Ứng dụng kĩ thuật trao đổi ion trong các hệ thống xử lý nước thải

các bể xử lý kế tiếp. Quá trình điều lưu được sử dụng để: Điều chỉnh sự biến thiên về lưu lượng của nước thải theo từng giờ trong ngày. Tránh sự biến động về hàm lượng chất hữu cơ làm ảnh hưởng đến hoạt động của vi khuẩn trong các bể xử lý sinh học. Kiểm soát pH của nước thải để tạo điều kiện tối ưu cho các quá trình sinh học, hóa học sau đó. Khả năng chứa của bể điều lưu cũng góp phần giảm thiểu các tác động đến môi trường do lưu lượng thải được duy trì ở một mức độ ổn định. Bể điều lưu còn là nơi cố định các độc chất đối với quá trình xử lý sinh học làm cho hiệu suất của quá trình này tốt hơn. Trung hoà Nước thải thường có pH không thích hợp cho các quá trình xử lý sinh học hoặc thải ra môi trường, do đó nó cần phải được trung hòa. Có nhiều cách để tiến hành quá trình trung hòa: Trộn lẫn nước thải có pH acid và nước thải có pH bazơ. Bằng cách trộn lẫn hai loại nước thải có pH khác nhau, chúng ta có thể đạt được mục đích trung hòa. Quá trình này đòi hỏi bể điều lưu đủ lớn để chứa nước thải. Trung hòa nước thải acid: người ta thường cho nước thải có pH acid chảy qua một lớp đá vôi để trung hoà; hoặc cho dung dịch vôi vào nước thải, sau đó vôi được tách ra bằng quá trình lắng. Trung hòa nước thải kiềm: bằng các acid mạnh (lưu ý đến tính kinh tế). CO2 cũng có thể dùng để trung hòa nước thải kiềm, khi sục CO2 vào nước thải, nó tạo thành acid carbonic và trung hòa với nước thải. KEO TỤ VÀ TẠO BÔNG CẶN Hai quá trình hóa học này kết tụ các chất rắn lơ lửng và các hạt keo để tạo nên những hạt có kích thước lớn hơn. Nước thải có chứa các hạt keo có mang điện tích (thường là điện tích âm). Chính điện tích của nó ngăn cản không cho nó va chạm và kết hợp lại với nhau làm cho dung dịch được giữ ở trạng thái ổn định. Việc cho thêm vào nước thải một số hóa chất (phèn, ferrous chloride...) làm cho dung dịch mất tính ổn định và gia tăng sự kết hợp giữa các hạt để tạo thành những bông cặn đủ lớn để có thể loại bỏ bằng quá trình lọc hay lắng cặn. Các chất keo tụ thường được sử dụng là muối sắt hay nhôm có hóa trị 3. Các chất tạo bông cặn thường được sử dụng là các chất hữu cơ cao phân tử như polyacrilamid. Việc kết hợp sử dụng các chất hữu cơ cao phân tử với các muối vô cơ cải thiện đáng kể khả năng tạo bông cặn. KẾT TỦA Kết tủa là phương pháp thông dụng nhất để loại bỏ các kim loại nặng ra khỏi nước thải. Thường các kim loại nặng được kết tủa dưới dạng hydroxide. Do đó, để hoàn thành quá trình này người ta thường cho thêm các base vào nước thải để cho nước thải đạt đến pH mà các kim loại nặng cần phải loại bỏ có khả năng hòa tan thấp nhất. Thường trước quá trình kết tủa, người ta cần loại bỏ các chất ô nhiễm khác có khả năng làm cản trở quá trình kết tủa. Quá trình kết tủa cũng được dùng để khử phosphate trong nước thải. TUYỂN NỔI Quá trình này dùng để loại bỏ các chất có khả năng nổi trên mặt nước thải như dầu, mỡ, chất rắn lơ lửng. Trong bể tuyển nổi người ta còn kết hợp để cô đặc và loại bỏ bùn. Đầu tiên nước thải, hay một phần của nước thải được tạo áp suất với sự hiện diện của một lượng không khí đủ lớn. Khi nước thải này được trả về áp suất tự nhiên của khí quyển, nó sẽ tạo nên những bọt khí. Các hạt dầu, mỡ và các chất rắn lơ lửng sẽ kết dính với các bọt khí và với nhau để nổi lên trên và bị một thanh gạt tách chúng ra khỏi nước thải. LẮNG Quá trình lắng áp dụng sự khác nhau về tỉ trọng của nước, chất rắn lơ lửng và các chất ô nhiễm khác trong nước thải để loại chúng ra khỏi nước thải. Đây là một phương pháp quan trọng để loại bỏ các chất rắn lơ lửng. Bể lắng thường có dạng chữ nhật hoặc hình tròn. Đối với dạng bể lắng hình chữ nhật ở đáy bể có thiết kế thanh gạt bùn theo chiều ngang của bể, thanh gạt này chuyển động về phía đầu vào của nước thải và gom bùn về một hố nhỏ ở đây, sau đó bùn được thải ra ngoài. Có hai loại bể lắng hình tròn: Loại 1 nước thải được đưa vào bể ở tâm của bể và lấy ra ở thành bể Loại 2 nước thải được đưa vào ở thành bể và lấy ra ở tâm bể. Loại bể lắng hình tròn có hiệu suất cao hơn loại bể lắng hình chử nhật. Quá trình lắng còn có thể kết hợp với quá trình tạo bông cặn hay đưa thêm vào một số hóa chất để cải thiện rõ nét hiệu suất lắng. XỬ LÝ SINH HỌC HIẾU KHÍ Phần lớn các chất hữu cơ trong nước thải bị phân hủy bởi quá trình sinh học. Trong quá trình xử lý sinh học các vi sinh vật sẽ sử dụng oxy để phân hủy chất hữu cơ và quá trình sinh trưởng của chúng tăng nhanh. Ngoài chất hữu cơ (hiện diện trong nước thải), oxygen (do ta cung cấp) quá trình sinh học còn bị hạn chế bởi một số chất dinh dưỡng khác. Ngoại trừ nitơ và phospho, các chất khác hiện diện trong chất thải với hàm lượng đủ cho quá trình xử lý sinh học. Nước thải sinh hoạt chứa các chất này với một tỉ lệ thích hợp cho quá trình xử lý sinh học. Một số loại nước thải công nghiệp như nước thải nhà máy giấy có hàm lượng carbon cao nhưng lại thiếu phospho và nitơ, do đó cần bổ sung hai nguồn này để vi khuẩn hoạt động có hiệu quả. Những yếu tố khác ảnh hưởng đến quá trình xử lý sinh học là nhiệt độ, pH và các độc tố. Có nhiều thiết kế khác nhau cho bể xử lý sinh học hiếu khí, nhưng loại thường dùng nhất là bể bùn hoạt tính, nguyên tắc của bể này là vi khuẩn phân hủy các chất hữu cơ trong nước thải và sau đó tạo thành các bông cặn đủ lớn để tiến hành quá trình lắng dễ dàng. Sau đó các bông cặn được tách ra khỏi nước thải bằng quá trình lắng cơ học. Như vậy một hệ thống xử lý bùn hoạt tính bao gồm: một bể bùn hoạt tính và một bể lắng. SỤC KHÍ Quá trình sục khí không những cung cấp oxy cho vi khuẩn hoạt động để phân hủy chất hữu cơ, nó còn giúp cho việc việc khử sắt, magnesium, kích thích quá trình oxy hóa hóa học các chất hữu cơ khó phân hủy bằng con đường sinh học và tạo lượng DO đạt yêu cầu để thải ra môi trường. Có nhiều cách để hoàn thành quá trình sục khí: bằng con đường khuếch tán khí hoặc khuấy đảo. XỬ LÝ CẤP 3 Lọc: quá trình lọc nhằm loại bỏ các chất rắn lơ lửng hoặc các bông cặn (từ quá trình keo tụ hoặc tạo bông cặn), bể lọc còn nhằm mục đích khử bớt nước của bùn lấy ra từ các bể lắng. Quá trình lọc dựa trên nguyên tắc chủ yếu là khi nước thải đi qua một lớp vật liệu có lổ rỗng, các chất rắn có kích thước lớn hơn các lổ rỗng sẽ bị giữ lại. Có nhiều loại bể lọc khác nhau nhưng ít có loại nào sử dụng tốt cho quá trình xử lý nước thải. Hai loại thường sử dụng trong quá trình xử lý nước thải là bề lọc cát và trống quay. Hấp phụ: quá trình hấp phụ thường được dùng để loại bỏ các mảnh hữu cơ nhỏ trong nước thải công nghiệp (loại này rất khó loại bỏ bằng quá trình xử lý sinh học). Nguyên tắc chủ yếu của quá trình là bề mặt của các chất rắn (sử dụng làm chất hấp phụ) khi tiếp xúc với nước thải có khả năng giữ lại các chất hòa tan trong nước thải trên bề mặt của nó do sự khác nhau của sức căng bề mặt. Chất hấp phụ thường được sử dụng là than hoạt tính (dạng hạt). Tùy theo đặc tính của nước thải mà chúng ta chọn loại than hoạt tính tương ứng. Quá trình hấp phụ có hiệu quả trong việc khử COD, màu phenol... Than hoạt tính sau một thời gian sử dụng sẽ bảo hòa và mất khả năng hấp phụ, chúng ta có thể tái sinh chúng lại bằng các biện pháp tách các chất bị hấp phụ ra khỏi than hoạt tính thông qua: nhiệt, hơi nước, acid, base, ly trích bằng dung môi hoặc oxy hóa hóa học. Trao đổi ion: trao đổi ion là quá trình ứng dụng nguyên tắc trao đổi ion thuận nghịch của chất rắn và chất lỏng mà không làm thay đổi cấu trúc của chất rắn. Quá trình này ứng dụng để loại bỏ các cation và anion trong nước thải. Các cation sẽ trao đổi với ion hydrogen hay sodium, các anion sẽ trao đổi với ion hydroxyl của nhựa trao đổi ion. Hầu hết các loại nhựa trao đổi ion là các hợp chất tổng hợp. Nó là các chất hữu cơ hoặc vô cơ cao phân tử đính kết với các nhóm chức. Các nhựa trao đổi ion dùng trong xử lý nước thải là các hợp chất hữu cơ cao phân tử có cấu trúc không gian 3 chiều và có lổ rỗng. Các nhóm chức được đính vào cấu trúc cao phân tử bằng cách cho hợp chất này phản ứng với các hóa chất chứa nhóm chức thích hợp. Khả năng trao đổi ion được tính bằng số nhóm chức trên một đơn vị trọng lượng nhựa trao đổi ion. Hoạt động và hiệu quả kinh tế của phương pháp này phụ thuộc vào khả năng trao đổi ion và lượng chất tái sinh cần sử dụng. Nước thải được cho chảy qua nhựa trao đổi ion cho tới khi các chất ion cần loại bỏ biến mất. Khi nhựa trao đổi ion đã hết khả năng trao đổi ion, nó sẽ được tái sinh lại bằng các chất tái sinh thích hợp. Sau quá trình tái sinh các chất tái sinh sẽ được rửa đi bằng nước và bây giờ nhựa trao đổi ion đã sẳn sàng để sử dụng cho chu trình kế. Ion exchange Trao đổi ion là một phương pháp làm mềm, khử khoáng vẫn đang được sử dụng rộng rãi. Nguyên lý hoạt dộng của các loại vật liệu hầu như giống nhau. Sự khác biệt chỉ thể hiện rõ ở cấu tạo và quy trình công nghệ sản xuất vật liệu trao đổi ion. Ion là một nguyên tử mang điện tích. Nguyên tử mang điện tích âm được gọi là Anion. Nguyên tử mang điện tích dương (thường là kim loại) được gọi là Cation. Chu trình vận hành bộ trao đổi ion Khi gặp điều kiện thuận lợi, các ion trái dấu có thể kết hợp với nhau, tạo thành cặn, váng. Một số có hại cho sức khỏe, một số gây mất mỹ quan. Để xử lý hiện tượng này, người ta dùng "hạt nhựa trao đổi ion". Theo nguyên lý những hạt mang điện tích trái dấu sẽ hút nhau, người ta dùng loại hạt nhựa tích Cation để "hút" các ion âm và ngược lại. Khi các hạt nhựa đã bão hòa (không thể "hút" thêm được nữa) người ta phải "sạc" lại. Quá trình này có thể diễn ra liên tục hay theo chu kỳ, tự động hay thủ công tùy vào quy mô và sản phẩm cụ thể. Một số loại ion thường thấy trong nước chưa xử lý: Cation Anion Calcium (Ca2+) Chloride (Cl-) Magnesium (Mg2+) Bicarbonate (HCO3-) Sodium (Na+) Nitrate (NO3-) Potassium (K+) Carbonate (CO32-) Iron (Fe2+) Sulfate (SO42-) Làm mềm: Các ion Can-xi (Ca2+), Magiê (Mg2+) sẽ tạo ra cặn trong đường ống, bám trên bề mặt các vật chứa, anh hưởng đến sinh hoạt. Để thay thế ion magiê, can-xi người ta thường dùng ion soda để làm nước “mềm” hơn. Đây là một trong những ứng dụng của phương pháp trao đổi ion.