Tài liệu các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp

ĐỀ TÀI: các phương pháp xử lý nước thải sinh hoạt và công nghiệp

Chương 1.Tổng quan về các phương pháp xử lư nước thải sinh hoạt và công nghiệp
1.1 Lời nói đầu
Có thể nói nước là tài sản chung của nhân loại, là nguồn gốc của sự sống. Nước đóng vai tṛ quyết định trong việc đảm bảo cuộc sống con người.
Con người sử dụng nước phục vụ cho nhiều mục đích khác nhau nh­ giao thông vận tải, nông nghiệp, thuỷ điện . Có thể thấy trong việc sử dụng tài nguyên thiên nhiên nhiều nguyên liệu có thể thay thế cho nhau được nhưng riêng nước chưa ǵ thay thế được. Tuy nhiên nước c̣n là một phương tiện lan truyền các nguồn bệnh và trong thực tế các bệnh lây lan qua môi trường nước là nguyên nhân chính gây ra bệnh tật và tử vong nhất là tại các nước đang phát triển. Chính v́ vậy việc xử lư nước luôn là một vấn đề cấp bách trong đời sống con người .
1.2.1 Sù ô nhiễm nước
Nước trong tự nhiên được h́nh thành cả số lượng và chất lượng dưới ảnh hưởng của các quá tŕnh tự nhiên, không có tác động của con người. Dưới tác động của con người nước tự nhiên bị nhiễm bẩn bởi các chất khác nhau kết quả là làm ảnh hưởng đến chất lượng của nó. Các khuynh hướng thay đổi chất lượng của nước dưới ảnh hưởng các hoạt động con người bao gồm:
- Giảm độ pH của nước ngọt do ô nhiễmbởi H[SUB]2[/SUB]SO[SUB]4[/SUB] , HNO[SUB]3[/SUB] từ khí quyển và nước thải công nghiệp , tăng hàm lượng SO[SUB]3[/SUB][SUP]2-[/SUP]và NO[SUB]3[/SUB][SUP]2-[/SUP] trong nước .
- Tăng hàm lượng các ion Ca, Mg, Si trong nước ngầm và nước sông do nước mưa hoà tan phong hoỏ cỏc quặng Cacbonat.
- Tăng hàm lượng các ion kim loại nặng trong nước tự nhiên.- Tăng hàm lượng các muối trong nước bề mặt và nước ngầm do chúng đi vào môi trường nước cùng nước thải, từ khí quyển và các chất thải rắn.
- Tăng hàm lượng các muối trong nước bề mặt và nước ngầm do chúng đi vào môi trường nước cùng nước thải, từ khí quyển và các chất thải rắn.
- Tăng hàm lượng các hợp chất hữu cơ, trước tiên là các chất khó bị phân huỷ sinh học ( các chất bề mặt, thuốc trừ sâu ).
- Giảm nồng độ oxy ḥa tan trong nước tự nhiên do các quá tŕnh ụxy hoỏ liên quan đến quá tŕnh ph́ dưỡng các nguồn chứa nước và khoỏng hoỏ cỏc hợp chất hữu cơ .
- Giảm độ trong nước.Tăng khả năng nguy hiểm ô nhiễm nước tự nhiên do các nguyên tố phóng xạ.
1.1.3. Phân loại nước thải
Thông thường nước thải được phân loại theo nguồn gốc phát sinh ra chỳng. Đú cũng là cơ sở cho việc chọn lựa cỏc biện pháp hoặc công nghệ xử lư. Theo cách phân loại này cú cỏc loại nước thải dưới đây:
Nước thải sinh hoạt là nước thải từ các khu dân cư, khu vực hoạt động thương mại, công sở trường học và các cơ sở tương tự khác.
Nước thải sinh hoạt là hỗn hợp phức tạp thành phần các chất , trong đó chất bẩn thuộc nguồn gốc hữu cơ thường tồn tại dưới thành phần không hoà tan, dạng keo và dạng hoà tan. Thành phần và tính chất của chất bẩn phụ thuộc vào mức độ hoàn thiện thiết bị, trạng thái làm việc của hệ thống mạng lưới vận chuyển, tập quán sinh hoạt của người dân, mức sống xă hội, điều kiện tự nhiờn do tính chất hoạt động của đô thị mà chất bẩn của nước thải thay đổi theo thời gian và không gian.Để tiện lợi người ta quy ước thành phần, tính chất của nước thải sinh hoạt là tương đối ổn định.
Nước thải công nghiệp ( hay c̣n gọi là nước thải sản xuất ). Nước thải công nghiệp là nước thải từ các nhà máy đang hoạt động, có cả nước thải sinh hoạt nhưng trong đó nước thải công nghiệp là chủ yếu. Nước thải sinh hoạt bao gồm: nước thải sinh hoạt từ khâu chuẩn bị, chế biến thức ăn tại các nhà hàng xí nghiệp, nước sinh hoạt của công nhân trong giê làm việc và nước thải tắm của công nhân.
Thành phần và tính chất của nước thải công nghiệp phụ thuộc vào nhiều yếu tố( lĩnh vực sản xuất công nghiệp, chế độ công nghệ, lưu lượng đơn vị tớnh trên sản phẩm ) và rất đa dạng.Trong các thành phố phát triển, khối lượng nước thải công nghiệp chiếm khoảng 30-35% tổng lưu lượng nước thải đô thị.
Nước thấm qua: Đây là nước mưa thấm qua các hệ thống cống bằng nhiều cách khác nhau qua các khớp nối, các ống có khuyết tật hoặc thành của hố ga.
Nước thải tự nhiên: Nước mưa được xem nh­ nước thải tự nhiên. ở những thành phố hiện đại, nước thải tự nhiên được thu gom theo một hệ thống thoỏt riờng.
1.1.4. Các đặc điểm chính của nước thải
a) Đặc điểm vật lư
Theo trạng thái vật lư, các chất bẩn trong nước thải được chia thành:
- Các chất không hoà tan ở dạng lơ lửng, kích thước lớn hơn 10[SUP]-4[/SUP]mm, có thể ở dạng huyền phù, nḥ tương hoặc dạng sợi, giấy, vải, cơy,cỏ
- Các tạp chất bẩn dạng keo với kích thước dạng hạt trong khoảng 10[SUP]-4[/SUP] đến 10[SUP]-6[/SUP]mm.
- Các chất bẩn dạng tan có kích thước nhỏ hơn 10[SUP]-6[/SUP]mm, có thể ở dạng phân tử hoặc phân ly thành ion.
- Nồng độ các chất bẩn trong nước thải có thể đậm đặc hoặc loăng tuỳ thuộc tiêu chuẩn dùng nước sinh hoạt và lượng nước thải công nghiệp hoà lẫn vào.
b) Đặc điểm hoá học
Nước thải chứa các hợp chất hoá học dạng vô cơ nh­ sắt, magie, canxi, silic, nhiều chất hữu cơ sinh hoạt nh­ phân, nước tiểu và các chất thải khác nh­ cỏt, sét, dầu, mỡ. Nước thải vừa xả ra thường có tính kiềm, nhưng dần trở nên có tính axit v́ thối rữa từ các chất hữu cơ có xuất xứ từ động vật và thực vật. Những chất hữu cơ trong nước thải có thể chia thành các chất nitơ và các chất cacbon. Các hợp chất chứa nitơ chủ yếu nh­ ure, protein, amin, axit amin Cỏc hợp chất chứa cacbonnh­ ḿ, xà pḥng, hydro cacbon trong đó có cả xenlulo từ chất thải công nghiệp lẫn vào làm cho thành phần và tính chất nước thải càng thêm đa dạng.
c) Đặc điểm sinh vật, vi sinh vật
Nước thải sinh hoạt chứa vô số sinh vật, chủ yếu là vi sinh với số lượng từ 10[SUP]5[/SUP]- 10[SUP]6[/SUP] tế bào trong 1 ml. Nguồn chủ yếu đưa vi sinh vật vào nước thải là phân, nước tiểu và đất cát.
Tế bào vi sinh h́nh thành từ chất hữu cơ, nên tập hợp vi sinh có thể coi là một phần của tổng hợp chất hữu cơ trong nước thải. Phần này sống, hoạt động, tăng trưởng để phân huỷ phần hữu cơ c̣n lại của nước thải.
Vi sinh trong nước thải thường được phân biệt theo h́nh dạng. Vi sinh xử lư nước thải có thể phân làm ba nhóm: vi khuẩn, nấm và nguyên sinh động vật.
Vi khuẩn dạng nấm có kích thước lớn hơn vi khuẩn và không có vai tṛ trong quá tŕnh phân huỷ ban đầu của các chất hữu cơ trong quá tŕnh xử lư nước thải, chúng thường phát triển kết thành lưới nổi trên mặt nước gây cản trở ḍng chảy và quá tŕnh thuỷ động học.
Nguyên sinh động vật đặc trưng bằng một vài giai đoạn hoạt động trong quá tŕnh sống của nó. Thức ăn chính của chúng là vi khuẩn nờn chỳng là chất chỉ thị quan trọng thể hiện hiệu quả xử lư nước thải.
1.1.5. Một số thông số quan trọng của nước thải
a) Hàm lượng chất rắn
Tổng chất rắn là thành phần vật lư đặc trưng quan trọng nhất của nước thải. Nó bao gồm các chất rắn nổi, lơ lửng, keo và tan. Khi phân tích, tổng chất rắn được xác định là phần c̣n lại sau khi cho bay hơi mẫu nước hoặc nước thải trên bếp cách thuỷ, tiếp đó sấy khô ở nhiệt độ 103[SUP]0[/SUP]C cho tới khi trọng lượng không đổi. Hàm lượng các chất rắn lắng được sẽ lắng xuống đỏy bỡnh hỡnh cụn trong 60 phót và được tính bằng ml/l. Chỉ tiêu này là một phép đo gần đúng lượng bùn sẽ được khử trong lắng sơ cấp. Trong nước thải sinh hoạt cặn lơ lửng chiếm 70% cặn hữu cơ và 30% cặn vô cơ.
b) Hàm lượng oxy hoà tan DO
Đây là một trong những chỉ tiêu quan trọng nhất của nước thải v́ oxy không thể thiếu được đối với tất cả các sinh vật sống trên cạn c̣ng nh­ dưới nước. Oxy thường có độ hoà tan thấp và phụ thuộc vào áp suất, nhiờt độ, nồng độ muối có trong nước thải. Trong quá tŕnh xử lư, các vi sinh vật tiêu thụ oxy hoà tan để oxy hoá sinh hoá, đồng hoỏ cỏc chất dinh dưỡng và chất nên cần thiết cho sự sống, sinh sản và tăng trưởng của chúng. V́ vậy, giữ được oxy hoà tan trong nước thải trong quá tŕnh xử lư là yêu cầu quan trọng.
c) Nhu cầu oxy sinh hoá BOD
Nhu cầu oxy sinh hoá là chỉ tiêu thông dụng nhất để xác định mức độ ô nhiễm của nước thải đô thị và chất thải trong nước thải công nghiệp. BOD biểu thị lượng các chất hữu cơ trong nước có thể bị phân huỷ bằng các vi sinh vật và được định nghĩa là lượng oxy vi sinh vật đă sử dụng trong quá tŕnh oxy hoỏ cỏc chất hữu cơ, v́ vậy việc xác định tổng lượng oxy hoà tan cần thiết cho quá tŕnh phân huỷ sinh học là công việc quan trọng để đánh giá ảnh hưởng của một ḍng thải đối với nguồn nước.
Trong kỹ thuật môi trường chỉ tiêu này được dùng rộng răi để:
- Xác định gần đúng lượng oxy cần thiết để ổn định sinh học các chất hữu cơ có trong nước thải
- Xác định kích thước thiết bị xử lư.
- Xác định hiệu xuất xử lư của một số quá tŕnh.
- Xác định sự chấp thuận tuân theo những quy định cho phép thải chất thải.
d) Nhu cầu oxy hoá học COD
Chỉ số này được dùng để biểu thị hoá hàm lượng chất hữu cơ trong nước thải và mức độ ô nhiễm nước tự nhiên. COD được định nghĩa là lượng oxy cần thiết cho quá tŕnh oxy hoỏ hoỏ học các chất hữu cơ trong nước thành CO[SUB]2[/SUB] và nước. Lượng oxy này tương đương với với hàm lượng chất hữu cơ có thể bị oxy hoá được xác định khi sử dụng một tác nhân oxy hoỏ hoỏ học mạnh trong môi trường axit. COD được xác định bằng cách đun sôi hợp chất hữu cơ( nước thải ) với axit sunfuric đậm đặc tinh khiết và cho thêm kali iodat hoặc muối của axit cromic.


1.2 Các phương pháp xử lư nước thải sinh hoạt và công nghiệp
Mục đích của xử lư nước thải là khử các tạp chất sao cho nước sau khi xử lư đạt tiêu chuẩn chất lượng theo các chỉ tiêu đă đề ra. Để đạt được điều này dây chuyền công nghệ xử lư nước thải được nhóm thành các công đoạn:
Xử lư cấp 1- Gồm các quá tŕnh xử lư sơ bộ và lắng bắt đầu từ song ( hoặc lưới chắn ) và kết thúc sau lắng cấp 1. Công đoạn này có nhiệm vụ khử các vật rắn nổi có kích thước lớn và các tạp chất rắn lơ lửng ở bể lắng cấp 1. ở đây thường gồm các quá tŕnh lọc qua song ( hoặc lưới ) chắn,lắng, tuyển nổi, tách dầu mỡ và trung hoà.
Xử lư cấp 2-Gồm các quá tŕnh sinh học ( đôi khi cả hoá học ) có tác dụng khử hầu hết các tạp chất hữu cơ hoà tan có thể phân huỷ bằng con đường sinh học, nghĩa là khử BOD. Đó là các quá tŕnh: Hoạt hoỏ bựn, lọc sinh học hay oxy hoá sinh học trong các hồ ( hồ sinh học và phân huỷ yếm khí ). Tất cả các quá tŕnh này đều sử dụng khả năng của các vi sinh vật chuyển hoỏ cỏc chất thải hữu cơ về dạng ổn định và năng lượng thấp.
Xử lư cấp 3- Thường gồm các quá tŕnh: Vi lọc, kết tủa hoá học và đông tụ, hấp thụ bằng than hoạt tính trao đổi ion, thẩm thấu ngược, điện thấm tớch, cỏc quá tŕnh khử các chất dinh dưỡng, clo hoá và ozon hoá.









H́nh 1.2. Sơ đồ nguyên lư và các mức độ xử lư nước thải .
1. Thanh chắn hoặc lưới chắn 5. Bể lắng cấp II.
2. Bể lắng cát 6. Bể tiếp xúc clo
3. Bể lắng cấp mét 7. Bể lắng làm đặc bùn
4. Xử lư cấp II ( hoạt hoỏ bựn hoặc lọc sinh học ) 8. Bể tiêu huỷ bùn yếm khí
9. Thiết bị tách nước
1.2.1. Xử lư nước thải bằng phương pháp cơ học
Đây là bước xử lư sơ bộ. Mục đích của quá tŕnh là loại tất cả các tạp vật có thể gây ra sự cố trong quá tŕnh vận hành xử lư nước thải như làm tắc bơm, đường ống hoặc kênh dẫn. Đây là bước quan trọng đảm bảo an toàn và điều kiện làm việc thuận lợi cho cả hệ thống. Những công tŕnh xử lư cơ học bao gồm:
Song chắn rác, lưới lọc dùng để chắn giữ các cặn bẩn có kích thước lớn hoặc ở dạng sợi nh­ giấy, rau, cỏ, rác. Sau dú chỳng thường được chuyển tới máy nghiền rỏc,sau khi được nghiền nhỏ chúng được chuyển tới bể phân huỷ cặn. Trong những năm gần đây sử dụng rất phổ biến loại song chắn rác liên hợp vừa chắn giữ vừa nghiền rác đối với những trạm xử lư công xuất nhỏ và vừa.
Bể lắng cát tách ra khỏi nước thải các chất bẩn vô cơ có trọng lượng riêng khác với trọng lượng riêng của nước thải( như xỉ, than, cỏt ) chỳng không có lợi đối với các quá tŕnh làm trong, xử lư sinh hoá nước thải và xử lư cặn bă cũng như không có lợi đối với các công tŕnh thiết bị công nghệ trên trạm xử lư. Cát từ bể lắng cát được đưa đi phơi khô và sau đó thường được sử dụng lại co những mục đích xây dựng.
Bể lắng tách ra các chất lơ lửng có trọng lượng riêng khác với trọng lượng riêng của nước thải. Chất lơ lửng nặng sẽ từ từ lắng xuống đỏy,cỏc chất lơ lửng nhẹ sẽ nổi lên bề mặt nước. Cặn lắng và bọt nổi nhờ các thiết bị thu gom và vận chuyển lên công tŕnh xử lư cặn.
Bể vít dầu mỡ thường áp dụng khi xử lư nước thải có chứa dầu mỡ( nước thải công nghiệp ), Đối với xử lư khi hàm lượng dầu mỡ không cao th́ việc vít dầu mỡ thường được thực hiện ngay ở bể lắng nhờ thiết bị gạt chất nổi.
Bể lọc nhằm tỏch cỏc chất ở trạng thái lơ lửng kích thước nhỏ bắng cách cho nước thải đi qua líp vật liệu lọc, công tŕnh này sử dụng chủ yếu cho một số loại nước thải công nghiệp.
Phương pháp xử lư nước thải bằng cơ học có thể loại bỏ khỏi nước thải được 60% các tạp chất không hoà tan và 20% BOD.
Hiệu quả xử lư có thể đạt tới 75% theo hàm lượng chất lơ lửng và 30% theo BOD bằng các biện pháp làm thoáng sơ bộ hoặc đông tụ sinh học.
Trong một số trường hợp các công tŕnh xử lư cơ học có thể kể đến bể tự hoại, bể lắng hai vỏ, bể lắng có ngăn phân huỷ, bể UASB là những công tŕnh vừa để lắng cặn vừa để phân huỷ cặn lắng trong môi trường kỵ khí.
Nếu điều kiện vệ sinh cho phộp, thỡ sau khi xử lư cơ học nước thải được khử trùng và xả vào nguồn nhưng thường th́ xử lư cơ học chỉ là giai đoạn xử lư sơ bộ trước khi cho qua xử lư sinh học.
Khi tính toán các bể lắng để xử lư nước thải phải tính đến các chỉ tiêu đặc trưng cho tớnh chất lư học của nước thải và các chất lơ lửng trong đó, các chỉ tiêu cơ bản là :
- Nhiệt độ nước vào bể.
- Nồng độ các chất lơ lửng và lư tính của chúng.
- Kớch thước các hạt hoặc tốc độ lắng xuống hay nổi lên của chúng.
- Độ Èm của cặn sau khi lắng.
- Động học quá tŕnh nén cặn dưới nước.
1.2.2 Xử lư nước thải bằng phương pháp hoá lư.
Phương pháp này được dùng để thu hồi các chất quư hoặc để khử các chất độc hại, các chất có ảnh hưởng xấu đối với giai đoạn làm sạch sinh hoá sau này.
Cơ sở của các phương phỏp hoỏ lư là các phản ứng hoá học, các quá tŕnh lư hoá diễn ra giữa chất bẩn với hoá chất cho thêm vào. Những phản ứng diễn ra có thể là phản ứng oxy hoá- khử, các phản ứng tạo chất kết tủa hoặc các phản ứng phân huỷ chất độc hại. Các phương pháp hoá học là oxy hoá, trung hoà và keo tụ.Thụng thường đi đôi với trung hoà có kèm theo quá tŕnh đông tụ và nhiều hiện tượng vật lư khác.
Những phương pháp hoá lư để xử lư nước thải đều dựa trờn cơ sở ứng dụng các quá tŕnh: Đông tụ, hấp thụ, trích ly, bay hơi, tuyển nổi, trao đổi ion, tinh thể hoá, dializ-màng bán thấm, cô đặc, khử hoạt tính phóng xạ, khử khí khử màu .
1.2.3. Xử lư nước thải bằng phương pháp đông tụ
Đông tụ là làm trong và khử màu nước thải bằng cách dựng cỏc chất keo tụ ( phốn ) và các chất trợ keo tụ để liên kết cỏc chơt bẩn ở dạng lơ lửng và keo thành những bụng cú kích thước lớn hơn lắng xuống.Phương phỏp đụng tụ làm tăng nhanh quá tŕnh lắng các chất lơ lửng phân tán nhỏ, keo thậm chí cả nḥ tương và các tạp chất khác. Khi đó nồng độ các chất lơ lửng, mùi, màu sẽ giảm xuống. Các chất đông tụ thường dùng là nhôm sunfat,sắt sunfat, sắt clorua
Hiệu suất đông tụ cao nhất khi giá trị pH= 4 8,5. Để loại cỏc bụng lớn và dễ lắng người ta cho thờm cỏc chất trợ đông tụ. Đó là chất cao phân tử tan trong nước và đễ phân ly thành ion. Tuỳ thuộc vào cỏc nhúm ion khi phân ly mà các chất trợ đông tụ có điện tớch ơm hoặc dương.
1.2.4.Xử lư nước thải bằng phương pháp hấp phụ
Hấp phụ là tỏch cỏc chất hữu cơ và khí hoà tan khỏi nước thải bằng cách tập chung các chất đú trờn bề mặt chất rắn ( chất hấp phô ) hoặc bằng cách tương tác giữa các chất bẩn hoà tan với các chất rắn. Hiện nay phương pháp hấp phụ được xử dụng rộng răi để xử dụng nước thải công nghiệp. Phương pháp này cho phép xử lư nước thải chứa một hoặc nhiều loại nước bẩn khác nhau. Kể cả khi nồng độ chất bẩn trong nước rất thấp. Như vậy phương pháp hấp phụ c̣n có thể dùng để xử lư triệt để nước thải sau khi đă xử lư bằng các phương pháp khác. Nếu các chất cần khử bị hấp phụ tốt và chi phí riêng lượng chất hấp phụ không lớn th́ việc ứng dụng phương pháp này là hợp lư hơn cả.
Trong công nghệ xử lư nước thải khi nói về phương pháp hấp phụ tức là nói về quá tŕnh hấp phụ chất bẩn hoà tan ở bề mặt biên giới giữa pha lỏng và pha rắn. Người ta phân biệt ba loại hấp phụ sau đây:
- Hấp phụ là quá tŕnh, trong đó những phân tử của chất bẩn hoà tan không những tập chung ở bề mặt mà c̣n bị hút sơu vào cỏc lớp bên trong của chất rắn( hoặc chất láng ). Khi xử lư nước thải chứa các chất bẩn dạng khí hoà tan th́ người ta dựng cỏc phương pháp hấp thụ- tháp hấp thụ hoặc tháp lọc khí.
- Hấp phụ lư học là quá tŕnh hót( hay c̣n gọi là tập chung ) của một hoặc hỗn hợp các chất bẩn hoà tan thể khí hoặc thể lỏng trên bề mặt chất rắn.
- Hấp phụ hoá học là quá tŕnh hót các chất tan dạng khí dưới tác dụng hoá học tức là các chất tan hấp phụ lên bề mặt và tạo phản ứng hoá học với chất rắn.
1.2.5. Xử lư nước thải bằng phương pháp trích ly