp dựa vào kích thước hạt, ngược lại, màng thẩm thấu ngược làm

việc dựa vào các yếu tố khác. Màng chỉ cho phân tử nước đi qua còn giữ lài các

chất hòa tan trên bề mặt. Trong thẩm thấu ngược, các hạt được tách (phân tử, các

Quá trình Động lực Khoảng kích

thước hạt, μm

Chức năng của

màng

Điện thẩm tách

(Electrodialysis)

Gradient

Điện thế<0.1

Chọn lọc đối với

các ion nhất định

Phép thẩm tách

(Dialysis)Nồng độ <0.1

Chọn lọc đối với

dung dịch

Thẩm thấu ngược

(Reverse Osmosis)Áp suất (6÷10MPa) <0.05

Di chuyển chọn

lọc của nước

Siêu lọc

(Ultrafilltration)

Áp suất

(0.1÷0.5MPa)5.103‒10

Chọn lọc đối với

kích thước và

dạng phân tử

56

ion hydrat hóa) là các hạt có kích thước nhỏ hơn kích thước của các phân tử dung

môi.

Có nhiều cơ chế giải thích quá trình thẩm thấu ngược. Một trong các cơ chế đó

giải thích như sau: màng bán thấm không cókhả năng hòa tan. Nếu như chiều dày

của lớp phân tử nước bị hấp phụ bằng hay lớn hơn một nửa đường kính mao quản

của màng thì dưới tác dụng của áp suất chỉ có nước sạch đi qua, mặc dù kích thước

của nhiều ion nhỏ hơn kích thước của phân tử nước. Lớp màng hydrat của các ion

này đã cản trở không cho chúng đi qua mao quản của màng. Kích thước lớp màng

hydrat của cá ion khác nhau sẽ khác nhau. Nếu chiều dày của lớp phân tử nước bị

hấp phụ nhỏ hơn một nửa đường kính mao quản thì các chất hòa tan sẽ chui qua

màng cùng với nước.

Quá trình phân tách bằng màng phụ thuộc vào áp suất, điều kiện thủy động, kết

cấu thiết bị, bản chất và nồng độ của nước thải, hàm lượng tạp chất trong nước thải

cũng như nhiệt độ. Sự tăng nồng độ dung dịch dẫn đến tăng áp suất thẩm thấu của

dung môi, tăng độ nhớt của dung dịch và tăng sự phân cực nồng độ, dẫn đến giảm

độ thấm qua và độ chọn lọc.

Phương pháp thẩm thấu ngược được ứng dụng khi chất điện ly có nồng độ như

sau:

‒ Đối với muối hóa trị 1, nồng độ chất điện ly trong khoảng 5÷10%.

‒ Đối với muối hóa trị 2, nồng độ chất điện ly trong khoảng 10÷15%

‒ Đối với muối hóa trị cao, nồng độ chất điện ly trong khoảng 15÷20%

‒ Đối với các chất hữu cơ, giới hạn nồng độ kể trên sẽ cao hơn một chút.

Để giảm ảnh hưởng của sự phân cực nồng độ, người ta tổ chức quá trình thẩm

thấu ngược với việc tuần hoàn dung dịch và tăng mực độ xoáy của lớp chất lỏng

gần màng bằng cách sử dụng khuấy cơ học, bộ phận tạo rung, hay tăng tốc độ dòng

chảy.

Bản chất của chất hòa tan có ảnh hưởng tới độ chọn lọc, ở khối lượng phân tử

như nhau, các chất vô cơ bị giữ lại trên màng tốt hơn các chất hữu cơ.

57

‒ Khi tăng áp suất, năng suất riêng của màng tăng lên vì động lực quá trình

tăng. Song ở áp suất cao, vật liệu màng sẽ bị nén chặt dẫn đến giảm độ thấm

qua, do đó người ta thiết lập áp suất làm việ cực đại cho từng loại màng.

‒ Khi tăng nhiệt độ, đọ nhớt và khối lượng riêng của dung dịch sẽ giảm và

làm tăng độ thấm qua, nhưng đồng thời ở đây áp suất thẩm thấu sẽ tăng dẫn

đến làm giảm độ thấm qua. Ngoài ra, khi nhiệt độ tăng, các mao quản của

màng bắt đầu bị co ngót và thắt lại dẫn đến giảm độ thấm qua, đông thời tốc

độ thủy phân cũng tăng làm giảm tuổi thọ của màng..

Theo phương thức láp đặt màng, các thiết bị màng được chia thành bốn loại:

Hình 30. Các loại thiết bị thẩm thấu ngược.

Để tiến hạnh quá trình người ta sử dụng các màng không xốp‒các màng khuếch

tán và động lực là các keo giả đồng thể và các màng xốp ở dạng màng mỏng làm từ

vật liệu polymer. Màng polymer thông dụng nhất là axetat xenlulo. Ngoài ra còn có

các màng làm từ polyetylen, polytetrafloetylen, thủy tinh xốp, axetobutirat xenlulo

v.v…

58

Hiệu suất của quá trình thẩm thấu phụ thuộc vào tính chất của màng bán thấm.

Các màng bán thấm cần có những tính chất sau: khả năng phân tách (hay độ chọn

lọc) cao, năng suất riêng (độ thấm qua) lớn, bền với môi trường, không thay đổi tính

chất trong quá trình làm việc, có độ cơ học cao, giá thành rẻ.

Ưu điểm của phương pháp thẩm thấu ngược gồm:

‒ Không có pha chuyển tiếp trong tách tạp chất cho phép tiến hành quá trình

với chi phí năng lượng thấp.

‒ Có thể tiến hành quá trình ở nhiệt độ trong phòng không có bổ sung hoặc

bổ sung ít hóa chất.

‒ Đơn giản trong kết cấu

Nhược điểm:

‒ Phát sinh hiện tượng phân cực nồng độ do sự tăng nồng độ ở bể mặt màng.

Điều này dẫn đến giảm năng suất, giảm mức độ phân tách các cấu tử và giảm

tuổi thọ của màng.

‒ Tiến hành quá trình ở áp suất cao dẫn đến cần có bộ phận làm kín đặc biệt.

Thẩm thấu ngược được ứng dụng rộng rãi để tách muối khỏi nước trong hệ thống

cấp nước cho nhà máy nhiệt điện và các ngành công nghiệp khác (như công nghiệp

bán dẫn, đèn hình, dược…). Những năm gần đây phương pháp này được sử dụng để

làm sạch một số nước thải công nghiệp.

2.4.5.2. Siêu lọc

Cả siêu lọc và thẩm thấu ngược đều phụ thuộc vào áp suất, động lực của quá

trình và đòi hỏi màng cho phép một số cấu tử thấm qua và giữ lại một số cấu tử

khác.

Sự khác biệt giữa hai quá trình là ở chỗ siêu lọc thường được sử dụng để tách

dung dịch có khối lượng phân tử trên 500 và có áp suất thẩm thấu nhỏ (ví dụ các vi

khuẩn, tinh bột, protein, đất sét…). Còn thẩm thấu ngược thường được sử dụng để

khử các vật liệu có khối lượng phân tử thấp và có áp suất thẩm thấu cao.

59

Siêu lọc thường được sử dụng để khử đất sét, vi sinh vật, các chất thực vật và để

tách nước cho bùn.

Khi sử dụng kết hợp thẩm thấu ngược và siêu lọc có thể làm đậm đặc và phân

tách các chất hào tan hữu cơ và vô cơ trong nước thải. Ví dụ sơ đồ trên hình 31, sau

quá trình siêu lọc ta nhận được phần đậm đặc chứa các chất hữu cơ, còn trong quá

trình thẩm thấu ngược sẽ nhận được phần đậm đặc của các chất vô cơ và nước sạch.

Hình 31. Sơ đồ kết hợp siêu lọc và thảm thấu ngược

2.4.5.3. Thẩm tách và điện thẩm tách

Phép thẩm tách là quá trình phân tách chất rắn bằng sử dụng sự khuếch tán

không bằng nhau qua màng.

Điện thẩm tách được thực hiện bằng cách đặt các màng có tính chọn lọc với

cation và anion luân phiên nhau dọc theo dòng điện. Khi đưa dòng điện vào, các

cation được gắn điện đi qua màng trao đổi cation về một hướng, còn các anion sẽ đi

qua màng trao đổi ion về một hướng khác như minh họa trên hình 32.

Kết quả độ muối giảm trong khoảng của một cặp màng và tăng trong khoảng bên

cạnh Nước khi đó có thể đi qua một số màng lọc cho tới khi đạt tới độ mặn cần thiết

theo yêu cầu.

60

Phương pháp thẩm tách đã được sử dụng để thu hồi axit, muối kim loại và các

hydroxyt.

Điện thẩm tách đã được nghiên cứu như một phương pháp để khử nitơ trong

nước thải nông nghiệp. Phương pháp này cũng đã được sử dụng để thu hồi các axit,

lignin từ nước thải của sản xuất giấy và crom từ nước thải của mạ điện.

Hình 32. Nguyên lý của điện thẩm tách

2.4.6. Các phương pháp điện hóa

Người ta sử dụng các quá trình oxy hóa cực anot và khử của catot, đông tụ

điện… để làm sạch nước thải khỏi các tạp chất hòa tan và phân tách.

Tất cả các quá trình này đều xảy ra trên các điện cực khi cho dòng điện một

chiều đi qua nước thải.

61

Các phương pháp điện hóa cho phép lấy ra từ nước thải các sản phẩm có giá trị

bằng các sơ đồ công nghệ tương đối đơn giản và tự động hóa. Không cần sử dụng

các tác nhân hóa học.

Nhược điểm chính của các phương pháp này là tiêu hao điện năng lớn.

Việc làm sạch nước thải bằng các phương pháp điện hóa có thể tiến hành gián

đoạn hoặc liên tục.

Hiệu suất của các phương pháp điện hóa được đánh giá bằng một loạt các yếu tố

như mật độ dòng điện, điện áp, hệ số sử dụng hữu ích điện áp, hiệu suất theo dòng,

hiệu suất theo năng lượng.

2.4.6.1. Oxy hóa của anot và khử của catot

Xét một sơ đồ bể điện phân như trên hình 33:

‒ Trên cực dương (anot): các ion cho điện tử nghĩa là phản ứng oxy hóa điện

hóa xảy ra, còn trên cực âm (catot) xảy ra quá trình nhận điện tử, nghĩa là ở

đây phản ứng khử xảy ra.

‒ Các quá trình này dã được nghiên cứu để làm sạch nước thải khỏi các tạp

chất xyanua, sunfoxyanua, các amin, alcol, các aldehit, hợp chất nitơ, thuốc

nhuộm azo, sunfit, mecaptan… Trong quá trình oxy hóa điện hóa, các chất

trong nước thải bị phân rã hoàn toàn tạo thành CO2, NH3 và nước hay tạo

thành các chất không độc và đơn giản hơn để có thể tách ra bằng các phương

pháp khác.

62

Hình 33. Sơ đồ điện phân

‒ Anot thường được làm từ các vật liệu không hòa tan khác nhau có tính chất

điện phân, như: graphit, macnetit (Fe3O4), dioxyt chì, dioxyt mangan và

dioxyt ruteni (Ru)… phủ lên nền titan.

‒ Catot được làm bằng molipden, hợp kim của vonfram với sắt hay niken, từ

than chì (graphit), thép không gỉ và các kim loại khác được phủ lớp molipden,

vonfram hay hợp chất của chúng.

‒ Quá trình được tiến hành trong bể điện phân với màng hoặc không có

màng. Ngoài các quá trình chính là oxy hóa điện hóa và khử, đồng thời trong

bể điện phân còn xảy ra các quá trình khác như tuyển nổi bằng điện, hiện

tượng điện di và đông tụ bằng điện.

‒ Nước thải của các nhà máy chế tạo máy, chế tạo các dụng cụ, luyên kim

đen và luyện kim màu, công nghiệp hóa chất… ngoài chứa các xyanua đơn

giản (KCN, NaCN) còn có các xyanua phực của kẽm, đồng, sắt và các kim

loại khác. Nồng độ của chúng thường từ 10 đến 600 mg/l, còn pH của nước

thải thường nằm trong khoảng 8 đến 12.

Oxy hóa anot của xyanua xảy ra theo phản ứng sau:

63

CNO‒ + 2H2O → NH4+ + CO32‒

Quá trình oxy hóa cũng có thể dẫn đến sự tạo thành nitơ:

2CNO‒ + 4OH‒ ‒ 6e → 2CO2 + N2 + 2H2O

‒ Để tăng độ dẫn điện của nước thải và giảm năng lượng tiêu tốn, người ta có

thể cho thêm NaCl vào nước. Khi nồng độ CN‒=1g/l người ta bổ sung 20 đến

30g/l NaCl. Trong quá trình này người ta sử dụng anot graphit và catot thép.

Điều kiện tối ưu của oxy hóa như sau mật độ dòng điện của anot khoảng

3÷4/dm2, khoảng cách giữa các cực là 3cm, tốc độ của nước là 30dm3/h,

pH=8÷9. Hiệu suất làm sạch gần đạt 100%.

‒ Quá trình phá hủy các xyanua xảy ra là do sự oxy hóa điện ở anot và oxy

hóa bằng clo được giải phóng ở anot từ quá trình phân tán NaCl. Quá trình

này được mô tả bởi các phương trình sau:

Cl‒ ‒ 2e → Cl2CN‒ + Cl2 + 2OH‒ → CNO‒ + 2Cl‒ + H2O

2CNO‒ + 3Cl2 + 4OH‒ → 2CO2 + N2 + 6Cl‒ + 2H2O

‒ Các sunfoxyanua được phân hủy theo sơ đồ sau:

CNS‒ + 10OH‒ ‒ 8e → CNO‒ + SO42‒ + 5H2O

‒ Các ion sunfit ở pH=7 bị oxy hóa tới sunfat. Khi pH nhỏ hơn lưu huỳnh có

thể được tạo thành. Oxy hóa phenol khi có clorua trong nước thải chỉ có hiệu

quả khi hàm lượng phenol trong nước không lớn và theo các phương trình

phản ứng sau:

4OH‒ ‒ 4e → 2H2O + O2

2H+ +2e → H2

2Cl‒ ‒ 2e → Cl2Cl2 + H2O → HClO + HCl

HClO + OH‒ → H2O + ClO‒

12ClO‒ + 6H2O – 12e → 4HCO3‒ + 8HCl + 3O2

C6H5OH + 14O → 6CO2 + 3H2O

Người ta ứng dụng quá trình khử của catot để loại các ion kimloại ra khỏi nước

thải với sự tạo thành cặn, nhằm chuyển các cấu tử gây ô nhiễm thành các hợp chát ít

64

độc hơn hoặc về dạng dễ tách ra khỏi nước như căn, khí. Quá trình này có thể được

sử dụng để làm sạch nước thải ra khỏi các ion kim loại nặng như Pb2+, Sn2+, Hg2+,

Cu2+, As3+ và Cr6+. Quá trình khử của catot đối với các kim loại xảy ra như sau:

Men+ + ne → Men

Ở đây các kim loại lắng lên catot và có thể thu hồi chúng.

‒ Để xử lý nước thải chứa một số kim loại nặng, người ta tiến hành quá trình

làm sạch nước thải khỏi các ion Hg2+, Pb2+, Cd2+, Cu2+ bằng quá trình khử

trên catot được làm từ hỗn hợp bột cacbon và lưu huỳnh theo tỷ lệ C:S từ

(80:20) đến (20:80), ở pH<7 và mật độ dòng điện 2,5 A/dm2. Các ion này

lắng trên cực ở dạng sunfua hoặc bisunfua và có thể tách chúng ra bằng

phương pháp cơ học.

‒ Cũng có thể sử dụng các phản ứng khử tách chất gây ô nhiễm bằng chuyển

chúng sang pha khí. Ví dụ khử NH4NO3 trên điện cực than chì, quá trình xảy

ra như sau:

NH4NO3 + 2H+ +2e → NH4NO2 + H2O

NH4NO2 → N2 + 2H2O

Chú ý: Tính độc hại của các chất hữu cơ tăng lên khi phân tử của chúng có chứa

các nguyên tử halogen, aldehit, amin, nitơ hay nhóm nitro. Như vậy sản phẩm của

quá trình khử, ví dụ các aldehit, các xeton (ROH)‒ các alcol, các hydro cacbon sẽ

trở nên ít độc hai hơn. Phản ứng xảy ra theo phương trình sau:

RCl + 2e + H+ → R‒H + Cl‒

Chúng ta xem xét quá trình hòa tan của anot, ví dụ điện cực sắt:

Trong môi trường kiềm phản ứng xảy ra theo hai giai đoạn:

65

Ở giai đoạn một gồm quá trình hấp phụ nhóm OH‒ trên điện cực sắt, mất điện tử

và tạo thành hợp chất trung gian chứa oxy của sắt hóa trị 1.

Ở giai đoạn hai phản ứng xảy ra theo hai hướng và kết thúc bằng việc tạo thành

sắt hóa trị hai hay ba.

Tốc độ chung của quá trình hòa tan của anot được hạn định bởi giai đoạn hai.

Trong môi trường axit xảy ra các phản ứng sau:

Fe + OH‒ ‒ e → Fe(OH)hấp phụFe(OH)hấp phụ + Fe → Fe(FeOH)hấp phụFe(FeOH)hấp phụ + OH‒ ‒ 2e → Fe(OH)hấp phụ + Fe(OH)+

Fe(OH)+ + H+ → Fe2+ + H2O

Phản ứng thứ 3 là giai đoạn quyết định tốc độ quá trình.

Các quá trình oxy hóa anot cũng được sử dụng để khử màu của một số thuốc

nhuộm ra khỏi nước thải, cũng như làm sạch nước thải của các nhà máy giấy, chế

biến dầu mỏ…

2.4.6.2. Đông tụ điện

Khi sử dụng các điện cực không tan có thể xảy ra quá trình đông tụ do hiện

tượng sinh điện và phóng điện của các hạt mang điện trên các điện cực, tạo thành

trong dung dịch các chất có tác dụng phá vỡ các muối của solvat (clo, oxy) trên bề

mặt hạt.

Quá trình như vậy có thể sử dụng để làm sạch nước chứa hàm lượng các hạt keo

không cao và độ bền vững thấp của các chất gây ô nhiễm.

Để làm sạch nước thải công nghiệp chứa các tạp chất gây ô nhiễm có độ bền cao,

người ta tiến hành quá trình điện phân với việc sử dụng các anot hòa tan bằng nhôm

và thép. Dưới tác dụng của dòng điện xảy ra quá trình hòa tan của các kim loại, dẫn

đến các cation sắt hoặc nhôm chuyển vào nước gặp nhóm hydroxyt tạo thành

hydroxyt của các kim loại đó ở dạng bong và quá trình đông tụ xảy ra mãnh liệt.

Dưới đây là sơ đồ hệ thống đông tụ điện:

66

Hình 34. Sơ đồ hệ thống đông tụ bằng điện

Ưu điểm của phương pháp đông tụ bằng điện là thiết bị gọn và điều kiện đơn

giản, không sử dụng tác nhân hóa học, ít nhạy cảm với sự thay đổi điều kiện tiến

hành quá trình làm sạch (to, pH), không có các chất độc, bùn căn có tính chất cơ học

và cấu trúc tốt. Nhưng phương pháp này cũng có nhược điểm là tiêu tốn kim loại và

chi phí điện nâng cao.

Phương pháp đông tụ bằng điện được ứng dụng nhiều trong công nghiệp thực

phẩm, hóa chất, giấy và bột giấy.

2.4.6.3. Tuyển nổi bằng điện

Trong quá trình làm sạch nước thải bằng phương pháp này, việc tách các hạt lơ

lửng là nhờ các bọt khí được tạo thành trong điện phân nước. ở cực anot là các bóng

khí oxy còn trên cực catot là hydro. Khi các bong khí này nổi lên gặp và kéo theo

các hạt lơ lửng cùng nổi lên bề mặt nước, khi sử dụng các điện cực hòa tan, xảy ra

đồng thời việc tạo thành cá bông đông tụ và cá bọt xảy ra mãnh liệt hơn. Sơ đồ thiết

bị tuyển nổi điện một ngăn được trình bày như sau:

67

Hình 35. Sơ đồ hệ thống thiết bị tuyển nổi điện một ngăn

Đường kính bóng khí trong tuyển nổi điện vào khoảng 20 đến 100 μm. Để nhận

được các bóng khí có đường kính đúng với yêu cầu, công nghệ cần thiết phải chọn

đúng chủng loại vật liệu, đường kính sợi catot và mật độ dòng điện. Mật độ dòng

điện tối ưu nằm trong khoảng 200 đến 260 A/m2.

2.5. Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa học

Các phương pháp hóa học dùng trong xử lý nước thải gồm có: trung hòa, oxy hóa

và khử. Tất cả các phương pháp này đều dùng tác nhân hóa học nên là phương pháp

đắt tiền. Người ta sử dụng các phương pháp hóa học để khử các chất hòa tan và

trong các hệ thống cấp nước khép kín. Đôi khi cá phương pháp này được dùng để

xử lý sơ bộ trước xử lý sinh học hay sau công đoạn này như là một phương pháp xử

lý nước thải lần cuối để thải vào nguồn nước.

68

2.5.1. Phương pháp trung hòa

Nước thải chứa các axit vô cơ hoặc kiềm cần được trung hòa đưa pH về khoảng

6.5 đến 8.5 trước khi tải vào nguồn nước hoặc sử dụng cho công nghệ xử lý tiếp

theo.

Trung hòa nước thải có thể thực hiện bằng nhiều cách khác nhau:

‒ Trộn lẫn nước thải axit với nước thải kiềm.

‒ Bổ sung cá tác nhân hóa học.

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

‒ Hấp thụ khí axit bằng nước kiềm hoặc hấp thụ ammoniac bằng nước axit…

Việc lựa chọn phương pháp trung hòa là tùy thuộc vào thể tích và nồng độ của

nước thải, chế đọ thải nước thải, khả năng sẵn có và giá thành của tác nhân hóa học.

Trong quá trình trung hòa, một lượng bùn cặn được tạo thành. Lượng bùn này

phụ thuộc vào nồng độ và thành phần của nước thải cũng như loại và lượng các tác

nhân sử dụng cho quá trình.

2.5.1.1. Trung hòa bằng trộn lẫn chất thải

Phương pháp này được sử dụng khi nước thải của xí nghiệp là axit còn xí nghiệp

gần đó có nước thải kiềm. Cả hai loại nước thải này đều không chứa các cáu tử gây

ô nhiễm khác.

Trong trường hợp này người ta trộn nước axit và nước kiềm trong thùng chứa có

cánh khuấy hoặc khấu trộn bằng không khí với vận tốc ở đường ống cấp vào bằng

20 đến 40m/s.

2.5.1.2. Trung hòa bằng bổ sung các tác nhân hóa học

Để trung hòa nước axit, có thể sử dụng các tác nhân hóa học như NaOH, KOH,

Na2CO3. Nước ammoniac NH4OH, CaCO3, MgCO3, dolomit (CaCO3.MgCO3) và xi

măng. Song tác nhân rẻ nhất là sữa vôi 5 đến 10% Ca(OH)2, tiếp đó là soda và

NaOH ở dạng phế thải. Đôi khi người ta sử dụng cá chất thải khác nhau của sản

xuất để trung hòa nước thải.

69

Việc lựa chọn các tác nhân để trung hòa phụ thuộc vào thành phần và nồng độ

axit của nước thải. Ở đây cần tính đến quá trình có tạo ra căn bã hay không.

Người ta phân nước thải axit thành các loại sau:

1. Nước chứa axit yếu (H2CO3, CH3COOH).

2. Nước chứa axit mạnh (HCl, HNO3). Trong trường hợp này, để trung hòa

chúng có thể sử dụng bất kỳ tác nhân nào kể ở trên. Muối của các axit này hòa

tan tốt trong nước.

3. Nước chứa axit sunfuric (H2SO4) và axit sunfurơ (H2SO3). Muối canxi của

các axit này ít hòa tan trong nước và tách ra thành cặn. Để trung hòa nước thải

axit người ta thường dùng đá vôi ở dạng hydroxyt canxi (sữa vôi) hoặc dạng

bột khô.

Hình 36. Sơ đồ nguyên lý trạm trung hòa nước thải bằng sơ đồ bổ sung tác nhân

70

Trong trung hòa nước thải chứa axit sunfuric bằng sữa vôi sẽ thải ra bã cặn là

thạch cao CaSO4.2H2O. Độ hòa tạn của thạch cao ít thay đổi theo nhiệt độ. Khi

khuấy trộn dung dịch sẽ xảy ra sự lắng đọng thạch cao trên thành ống dẫn và làm

kín ống dẫn. Để phá vỡ sự vít kín đó cần rửa ống dẫn bằng nước sạch hoặc cho

thêm chấ làm mềm đặc biệt, ví dụ hexametaphotphat. Tăng tốc độ dòng nước được

trung hòa sẽ giảm sự đóng cặn của thạch cao lên thành ống dẫn.

Bảng 8. Lượng tác nhân tiêu tốn theo lý thuyết để trung hòa các axit

Trong thực tế, lượng tác nhân đưa vào thực hiện quá trình thường lấy dư khoảng

10% lượng tính toán.

Trong nước thải axit và kiềm thường có chứa các ion kim loại, vì vậy liều lượng

tác nhân tham gia phản ứng trung hòa cần tính đến cả yếu tố tạo thành cặn muối các

kim loại nặng. Lượng tác nhân lý thuyết để tách các kim loại có cho trong bảng

dưới đây:

Các tác nhân

Lượng tiêu tốn riêng của kiềm để trung hòa axit,

kg/kg

H2SO4 HCl HNO3 H3PO4 CH3COOH HF

CaO 0.57 0.77 0.44 0.86 0.47 1.7

Các hydroxyt

Ca(OH)2 0.75 1.01 0.59 1.13 0.62 1.85

NaOH 0.82 1.09 0.63 1.22 0.67 2

KOH 1.14 1.53 0.89 1.71 0.94 2.8

Các cacbonat

CaCO3 1.02 1.37 0.8 1.53 0.83 2.5

MgCO3 0.86 1.15 0.67 1.2 0.7 2.1

Na2CO3 1.09 1.45 0.84 1.62 0.89 2.63

71

Bảng 9. Lượng tác nhân tiêu tốn riêng cần thiết để tách kim loại, kg/kg

Các yêu cầu công nghệ:

‒ Thời gian tiếp xúc của nước thải và các tác nhân hóa học trongg thiết bị

phản ứng không được dưới 5 phút, đối với nước thải axit chứa các muối kim

loại nặng gần không được nhỏ hơn 30phút. thời gian lưu của nước thải trong

bể lắng khoảng 2h.

‒ Vôi để trung hòa thường được sử dụng ở dạng sữa vôi 5% hoặc dạng bột.

Theo tiêu chuẩn của Liên xô cũ (TOCT 179‒77), với loại I thường chứa 67%

(CaO + MgO) hoạt hóa, loại II chứa 55%. Tốt nhất là nghiền nhỏ vôi tới

thành phần: 60 đến 70% các hạt 5 đến 10 μm, và 30 đến 40% các hạt 10 đến

100μm.

‒ Để trung hòa nước thải kiềm người ta sử dụng các axit khác nhau hoặc khí

thải mang tính axit.

2.5.1.3. Trung hòa nước thải axit bằng cách lọc qua vật liệu có tác dụng trung

hòa

Trong trường hợp này người ta thường dùng các vật liệu như manhêtit (MgCO3),

dolomit, đá vôi, đá phấn, đá hóa và các chất thải rắn như xỉ và xỉ tro làm lớp vật liệu

lọc. Các vật liệu trên được sử dụng ở dạng cục với kích thước 30 đến 80mm. Quá

trình có thể được tiến hành trong thiết bị lọc‒trung hòa đặt nằm ngang hoặc đứng.

Kim loạiTác nhân

CaO Ca(OH)2 Na2CO3 NaOH

Kẽm 0.85 1.13 1.6 1.22

Niken 0.95 1.26 1.8 1.36

Đồng 0.88 1.16 1.66 1.26

Sắt 1 1.32 1.9 1.43

Chì 0.27 0.36 0.51 0.38

72

Người ta dùng các thiết bị lọc này để trung hòa nước axit có nồng độ axit không

vượt quá 1.5mg/l và không chứa muối kim loại nặng.

Chiều cao lớp vật liệu lọc để trung hòa nước thải chứa HNO3 và HCl thường

chọn vào khoảng 1 đến 1.5m, còn trong trường hợp chứa H2SO4 chọn từ 1.5 đến 2m.

Có thể cho nước thải đi từ trên xuống hoặc từ dưới đi lên.

Khi lọc nước thải chứa HCl và HNO3 qua lớp đá vôi, thường chọn tốc độ lọc từ

0.5 đến 1m/h. Trong trường hợp lọc nước htải chứa tới 0.5% H2SO4 qua lớp dolomit,

tốc độ lọc lấy từ 0.6 đến 0.9m/h, còn tới 2% H2SO4, thì tốc độ lọc lấy bằng 0.35m/h.

Chú ý: khi chiều cao của lớp vật liệu lọc bằng 0.85 đến 1.2m thì vận tốc không

được vượt quá 5m/s, còn thời gian tiếp xúc không dưới 10phút. Đối với thiết bị lọc

ngang, vận tốc nước thải qua thiết bị lấy từ 1 đến 3m/s.

2.5.1.4. Trung hòa bằng các khí axit

Để trung hòa nước thải kiềm, trong những năm gần đây người ta đã sử dụng khí

thải chứa CO2, SO2, NO2, N2O3… Việc sử dụng khí axit không những cho phéo

trung hòa nước thải mà đồng thời tăng hiệu suất làm sạch chính khí thải khỏi các

cấu tử độc hại.

Việc sử dụng CO2 để trung hòa nước thải kiềm có nhiều ưu điểm so với việc

dùng H2SO4 hay HCl và cho phép giảm rất đáng kể chi phí cho quá trình trung hòa.

Do đồ hòa tan của CO2 kém nên mức nguy hiểm do oxy hóa quá mức các dung

dịch được trung hòa cũng giảm xuống, các cacbonat được tạo thành có nhiều ứng

dụng hơn so với sunfat và clorua. Ngoài ra tác động ăn mòn và độc hại của các ion

CO32‒ trong nước nhỏ hơn các ion SO42‒ và Cl‒.

Ví dụ, trung hòa nước thải kiềm bằng khói lò trong sản xuất xi măng amian đã

tạo nên công nghệ không nước thải như trên hình 37.

Trong sơ đồ này đã tạo ra chu trình sử dụng nước khép kín không có nước thải,

giảm lượng nước mới cần cấp cho sản xuất, tiết kiệm năng lượng để đun nóng nước,

đồng thời cũng làm sạch khói lò khỏi các cấu tử axit (CO2, SO2…) và bụi.

73

Hình 37. Sơ đồ sử dụng nước không có nước thải

của nhà máy sản xuất xi măng amian.

2.5.2. Phương pháp oxy hóa và khử

Để làm sạch nước thải người ta có thể sử dụng các chất oxy hóa như clo ở dạng

khí và hóa lỏng, dioxyt clo, clorat canxi, hypoclorit canxi và natri, pemanganat kali,

bicromat kali, peoxit hydro (H2O2), oxy của không khí, ozon, pyroluzit (MnO2)…

Trong quá trình oxy hóa, các chất độc hại trong nước thải được chuyển thành các

chất ít độc hơn và tách ra khỏi nước. Quá trình này tiêu tốn một lượng lớn các tác

nhân hóa học, do đó quá trình oxy hóa hóa học chỉ được dùng tỏng những trường

hợp khi các tạp chất gây nhiễm bẩn trong nước thải không thể tách bằng những

phương pháp khác. Ví dụ khử xyanua hay hợp chất hòa tan của asen.

74

Hoạt độ của các chất oxy hóa được xác định bởi đại lượng thế oxy hóa. Trong

các chất được biết trong tự nhiên, flour là chất oxy hóa mạnh nhất, nhưng cũng

chính vì vậy mà nó không được ứng dụng trong thực tế. Thế oxy hóa của một số

chất hóa học như sau:

2.5.2.1. Oxy hóa bằng clo

Clo và các chất có chứa clo hoạt tính là chất oxy hóa thông dụng nhất. Người ta

sử dụng chúng để tách H2S, hydrosunfit, các hợp chất chứa metylsunfit, phenol.,

xyanua ra khỏi nước thải.

Khi clo tác dụng với nước, xảy ra các phản ứng sau:

Cl2 + H2O → HOCl + HCl

HOCl ↔ H+ + OCl‒

Tổng clo, HOCl và OCl‒ được gọi là clo tự do hoạt tính.

Quá trình tách xyanua ra khỏi nước được tiến hành ở môi trường kiềm (pH=9).

Xyanua có thể bị oxy hóa tới nitơ và CO2 theo phương trình sau:

CN‒ + 2OH‒ + Cl2 → CNO‒ + 2Cl‒ + H2O

2CNO‒ + 4OH‒ + 3Cl2 → CO2 + 6Cl‒ + N2 + 2H2O

Các nguồn cung cấp clo có hoạt tính còn có thể là clorat canxi (CaOCl2),

hypoclorit, clorat, dioxyt clo, clorat canxi được phân theo phản ứng sau:

Ca(OH)2 + Cl2 → CaOCl2 + H2O

Natri hypoclorit được tạo thành khi sục khí clo qua dung dịch kiềm:

2NaOH + Cl2 → NaClO + NaCl + H2O

Còn hypoclorit canxi được điều chế bằng clo hóa hydroxyt canxi ở nhiệt độ

phòng:

2Ca(OH)2 + 2Cl2 → Ca(ClO)2 + CaCl2 + 2H2O

Chất oxy hóa O3 Cl2 H2O2 KMnO4

Thế oxy hóa 2.07 0.94 0.68 0.59

75

Trong đó natri clorat (NaClO3) là chất oxy hóa mạnh bị phân tách thành ClO2.

Dioxyt clo là khí độc có màu vàng xanh, có mùi mạnh hơn clo.

2.5.2.2. Oxy hóa bằng peoxyt hydro (H2O2)

Peroxyt hydro H2O2 là một chất lỏng không màu và có thể trộn lẫn với nước ở

bất kỳ tỉ lệ nào. H2O2 được dùng để oxy hóa cá nitrit, các aldehit, phenol, xyanua,

các chất thải chứa lưu huỳnh và chất nhuộm mạnh.

Trong công nghiệp người ta sản xuất H2O2 từ 85 đến 95% và pergidrol chứa 30%

H2O2. H2O2 có tính độc và nồng độ giới hạn cho phép trong nước là 0.1mg/l. Nó có

thể phân hủy trong môi trường axit và môi trường kiềm theo các phản ứng sau:

‒ Trong môi trường axit: 2H+ + H2O2 + 2e → 2H2O

‒ Trong môi trường kiềm: 2OH‒ + H2O2 – 2e → 2H2O + 2O2‒

Trong môi trường axit, H2O2 thể hiện rõ chức năng oxy hóa còn trong môi trường

kiềm là chức năng khử. Trong môi trường axit, H2O2 chuyển muối Fe2+ thành muối

Fe3+, HNO2 thành HNO3 và SO32‒ thành SO42‒.

Xyanua (CN‒) bị oxy hóa ở môi trường kiềm (pH=9‒12) thành xianat (CNO‒)

Trong các dung dịch loãng quá trình oxy hóa các chất hữu cơ xảy ra chậm, do đó

người ta sử dụng chất xúc tác là các ion kim loại có hóa trị thay đổi như Fe2+, Cu2+,

Mn2+, Co2+, Cr2+, Ag+.

Trong quá trình xử lý nước người ta không chỉ sử dụng tính chất oxy hóa H2O2

mà còn sử dụng cả tính chất khử của nó. Ví dụ trong quá trình loại bỏ clo trong

nước:

H2O2 + Cl2 → O2 + 2HCl

H2O2 + NaClO → NaCl + O2 + H2O

2.5.2.3. Oxy hóa bằng oxy trong không khí

Oxy trong không khí được sử dụng để tách sắt ra khỏi nước theo phản ứng sau:

4Fe2+ + O2 + 2H2O → 4Fe3+ + 4OH‒

Fe3+ + 3H2O → Fe(OH)3 + 3H+

76

Quá trình oxy hóa được tiến hành bằng sự thông gió qua nước trong cá tháp phun

mưa.

Oxy của không khí còn được sử dụng để oxy hóa sunfua trong nước thải của các

nhà máy giấy, chế biến dầu mỏ. Quá trình oxy hóa hydrosunfua thành sunfua lưu

huỳnh diễn ra qua các giai đoạn thay đổi hóa trị của lưu huỳnh từ ‒2 đến +6:

S2‒ → S → SnO62‒ → S2O32‒ → SO32‒ → SO42‒

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

tăng. Theo lý thuyến để oxy hóa 1g sunfua lưu huỳnh tiêu tốn 1g oxy.

Hình 38. Sơ đồ nguyên lý công nghệ oxy hóa sunfua

2.5.2.4. Oxy hóa bằng pyroluzit

Pyroluzit thường được dùng để oxy hóa As3+ đến As5+ theo phản ứng:

H3AsO3 + MnO2 + H2SO4 → H3AsO4 + MnSO4 + H2O

77

Khi tăng nhiệt độ sẽ làm tăng mức độ oxy hóa. Quá trình oxy hóa này thường

được tiến hành bằng cách lọc nước thải qua lớp vật liệu MnO2 hoặc trong thiết bị

khuấy trộn với vật liệu đó.

2.5.2.5. Ozon hóa

Oxy hóa bằng ozon cho phép đồng thời khử tạp chất nhiễm bẩn, khử màu, khử

các vị lạ và mùi đối với nước.

Quá trình ozon hóa có thể làm sạch nước thải khỏi phenol, sản phẩm dầu mỏ,

hydrosunfua (H2S), các hợp chất asen, chất hoạt động bề mặt, xyanua, chât

nhuộm…

Trong xử lý nước bằng ozon, các hợp chất hữu cơ bị phân hủy và xảy ra sự khử

trùng đối với nước. Các vi khuẩn bị chết nhanh hơn so với xử lý nước bằng clo vài

nghìn lần.

Độ hòa tan của ozon trong nước phụ thuộc vào pH và hàm lượng của chất hòa

tan trong nước. Một hàm lượng không lớn axit và muối trung tính sẽ làm tăng độ

hòa tan của ozon và sự có mặt của kiềm sẽ làm giảm độ hòa tan của ozon.

Tác động của ozon trong quá trình oxy hóa có thể diễn ra theo ba hướng:

1. Oxy hóa trực tiếp với sự tham gia của một nguyên tử oxy.

2. Kết hợp toàn bộ phân tử ozon với chất bị oxy hóa tạo thành ozonua.

3. Tăng cường xúc tác của tác động oxy hóa của oxy trong không khí bi ozon

hóa.

Ozon có thể oxy hóa cả các chất vô cơ và hữu cơ tan trong nước thải. Ví dụ, phản

ứng oxy hóa một loạt các chất hữu cơ và khoáng chất (Fe2+, Mn2+) tạo thành kết tủa

của các hydroxyt hay dioxyt permanganate không tan:

FeSO4 + H2SO4 + O3 → Fe2(SO4)3 + 3H2O + O2

MnSO4 + O3 + H2O → H2MnO3 + O2 + H2SO4

H2MnO3 + 3O3 → HMnO4 + 3O2 + H2O

Còn ammoniac bị oxy hóa bằng ozon trong môi trường kiềm theo phản ứng sau:

NH3 + 4O3 → 4NO3‒ + 4O2 + H2O + H+

78

Các chất có mối liên kết đôi tác dụng với ozon như sau:

Ozon có khả năng phản ứng cao khi tác dụng với các phenol trong khoảng nồng

độ rất rộng (từ 0 đến 1000mg/l).

Quá trình làm sạch nước thải bằng ozon có thể tiến hành theo một hoặc nhiều bậc

như sơ đồ sau:

Hình 39. Các sơ đồ thiết bị lọc sạch nước thải bằng ozon theo một bậc

79

Có 2 loại thiết bị phản ứng là thiết bị phản ứng loại đệm và thiết bị phản ứng sục

khí qua đĩa.

Hình 40. Thiết bị phản ứng ozon hóa

2.5.2.6. Làm sạch bằng khử

Phương pháp làm sạch nước thải bằng quá trình khử được ứng dụng trong các

trường hợp khi nước thải chứa các chất dễ bị khử. Phương pháp này được dùng

rộng rãi để tách các hợp chất thủy ngân, crom, asen… ra khỏi nước thải.

Trong xử lý nước thải chứa hợp chất thủy ngân ở dạng vô cơ, người ta khử thành

thủy ngân kim loại và tách ra khỏi nước bằng quá trình lắng, lọc hoặc tuyển nổi.

Còn các hợp chất thủy ngân hữu cơ thì trước tiên chúng bị oxy hóa để phá vỡ hợp

chất, sau đó khử cation Hg thành Hg kim loại.

Khử Cr ra khỏi nước thải bằng quá trình khử với chất khử NaHSO3 xảy ra theo

phản ứng sau:

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

Để lắng Cr3+ người ta dùng tác nhân kiềm Ca(OH)2, NaOH… và pH tối ưu cho

quá trình lắng trong khoảng 8 đến 9.5 theo phản ứng sau:

Cr3+ + 3OH‒ → Cr(OH)3

80

Một chất khử có hiệu quả nữa là FeSO4, nó có thể sử dụng trong cả môi trường

axit cũng như môi trường kiềm

2CrO3 + 6FeSO4 + 6H2SO4 → 2Fe2(SO4)3 + Cr2(SO4)3 + 6H2O

2CrO3 + 6FeSO4+ 6Ca(OH)2 + 6H2O → 2Cr(OH)3 + 6Fe(OH)3 + 6CaSO4

Lượng FeSO4 tiêu tốn phụ thuộc vào pH và nồng độ crom. Ở điều kiện thuận lợi

nhất khi nhiệt độ bằng 20oC và pH gần bằng 7, lượng FeSO4 tiêu tốn lớn hơn 1.3 lần

giá trị tính theo lý thuyết.

Hình 41. Sơ đồ quá trình khử

2.6. Xử lý bùn cặn

Trong trạm xử lý nước thải một lượng lớn bùn cặn được giữ lại tại song chắn rác,

bể lắng đợt I và bể lắng đợt II. Rác được nghiền nhỏ và xả vào máng dẫn trước song

chắn rác, sau đó cúng cặn lắng lại tại bể lắng đợt I.

Nếu trạm xử lý nước thải có thể lọc sinh học thì màng sinh vật của nó theo định

kỳ bị lão hóa và trôi theo nước tạo thành bùn màng sinh vật. Bùn hoạt tính giữ lại

trong bể đợt II, phần lớn quay lại bê aerotank và gọi là bùn hoạt tính tuần hoàn.

Phần còn lại là bùn hoạt tính dư, sau khi nén giảm độ ẩm, được đưa về ổn định

trong các công trình lên men kỵ khí, hay ổn định hiếu khí.

Cặn và bùn ở trạng thái tươi, có mùi hôi, hàm lượng chất hữu cơ gây thối rữa cao,

nhiều trứng giun sán dễ gây ô nhiễm môi trường và khó sử dụng.

81

Thành phần chính của bùn cặn tươi và các loại hydratcacbon, các lipit và protit

chiếm tới 80÷85%. Phần còn lại 15÷20% là các chất bùn lignin.

Phương pháp xử lý thường dùng là lên men yếm khí bùn cặn, bùn hoạt tính dư và

bùn màng sinh vật. Trong điều kiện yếm khí các chất hữu cơ trên bị phân hủy theo

hai giai đoạn:

‒ Giai đoạn 1 là quá trình lên men axi trong đó các loại hydrocacbon, lipit,

protit bị phân hủy tạo thành các axit béo, hydro, axit amin, sunfuahydro…

‒ Giai đoạn 2 là quá trình lên men kiềm, trong đó các sản phẩm của giai đoạn

1 tiếp tục bị phân hủy tạo thành metan (CH4) khí cacbonic (CO3). Các quá

trình này thực hiện nhờ các loại vi khuẩn metan.

Quá trình lên men ổn định bùn cặn còn phụ thuộc vào nhiệt độ, độ ẩm và các tính

chất lý hóa khác của bùn cặn. Bùn cặn sau khi lên men không có mùi hôi thối, dễ

tách nước, dễ sử dụng làm phân bón. Khí thu được trong quá trình lên men chủ yếu

là CH4 có thể dùng làm nhiên liệu.

Hiện nay người ta thường dùng các công trình như bể tự hoại, bể lắng hai vỏ, bể

metan và bể UASB ổn định yếm khí và bùn cặn. Trước khi đưa sử dụng bùn cặn

chin có độ ẩm 94÷97% cần được làm mất nước sơ bộ bằng phương pháp trọng lực

trên các sân phơi bùn hoặc phương pháp cơ học, khác trong các thiết bị ép lọc, chân

không, quay ly tâm…

Hình 42. Bể tự hoại 3 ngăn

82

Ngoài phương pháp trên còn có thể dùng phương pháp phân hủy hiếu khí trong

các công trình aerotank với thời gian thổi khí lâu thường được gọi là aerotank thổi

khí kéo dài.

2.7. Xả nước thải ra nguồn

Nước thải từ các công trình xử lý theo máng hướng dẫn đến giếng kiểm tra ngay

đầu bờ và sau đó theo đường ống xả trực tiếp vào nguồn qua họng xả. Điều kiện xáo

trộn nước thải với nguồn càng tốt, khả năng tự làm sạch của sông hồ càng cao, khả

năng tiếp nhận nước thải trong đó càng lớn.

Để tăng cường quá trình tự làm sạch và làm giàu oxy hóa cho nguồn nước, có thể

bổ sung oxy có nước thải vào sông hồ bằng cách xả nước theo đập tràn từ trên bờ

xuống song, hồ hoặc dùng hệ thống ejector, thiết bị khuấy trộn cơ khí, máy nén

khí… sục khí cho nước thải.

Các cống xả nước thải được chia thành các loại theo đặc điểm nguồn gốc tiếp

nhận nước thải (sông, hồ, biển…) theo vị trí xả nước thải (ven bở, giữa lòng sông,

xả ngập sâu trong sông hồ…), hoặc theo cấu tạo miệng xả (xả tập trung, xả phân

tán…).

Các cống xả nước thải tập trung ven bờ thường được thiết kế dưới dạng máng hở

hoặc đường ống dẫn có cấu tạo đơn giản, song khả năng xáo trộn nước thải với

nước nguồn trong trường hợp này rất thấp. Vì thế nó thường được dùng để xả nước

mưa hoặc nước thải ít bẩn. Các miệng xả phân tán đặt giữa longing tạo điều kiện

xáo trộn tốt nước thải với nước nguồn. Tuy nhiên việc xây dựng các loại miệng xả

này rất phức tạp. Khi xả nước thải vào biển, hồ hoặc hồ chứa nước, người ta thường

đặt các miệng xả ngập sâu trong nước. Tóm lại trong mọi trường hợp đều phải tính

đến các yêu cầu về giao thông đường thủy, sự dao động của mạch nước nguồn, ảnh

hưởng của sóng, địa chất ở đáy hồ mà lựa chọn phương án xả nước thải cho phù

hợp. Tốc độ dòng chảy trong ống dẫn của cửa xả cố gắng sao cho càng lớn càng tốt

để tránh đọng cặn. Các lỗ của họng xả cần đặt cách đáy một độ cao nhất định để

tránh sự xói lở đáy hồ hoặc trành bịt kín các lỗ đó.

83

CHƯƠNG 3: XỬ LÝ CHẤT THẢI KHÍ VÀ CHẤT THẢI RẮN

3.1. Xử lý chất thải khí

3.1.1. Xử lý cơ học

Xử lý cơ học chủ yếu là làm sạch không khí khỏi bụi.

Bụi là các vật thể rắn với kích thước nhỏ, nhờ gió chúng bay lơ lửng trong không

khí. Chúng có thể là bụi đất, cát, bụi than (ở các mỏ khai thác than), bụi xi măng (ở

các nhà máy sản xuất xi măng)… việc lọc các loại bụi này khỏi không khí thường

được thực hiện nhờ các thiết bị lọc bụi.

Việc lựa chọn các thiết bị lọc bụi dựa trên cơ sở các tính chất lý hóa của bụi và

của dòng khí.

Các tính chất lý hóa của bụi bao gồm: mật độ thực và mật độ chất dòng, tính

phân tán, tính dính bám và mài mòn, tính hút ẩm, tính hòa tan…

Các tính chất của dòng khí bao gồm: lưu lượng thể tích và lưu lượng khối lượng,

độ bụi, nhiệt độ, áp suất và độ ẩm.

Các thiết bị lọc bụi, dựa vào nguyên lý làm việc có thể chia ra 4 loại:

1. Thiết bị lọc bụi khô.

2. Thiết bị lọc bụi ướt.

3. Thiết bị lọc bụ ống vải (lưới lọc).

4. Thiết bị lọc bụi tĩnh điện.

3.1.2. Xử lý bằng phương pháp hóa lý

Đặc điểm của các khí thải là nồng độ các chất độc hại rất cao. Việc xác định

nồng độ tối đa cho phép của các chất độc hại trong không khí khá khó khăn. Bởi vì

bị nhiễm độc hay không, ngoài vấn đề tiếp xúc với chất độc, còn tùy thuộc và sức

khỏe của từng người, cường độ và thời gian tiếp xúc. Những dấu hiệu của sự nhiễm

đọc không phải lúc nào cũng thấy dễ, mà còn đòi hỏi sự đánh giá thật tinh tế, nhất là

84

đánh giá tác hại lâu dài của chất độc hại càng khó vì chúng có thể di truyền hoặc

gây ung thư, ảnh hưởng đến việc duy trì nòi giống và bản thân sự sống. Nhưng sự

có mặt của chất độc hại trong không khí dù ở nồng độ nào cũng đều không có lợi

cho sức khỏe con người cũng như hệ sinh thái nói chung. Hiện nay đã ứng dụng

nhiều phương pháp làm sạch khí thải khỏi chất độc hại như:

1. Làm sạch khí bằng phương pháp hấp thụ.

2. Làm sạch khí bằng phương pháp hấp phụ.

3. Làm sạch khí bằng phương pháp trao đổi ion.

4. Làm sạch khí bằng phương pháp nhiệt.

3.1.2.1. Làm sạch khí bằng phương pháp hấp thụ

Chất hấp thụ: là những chất không tác dụng với không khí mà chỉ hấp thụ các khí

độc hại. Quá trình hấp thụ xảy ra trên bề mặt chất hấp thụ.

Bảng 10. Các chất hấp thụ dùng để làm sạch khí thải

Các chất

cần lọc sạchChất hấp thụ

Các oxit của Nitơ

như: N2O5, NO2,

N2O4

Nước, dung dịch và dạng huyền phù: NaOH, Na2CO3, NaHCO3,

KOH, K2CO3, Ca(OH)2, CaCO3, Mg(OH)2, MgCO3, Ba(OH)2,

BaCO3, NH4HCO3

Oxit Nitơ NODung dịch của FeCl2, FeSO4, Na2S2O3, NaHCO3, Na2SO3,

NaHSO3

Dioxyt lưu huỳnh

SO2

Nước, dung dịch nước: Na2SO2 (15÷25%), NH4OH (5÷15%),

Ca(OH)2, Na2CO3 (15÷20%), NaOH ((5÷15%), KOH,

(NH4)2SO3 (20÷25%), ZnSO4, K2SO3 thể huyền phù CaO,

MgO, CaCO3, ZnO…

H2SDung dịch Na2CO3 + Na3AsO4 (Na2HAsO3), dung dịch As2O3

(8÷10g/l)…

85

Các chất hấp thụ có loại chỉ dùng được một lần, có loại dùng được nhiều lần (có

khả năng hoàn nguyên).

Các chất hấp thụ cần thỏa mãn các yêu cầu sau:

‒ Có khả năng hấp thụ lớn.

‒ Có khả năng hấp thụ được nhiều loại khí độc hại.

‒ Áp suất hơi bão hòa và độ nhớt không lớn.

‒ Có tính ổn định nhiệt, hóa học tốt.

‒ Không làm ăn mòn nhiều thiết bị.

‒ Có khả năng hoàn nguyên tốt (đối với loại có khả năng hoàn nguyên).

‒ Có giá thành rẻ và dễ kiếm trong công nghiệp.

Có nhiều loại thiết bị làm sạch khí bằng phương pháp hấp thụ. Trong đó máy hấp

thụ loại ống phun được sử dụng khá rộng rãi. Nguyên lý làm việc như sau: khí bẩn

được đưa vào thiết bị từ trên xuống, chất hấp thụ được đưa vào thiết bị với các

phương pháp khác nhau. Khí bẩn và chất hấp thụ tiếp xúc với nhau nhờ đó các chất

hấp thụ sẽ hấp thụ các khí độc hại của không khí, khí sạch được đưa ra ngoài (ở

phía dưới), chất hấp thụ (có lẫn khí độc hại) cũng được đưa ra ngoài (ở phía dưới

của thiết bị).

Các chất

cần lọc sạchChất hấp thụ

CO Nitơ lỏng, dung dịch đồng… ammoniac

CO2 Dung dịch Na2CO3, K2CO3, NaOH, KOH, Ca(OH)2, NH4OH…

Cl2Dung dịch NaOH, KOH, Ca(OH)2, Na2CO3, K2CO3, MgCO3,

CaCO3, Na2S2O3…

HCl Nước, dung dịch NaOH, KOH, Ca(OH)2, Na2CO3, K2CO3…

Các hợp chất của

Flo, HF, SF4Nước, dung dịch Na2CO3, NaOH, Ca(OH)2.

86

3.1.2.2. Làm sạch bằng phương pháp hấp phụ

Hiện nay thường sử dụng những chất hấp phụ sau để làm sạch khí thải: than hoạt

tính, Silicagen, Alimogen và zeolite.

‒ Than hoạt tính là chất hấp phụ rẻ, dễ kiếm. Trong những năm gần đây

ngoài than hoạt tính còn sử dụng sợi cacbon hoạt tnhs làm chất hấp phụ. So

với than hoạt tính, sợi cacbon hoạt tính có các ưu điểm sau: có tínhhấp phụ,

tính lọc, vận tốc hấp phụ và nhả cao, có độ bền nhiệt, hòa học và phóng xạ

cao.

‒ Silicagen dùng để làm khô khí và hấp phụ hơi của một số chất hữu cơ.

Trong công nghiệp sử dụng ở dạng hạt.

‒ Aliumogen (oxit hoạt tính nhôm) dùng để làm khô khí và hấp phụ các chất

hữu cơ phân cực. Trong công nghiệp sử dụng aliumogen dạng hạt hình trụ.

Ngoài ra còn sử dụng aliumogen dạng hình cầu.

‒ Zeolite là chất hấp phụ chứa oxit các kim loại kiềm và kiềm thổ. Chúng có

hai loại zeolite tự nhiên và zeolite nhân tạo trong đó zeolite tổng hợp được sử

dụng nhiều hơn.

Hiện nay thường dùng các zeolite tổng hợp với các mác sau: KA, NaA, CaA,

CaX và NaX. Chúng thường ở dạng hình cầu và dạng hình trụ.

Zeolit KA chỉ dùng để làm khô không khí.

Zeolit NaA chỉ hấp phụ khí có kích thước phân tử nhỏ giới hạn ví dụ: H2S, CS2,

ammoniac, etan, propan, metan, oxyt cacbon…).

Zeolit CaA hấp phụ hydrocacbon và cồn ở trạng thái bình thường.

Zeolit CaX và NaX có khả năng hấp thụ rộng hơn, ngoài các phân tử mà NaA và

CaA hấp phụ được nó còn hấp phụ cả hydrocacbon ở công nghiệp dầu khí và nước

hoa…

Các chất hấp phụ cần phải thỏa mãn được các yêu cầu sau:

87

‒ Có tính hấp phụ cao.

‒ Hấp phụ được cả các chất độc hại có nồng độ thấp trong không khí.

‒ Không tác dụng hóa học với các thành phần khí riêng biệt có trong khí thải.

‒ Có tính chọn lọc cao.

‒ Có độ bền cơ học cao.

‒ Có khả năng hoàn nguyên tốt và giá thành rẻ.

Có rất nhiều loại thiết bị làm sạch khí bằng phương pháp hấp phụ. Dựa vào sự

chuyển động của chất hấp phụ trong thiết bị chúng có thể chia ra: Thiết bị hấp phụ

với chất hấp phụ không chuyển động, thiết bị hấp phụ với chất hấp phụ chuyển

động và thiết bị hấp phụ tổng hợp.

‒ Thiết bị hấp phụ với chấp hấp phụ không chuyển động: Chất hấp phụ được

đưa trước vào thiết bị ở nhiều ngăn với độ dày lớp chất hấp phụ nhất định.

Khí bẩn được đưa vào htiết bị, chúng sẽ chui qua các lớp chất hấp phụ, ở đó

các khí độc hại sẽ bị chất hấp phụ giữ lại, khí sạch nhờ các ống dẫn được đưa

ra ngoài. Để tăng tính hấp phụ, thiết bị được cung cấp nhiệt (có thể bằng hơi

nước), hơi nước được ngưng tụ ở thiết bị ngưng.

88

Hình 43. Thiết bị hấp phụ với chất hấp phụ không chuyển động.

‒ Thiết bị hấp phụ với chất hấp phụ chuyển động: Chất hấp phụ được cung

cấp liên tục từ trên xuống và được làm sạch nhờ bộ phận làm sạch 3 (làm

sạch bằng nước), nhờ thiết bị phân phối 2 được phân phối đều trong khu vực

hấp phụ 1. Khí bẩn được đưa vào khu vực hấp phụ 1, ở đây diễn ra quá trình

làm sạch khí, khí sạch được đưa ra ngoài. Chất hấp phụ bẩn (chất hấp phụ và

khí độc hại) tiếp tục rơi xuống dưới, một phần khí độc được nhả ra và thoát

ra ngoài, nhờ van 5 chất hấp phụ (đã được làm sạch một phần) được xả ra

ngoài.

89

Hình 44. Thiết bị hấp phụ với chất hấp phụ chuyển động

‒ Thiết bị hấp phụ tổng hợp: Chất hấp phụ cũng được cung cấp liên tục vào

thiết bị, nhưng nhờ tấm chắn và ống tràn, chúng vẫn chuyển động nhưng là

cả khối (giống như lớp chất hấp phụ trong thiết bị hấp phụ với lớp chất hấp

phụ không chuyển động). Vì vầy hiệu suất ở loại thiết bị này cao hơn.

3.1.2.3. Làm sạch khí bằng phương pháp trao đổi ion và phương pháp nhiệt

Phương pháp ion: làm sạch khí bằng phương pháp trao đổi ion dựa trên cơ sở sự

xúc tác nhiều pha và biến tạp chất (khí độc hại) thành hợp chất không độc và dễ

tách khỏi khí. Quá trình xúc tác nhiều pha xả ra trên bề mặt tạp chất và chất xúc tác.

Chất xúc tác phải đảm bảo các tính chất sau: có hoạt tính cao, cấu trục rổ, bền với

các chất độc hại, bền cơ học, giá thành rẻ…

Phương pháp nhiệt: để làm sạch khí thải khỏi các khí độc hại, hiện nay thường

dùng phương pháp đốt cháy trực tiếp. Nhiệt độ đốt cháy trực tiếp trong khoảng từ

700÷800oC. Để hiệu quả đốt cháy tốt, lượng oxy cần nhiều hơn 10÷15% so với

lượng oxy tính toán. Hiện nay có rất nhiều loại mỏ đốt. Hình 45 là sơ đồ cấu tạo của

mỏ đốt có sự trộn trước khí thải và không khí.

Nguyên lý làm việc: khí bẩn và không khí qua thiết bị trộn được đưa vào mỏ đốt.

Ở mỏ đốt các khí độc hại bị cháy thành các sản phẩm không độc hại hoặc độc hại ít

hơn. Khí sạch (cùng sản phẩm cháy không độc hại hoặc độc hại ít hơn) được xả ra

ngoài hay đưa vào các thiết bị xử lý tiếp theo.

90

Hình 45. Mỏ đốt có sự trộn trước khí thải và không khí.

3.2. Xử lý chất thải rắn

3.2.1. Các phương pháp chung:

Việc tận dụng chất thải rắn trong nhiều trường hợp dẫn đến sự cần thiết phải

phân chia chúng thành các cấu tử, cùng với việc tách vật liệu bằng các phương pháp

khác nhau hoặc cho chúng một dạng xác định nào đó, bảo đảm khả năng tự tận

dụng phế thải như tài nguyên thứ cấp. Tập hợp tất cả các phương pháp chuẩn bị và

chế biến phế thải phổ biến nhất được trình bày trên hình 46.

Mục đích của các phương pháp xử lý chất thải rắn nói chung là nhằm vào:

‒ Nâng cao hiệu quả của việc quản lý chất thải rắn

‒ Thu hồi vật liệu để tái sử dụng, tái chế

‒ Thu hối năng lượng từ rac cũng như các sản pham chuyển đổi

Hình 46. Các phương pháp chuẩn bị và chế biến chất thải rắn

91

3.2.2. Phương pháp cơ học

Cường độ và hiệu quả của đa số các quá trình khuếch tán hóa học và sinh hóa

tăng theo độ giảm kích thước hạt vật liệu. Do vậy, chất thải rắn thường phải qua

công đoạn giảm kích thước hạt, tiếp theo là phân loại và chọn lọc.

Chất thải rắn được làm giảm kích thước có thể sử dụng trực tiếp làm lớp che phủ

trên mặt đất hay làm phân compost hoặc một phần được sử dụng cho các hoạt động

tái sinh chất thải rắn. Thiết bị thích hợp sử dụng trong việc giảm kích thước chất

thải rắn tùy thuộc vào loại, hình dạng, đặc tính của chất thải rắn và tiêu chuẩn lựa

chọn thiết kế những thiết bị cho phù hợp.

Các thiết bị thường sử dụng là:

1. Búa đập, rất có hiệu quả khi đối với các vật liệu có đặc tính giòn ‒ dễ gãy.

2. Kéo cắt bằng thuỷ lực, dùng để làm giảm kích thước của các vật liệu mềm

hơn so với dùng búa đập.

3. Máy nghiền.

Có ưu điểm là di chuyển dễ dàng được, có thể sử dụng để làm giảm kích thước

cho nhiều loại chất thải rắn khác nhau như là các nhánh cây, gốc cây, hay là và các

loại chất thải rắn rác từ quá trình xây dựng.

3.2.2.1. Đập

Phương pháp đập được sử dụng để thu sản phẩm có độ lớn chủ yếu là 5mm. Đập

được áp dụng rộng rãi trong chế biến chất thải của bóc đá phủ trong xử lí trần quặng

mỏ, xỉ của nhà máy luyện kim, các đồ dùng kĩ thuật bằng nhựa đã qua quá trình sử

dụng, phế thải muối mỏ và thạch cao photpho, phế liệu gỗ, một số nhựa, vật liệu

xây dựng và nhiều loại vật liệu khác.

Công nghệ đập có thể được tổ chức với việc áp dụng hoặc chu kỳ hở khi vật liệu

chỉ cần đập 1 lần, hoặc chu kì kín với sàng, sản phẩm trên lưới sẽ quay trở lại máy

đập. Một số sơ đồ đập đơn giản được trình bày trên hình 47.

92

Hình 47. Một số sơ đồ đập đơn giản

3.2.2.2. Nghiền

Phương pháp nghiền được sử dụng khi cần thu sản phẩm thải có độ lớn nhỏ hơn

5 mm, được sử dụng phổ biến trong công nghệ tái sử dụng chất thải của khai thác

quặng mỏ, phế liệu xây dựng, xỉ của luyện kim và nhiên liệu, phế thải của tuyển

than, phế thải nhựa, quặng pirit thiêu kết và hàng loạt tài nguyên thứ cấp khác.

Các máy nghiền phổ biến hơn cả là máy nghiền thanh, nghiền bi và nghiền dao.

Việc nghiền một số phế liệu nhựa và cao su được tiến hành ở nhiệt độ thấp.

3.2.2.3. Phân loại và chọn lọc

Các quá trình này được ứng dụng để phân chia phế thải thành phân đoạn theo độ

lớn. Chúng bao gồm phương pháp sàng hạt vật liệu và phân chia chúng dưới tác

dụng của lực quán tính ‒ trọng lực và li tâm ‒ trọng lực.

Sàng là quá trình phân loại theo độ lớn các hạt có kích thước khác nhau bằng

cách dịch chuyển chúng trên bề mặt có lỗ.

Để phân riêng vật liệu rắn dạng bùn, người ta sử dụng xiclon nước, máy li tâm

lắng…

93

3.2.2. Phương pháp nhiệt

Xử lý chất thải bằng phương pháp nhiệt là một phương pháp hiệu quả và hiện

nay được sử dụng khá phổ biến.

Phương pháp xử lý chất thải bằng nhiệt có những ưu điểm:

1. Giảm thể tích chất thải (giảm 80 ‒ 90% khối lượng thành phần hữu cơ trong

chất thải trong thời gian nhanh nhất, chất thải được xử lý khá triệt để).

2. Thu hồi năng lượng.

3. Là thành phần quan trọng trong chương trình quản lý tổng hợp chất thải.

4. Có thể xử lý chất thải tại chỗ mà không cần phải vận chuyển đi xa, tránh

được các rủi ro và chi phí vận chuyển.

Song, phương pháp đốt cũng có những hạn chế như: đòi hỏi chi phí đầu tư xây

dựng lò đốt, chi phí vận hành và xử lý khí thải lớn. Việc thiết kế, vận hành lò đốt

phức tạp, người vận hành lò đốt đòi hỏi phải có trình độ chuyên môn cao. Đặc biệt,

quá trình đốt chất thải có thể gây ô nhiễm môi trường nếu các biện pháp kiểm soát

quá trình đốt, xử lý khí thải không đảm bảo.

3.2.2.1. Nhiệt phân

Nhiệt phân là quá trình phân hủy hay biến đổi hóa học chất thải rắn bằng cách

nung trong điều kiện không có oxy, và tạo ra sản phẩm cuối cùng của quá trình biến

đổi chất thải rắn là các chất ở dạng rắn, lỏng, và khí. Nguyên lý của vận hành quá

trình nhiệt phân gồm 2 giai đoạn: Giai đoạn 1 là quá trình khí hóa, chất thải được

gia nhiệt để tách các thành phần dễ bay hơi như khí cháy, hơi nước... ra khỏi thành

phần cháy không hóa hơi và tro. Giai đoạn 2 là quá trình đốt các thành phần bay hơi

ở điều kiện phù hợp để tiêu hủy hết các cấu tử nguy hại.

Nhiệt phân bằng hồ quang – plasma: thực hiện quá trình đốt ở nhiệt độ cao (có

thể đến 10.000oC) để tiêu hủy chất thải có tính độc cực mạnh. Sản phẩm là khí H2

và CO, khí axit và tro.

94

3.2.2.2. Phương pháp thiêu kết

Đây là quá trình kết khối chất thải bằng nhiệt độ cao bao gồm 2 quá trình tạo hạt

và tạo khối thành các nguyên vật liệu. Phương pháp này được ứng dụng để chế biến

bụi, rỉ sắt, xỉ và dặm nguyên liệu quặng trong luyện kim, quặng thiêu kết pirit và

các phế liệu phân tán chứa sắt.

Quá trình tạo hạt được tiến hành bằng cách đốt vật liệu trực tiếp với nhiên liệu

rắn trong lò ở nhiệt độ khoảng 1.100 ‒ 1.6000C. Sau đó sản phẩm thiêu kết được

đập đến 100 ‒ 150mm rồi được sàng và làm nguội. Phân đoạn dưới 8mm sẽ được

quay trở lại lò, thường chiếm 30 ‒ 35%.

Tạo khối là các quá trình tạo hạt, đóng viên, đóng khối và tạo khối ở nhiệt độ cao.

Chúng được sử dụng để chế biến chất thải thành vật liệu xây dựng các phế thải của

khai thác quặng mỏ, phần sót của tuyển than và tro của trạm nhiệt điện, trong quá

trình tận dụng thạch cao photpho trong nông nghiệp và công nghiệp xi măng, trong

chuẩn bị làm nóng chảy phế thải có độ phân tán cao của kim loại màu và đen, trong

quá trình tái sử dụng nhựa, mồ hóng, bụi và dăm bào…

Tạo hạt và đóng viên có thể được thực hiện bằng cách cán vật liệu bột, ép, cho

các hạt tiếp xúc với nhau trong dòng xoáy rối, trong lớp tầng sôi, trong lớp tầng

rung hoặc dưới tác dụng của tác động cơ học khác.

Sự đóng khối vật liệu phân tán được tiến hành với áp suất nén ép lớn hơn 80MPa

không có chất liên kết, còn có chất liên kết thì áp suất nén khoảng 15 ‒ 25MPa.

3.2.3. Phương pháp tuyển chất thải

Trong thực tế tái sinh chất thải rắn công nghiệp (đặc biệt là của công nghiệp

khoáng sản, chứa kim loại màu và đen, các phần chi tiết phế thải, các thiết bị điện

đài, các đồ dùng khác trên cơ sở kim loại và hợp kim, vài loại tro nhiên liệu, hỗn

hợp chất dẻo, xỉ luyện kim màu và hàng loạt các tài nguyên thứ cấp khác), người ta

sử dụng các phương pháp tuyển vật liệu khác nhau như: tuyển trọng lực, tuyển từ,

tuyển điện, tuyển nổi và các phương pháp tuyển đặc biệt khác.

95

Tuyển sàng (đãi) là quá trình phân chia hạt khoáng sản theo khối lượng riêng

dưới tác dụng tia nước thay đổi theo hướng thẳng đứng, đi qua máy đãi có lưới. Đãi

thường áp dụng cho vật liệu đã khử xỉ sơ bộ có độ lớn tối ưu 0,5‒100 mm đối với

vật liệu không quặng và 0,2 ‒ 40m đối với vật liệu quặng mỏ. Các phương pháp

tuyển thông dụng là tuyển trọng lực, tuyển nổi, tuyển từ, tuyển điện, tuyển trong

huyền phù và chất lỏng nặng.

Phương pháp tuyển bằng trọng lực dựa trên sự khác nhau của vận tốc rơi trong

môi trường lỏng (hay khí) của các hạt có kích thước và khối lượng riêng khác nhau.

Đó là các quá trình tuyển sàng (đãi), tuyển trong huyền phù nặng, trong dòng dịch

chuyển theo bề mặt nghiêng và rửa.

Khi đãi vật liệu lớn, lớp nằm trên lưới có chiều dày 5 ‒ 10 lần đường kính hạt lớn

nhất của nhập liệu, được gọi là lớp lót. Khi đãi vật liệu nhuyễn (đến 3 ‒ 5mm) trên

lưới, người ta xếp lớp lót nhân tạo từ các hạt vật liệu lớn, nặng có kích thước 3 ‒ 4

lần lớn hơn kích thước hạt lớn nhất của nhập liệu. Trong quá trình đãi, vật liệu được

phân lớp: trong lớp dưới tập trung các hạt nặng, trong lớp trên cùng ‒ hạt nhẹ,

nhuyễn. Các lớp này được lấy ra riêng biệt.

Để phá vỡ và loại lớp đất sét, cát và các chất khoáng khác cũng như các tạp chất

hữu cơ trong phế thải thường sử dụng quá trình rửa. Tác nhân rửa thường là nước

(có thể thêm chất hoạt động bề mặt), hoặc hơi nước quá nhiệt và các dung môi khác

nhau.

Phương pháp tuyển nổi trong thực tế được áp dụng để chế biến các dạng phế liệu

riêng biệt (như xỉ luyện kim, các thành phần bả quặng và không quặng…). Độ lớn

của vật liệu được tuyển không lớn hơn 0,5 mm.

Tuyển từ được áp dụng để tách các cấu tử có từ tính yếu và mạnh ra khỏi thành

phần không nhiễm từ. Các chất có khả năng nhiễm từ mạnh là FeO.Fe2O3, Fe2O3,

Fex‒1Sx… Các oxit, hydroxit và cacbonat sắt, mangan, crom và kim loại quí là vật

liệu nhiễm từ yếu. Còn các khoáng chất như thạch anh fenspat, canxit CaCO3 không

96

bị nhiễm từ. Vật liệu nhiễm từ yếu được tuyển trong từ trường mạnh cường độ đến

800‒1600 kA/m, còn vật liệu nhiễm từ mạnh ‒ trong từ trường yếu 70‒160 kA/m.

Để phân riêng bằng từ trường, vật liệu phải qua xử lí sơ bộ bằng đập, nghiền,

sang khử cặn, nung ủ từ…) thường tuyển từ khô các vật liệu có độ lớn 3 ‒ 50 mm,

và tuyển từ ướt cho hạt nhỏ hơn 3 mm.

Phương pháp tuyển điện dựa trên sự khác nhau của tính dẫn điện của vật liệu

được phân riêng. Theo tính dẫn điện vật liệu được chia thành dẫn điện, bán dẫn,

điện môi. Khi tiếp xúc với bề mặt của điện cực kim loại tích điện thì nó sẽ truyền

điện tích cho vật liệu. Các hạt dẫn điện được tích điện nhiều nhất sẽ đẩy xa khỏi

điện cực, còn các hạt điện môi giữ nguyên quĩ đạo của mình.

Tuyển trong huyền phù và chất lỏng nặng là quá trình phân chia vật liệu theo

khối lượng riêng trong trường lực hấp dẫn hay li tâm trong huyền phù hoặc chất

lỏng có khối lượng riêng ở giữa các khối lượng riêng của các hạt cần phân chia.

Huyền phù nặng là các hạt khoáng sản nặng hoặc hợp kim từ có độ phân tán cao lơ

lửng trong nước ‒ gọi chung là chất làm nặng, thường là hợp kim sắt ‒ silic, pirit,

FeS2, pirotin Fex‒1Sx, Fe3O4, quặng sắt đỏ Fe2O3 và các vật liệu khác có độ lớn đến

0,16 mm. Các chất lỏng nặng được dùng là dung dịch CaCl2, ZnCl2, PbCl2…

Để giữ tính ổn định của huyền phù người ta cho thêm đất sét (đến 3% khối lượng

chất làm nặng, hoặc áp dụng hỗn hợp bột các chất làm năng có khối lượng riêng

khác nhau.

Các thiết bị tuyển trong chất lỏng nặng phổ biến nhất là các thiết bị phân riêng

dạng trống, chóp, bậc thang và xiclon nước.

3.2.5. Phương pháp hóa lý

Nhiều quá trình tận dụng chất thải rắn trong công nghiệp dựa trên việc áp dụng

các phương pháp trích li, hòa tan và kết tinh vật liệu.

97

3.2.5.1. Trích li

Phương pháp này được áp dụng rộng rãi trong chế biến bã thải của công nghiệp

khai thác mỏ, một số xỉ của luyện kim và nhiên liệu, quặng pirit thiêu kết, các

nguyên liệu thứ cấp của ngành gỗ và các ngành khác. Phương pháp dựa trên việc lôi

kéo một hoặc vài cấu tử từ khối vật liệu rắn bằng cách hòa tan chọn lọc chúng trong

chất lỏng.

Phụ thuộc vào tính chất của quá trình hóa lí diễn ra khi trích li, người ta chia ra

làm hòa tan đơn giản (cấu tử chính được lôi cuốn vào dung dịch trong thành phần

đã có trong vật liệu ban đầu) và trích li với phản ứng hóa học (cấu tử mục tiêu ở

trong vật liệu ban đầu khó hòa tan sẽ chuyển thành dạng dễ tan).

Lượng tác chất tiêu hao tối thiểu, cần thiết để lôi cuốn hoàn toàn cấu tử mục tiêu

vào dung dịch, và khả năng thực hiện quá trình được xác định bởi hằng số cân bằng

của phản ứng Kc.

Giá trị hằng số cân bằng được tìm trong tài liệu tra cứu, hoặc được tính theo các

đại lượng của hàm nhiệt động học của các chất tham gia phản ứng, hoặc theo các

giá trị thế điện hóa. Khi xảy ra phản ứng oxi hóa khử, cũng như được xác định bằng

thực nghiệm.

Vận tốc trích li thường thay đổi theo diễn biến quá trình và phụ thuộc nồng độ

tác chất, nhiệt độ, cường độ khuấy trộn, diện tích bề mặt pha rắn và các yếu tố khác.

Dung môi trích li cần phải thỏa mãn các yêu cầu như tính chọn lọc, hằng số phân

phối và khuếch tán, khối lượng riêng, tính bắt cháy, hoạt tính ăn mòn, tính độc

hại…

Các thông số ảnh hưởng đến quá trình trích thường là nồng độ dung môi, kích

thước, độ xốp của hạt vật liệu, cường độ thủy động, nhiệt độ và tác động của các

trường lực khác nhau (điện một chiều, điện từ, tần số cao, li tâm…) cũng như trong

một số trường hợp có sự hiện diện của các vi sinh vật khác nhau (trích bằng vi

khuẩn).

98

Quá trình trích có thể gián đoạn và liên tục. Quá trình gián đoạn được tiến hành

bằng cách ngâm hoặc thấm rửa. Trích li liên tục tiến bộ hơn được tiến hành bằng

cách cho tiếp xúc nhiều bậc bằng các phương pháp cùng chiều, ngược chiều và tổ

hợp của chúng. Thiết bị trích li rất đa dạng. Chúng được phân loại theo phương thức

hoạt động (liên tục và gián đoạn), theo hướng chuyển động của dung môi và pha rắn

(cùng chiều, ngược chiều, khuấy trộn hoàn toàn, quá trình trong lớp vật liệu và tổ

hợp của chúng), theo tính chất tuần hoàn của dung môi (tuần hoàn, không tuần hoàn,

tưới) và theo các nguyên tắc khác.

3.2.5.2. Hòa tan

Phương pháp này là thực hiện quá trình tương tác dị thể giữa chất lỏng và chất

rắn kèm theo sự dịch chuyển chất rắn vào dung dịch, được ứng dụng rộng rãi trong

thực tế chế biến nhiều loại chất thải rắn.

Quá trình tan được thực hiện trong thiết bị hoạt động gián đoạn (khi năng suất

không lớn ‒ trong lớp hạt rắn hoặc với sự khuấy trộn) và liên tục (trong lớp chuyển

động hoặc khuấy trộn).

3.2.5.3. Kết tinh

Việc tách pha rắn ở dạng tinh thể từ dung dịch bão hòa, từ thể nóng chảy hoặc

hơi được phổ biến rộng rãi trong chế biến các chất thải rắn khác nhau.

Khả năng kết tinh của cấu tử dung dịch được đánh giá qua giản đồ trạng thái độ

hòa tan (Cs) ‒ nhiệt độ.

Nếu đường cong hòa tan tăng nhanh theo nhiệt độ thì khi giảm nhiệt độ một ít

dung dịch sẽ chuyển vào vùng quá bão hòa và sẽ sinh ra tinh thể rắn. Lúc đó nồng

độ của dung dịch giảm. Kết tinh các dung dịch như thế được thực hiện bằng cách

làm lạnh chúng.

Nếu độ hòa tan tăng chậm theo nhiệt độ thì việc chuyển dung dịch vào vùng quá

bão hòa chỉ xảy ra khi làm lạnh sâu và lúc đó tách ra một lượng không lớn tinh thể

rắn. Trường hợp này kết tinh nên tiến hành bằng cách loại một phần dung môi.

99

Có thể có trường hợp độ hòa tan thay đổi không đáng kể trong khoảng rộng nhiệt

độ. Trong trường hợp này kết tinh được tiến hành bằng cách bay hơi dung môi.

Có ba phương thức kết tinh cơ bản:

1. Kết tinh với việc loại một phần dung môi nhờ bay hơi hoặc đóng băng.

Phương thức này được gọi là kết tinh đẳng nhiệt.

2. Kết tinh bằng cách làm lạnh hoặc đun nóng dung dịch với lượng dung môi

không đổi.

3. Phương thức kết tinh kết hợp: kết tinh chân không, kết tinh với sự bay hơi

một phần dung môi trong dòng không khí hoặc khí trơ tải nhiệt khác, kết tinh

phân đoạn.

Ngoài ra, trong thực tế người ta còn ứng dụng kết tinh bằng muối (cho vào dung

dịch chất làm giảm độ hòa tan), kết tinh nhờ phản ứng hóa học, cũng như kết tinh

nhiệt độ cao bảo đảm khả năng thu được các tinh thể ngậm nước với hàm lượng ẩm

kết tinh nhỏ nhất. Vận tốc của quá trình kết tinh thuộc nhiều yếu tố (độ quá bão hòa,

nhiệt độ, cường độ khuấy trộn và nồng độ tạp chất…) và thay đổi theo thời gian qua

cực đại.

3.2.6. Phương pháp sinh hóa

Phương pháp này dựa trên khả năng phân hủy các chất hữu cơ trong chất thải bởi

vi sinh vật. Phương pháp này được ứng dụng để chuyển các chất hữu cơ thành phân

bón (lên men kị khí) hoặc phân hủy chúng hoàn toàn (lên men hiếu khí).

Một số vi sinh vật có khả năng chuyển các hợp chất vô cơ không tan sang trạng

thái tan trong điều kiện xác định. Phương pháp này gọi là trích bằng vi khuẩn. Trích

bằng vi khuẩn được hiểu là quá trình tách chọn lọc các nguyên tố hóa học từ hợp

chất đa cấu tử trong quá trình hòa tan chúng ở môi trường nước bởi các vi sinh vật.

Các vi sinh vật được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp là vi khuẩn sắt, chúng

có thể oxi hóa sắt hóa trị 2 thành sắt hóa trị 3 cũng như các sunfua vô cơ, và vi

khuẩn lưu huỳnh. Nguồn năng lượng duy nhất cho quá trình sống của các vi sinh

vật này là phản ứng oxi hóa các hợp chất vô cơ kim loại và nguyên tố lưu huỳnh.

100

Vi khuẩn sắt có khả năng oxi hóa sunfua kim loại, chuyển chúng thành sunphat

trực tiếp hoặc gián tiếp.

2FeSO4 + 12O2 + H2SO4 Fe2(SO4)3 + H2O

Fe2(SO4)3 + MeS → MeSO4 + 2FeSO4 + S

Vi khuẩn sắt được sử dụng rộng rãi trong công nghiệp để trích đồng từ phế thải

và quặng nghèo. Để trích, người ta sử dụng dung dịch nước trên cơ sở Fe2(SO4)3 và

H2SO4 với sự hiện diện của Al2(SO4)3, FeSO4 và vi khuẩn sắt.

Fe2(SO4)3 + 2CuS + H2O + 3O2 → 2CuSO4 + 4FeSO4 + 2H2SO4

Trên thế giới, phương pháp trích bằng vi khuẩn đã được áp dụng rộng rãi để thu

hồi uranium từ quặng mỏ, Zn, Mn, As, Co... Người ta đang tìm kiếm các vi sinh vật

khác với mục đích tách được các chất hữu dụng rộng rãi hơn. Phương pháp trích

bằng vi khuẩn rất tiên tiến vì nó cho phép giảm đáng kể giá thành các cấu tử quí

hiếm và mở rộng các tài nguyên công nghiệp, bảo đảm tính khả thi của việc sử dụng

toàn phần nguyên liệu vô cơ.

Hình 48. Sơ đồ xử lý chất thải công nghiệp

101

CHƯƠNG 4: XỬ LÝ DDT VÀ RÁC THẢI POLYMER

4.1. Thuốc DDT

4.1.1. Khái niệm về DDT

DDT là một trong các thuốc diệt côn trùng, chúng là một nhóm các hợp chất hữu

cơ có hai vòng thơm và có chứa Clo, bao gồm 14 hợp chất hữu cơ, trong đó: 71% là

p,p,‒ DDT, 14.9% là o,p,‒ DDT, 0.3%p,p,‒ DDD, 0.1% là o,p,‒DDD, 4% là p,p,‒

DDE, 0.1% là o,p,‒DDE, sản phẩm khác là 3.5% (Hình 49).

Hình 49. Công thức cấu tạo của một số đồng phân DDT

Tất cả các đồng phân của DDT đều là dạng tinh thể màu trắng, không mùi, không

vị, có công thức tổng quát là C14H9Cl5, khối lượng phân tử là 354.5. Nhiệt độ nóng

chảy khoảng 108.5 – 109oC, áp suất bay hơi là 2.53 x10‒5 Pa (1.9 x10‒7mmHg) tại

200oC. DDT tan ít trong nước (1μg/l) nhưng có khả năng giữ nước, tan tốt trong các

hợp chất hữu cơ đặc biệt là mỡ động vật. Khả năng hoà tan của DDT trong nước là

thấp (hệ số hấp phụ cao) nên DDT có xu hướng bị hấp phụ trong cặn bùn, đất đá,

trầm tích. Điều này có vai trò đặc biệt trong phân hủy sinh học DDT.

102

4.1.2. Ảnh hưởng của DDT tới môi trường và sức khỏe

4.1.2.1. Ảnh hưởng đến môi trường

DDT [ 1,1,1‒tri clo‒2,2‒bis‒(p‒clo phenyl) etan] được tổng hợp vào năm 1874,

nhưng mãi đến 1930, Bác sĩ Paul Muller (Thụy Sĩ) mới xác nhận DDT là một hóa

chất hữu hiệu trong việc trừ sâu rầy và từ đó được xem như là một thần dược và

không biết có ảnh hưởng nguy hại đến con người. Khám phá trên mang lại cho ông

giải Nobel về y khoa năm 1948 và DDT đã được sử dụng rộng rãi khắp thế giới cho

việc khử trùng và kiểm soát mầm mống gây bệnh sốt rét. Nhưng chỉ hai thập niên

sau đó, một số chuyên gia thế giới đã khám phá ra tác hại của DDT trên môi trường

và sức khỏe người dân. Do đó, tại Hoa Kỳ từ năm 1972 DDT đã bị cấm sử dụng hẳn.

DDT bị nhiễm vào môi trường không khí, nước, đất trong suốt quá trình sử dụng,

DDT có mặt ở nhiều vị trí ô nhiễm khác nhau, sau đó có thể tiếp tục bị lan truyền và

gây ô nhiễm môi trường. Đặc biệt trong đất, nó giữ nước thành các phần tử rắn và

trở thành dạng bền vững và được EPA Hoa Kỳ xếp vào danh sách các loại hóa chất

phải kiểm soát vì có nguy cơ tạo ra ung thư cho người và động vật. DDT, DDE

(1,1‒di clo‒2,2‒bis (p‒clo phenyl) etylen), DDD (1,1‒di clo‒2,2‒bis (p‒clo phenyl)

etylen) cũng có thể được thải vào không khí khi chúng bay hơi từ đất và nước

nhiễm độc. Một lượng lớn DDT đã được thải vào môi trường như đi vào không khí,

đất và nước thông qua quá trình tưới, phun trên các diện tích sản xuất nông nghiệp

và rừng để diệt côn trùng và muỗi. DDT và các đồng phân bị ngấm vào mạch nước

ngầm khi nó được sử dụng để diệt côn trùng ở gần các cửa sông .v.v. Trong đất,

DDT có thể suy giảm nhờ quá trình bốc hơi, quá trình quang phân và quá trình phân

hủy sinh học (hiếu khí và kị khí) nhưng những quá trình này xảy ra rất chậm tạo ra

sản phẩm là DDD và DDE có độ bền tương tự như DDT. DDD cũng được sử dụng

như là một loại thuốc trừ sâu, còn DDE chỉ được tìm thấy trong môi trường nhiễm

bẩn do sự phân hủy sinh học của DDT.

Quá trình bốc hơi, phân hủy DDT, DDD, DDE có thể được lặp lại nhiều lần và

kết quả là DDT, DDD, DDE được tìm thấy ở cả những nơi rất xa. Những hợp chất

103

hóa học này có thể được phát hiện ở đầm lầy, tuyết và động vật ở vùng Bắc Cực &

Nam Cực, rất xa so với nơi chúng được sử dụng, DDT, DDD, DDE cuối cùng ở

trong đất một thời gian dài, hầu hết bị phân hủy chậm thành DDD và DDE thường

là bởi hoạt động của các vi sinh vật. Chu kỳ bán hủy của những hợp chất này trong

khí quyển khi bay hơi được ước tính 1,5‒ 3 ngày. DDT ở trong đất phụ thuộc vào

nhiều yếu tố: nhiệt độ, loại đất, độ ẩm v.v. ở những vùng nhiệt đới DDT bay hơi dễ

hơn và vi sinh vật cũng phân hủy nó nhanh hơn. DDT ở đất ẩm bị phân hủy nhanh

hơn ở đất khô. Chúng làm giảm giá trị của đất và khi bị phân hủy DDT được

chuyển thành DDE trong cả điều kiện hiếu khí và kị khí. Những hợp chất này có thể

bốc hơi trong

không khí hoặc lắng đọng lại ở các vị trí khác nhau và có độc tính rất cao. Chúng

ở sâu trong đất, thấm qua đất và vào các mạch nước ngầm. Trên bề mặt nước, DDT

sẽ liên kết các phần tử ở trong nước, lắng xuống và có thể lắng đọng trong các trầm

tích.

Gần đây DDT là một trong 12 hoá chất được các nhà khoa học thế giới xếp vào

hạng chất ô nhiễm khó phân hủy (POPs). Năm 1998, đại diện của hơn 92 quốc gia

trên thế giới đã tụ họp tại Montreal đã bàn thảo về các biện pháp nhằm cấm sản xuất

và sử dụng các hoá chất trên vì lý do tác hại của chúng do sự tích luỹ lâu dài trong

không khí, lòng đất và nguồn nước, kết tụ vào các mô động vật‒ nguồn thực phẩm

chính của loài người. DDT tích trữ một lượng lớn ở trong cá và các động vật biển

(ví dụ: hải cẩu, cá heo). Tính độc của DDT đã được biết đến thông qua các nghiên

cứu rất kỹ lưỡng ở trên các vi sinh vật, động vật không xương sống ở dưới nước, cá,

lưỡng cư, động vật không xương sống ở trên cạn và các loài động vật có vú khác

(chuột hang, thỏ v.v.). Trong các động vật này, DDT được tìm thấy một lượng lớn

trong các mô mỡ và sẽ tiếp tục di chuyển đến những cơ quan khác. DDT ở trong đất

cũng có thể được hấp thụ bởi một số thực vật hoặc trong cơ thể con người khi ăn

các thực vật đó.

4.1.2.2. Ảnh hưởng đến sức khỏe con người

104

Con người bị nhiễm DDT thông qua 2 cách khác nhau là trực tiếp hay gián tiếp.

Nhiễm trực tiếp có thể qua đường tiếp xúc hay qua đường hô hấp. Nhiễm gián tiếp

xảy ra khi ăn các thực phẩm như ngũ cốc, rau đậu đã bị nhiễm DDT, cũng như tôm

cá sống trong vùng bị ô nhiễm, DDT sẽ đi vào cơ thể qua đường tiêu hoa và tích tụ

theo thời gian trong các mô mỡ và gan của con người.

Nguồn lây nhiễm DDT chính là ở trong thịt, cá, gia cầm và các sản phẩm từ sữa.

Nếu người ăn các loại lương thực thực phẩm được phun DDT và ăn kéo dài thì có

nhiều nguy cơ dẫn tới ngộ độc mãn tính, sinh con quái thai. Mức độ tối thiểu mà

con người có thể chịu đựng và không gây hại là 285 mg/kg. DDT có tác động rõ rệt

lên hệ thống thần kinh ngoại biên, gây nên sự rối loạn hệ thống thần kinh, ức chế

các enzyme chức năng đòi hỏi sự dịch chuyển các ion dẫn đến tê liệt. Những người

bị nhiễm một lượng lớn gây ngộ độc cấp tính, dễ bị kích động, bị rùng mình và gây

tai biến mạch máu não.

Chúng cũng gây nên sự đổ mồ hôi, đau đầu, buồn nôn, chóng mặt. Những ảnh

hưởng như trên cũng có thể xuất hiện khi hít DDT ở trong không khí hoặc hấp thụ

một lượng lớn qua da.

Đối với những người bị nhiễm DDT ở mức độ thấp (20 mg/ngày) – ví dụ như

những người làm việc trong các nhà máy sản xuất DDT, sẽ xuất hiện những biến

đổi nồng độ enzyme có trong gan và trong máu. Nhiều nghiên cứu đã chỉ ra rằng

DDT, DDE, DDD có thể gây bệnh ung thư, mà trước tiên là ung thư gan, cũng có

thể là ung thư vú, ung thư tuỷ. Bên cạnh đó nó cũng gây nên một số bệnh ung thư

khác nhưng vẫn chưa được nghiên cứu kỹ như: ung thư tuyến tiền liệt, ung thư tinh

hoàn, ung thư máu, ung thư dạ con v.v.

Trẻ con bú sữa mẹ hay sữa tươi bị nhiễm độc DDT trực tiếp qua sự hiện diện của

DDT trong sữa tươi hay gián tiếp vì thức ăn của người mẹ. Tệ hại hơn nữa, nhiều bà

mẹ đã bị sảy thai trong vùng ảnh hưởng của DDT. Ở nước ta, đã có một số công

trình nghiên cứu và rút ra nhận xét là tất cả các bà mẹ dù có tiếp xúc hay không tiếp

xúc trực tiếp với DDT đều có lượng DDT trong sữa mẹ rất cao vì DDT xâm nhập

vào cơ thể chủ yếu qua đường tiêu hóa.

105

4.1.2.3. Tình trạng ô nhiễm DDT ở nước ta

DDT được dùng lần đầu tiên ở nước ta vào năm 1949 để phòng ngừa bệnh sốt rét.

Tuy nhiên, số lượng thuốc DDT được dùng chỉ có 315 tấn trong năm 1961 và giảm

xuống còn 22 tấn trong năm 1974. Từ năm 1957 đến 1990, tổng số lượng thuốc

DDT nhập cảng chỉ có 240.422 tấn. Mặc dù việc sử dụng thuốc DDT đã bị cộng

đồng quốc tế ngăn cấm từ năm 1992, việc nhập cảng và sử dụng DDT ở Việt Nam

vẫn tiếp tục cho đến năm 1994. Trong khoảng từ năm 1992 đến năm 1994, số lượng

thuốc DDT nhập cảng từ Nga lên đến 423.358 tấn Tuy không có số liệu chính xác

về số lượng DDT đang được sử dụng ở Việt Nam, nhưng tin tức trong nước cho biết

thuốc này vẫn còn đang được sử dụng rộng rãi đặc biệt ở vùng châu thổ sông Cửu

Long vì là vùng có nhiều sông rạch và nhiều muỗi.

Hiện nay số thuốc DDT đã nằm phơi lộ trên mặt đất, một phần thuốc có thể bị

phân hủy song phần lớn vẫn còn đó, chúng có thể khuếch tán vào không khí gây ô

nhiễm môi trường và phân rã ngấm vào đất và các mạch nước ngầm gây ô nhiễm

đất và nước trong khu vực. Nghệ An là một trong những tỉnh còn tồn lưu một lượng

tương đối lớn hóa chất bảo vệ thực vật, hiện tại tỉnh có 25 điểm tồn lưu hóa chất

chất bảo vệ thực vật, trong đó mới có 5 điểm được xử lý. Phần lớn những điểm tồn

lưu hóa chất chất bảo vệ thực đều nằm gần, hoặc nguy hiểm hơn là nằm lọt trong

khu dân cư. Do sự nguy hiểm của các chất POP nói chung và hóa chất bảo vệ thực

vật nói riêng đối với sức khỏe con người và môi trường, các nước trên thế giới cũng

như Việt Nam đã và đang tích cực tiến tới loại trừ và cấm sử dụng hoàn toàn các

chất POP. Cụ thể là Công ước Stockholm về các chất hữu cơ ô nhiễm khó phân hủy

ra đời và 172 quốc gia đã tham gia ký kết, trong đó có Việt Nam. Ở nước ta công

ước Stockholm chính thức có hiệu lực kể từ ngày 14/5/2004. Tham gia công ước

này, Việt Nam sẽ xây dựng và hoàn thiện hệ thống pháp luật để quản lý an toàn hóa

chất, giảm thiểu và tiến tới loại bỏ các chất ô nhiễm hữu cơ khó phân huỷ. Đồng

thời, phòng ngừa, kiểm soát và xử lý an toàn đối với các chất này, tiến tới kiểm soát,

xử lý và tiêu hủy hoàn toàn các kho thuốc bảo vệ thực vật, những hóa chất rất độc

hại đã bị loại bỏ, còn tồn lưu.

106

4.1.3. Các phương pháp xử lý DDT

DDT là chất có tính độc hại cao, bền vững cao đối với quá trình phân hủy tự

nhiên. Một khi đã phát thải vào môi trường, chất này có thể tồn tại trong thời gian

dài và có thể di chuyển đi xa khỏi nguồn phát thải ban đầu nhờ gió, nước hay nhờ

vào các loài động vật di cư. Ngoài ra DDT có thể được hấp thụ dễ dàng vào các mô

mỡ và tích tụ trong cơ thể của các sinh vật sống, nồng độ chất này trở nên cao hơn

theo chiều tăng của chuỗi thức ăn, đặc biệt là trong các loài sinh vật lớn và sống lâu.

Chính vì những tính chất này mà việc loại bỏ, tiêu hủy DDT cũng như các chất bảo

vệ thực vật trong danh mục cấm khác ngày càng trở nên cần thiết và cấp bách

không chỉ riêng ở nước ta mà còn là vấn đề quan tâm của nhiều nước trên thế giới.

Tùy điều kiện địa hình, tính chất, quy mô của vùng ô nhiễm, tùy điều kiện kinh

phí để áp dụng các quy trình xử lý khác nhau, có thể xử dụng các phương pháp như

phương pháp hóa lý, phương pháp bao vây, cô lập nguồn ô nhiễm, hay phương pháp

sinh học v.v.

4.1.3.1. Các phương pháp cơ, hóa lý

Có rất nhiều phương pháp hóa lý được sử dụng để loại bỏ các chất ô nhiễm khó

phân hủy. Đối với ô nhiễm DDT thì các phương pháp thường được sử dụng là chôn

lấp, cô lập, phân hủy bằng kiềm nóng và phương pháp đốt có xúc tác.

Phương pháp chôn lấp, cô lập: với cấu trúc vòng thơm, DDT rất khó phân hủy

trong tự nhiên nên biện pháp chôn lấp chất thải nguy hại được áp dụng rộng rãi ở

nhiều nước trên thế giới. Một số nước sử dụng biện pháp chôn lấp cô lập và xi

măng hóa chất thải có độc tính cao ở dạng lỏng hoặc rắn. Phương pháp này đòi hỏi

phải chuẩn bị hố chôn lấp đảm bảo kỹ thuật, không bị rò rỉ, bền vững trong thời

gian dài, địa điểm chôn lấp phải xa khu dân cư, không gần mạch nước ngầm.

Phương pháp đốt có xúc tác: đây là phương pháp vô cơ hoá chuyển clo hữu cơ

thành CO2, H2O và Cl‒. Clo hữu cơ nếu tiếp xúc với kim loại đồng nung đỏ đều bị

đồng lấy mất clo (tạo thành CuCl2) và chúng bị phân huỷ tiếp theo thành CO2 và

nước cùng với các dẫn xuất khác không độc, hoặc ít độc hơn:

107

Công nghệ thiêu đốt cũng đã được sử dụng trên thế giới, phương pháp xử lý này

tương đối triệt để song giá thành lại cao và có khả năng gây ô nhiễm thứ cấp bởi các

sản phẩm phụ tạo trong quá trình vận hành.

Các phương pháp vật lý khác như sử dụng tia bức xạ, tia cực tím, hay áp suất cao

cũng mang lại hiệu quả nhất định trong xử lý ô nhiêm DDT.

Phương pháp phân hủy bằng kiềm nóng: khi xử lý DDT với dung dịch NaOH

20% nóng, xảy ra phản ứng dehydroclorua hoá tạo nên một olefin. Olefin được sinh

ra bị polime hoá cho sản phẩm rắn. Sản phẩm rắn này được tách ra dễ dàng và cho

vào bao nilon rồi chôn vùi dưới đất.

Mặc dù làm sạch DDT có thể được tiến hành bằng nhiều biện pháp như đã nêu ở

trên, nhưng nhược điểm của các công nghệ đốt và hóa học là gây ô nhiễm thứ cấp.

Chính vì vậy mà xu hướng sử dụng các phương pháp hóa lý ngày càng giảm.

4.1.3.2. Phương pháp phân hủy sinh học

Ngày nay do có những hiểu biết sâu sắc về tác hại của DDT nên các nhà khoa

học và công nghệ Việt Nam đang nghiên cứu tìm ra các giải pháp để có thể làm

giảm lượng DDT còn sót lại trong đó biện pháp xử lý sinh học đang được quan tâm

nhiều bởi tính ưu việt của nó là không tạo ra ô nhiễm thứ cấp cho môi trường. Phân

hủy sinh học đã được các nhà khoa học trên thế giới nghiên cứu và áp dụng trong

những năm gần đây và cũng đạt được khá nhiều thành tựu.

Quá trình làm sạch sinh học có thể thực hiện ở quy mô lớn nhỏ khác nhau, có thể

sử dụng thực vật hay vi sinh vật và ở điều kiện hiếu khí hoặc kị khí. Việc tẩy độc

bằng phân hủy sinh học có thể được tiến hành riêng rẽ hoặc kết hợp với các phương

pháp khác, sau vài tháng hoặc vài năm các chất ô nhiễm có thể được hoàn toàn loại

bỏ.

Phân hủy sinh học thường bao gồm các phương pháp sau: Kích thích sinh học và

làm giàu sinh học:

108

‒ Kích thích sinh học: là quá trình thúc đẩy sự phát triển và hoạt động trao

đổi chất của tập đoàn vi sinh vật bản địa có khả năng sử dụng các chất độc

hại thông qua việc thay đổi các yếu tố môi trường như: pH, độ ẩm, nồng độ

O2, chất dinh dưỡng .v.v.

‒ Làm giàu sinh học: sử dụng tập đoàn các vi sinh vật bản địa đã được làm

giàu hoặc vi sinh vật sử dụng các chất độc hại từ nơi khác, thậm chí vi sinh

vật đã được cải biến về mặt di truyền đưa vào các địa điểm ô nhiễm.

‒ Sử dụng thực vật: sử dụng thực vật, hệ enzym của thực vật và các quá trình

phức tạp khác nhằm hấp thu hoặc chuyển hóa các chất ô nhiễm.

Kích thích sinh học hiện là khuynh hướng được sử dụng rộng rãi trong xử lý ô

nhiễm theo phương pháp phân hủy sinh học. Đôi khi người ta cũng kết hợp hai biện

pháp để có thể tăng cường sự phân hủy sinh học. Song song với việc bổ sung các

chủng vi sinh vật nuôi cấy có khả năng phân hủy chất ô nhiễm, người ta cũng tạo

điều kiện tối ưu cho tập đoàn vi sinh vật hoạt động.

Như vậy, cùng với hoạt động của tập đoàn vi sinh vật bản địa và hoạt động của vi

sinh vật ngoại lai sẽ tăng cường hiệu quả của quá trình xử lý.

Hiện nay, tại Viện Công nghệ Sinh học đã tiến hành một số nghiên cứu về khả

năng phân hủy dầu, các chất độc hại khác như dioxin, 2,4‒D, hydrocacbon thơm đa

nhân v.v. bằng công nghệ phân hủy sinh học và đã mang lại những hiệu quả khả

quan. Đối với DDT, những nghiên cứu bước đầu về khả năng phân hủy bằng vi sinh

vật cũng đang bắt đầu được nghiên cứu để góp phần khử độc DDT ở một số địa

phương bị ô nhiễm.

Ngoài ra trên thế giới việc ứng dụng hệ enzym ngoại bào của vi sinh vật vào xử

lý ô nhiêm đã có nhiều nghiên cứu, đây cũng là hướng có nhiều triển vọng do rút

ngắn được thời gian xử lý và hiệu quả xử lý cao hơn so với khử độc bằng phân hủy

sinh học thông thường. Những nghiên cứu bước đầu về hệ enzym ngoại bào ứng

dụng vào xử lý khử độc đã được tiến hành tạo cơ sở cho việc thiết kế công nghệ xử

lý các chất ô nhiễm hóa học trong tương lai Hệ enzym ngoại bào được quan tâm là

hệ enzyme xúc tác với các đại diện là laccase, mangan peroxidas và lignin

109

peroxidas. Đây là những enzym có khả năng phân hủy nhiều loại chất ô nhiễm hữu

cơ có cấu trúc đa vòng thơm khác nhau do tính đặc hiệu cơ chất không cao. Trong

đó laccase được tập trung nghiên cứu, enzym này xúc tác quá trình oxy hóa các hợp

chất phenolic mạnh nhất trong nhóm enzyme phân hủy lignocellucose, laccase được

ứng dụng rộng rãi trong công nghệ tẩy độc các hợp chất phenol, các dẫn xuất clo

biphenyl, các loại thuốc nhuộm và các loại nước thải v.v.

4.1.4. Phân hủy sinh học DDT

Các nhà khoa học cũng đã phân lập và nghiên cứu nhiều chủng vi sinh vật có khả

năng phân hủy DDT và các sản phẩm chuyển hóa của nó. Các nghiên cứu đã chỉ ra

rằng số lượng các vi sinh vật có khả năng phân hủy DDT tại các vùng ô nhiễm

nhiều hơn so với các vùng không ô nhiễm. Các loài vi sinh vật trong vùng ô nhiễm

có xu hướng thích nghi, sau đó thay đổi cấu trúc về di truyền để hướng đến việc

phân hủy DDT. Các vi sinh vật tiềm năng tham gia vào quá trình phân huỷ sinh học

DDT chủ yếu là vi khuẩn, vi nấm.

Các vi sinh vật này chuyển hoá DDT thông qua quá trình khử loại clo, vi nấm

thủy phân và vi khuẩn phân huỷ clobiphenyl thực hiện cắt vòng DDT trong điều

kiện hiếu khí. Ngoài ra vi sinh vật phân huỷ DDT có thể được thiết kế chuyển gene

dựa trên các kỹ thuật di truyền phân tử và đưa vào vùng đất nhiễm. Hiện nay, có tới

hơn 300 loài vi sinh vật có khả năng phân hủy DDT

Đã được nghiên cứu, danh sách dưới đây đưa ra một vài đại diện của vi khuẩn,

một số loài nấm và xạ khuẩn.

110

Bảng 11. Các vi sinh vật phân hủy DDT

Cơ chế của quá trình phân hủy sinh học DDT và đồng phân của nó có thể là nhờ

quá trình cắt vòng hoặc loại khử clo. Các vi sinh vật có khả năng chuyển hóa DDT

và các đồng phân của nó (o,p,‒DDT, p,p,‒DDT) thành dạng bớt độc hơn, không độc

hoặc chuyển hóa hoàn toàn thành CO2. Các cơ chế tấn công DDT bởi vi sinh vật đã

được công bố cho thấy DDT được loại clo bởi quá trình khử dẫn đến DDD. Vi

khuẩn và nấm sợi phân huỷ DDT chủ yếu theo cơ chế này. Một con đường khác

phân huỷ sinh học ở điều kiện hiếu khí đã được mô tả có sự tham gia của vi khuẩn

phân huỷ chlorobiphenyl.

4.1.4.1. Loại clo bởi quá trình khử

Dưới các điều kiện khử, quá trình loại clo bởi quá trình khử là cơ chế chủ yếu

của quá trình chuyển hoá sinh học các đồng phân o,p´‒DDT và p,p´‒ DDT của

Vi khuẩn Nấm Xạ khuẩn

Alcaligenes eutrophus A5 Nocardia .sp Streptomyces aureofaciens

Arthrobacter. Sp Phanerochaete

chrysosporium

Streptomyces

viridochromogenes

Bacillus. Sp Trichoderma viridae Streptomyces annamoneus

Cylindrotheca closterium Sacharomyces cerevisiae Streptomyces hromofuscus

Enterobacter aerogenes Fusarium solami

Enterobacter cloacae Aspergillus conicus

Eschrichia coli Aspergillus niger

Klebsiella pneumoneae Leccinum scabrum

Klebsiella pneumoniae Gloeophyllum trabeum

Pseudomonas putida Penicillium brefeldianum

111

DDT thành DDD. Phản ứng diễn ra bởi sự thay thế chlorin mạch thẳng bằng nguyên

tử hydro. Một số vi sinh vật chuyển hoá DDT thành DDD đã được công bố bao gồm

Escheria coli, Enterobacter aerogenes, Enterobacter cloacae, Klebsiella pneumoniae,

Pseudomonas aeruginosa, Pseudomonas putida, Bacillus sp., “Hydrogenomonas” và

một số nấm như Saccharomyces cerevisiae, Phanerochaete chrysosporium,

Trichoderma. Rochkind‒Dubinsky và cộng sự đã phát triển các điều kiện khử loại

trong các bình nuôi cấy. Các cơ chế khử loại clo với sự chuyển tiếp các kim loại và

phức kim loại đóng vai trò chất khử. Trong hầu hết các trường hợp các quá trình có

sự tham gia của vận chuyển điện tử đơn, loại ion clo, và tạo gốc alkyl. Sự chuyển

tiếp phức hệ kim loại trong vi sinh vật có kết hợp với các trung tâm hoạt động của

các phân tử vận chuyển điện tử. Ở E. coli, khử loại clo của DDT cần FAD và các

điều kiện kỵ khí, trong khi đó ở E. aerogenes là cytocrom oxidaza.

Con đường chuyển hoá DDT bởi vi khuẩn theo cơ chế loại khử clo:Trước tiên

DDT bị phân hủy tạo DDMS, quá trình phân hủy tiếp theo sẽ là quá trình loại Cl tạo

DDNU,sau đó sẽ là quá trình oxy hoá tạo DDOH, DDOH bị oxy hoá tiếp thành

DDA và loại carbon thành DDM, DDM có thể được chuyển hoá tạo DBP hoặc tách

một vòng thơm tạo p‒chlorophenylaxetic acid (PCPA). Trong điều kiện kị khí DBP

không thể chuyển hóa xa hơn nữa

Hình 50. Con đường chuyển hoá DDT bởi vi khuẩn

trong điều kiện kị khí theo cơ chế loại khử clo

112

4.1.4.2. Khoáng hoá DDT bởi nấm thủy phân lignin:

Nấm thủy phân lignin có khả năng phân huỷ nhiều loại chất hữu cơ bền vững

trong môi trường tự nhiên trong đó có DDT. Aust 1990 chỉ ra rằng khoáng hoá

DDT xảy ra đồng thời với quá trình sinh ligninaza. Khi DDT được bổ sung vào

giống nấm thủy phân lignin quá trình khoáng hoá bắt đầu ngay lập tức nhưng nếu

thí nghiệm bắt đầu từ giống là bào tử thì sự phân huỷ và hoạt tính thủy phân lignin

xảy ra đồng thời sau 4 ngày.

Con đường phân hủy DDT bởi loài nấm trắng Phanerochaete chrysosporium: Sự

phân hủy DDT bởi nấm đảm trắng P. chrysosporium được biết đến trong công trình

nghiên cứu của Aust và cộng sự. Bumpus và Aust đã miêu tả sự phân hủy của DDT

sau 30 ngày nuôi cấy (trong điều kiện thiếu N), có khoảng 50% DDT đã đựơc

chuyển hoá, trong đó 10% được khoáng hoá, phần còn lại được chuyển hoá thành

dicofol, FW‒152 và bị phân hủy tạo DBP. Tiếp đó là phản ứng phá vòng tạo CO2.

Quá trình này được điều khiển bởi hệ enzyme ligninase. Dicofol được tạo thành sau

pha lag, DDD được tạo thành sau pha suy tàn trên đó sẽ bị phân hủy bởi hệ enzyme

ligninase khác. Trong trường hợp này DDE không được phát hiện. Trong quá trình

khoáng hoá DDT thì tinh bột và cenlulose là nguồn cacbon tốt hơn so với nguồn

cacbon khác (muối cacbornate) kể cả đường.

4.1.4.3. Phân hủy DDT bởi vi khuẩn trong điều kiện hiếu khí

Kỹ thuật làm giàu vi sinh vật đã được sử dụng trong đó một hợp chất có cấu trúc

tương tự đã được dùng thay thế DDT. Một số chủng vi khuẩn đã thể hiện khả năng

phân huỷ DDT theo các cơ chế mới. Chủng B‒206 sinh ra các chất trung gian

phenol từ DDT, DDD, và DDE, tuy nhiên không có sản phẩm cắt vòng nào được

tạo ra. Nadeau 1994 thông báo về chủng Alcaligeneseutrophus A5 chuyển hoá các

đồng phân o,p´‒và p,p´‒DDT. Aiskable 1997 đã phân lập được vi khuẩn Gram

dương từ đất nhiễm DDT ở New Zealand theo phương pháp làm giàu trên môi

trường khoáng chứa biphenyl, DDT, DDD và DDE như là nguồn cacbon.

113

Hình 51. Con đường phân hủy DDT bởi loài nấm trắng p. Chrysosporium

Một trong các con đường phân hủy DDT được nghiên cứu khá kỹ trên đối tượng

vi khuẩn Alcaligenes eutrophus A5, dưới đây là cơ chế phân hủy thực hiện bởi vi

khuẩn này.

Con đường phân hủy DDT bởi vi khuẩn Alcaligenes eutrophus A5: Chủng

Alcaligenes eutrophus A5 có khả năng chuyển hoá cả o,p,‒ và p,p,‒DDT. DDT bị

oxy hoá bởi enzym dioxygenase tạo ra một dẫn xuất dihydrodiol‒ DDT và trải qua

qúa trình phá vỡ vòng ở vị trí meta. Tiếp đó là một loạt các phản ứng trung gian tạo

sản phẩm cuối cùng là 4‒ clo benzoic axit (Hình 52).

114

Hình 52. Con đường phân hủy DDT bởi alcaligenes eutrophus A5

4.1.4.4. Các điều kiện môi trường ảnh hưởng đến phân hủy sinh học DDT và

các dẫn xuất của DDT

Các yếu tố môi trường ảnh hưởng lớn đến sự phát triển của vi sinh vật. Đặc biệt

các yếu tố môi trường tại vùng phân lập có tác động lớn đến sự phát triển của vi

sinh vật tại đó. Ở những vùng nhiệt đới, DDT bay hơi dễ hơn và vi sinh vật cũng

phân hủy các chất ô nhiễm này nhanh hơn, DDT ở đất ẩm bị phân hủy nhanh hơn ở

đất khô. Trong quá trình xử lý môi trường thì vấn đề

này càng đóng vai trò quan trọng và quyết định hiệu suất xử lý. Các yếu tố như

nhiệt độ, độ pH môi trường, nồng độ muối, nồng độ chất độc, các chất hoạt động bề

mặt v.v. đóng vai trò quyết định trong quá trình phân hủy, chuyển hóa và khoáng

hóa DDT.

115

Trong tự nhiên không chỉ tồn tại một loại chất ô nhiễm thuộc hydrocacbon thơm

đa nhân mà thường chúng tồn tại dưới dạng hỗn hợp. Do đó việc nghiên cứu khả

năng phân hủy hỗn hợp DDT là điều cần thiết để xem ảnh hưởng qua lại của chúng

trong hỗn hợp cũng như nồng độ hỗn hợp của các chất ô nhiễm. Sự tồn tại của DDT

có thể thúc đẩy hoặc ức chế quá trình phân hủy sinh học hoặc gây độc cho vi sinh

vật.

Các yếu tố quan trọng khác là nguồn dinh dưỡng bao gồm C, N, P có sẵn trong

môi trường hay bổ sung thêm. Việc bổ sung các chất thêm như nguồn cacbon cũng

tạo điều kiện tăng khả năng phân hủy sinh học của các chủng vi sinh vật phân hủy

chất độc theo cơ chế đồng trao đổi chất, một số chất thường được bổ sung nhằm

kích thích thêm quá trình phân hủy chất độc có thể kể đến glucose, acetate, pyruvate.

Các muối N đóng một vai trò hết sức quan trọng trong quá trình xử lý bằng phương

pháp phân hủy sinh học, việc bổ sung nguồn muối này đã làm tăng tốc độ phân hủy

DDT. Nguồn N có thể thêm vào cả dạng vô cơ và hữu cơ. Phốtpho cũng là một

nguồn dinh dưỡng cần thiết để tăng cường quá trình phân hủy sinh học các chất ô

nhiễm.

Nó được sử dụng để tăng sinh khối tế bào, thường bổ sung muối gốc PO43‒. Nitơ

và Phốtpho thường bổ sung dưới dạng muối (NH4)2HPO4. Hơn nữa, phốtpho như là

một chất đệm pH để tạo pH thích hợp cho hoạt động của vi sinh vật nhằm tăng hoạt

tính sinh học của chúng, do vậy làm tăng khả năng sống sót của vi sinh vật trong

các môi trường có điều kiện khác nhau.

Ngoài ra tốc độ phân hủy các hợp chất hydrocacbon thơm đa nhân còn bị ảnh

hưởng mạnh bởi các chất hoạt động bề mặt. Chất hoạt động là một sản phẩm rất có

giá trị đối với công nghệ sinh học và nó đã được ứng dụng rất rộng rãi đối với nhiều

ngành công nghiệp khác nhau. Đối với đất bị nhiễm độc, các chất hoạt động bề mặt

có thể làm tăng khả năng phân hủy, nó phụ thuộc vào thời gian phân hủy và số lần

các chất hoạt động bề mặt bám vào bề mặt chất độc.

Bên cạnh đó quá trình phân hủy sinh học của vi sinh vật còn phụ thuộc vào bản

thân các vi sinh vật, phương thức mà các vi sinh vật chuyển cơ chất qua màng tế

116

bào. Ngoài cơ chế phân hủy DDT và dẫn xuất của DDT bởi các enzym nội bào tức

là phải chuyển các chất độc qua màng tế bào thì cơ chế xúc tác phân hủy DDT bằng

các enzyme ngoại bào cũng đã được quan tâm. Trong đó ba enzyme ngoại bào LiP,

MnP thuộc nhóm peroxidase và Lac thuộc nhóm oxidoreductase hiện nay được

quan tấm nhiều nhất.

4.2. Tái sinh nhựa

Sản phẩm từ nhựa với đặc tính nhẹ, hình dạng phong phú, tiện sử dụng đã dần

chiếm lĩnh thị trường, thay thế các sản phẩm sản xuất từ kim loại và thủy tinh. Cùng

với sự gia tăng các sản phẩm tiêu dùng từ nhựa thì nhựa phế thải, nylon ngày càng

chiếm tỷ lệ đáng kể trong thành phần chất thải rắn (12,78% theo khối luợng). Do

vậy, việc thu hồi và tái chế nhựa sẽ góp phần giảm thiểu khối lượng chất thải rắn

phát sinh và tiết kiệm nguyên liệu.

Hầu hết các nhà sản xuất sản phẩm bao bì nhựa hiện nay đều ký hiệu sản phẩm

của họ theo số thứ tự từ 1 đến 7, đặc trưng cho hầu hết các loại nhựa sản xuất để tạo

điều kiện thuận lợi cho việc phân loại và tái chế.

Bảng 12. Phân loại, kí hiệu và nguồn sử dụng nhựa

Vật liệu Ký hiệu Nguồn sử dụng

Polyetylen terephathlat PET Chai nước giải khát, bao bì thực phẩm…

Polyetylen tỷ trọng cao HDPE Chai sữa, bình đựng xà phòng, túi xách…

Vinyl/polyvinyl clorit PVC Hộp đựng thức ăn trong gia đình, ống

dẫn…

Polyethylene tỷ trọng

thấp

LDPE Bao bì nylon, tấm trải bằng nhựa…

Polypropylen PP Thùng, sọt, hộp, rổ…

Polystyren PS Ly, đĩa…

Các loại nhựa khác loại khác Tất cả các sản phẩm nhựa khác

117

‒ Polyetylen Terephthalat (PET): được tái chế để sản xuất các loại sợi

polyeste dùng để sản xuất túi ngủ, gối chăn, quần áo mùa đông. Sau này PET

còn được sử dụng để chế tạo thảm, các sản phẩm đúc, băng chuyền, bao bì

thực phẩm… Ngoài ra còn dùng để sản xuất ô tô trong công nghiệp.

‒ Polyetylen tỷ trọng cao (HDPE): thường dùng để sản xuất can chứa bột

giặt và thùng chứa dầu nhớt (các loại thùng chứa này thường có ba lớp, lớp

giữa được chế tạo bằng nguyên liệu tái chế). HDPE còn được dùng để chế

tạo các loại khăn phủ, túi chứa hàng hoá, ống dẫn, thùng chứa nước và đồ

chơi trẻ em.

‒ Vinyl/polyvinyl clorit (PVC): sử dụng rộng rãi làm bao bì thực phẩm, dây

điện, chất cách điện, ống nước, các tấm thảm lót, đồ chơi trẻ em.

‒ Polyetylen tỷ trọng thấp (LDPE): các bao nhựa được phân loại bằng tay,

tách các tạp chất bẩn và tái chế khác. Tuy nhiên, một trong những khó khăn

trong việc tái chế là do mực in trang trí trên các bao bì cũ không tương thích

với màu của hạt nhựa tái chế, do đó, giải pháp thích hợp đưa ra là dùng nhựa

tái chế để sản xuất các sản phẩm có màu sậm.

‒ Polypropylen (PP): phần lớn được sử dụng để chế tạo những đồ dùng ngoài

trời, hộp thu, tường rào, sản xuất pin ô tô, nắp thùng chứa, nhãn hiệu của

chai lọ…

‒ Polystyren (PS): các sản phẩm quen thuộc của PS bao gồm: bao bì thực

phẩm, đĩa, khay đựng thịt, ly uống nước, bao bì đóng gói sản phẩm, đồ dùng

nhà bếp, hộp đựng yogurt…

‒ Các loại nhựa khác: nhựa hỗn hợp được sử dụng để tái chế thành loại hạt

nhựa, dùng để sản xuất các mặt hàng không yêu cầu khắt khe về đặc tính

nhựa sử dụng như bàn ghế ngoài sân, chỗ đậu xe, hàng rào… Vì không cần

phân loại riêng phế liệu nhựa nên các nhà sản xuất dễ dàng thu mua được

loại phế liệu này với chi phí thấp. Tuy nhiên, các loại phế liệu PET phải

được tách riêng, vì chúng có nhiệt độ nóng chảy cao hơn các loại nhựa khác.

118

4.2.1. Giảm cấp phế thải

Vấn đề quan trọng trong tái chế nhựa là quá trình loại tạp chất và xử lý nhựa thải

sinh hoạt. Trong nhựa phế thải có chứa một lượng lớn các chất hữu cơ giá trị, thu

hồi các chất này qua tái chế nhựa thải sẽ làm giảm nhu cầu sử dụng các nguyên liệu

tự nhiên như khí đốt, dầu mỏ và giảm ô nhiễm môi trường.

Quá trình chế biến phế thải nhựa bao gồm các giai đoạn chuẩn bị nguyên liệu

như thu gom, lựa chọn, làm sạch các tạp chất, nén ép và tạo hạt.

Tái chế nhựa thải từ sinh hoạt phải qua giai đoạn tách tạp chất. Các phương pháp

tách gồm có nghiền, sàng, phân loại, kết hợp với các dạng phân riêng khác (phân

riêng bằng không khí, chân không, từ, tĩnh điện, thủy lực) trích li, tuyển nổi… Tái

chế nhựa thải từ sản xuất thường đơn giản hơn do không cần phân riêng, chỉ cần

phân loại theo hình dạng, sau đó được rửa và sấy.

Tách nhựa khỏi nền vải: với nhựa có tính dẻo nóng ta có thể tách ra khỏi nền vải

bằng phương pháp phân riêng bằng không khí. Trong quá trình này, phế thải nhựa

dẻo nóng dạng tấm trên nền vải (polime, vải băm nhỏ, bụi vải...) được tách bởi dòng

không khí trong cyclone và phễu gió xoáy. Hỗn hợp polime vụn và vải băm được

tách ra bởi dòng không khí và được đưa ra ống dẫn để trộn với bụi vải.

Phương pháp phân riêng bằng tuyển nổi: sức căng bề mặt của hệ không

khí‒polime‒nước thay đổi nhờ sự lựa chọn nồng độ các chất thấm ướt khác nhau.

Khi đó, một phần nhựa đã được nghiền nổi lên nhờ tác động của bọt khí, còn một số

khác cùng với tạp chất lắng xuống đáy. Chất thấm ướt có thể là lignin sunphat natri,

axit tannic, keo động vật, chất hoạt tính cation, anion và các chất gel không phân li.

Một số loại phế thải nhựa đàn hồi dẻo (nhựa flo, capron) bị phân hủy một phần

nên không thể sử dụng chúng như là vật liệu chính phẩm được mà phải sử dụng ở

dạng bột để làm chất bao phủ không bị mài mòn hoặc những chi tiết quan trọng. Bột

phế thải này thu được thông qua quá trình nghiền ở nhiệt độ thấp hoặc trong máy

119

nghiền búa có mặt của nitơ lỏng (hoặc CO2). Cách hiệu quả hơn cả là làm lạnh sơ

bộ phế thải trước khi nghiền.

Phương pháp hòa tan được sử dụng để tách vỏ PVC của dây điện hoặc cáp điện

ra khỏi kim loại. Theo phương pháp này, phế thải nghiền nhỏ được ngâm trong

dioctylphtalat, tricrejylphotphat, dibutylphtalat, glixerin để lớp vỏ trở nên mềm và

trương nở. Sau đó, chúng được tách bằng máy li tâm.

Cần chú ý là hỗn hợp chất phế thải của PE, PS, PVC khi nóng chảy có khả năng

kết dính với cặn từ quá trình xử lí các ion kim loại nặng trong nước thải công

nghiệp. Điều này cho phép tiến hành kết hợp đồng thời việc tái sử dụng các chất

thải nêu trên bằng cách chế biến chúng thành vật liệu thứ cấp. Một ví dụ cụ thể là

hỗn hợp cặn khô có chứa crom với polimetylen, polistyren, polivinylclorua theo tỉ

lệ 3:1:1:1 sẽ được hóa lỏng và nhựa hóa trong hai máy đùn ép mắc nối tiếp, sau đó

được đưa vào máy định hình.

Khi nấu chảy phế thải, ta sẽ thu được nhựa capron thứ cấp. Phế thải được nung

chảy trong ống gia nhiệt đứng, hỗn hợp nóng chảy được ép qua vòi ở phía đáy ống.

Các sợi hình thành từ đây sẽ được làm nguội trong bể nước và nghiền nhỏ. Các hạt

capron tiếp tục được rửa nhiều lần bằng nước nóng để loại các chất có khối lượng

phân tử thấp, sấy dưới áp suất chân không, và cuối cùng chế biến thành sản phẩm

tiêu dùng.

Trong thực tế xử lí phế thải polime, người ta thường chọn một trong các phương

thức: tái sinh cơ học, tái sinh hóa học, phân huỷ bằng tác nhân oxi hoá (hoặc nhiệt),

tiêu huỷ.

4.2.2. Tái sinh cơ học

Tái sinh cơ học chủ yếu dùng các phương pháp cơ học như nghiền, nén ép để đưa

phế thải nhựa trở lại thành dạng nguyên liệu để sản xuất các sp mới.

Phế thải polime được xử lý bằng nhiều phương pháp khác nhau như đùn ép, đổ

khuôn dưới áp suất cao, cán để thu thành phẩm. Phế thải PVC cứng được nghiền

120

thành các hạt 4mm, trộn với phụ gia tạo dẻo, màu và chất ổn định ở 150oC trong

10‒15 phút, khối chất thu được sau đó được đem đi chế biến thành đồ dùng.

Phế thải nhựa không phân loại được có thể chế biến thành vật liệu xây dựng. Đối

với trường hợp này, phế thải được rửa, nghiền, tạo hạt hoặc nén ép để tăng độ cứng

cho vật liệu. Trong sản xuất vật liệu xây dựng, người ta thường áp dụng phương

pháp nóng chảy, trộn, ép để sản xuất gạch, tấm lót, gạch block...

Tuy nhiên, hướng xử lý phế thải polime nhựa phổ biến nhất là chuyển chúng

thành dạng nguyên liệu thứ cấp.

Một trong các vấn đề cấp bách cần được giải quyết là việc tái sử dụng bao nilon

(Polietylen). Đây là sản phẩm được sử dụng ngày càng nhiều trong các ngành sản

xuất.

Bao nilon phế thải còn được chế biến thành đồ dùng bằng cách đổ khuôn dưới áp

suất ở 150 ‒ 200oC. Phế thải của bao PVC có thể được dùng để sản xuất vật liệu xây

dựng như tấm lót PVC một lớp. Phế thải của thủy tinh hữu cơ là nguyên liệu rất tốt

để sản xuất đồ lưu niệm và đồ chơi.

121

Hình 53. Sơ đồ tái sinh nhựa phế thải

4.2.3. Tái sinh hóa học

Đây là phương pháp tái chế đang ngày càng phát triển mạnh hiện nay. Đôi khi

phương pháp này còn được gọi là tái chế monome, ngày nay nó đang được sử dụng

ngày càng nhiều để thu hồi nguyên liệu hữu ích từ phế thải chất dẻo. Phương pháp

hóa học phân hủy các polyme và đưa chúng trở về các thành phần ban đầu - các

hydrocacbon - sao cho có thể sử dụng làm nhiên liệu hoặc được tái polyme hóa.

Đối với một số dạng phế thải polime việc xử lý bằng hoá và nhiệt bao gồm quá

trình chuyển hóa polime ban đầu thành nguyên liệu sản xuất hay các sản phẩm có

giá trị khác là phương pháp thích hợp nhất.

Dưới tác dụng của axit photphoric và hơi quá nhiệt, phế thải capron được thực

hiện quá trình khử và trùng ngưng trong quy mô công nghiệp thành hỗn hợp hơi khí

(chứa đến 25% caprolactam), sau đó được cô đặc đến 80% và làm sạch. Đơn phân

122

tử thu được chiếm tỉ lệ 75 ‒ 80%. Đây là tỉ lệ thích hợp cho tái sử dụng trong sản

xuất.

Từ PE thứ cấp, ta có thể thu sáp PE bằng phương pháp phân hủy nhiệt. Sáp này

được sử dụng để làm khuôn đúc hoặc phụ gia cho hỗn hợp bitum asphat nhằm tăng

độ cứng và khả năng chịu mài mòn của lớp phủ cho đường giao thông.

Nhiệt phân là hướng tái chế phế liệu nhựa tiên tiến. Sản phẩm của quá trình này

được dùng làm nguyên liệu đễ tổng hợp chất hữu cơ hoặc nhiên liệu. Quá trình

nhiệt phân polime phế thải thường được tiến hành ở 300 ‒ 900oC.

Bọt polipuretan phế thải được thủy phân ở 290‒320oC bằng hơi nước để tạo

thành rượu đa nguyên tử, diamin và CO2 dùng trong sản xuất bọt poliuretan.

Từ nhựa phế thải, có thể sản xuất than để xử lí khí thải và nước thải sản xuất. Sự

có mặt của ẩm và các khí từ quá trình nhiệt phân làm cho chất hấp phụ có cấu trúc

xốp, có khả năng hấp phụ cao. Quá trình nhiệt phân thường được tiến hành ở

700‒750oC. Các thử nghiệm đã cho thấy dạng than này có khả năng hấp phụ rất

hiệu quả kim loại nặng và dầu có trong nước thải.

Tại Ba Lan, mỗi năm có khoảng 1,4 triệu tấn phế thải được đưa đi các bãi chôn

lấp rác, trong đó có khoảng 100.000 tấn là vật liệu tổng hợp. Công ty liên doanh Ba

Lan-Hunggari Pinter & Tokarz đã phát triển phương pháp gọi là Công nghệ T để

sản xuất nhiên liệu lỏng từ phế thải chất dẻo. Công nghệ này sử dụng các polyolefin

- loại chất dẻo có sẵn nhất và được sử dụng phổ biến trên thế giới - làm nguyên liệu

để chuyển hóa thành các phần nhẹ của dầu nhiên liệu, thường là C5 đến C34.

Những sản phẩm thông thường có thể được xử lý gồm có túi mua hàng bằng chất

dẻo, bao bì thực phẩm, đồ chơi, một số loại ống chất dẻo, các chi tiết của xe ôtô

như đệm giảm xóc.

Trong công nghệ của Pinter & Tokarz, dòng phế thải chất dẻo cần được hạn chế

ở các polyolefin sạch (polypropylen và polyetylen). Nhưng phương pháp này cũng

chấp nhận đến 15% các chất nhiễm bẩn như giấy, cát hoặc nước. Hỗn hợp nguyên

123

liệu được nhiệt phân có xúc tác trong môi trường yếm khí nhằm mục đích phá vỡ

các chuỗi polyme.

Trong nhà máy áp dụng công nghệ này, một kg chất dẻo có thể được chuyển hóa

thành 0,78 kg sản phẩm nhiên liệu lỏng (tương đương 720 lít/tấn). Công nghệ của

Pinter & Tokarz đã được áp dụng và triển khai trên thế giới. Một trong những nhà

máy mới được xây dựng theo công nghệ này là nhà máy xử lý phế thải tại bãi chôn

lấp rác ở Hua Hin, Thái Lan. Chính quyền địa phương ước tính 10% trong số

400.000 tấn phế thải của bãi là chất dẻo. Nếu toàn bộ lượng phế thải ở đây có thể

được thu gom và chuyển hóa thì người ta có thể thu được 29 triệu lít dầu.

4.3. Tái sinh cao su

Chất thải rắn của công nghiệp sản xuất vật liệu cao su kỹ thuật bao gồm cao su

lưu hóa hay chưa lưu hóa và vải được tạo thành trong giai đoạn chuẩn bị hỗn hợp

cao su, tạo phôi lưu hóa và xử lí thành phẩm.

Thành phần có giá trị trong chất thải là cao su và vải. Phần lớn chất thải của

ngành sản xuất dụng cụ cao su kỹ thuật được đổ bỏ hoặc đốt (khoảng 20 ‒ 30% chất

thải, 60% đối với cao su chưa lưu hóa), phần còn lại được sử dụng ngay trong các xí

nghiệp để sản xuất các đồ dùng có nhu cầu lớn như thảm, ống, bao tay, ủng, nón

cao su… Các chất thải có thành phần tương tự là vỏ xe hơi, vỏ máy bay, vỏ máy

kéo, đồ dùng cá nhân.

Vỏ xe phế thải chiếm 15 ‒ 20% khối lượng ban đầu, phần còn lại được tái sinh.

Cao su tái sinh sau xử lí có thể dùng để sản xuất các đồ dùng cao su kỹ thuật. Ví dụ,

khi tái sinh một vỏ xe có kích thước trung bình, ta có thể thu được gần 10 kg cao su.

Cần phải chú ý rằng không phải tất cả các đồ dùng cao su đều có thể tái sinh. Các

đồ dùng cao su không thể tái sinh gồm có: đồ dùng đã mất tính dẻo và trở nên dòn

do lão hoá, đồ dùng có hàm lượng cao su thấp hoặc đồ dùng được chế tạo từ cao su

tái sinh.

4.3.1. Chuẩn bị cho quá trình tái sinh

124

Trước khi tái sinh, cao su cần phải qua giai đoạn chuẩn bị bao gồm nghiền cao su

thành hạt, tách vải, trộn phụ gia, chất làm mềm, các chất hoạt hóa sử dụng cho quá

trình khử lưu huỳnh thúc đẩy cao su chuyển vào trang thái dẻo. Chất làm mềm cho

quá trình khử lưu huỳnh là sản phẩm hữu cơ là nhựa thông, nhựa lò hơi, dầu mỡ kỹ

thuật... với nhiệt độ sôi lớn hơn 300oC, vượt xa nhiệt độ khử lưu huỳnh.

Các phân tử của chất làm mềm xâm nhập vào giữa các phân tử cao su trong chất

dẻo, tạo ra sự giãn nở do tăng khoảng cách phân tử, làm yếu lực liên kết phân tử.

Do đó, làm giảm xác suất hư hỏng của quá trình tạo cấu trúc cao su. Chất làm mềm

còn tạo thành một trong các cấu tử tái sinh, làm tăng tính đàn hồi của nó. Định

lượng chất làm mềm khoảng 10 ‒ 30% khối lượng chất dẻo.

Chất hoạt hóa của quá trình khử lưu huỳnh là disunfua penta clo thiophenol,

disunfua triclo thiophenol, muối kẽm của những chất trên và các chất tạo dẻo hóa

học. Khi dùng các hợp chất này, nhiệt độ của quá trình giảm và thời gian khử lưu

huỳnh giảm 40 ‒ 50%. Lượng chất hoạt hoá thường chiếm 0,15 ‒ 3,0%, phụ thuộc

vào thành phần chất dẻo.

Quá trình cơ bản để sản xuất cao su tái sinh là khử lưu huỳnh. Quá trình này

được thực hiện bằng cách nung cao su đã được nghiền với phụ gia trong khoảng

thời gian xác định ở 160 ‒ 190oC. Lúc này, quá trình phân hủy cao su lưu hóa sẽ

xảy ra, cấu trúc không gian của cao su bị phân rã tại liên kết lưu hùynh ‒ cao su và

cao su – cao su. Quá trình khử lưu huỳnh làm giảm khối lượng của cao su. Do đó,

sau khi khử lưu hùynh, có một phần cao su bị tan ra. Khối lượng phân tử cao su

trung bình 6.000 – 12.000 g/mol.

Cao su thu được từ quá trình khử lưu huỳnh có lượng lớn nối đôi chưa bão hòa,

đảm bảo khả năng tái lưu hóa cao khi sản xuất vật liệu tái sinh.

4.3.2. Các phương pháp tái sinh cao su

Có nhiều phương pháp điều chế cao su tái sinh như nhiệt cơ, trung hòa bằng hơi

hay trung hòa bằng nước.

125

Không phụ thuộc vào phương pháp tái sinh trước đó, phế thải cao su đều phải

qua công đoạn chuẩn bị giống nhau. Chúng được phân loại theo hình dạng, chủng

loại và nồng độ cao su, được tách kim loại có trong phế thải trên máy cắt ép thành 3

đến 4 phần, được nghiền trên máy cắt lớp thành các mảnh bán vành khuyên có

chiều rộng 10 ‒ 40 mm, và nghiền thành hạt trên máy đập, nghiền đũa (hoặc máy

nghiền búa và nghiền đĩa). Sau các giai đoạn trên, các hạt cao su thu được sẽ có

kích thước 1‒2 mm với hàm lượng vải từ 2 ‒10% (phụ thuộc vào phương pháp xử lí

tiếp theo). Đây chính là vật liệu bán thành phẩm để sản xuất cao su tái sinh.

4.3.2.1. Phương pháp hơi nước và trung hòa bằng nước

Trong phương pháp hơi nước, phần cao su hạt không chứa vải được trộn với chất

tăng độ dai và được nhập vào lò khử lưu huỳnh. Ở đây chúng được xử lý bằng hơi

trực tiếp dưới áp suất 0,8‒1,0MPa ở 175 ‒185oC trong 7 ‒ 8 giờ (đối với vỏ xe).

Với mục đích đồng thể hóa và dẻo hóa, hỗn hợp đã khử lưu huỳnh được chế biến

nối tiếp trong các máy cán (cán hỗn hợp tái sinh và chuẩn bị cán tinh) rồi cho qua

ép lọc trục vít. Việc xử lí cuối cùng khối cao su thành sản phẩm được tiến hành trên

máy cán tinh.

Vì có quá trình khuấy trộn khối chất khử lưu huỳnh nên cao su tái sinh thường

không có tính dẻo đồng nhất. Đây chính là nhược điểm chính của phương pháp hơi

nước.

Với phương pháp nước, cao su tái sinh sẽ có chất lượng cao hơn. Quá trình khử

lưu huỳnh theo phương pháp trung hòa bằng nước đối với cao su đã được loại vải

được tiến hành trong nồi hơi đứng có cánh khuấy với môi trường là chất nhũ tương

nước ‒ chất tăng dai ở 180 ‒185oC trong vòng 5 ‒8 giờ. Hơi nước có áp suất dư

1,2MPa ở 191oC được cho vào vỏ nồi hơi. Khi kết thúc quá trình khử lưu huỳnh,

người ta tách nước ra khỏi cao su tái sinh trong thùng quay có vỏ xuyên lỗ. Để đạt

đến độ ẩm 15‒ 18%, người ta ép cao su tái sinh trong máy nén vít đẩy. Sau đó, cao

su tái sinh được sấy trong máy sấy chân không hoặc băng tải. Việc xử lí cơ học tiếp

theo để khử lưu huỳnh được tiến hành tương tự như trong phương pháp hơi.

126

Quá trình tái sinh cao su theo phương pháp trung hòa bằng nước, sự khuấy trộn

liên tục thúc đẩy sự trương nở của cao su trong chất tăng dai. Ngoài ra, nếu sử dụng

chất tăng dai là nhựa của cây gỗ lá nhọn có chứa nhiều axit tan trong nước, các sợi

vải còn sót lại sẽ bị phân hủy (hiệu quả tương tự khi bổ sung clorua kẽm và canxi).

Những yếu tố nói trên đều ảnh hưởng tốt đến chất lượng của cao su tái sinh.

4.3.2.2. Phương pháp nhiệt cơ

Phương pháp tái sinh hoàn thiện nhất về mặt kỹ thuật là phương pháp nhiệt cơ.

Phương pháp này cho phép tăng tốc độ đáng kể quá trình tái sinh, nhờ cơ khí hóa

và tự động hóa tối đa quá trình sản xuất. Phương pháp nhiệt cơ làm cho quá trình tái

sinh được thực hiện liên tục, giảm giá thành tái sinh.

Trong quy trình sản xuất cao su tái sinh bằng phương pháp nhiệt cơ (hình 54),

các hạt cao su được loại thành phần vải để đạt hàm lượng lượng sợi ≤ 2%. Sau đó,

nó được trộn liên tục với chất tăng dai trong khoảng 4 ‒12h. Cao su tiếp tục được

cho qua máy ép trục vít ở 140 ‒ 210oC để khử lưu huỳnh. Từ máy ép, cao su đã khử

lưu huỳnh được tiếp tục xử lí trên máy cán tinh để thu được cao su tái sinh. Cao su

tái sinh được sản xuất theo phương pháp này đồng nhất hơn và dẻo hơn cao su tái

sinh thu được theo phương pháp trung hòa bằng nước.

127

Hình 54. Sơ đồ sản xuất cao su tái sinh bằng phương pháp nhiệt cơ

4.3.2.3. Phương pháp phân tán và bức xạ

Đây là 2 phương pháp sản xuất cao su tái sinh mới do Liên Xô sáng chế ra.

Phương pháp phân tán được thực hiện bằng cách nghiền cao su đến trạng thái rất

nhuyễn trong môi trường nước. Quá trình được tiến hành với sự có mặt của chất

khử lưu huỳnh và chất hoạt động bề mặt ở nhiệt độ 40‒ 60oC, do đó, ngăn chặn

được sự hình thành các phản ứng oxi hóa và sự thay đổi đáng kể thành phần cao su

trong thời gian tái sinh. Phương pháp bức xạ (với tác dụng của tia γ) có thể được sử

dụng để tái sinh cao su trên cơ sở cao su butyl. Trong phương pháp này không cần

phải nghiền cẩn thận cao su.

Ở Liên Xô, giá thành cao su tái sinh thấp hơn 4 ‒ 6 lần giá thành cao su tổng hợp.

Vì vậy, việc sử dụng nó để thay thế một phần hay toàn bộ cao su trong sản xuất đồ

dùng bằng cao su kĩ thuật rất có lợi về mặt kinh tế. Việc sử dụng cao su tái sinh

không chỉ đem lại lợi ích kinh tế mà còn đem lại lợi ích về mặt kỹ thuật như tăng

vận tốc khuấy, giảm tiêu hao năng lượng, giảm độ co ngót của cao su thu được...

128

Phế thải kim loại của quá trình sản xuất cao su tái sinh có thể được dùng trong công

nghiệp luyện kim đen. Từ vải phế liệu, ta có thể làm các tấm cách nhiệt, cách âm,

chất độn cho đồ gỗ...

Một hướng khác để chế biến cao su phế thải là nghiền chúng thành hạt. Các hạt

cao su này có thể được chế biến thành nhiều loại vật liệu xây dựng có cao su chiếm

10 ‒ 40% như màng bitum ‒ cao su, vật liệu chống thấm, thảm lót, ván tường, vật

liệu phủ đường hoặc được dùng để sản xuất bao bì bền hóa học và các mục đích

khác.

Mặc dù qui mô tái sử dụng phế thải cao su trên thế giới khá lớn nhưng nguồn dự

trữ của chúng vẫn tiếp tục tăng lên đáng kể. Vì vậy, người ta vẫn còn tiếp tục tìm

kiếm các hướng tận dụng và chế biến mới.

4.2.3.4. Nhiệt phân cao su

Đối với các phế thải cao su không được sử dụng để sản xuất cao su tái sinh, có

thể dùng phương pháp nhiệt phân để thu được các sản phẩm khác nhau. Bằng cách

nhiệt phân phế thải cao su ở 400 ‒ 450oC, ta có thể thu được dầu cao su, một chất

được sử dụng làm chất tăng dai trong sản xuất cao su và cao su tái sinh.

Kết quả của quá trình nhiệt phân vỏ xe ô tô đã nghiền ở 593 ‒ 815oC là

hydrocacbon lỏng (được sử dụng như nhiên liệu), phần sản phẩm rắn có thể được sử

dụng thay cho mồ hóng để sản xuất các đồ dùng cao su kĩ thuật.

Nếu nhiệt phân ở nhiệt độ cao (900 ‒1200oC) hai giai đoạn, từ vỏ xe ô tô, ta có

thể thu được mồ hóng (chất cần thiết cho công nghiệp cao su), than cốc có khả năng

hấp phụ cao, khí và nguyên liệu cho luyện kim đen.

Hiện nay, quá trình nhiệt phân phế thải hữu cơ đang thu hút nhiều sự quan tâm.

129

KẾT LUẬN

Nhìn chung các phương pháp xử lý tuy khác nhau về tác nhân và hình thức xử lý

nhưng đều cho hiệu quả xử lý cao. Tùy theo thành phần và tính chất của chất thải

cần xử lý mà cần lựa chọn phương pháp thích hợp hoặc có thể kết hợp nhiều

phương pháp xử lý khác nhau để nâng cao hiệu quả. Tuy các phương pháp đều đem

lại hiệu quả nhưng vẫn còn nhiều vấn đề đáng lưu ý như là về năng suất xử lý còn

giới hạn, chỉ xử lý được lượng chất thải nhất định, nếu vượt quá sẽ gây ảnh hưởng

xấu tới công trình xử lý (các phương pháp xử lý bằng vi sinh vật), hoặc một số công

trình xử lý đòi hỏi diện tích rộng (hồ sinh học, bể sinh học…). Trên hết là chi phí

cho việc xử lý chất thải không hề nhỏ, ảnh hưởng đến yếu tố kinh tế. Do đó tối ưu

nhất là nên thực hiện tốt các biện pháp giảm thiểu chất thải trong quá trình sản xuất,

ngoài ra cũng nên áp dụng các phương pháp mới như sử dụng nguyên liệu sinh học

để sản xuất từ đó giảm lượng chất thải một cách triệt để nhất.

130

TÀI LIỆU THAM KHẢO

[1]. Đào Thị Ngọc Ánh, “Nghiên cứu phân loại, khả năng phân hủy DDT và sinh

Laccase của chủng nấm sợi phân lập từ đất ô nhiễm hỗn hợp thuốc trừ sâu”, luận

văn thạc sĩ sinh học, Đại học Thái Nguyên đại học sư phạm, Thái Nguyên, 2009.

[2]. Hoàng Đức Liên ‒ Tống Ngọc Tuấn, Kỹ thuật và thiết bị xử lý chất thải bảo vệ

môi trường, nhà xuất bản Nông nghiệp Hà Nội, 2000.

[3]. Lâm Vĩnh Sơn, “Chương 4: Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học” trong

bài giảng kỹ thuật xử lý nước thải, đại học kỹ thuật công nghệ TP.HCM, 2009.

[4]. Lê Anh Tuấn, “Chương 3: Công trình xử lý nước thải bằng cơ học” trong giáo

trình Công trình xử lý nước thải, Trường đại học cần thơ khoa công nghệ, 2005.

[5]. Nguyễn Văn Phước, Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học, nhà xuất bản

đại học Bách khoa TP.HCM.

[6]. Nguyễn Văn Phước, Quản lý và xử lý chất thải rắn, nhà xuất bản đại học bách

khoa TP.HCM.

[7]. Trần Văn Nhân – Ngô Thị Nga, Giáo trình công nghệ xử lý nước thải, nhà xuất

bản khoa học và kỹ thuật, 2002.

[8]. Trịnh Thị Thanh ‒ Trần Yêm ‒ Đồng Kim Loan, Giáo trình Công nghệ môi

trường, nhà xuất bản đại học quốc gia Hà Nội, 2004.

[9]. Diễn đàn hóa học ngày nay http://www.hoahocngaynay.com

[10]. Trang Wikipedia http://en.wikipedia.org/wiki/Atom_economy.