Tải bản đầy đủ
5 Thành phần và tính chất nước thải Nhuộm tại Cơ sở nhuộm Quốc Tuấn

5 Thành phần và tính chất nước thải Nhuộm tại Cơ sở nhuộm Quốc Tuấn

Tải bản đầy đủ

Chương 2: Tổng Quan

mg/l, pH >11, nhiệt độ 100 oC. Thành phần có chứa màu, Na2SO3, Na2CO3, chất càng
hóa và phân tán…
Nước thải tẩy có hàm lượng cặn lơ lững 120 – 1300 mg/l; pH >12; COD: 9000 –
30.000 mg/l tuỳ thuộc vào mức độ bẩn và hồ vải, nhiệt độ 70-80 oC. Thành phần nước
thải chứa: cellulose, hồ, chất oxy hóa H 2O2, soda, NaOH, các chất tạo ion… Trung
bình một mẻ tẩy hồ sử dụng lượng hoá chất như sau:
NaOH :

15 – 20 g/l;

Soda :

15 – 20 g/l;

H2O2 :

20 – 30 g/l;

Các chất tạo ion.
Lượng nước sử dụng cho một mẻ nhuộm cũng như tẩy khoảng 300 lít. Còn nước
rửa nhiều hay ít tùy vào khối lượng cuộn vải và độ dày mỏng của loại vải.
Kết quả phân tích mức độ ô nhiễm các loại nước thải trên được trình bày ở bảng
2-12:
Bảng 2-13 Mức độ ô nhiễm nước thải nhuộm
Loại nước thải
Chỉ tiêu
Hoạt Tính
Sulfur
Tẩy
pH
10-11
> 11
> 12
COD, mg/l
450-1500
10.000-40.000
9.000-30.000
BOD, mg/l
200-800
2000-10.000
4000-17.000
Nitơ tổng, mg/l
5-15
100-1000
200-1000
Photpho
0.7-3
7-30
10-30
tổng, mg/l
SS, mg/l
Không đáng kể
Không đáng kể
120-1300
Màu, Pt-Co
7.000-50.000
100.000-500.000
500-2000
Độ đục, FAU
140-1500
8000-200.000
1000-5000
Yêu cầu đặt ra là nước thải sau xử lý phải đạt tiêu chuẩn loại B. Tuy nhiên, kết
quả phân tích thực tế cho thấy nước thải nhuộm chứa hàm lượng chất hữu cơ rất cao.
Thành phần phẩm nhuộm phức tạp, khó phân hủy nên việc lựa chọn công nghệ xử lý
thích hợp là vô cùng nan giải.
Vì mỗi loại nước thải có thành phần và tính chất riêng nên khả năng xử lý tùy
thuộc vào mỗi loại. Vì vậy, việc nghiên cứu xử lý riêng từng loại nước thải là cần thiết.
Thành phần một số nước thải từ các thuốc nhuộm khác nhau có thể tham khảo
trong bảng 2-14

- 27 -

Chương 2: Tổng Quan

Bảng 2-14

Thành phần các loại nước thải từ ngành dệt nhuộm

Thuốc nhuộm

Thành phần

Trực tiếp

Thuốc nhuộm, muối, sodium carbonate, chất hoạt động bề mặt,
chất càng hóa và phân tán…

Hoạt Tính
(Phản ứng)

Thuốc nhuộm, NaOH, Sodium phosphate, NaHCO 3, Chất càng hóa
và phân tán, urê, chất hoạt động bề mặt.

Thuốc nhuộm
Acid

Thuốc nhuộm, (NH4)2SO4, giấm, H2SO4, chất hoạt động bề mặt,
chất càng hóa và phân tán…

Thuốc nhuộm
cẩn màu acid

Thuốc nhuộm, giấm, sodium bichromate, chất hoạt động bề mặt,
chất càng hóa và phân tán…

Thuốc nhuộm
muối phức kim
loại

Thuốc nhuộm, H2SO4, Natri acetate, (NH4)2SO4, chất hoạt động bề
mặt, chất càng hóa và phân tán…

Thuốc nhuộm
Cationic

Thuốc nhuộm, natri acetate, Na2CO3, amonium acetate, chất hoạt
động bề mặt…

Sulfur

Thuốc nhuộm, Na2SO3, Na2CO3, chất càng hóa và phân tán…

Thuốc nhuộm
Naphthol

Thuốc nhuộm, NaOH, HCl, NaNO3, CH3COONa, chất hoạt động
bề mặt…

Thuốc nhuộm
phân tán

Thuốc nhuộm, chất mang, hydrosulfite, chất hoạt động bề mặt.

- 28 -

Chương 2: Tổng Quan

Chương 3

MỘT SỐ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Hiện nay có nhiều phương pháp xử lý nước thải ngành dệt nhuộm. Nói chung,
để xử lý loại nước thải này cần có sự kết hợp cả hai phương pháp Hóa lý và Sinh học.
Trật tự xử lý của hai phương pháp này có thể thay đổi tùy thuộc vào điều kiện cụ thể,
từng loại nước thải khác nhau, từng công nghệ xử lý khác nhau.
Trong Luận văn này, công nghệ xử lý được thực hiện theo trật tự Hóa lý – Sinh
học. Nguồn gốc của sự lựa chọn này là do nước thải nhuộm vải có nồng độ chất hữu cơ
rất cao, thành phần phức tạp và có chứa nhiều hợp chất hữu cơ mạch vòng khó phân
huỷ sinh học đồng thời có các chất trợ trong quá trình nhuộm có khả năng gây ức chế
sinh học. Hơn nữa, nhiệt độ nước thải ra rất cao, nếu cho trực tiếp vào bể xử lý sinh
học thì sẽ không xử lý được. Sau đây là cơ sở lý thuyết một số công nghệ xử lý nước
thải nhuộm.

3.1. Xử lý nước thải bằng phương pháp keo tụ
3.1.1.

Cơ sở lý thuyết của quá trình keo tụ

3.1.1.1.

Lý thuyết về hệ keo

Hạt keo là những phần tử nhỏ có kích cỡ từ 10 -6 đến 10-3 , không có khả năng
lắng bởi trọng lực vì hạt keo có diện tích bề mặt lớn nên có xu hướng hấp phụ các chất
như các phân tử nước và ion cho nên các hạt keo sẽ lớn dần hay có thể tích điện với
môi trường nước xung quanh.
Trong môi trường nước chia ra 2 loại keo:


Hệ keo kị nước:

Hệ keo kị nước phần lớn là các chất vô cơ chứa điện tích bề mặt và có khả năng
chuyển động trong điện trường, tốc độ keo tụ rất nhanh khi đưa vào hệ một chất điện li
và đạt tốc độ keo tụ tối đa với một nồng độ chất điện li tới hạn nào đó. Độ bền của hệ
keo chủ yếu là do điện tích của bề mặt hạt keo quyết định. Hệ keo có tính bền được là
do hạt keo cùng loại tích điện cùng dấu sinh ra tương tác tĩnh điện. Đồng thời với lực
đẩy tĩnh điện, các hạt keo cũng hút lẫn nhau do lực tương tác phân tử Valder Walls. Chỉ
khi lực đẩy tĩnh điện vượt trội so với lực hút phân tử thì các hạt keo không hoặc ít có
điều kiện tạo thành tập hợp lớn. Lực đẩy của hệ keo tăng khi khoảng cách của chúng
được giảm. Qúa trình đẩy do lực tĩnh điện xuất hiện khi lớp khuếch tán của chúng tiếp
cận lẫn nhau và xen phủ vào nhau. Khi có mặt chất điện li lạ trong dung dịch, độ dày
của lớp khuếch tán bị co lại làm giảm khoảng cách giữa chúng. Sự co lại của lớp
khuếch tán phụ thuộc vào cường độ ion của chất điện li, hóa trị lớn, nồng độ cao có tác
động làm co mạnh lớp khuếch tán.
- 29 -

Chương 2: Tổng Quan

Hình 3-1

Phần tử keo âm với lĩnh vực tĩnh điện học

Song song với quá trình đẩy do lực tĩnh điện, khi hai hạt keo tiến sát gần nhau
đến một khoảng cách nhất định chúng sẽ hút nhau do lực hấp phụ phân tử. Lực tương
tác Valder Walls phụ thuộc vào bản chất của hạt keo, mật độ của chúng, và không phụ
thuộc vào thành phần hóa học của dung dịch nước.

Hình 3-2

0

Năng lượng tương tác

ΨA

Hút

Rào thế năng

Năng lượng tương tác

Ψmax

ΨR độ ion thấp
Cường
ΨA- ΨR

đẩy

Thế năng tương tác tổng hợp ( lực đẩy và lực hút ) và thế năng của hệ được thể
hiện qua hình 3-2.
ΨR

Cường độ ion cao

ΨA- ΨR

ΨA

khoảng cách

Thế năng tương tác giữa các hạt keo

Đối với hệ có cường độ ion thấp, thế năng tương tác tổng có giá trị dương ở vùng
có khoảng cách nằm giữa các hạt keo, tức là lực đẩy chiếm ưu thế. Muốn tiến sát lại
gần nhau và có sự xen phủ của lớp khuếch tán, các hạt keo cần phải có năng lượng lớn
hơn hàng rào thế năng.

- 30 -

Chương 2: Tổng Quan

Với hệ có cường độ ion cao, tương tác giữa các hạt keo dễ dàng hơn do độ dày
của lớp khuếch tán thấp, giá trị cực đại của thế năng tương tác tổng có giá trị nhỏ, thậm
chí bằng không.
Để tạo điều kiện cho quá trình keo tụ, cần giảm giá trị của hàng rào thế năng bằng
cách đưa vào hệ những chất điện li có hóa trị cao (cường độ ion lớn) hoặc tăng nhiệt
độ ( tăng động năng ) hoặc khuấy trộn tạo điều kiện cho quá trình tạo tập hợp lớn.


Hệ keo ưa nước :

Độ bền của hệ keo ưa nước không chỉ do lực tương tác tĩnh điện mà còn do
vỏ hydrat của hạt keo. Lớp vỏ hydrat gồm hai lớp, lớp đầu được tạo thành do tương
tác dipol định hướng của phân tử nước với bề mặt của hệ keo có liên kết khá bền,
tiếp theo là lớp vỏ có tương tác thấp hơn do chịu chuyển động nhiệt.
Hấp phụ các hợp chất tồn tại trong môi trường trên bề mặt hạt keo ưa nước
cũng làm tăng tính bền do sự che chắn, ngăn cản chúng tiếp xúc với nhau.
3.1.1.2. Các cơ chế của quá trình keo tụ :


Nén ép làm giảm độ dày lớp điện kép.

Cơ chế này xảy ra chủ yếu với hệ keo có thế năng cao, độ dày của lớp khuếch tán
không lớn, cường độ ion của dung dịch nhỏ. Ion của chất điện li cùng dấu với điện tích
bề mặt thì bị đẩy và ion đối của nó thì bị hút. Khi tương tác hút giữa hai loại điện tích
khác nhau thì lớp khuếch tán bị co lại, độ co lại tỉ lệ thuận với nồng độ hóa trị của ion.
Thể tích cần thiềt để duy trì trung hòa sẽ nhỏ đi và vì vậy độ dày cũng giảm theo.
Khoảng cách để lực đẩy phát huy tác dụng bị giảm tạo điều kiện cho tương tác
Valderwall, làm giảm hàng rào thế năng giữa các hạt keo.


Hấp phụ và trung hòa điện tích.



Lôi cuốn, quét cùng với chất kết tủa.



Hấp phụ và tạo cầu liên kết giữa các hạt keo, gồm 5 phản ứng:
+ Phản ứng 1: hấp phụ ban đầu ở liều lượng polymer tối ưu.
+ Phản ứng 2: hình thành bông cặn.
+ Phản ứng 3: hấp phụ lần 2 của polymer.
+ Phản ứng 4: khi liều lượng polymer dư.
+ Phản ứng 5: vỡ bông cặn.

- 31 -

Lực hút

Lực tương tác

Lực đẩy

Chương 2: Tổng Quan

Lực đẩy dựa vào thế
năng zeta

x

Lực tương tác tổng
hợp

Lực hút phân tử Valder
Walls

Khoảng cách

Hình 3-3

Liên hệ giữa lực liên kết phân tử và khoảng cách

3.1.1.3. Các giai đoạn của quá trình keo tụ

- 32 -

Chương 2: Tổng Quan

Thủy phân

Keo tụ

Cho chất keo
tụ

Làm mất tính ổn
định

Keo tụ
perikinetic

Vận chuyển

Keo tụ
Orthokinetic

Vận chuyển

-Phản ứng với nước, ion
hóa, thủy phân,trùng hợp.
-Nén ép giảm độ dày lớp
điện tích kép.
- Hấp phụ ion từ chất keo
tụ trên bề mặt các phân tử.
- Liên kết các ion và phần
tử khác trên bề mặt các
phân tử.
-Lôi cuốn hạt keo cùng
chất kết tủa.
- Tạo cầu liên kết giữa các
hạt keo.

- Chuyển khối do khuếch
tán Brown

-Keo tụ cưỡng bức

3.1.1.4. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ
 pH : pH là một yếu tố cực kỳ quan trọng đối với quá trình keo tụ.
Thông thừơng, ở pH thấp các chất hữu cơ mang điện tích âm và pH cao
chúng mang điện tích dương.
Ảnh hưởng của pH đến tốc độ đông tụ của dung dịch keo: tốc độ đông
tụ của dung dịch keo và điện thế ξ của nó có quan hệ. Trị số ξ càng nhỏ,
lực đẩy giữa các hạt keo càng yếu. Vì vậy tốc độ đông tụ của nó càng
nhanh. Khi điện thế ξ bằng không, nghĩa là đạt đến điểm đẳng điện, tốc độ
đông tụ của nó lớn nhất.
Dung dịch keo hình thành từ hợp chất lưỡng tính, trị số ξ của nó và
điểm đẳng điện chủ yếu quyết định bỡi trị số pH của nước.
Do đó, để đạt được hiệu quả keo tụ là tốt nhất thì phải chọn trị số pH
thích hơp cho từng loại nứơc thải riêng. Trị số pH này gọi là pH tối ưu.
Đối với mỗi loại nước khác nhau sẽ có pH tối ưu khác nhau và không có
một phương pháp nào tính toán mà phải dựa vào thực nghiệm thông qua
thí nghiệm Jartest trên từng loại nước thải riêng.
 Liều lượng chất keo tụ: quá trình keo tụ không phải là một phản ứng
hóa học thông thường, nên lượng chất keo tụ cho vào không thể dựa
vào các tính toán để xác định. Tùy vào loại nứơc khác nhau, tùy vào
- 33 -

Chương 2: Tổng Quan

hàm lượng chất keo mà phải tiến hành thực nghiệm để xác định trị số
pH tối ưu tương ứng với trị số pH tối ưu của nó.
 Độ đục ban đầu: một số loại nước cần keo tụ có độ đục thấp, nghĩa là
hàm lượng các chất lơ lững thấp, khả năng liên kết với các chất keo tụ
thấp cho nên hiệu quả keo tụ không cao. Lúc này phải tạo độ đục ban
đầu bằng cách cho thêm các chất trợ koe tụ như vôi…
 Chất hữu cơ: Các chất hữu cơ là mục tiêu keo tụ chính của quá trình
keo tụ. Một số chất hữu cơ hòa tan gây khó khăn cho quá trình keo tụ.
 Anion, cation trong nước: sự có mặt của các ion này trong nước có khả
năg làm giảm tính ổn định của hệ keo, tăng khả năng keo tụ của chúng.
 Hiệu ứng khuấy: Trong quá trình keo tụ, một trong những yếu tố quyết
định nữa là tốc độ khuấy trộn được cung cấp. Quá trình keo tụ phải
đựơc đảm bảo sự khuấy trộn thích hợp theo từng giai đoạn riêng biệt
giúp cho chất keo tụ tiếp xúc được với hạt keo và các bông keo tiếp xúc
với nhau tạo thành các bông lờn hơn nhằm đạt đến hiệu quả tạo bông là
tốt nhất
 Thế năng zeta của hệ: thế năng ξ của hệ quyết định đến pH tối ưu cho
quá trình keo tụ.
 Nhiệt độ keo tụ: một số chất keo tụ bị ảnh hưởng bỡi nhiệt độ của nước
thải. Ở nhiệt độ quá cao, do chuyển động nhiệt các bông keo tạo thành
khó có khả năg lớn, hiệu quả lắng kém đi.
3.1.2.

Các loại chất keo tụ
3.1.2.1 Chất vô vơ :

Trong thực tiễn, người ta thường dùng muối sắt ( Fe2+, Fe3+ ), muối nhôm ( Al3+ ),
phèn bùn, polyaluminium chloride (PAC) cùng một số chất trợ keo tụ : oxit silic hoạt
tính, polymer, bentonite, canxi carbonate.
Các chất keo tụ này được cho vào nước thải ở dạng dung dịch hòa tan. Trong
dung dịch, chúng phân ly thành các anion và cation. Nhờ hóa trị cao của các ion kim
loại, chúng có khả năng ngậm nước tạo thành các phức chất hexa mang nhiều điện
tích. Tùy thuộc vào pH môi trừơng mà chúng có khả năng tồn tại ở các điều kiện pH
khác nhau.
o

Muối nhôm :

Với phèn nhôm, ở pH quá thấp sẽ tạo thành dạng Al(OH) 2+ và ở pH cao (trên
8) thì dạng Al(OH)4- sẽ được tạo thành.. Khoảng pH tối ưu phụ thuộc vào tính chất và
nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải.
Phản ứng tạo bazơ, khi thêm ion Al +3 vào nước tạo ra kết tủa hydroxit nhôm và
tạo môi trường acid :
Al3+ + 3 H2O ⇔ Al(OH)3 ↓ + 3 H+

- 34 -

(3 – 1)

Chương 2: Tổng Quan

Trong môi trường acid, một vài loại chất hòa tan, đặc biệt các ion bicacbonate
có thể phản ứng với H+ tạo ra CO2 và nước :
HCO3- +

H+ ⇔ H2O + CO2

(3 - 2)

Độ acid này có thể được tăng lên khi các chất làm keo tụ liên kết với bazơ
(NaOH, vôi, cacbonate natri )
Al3+ + 3 OH- ⇔ Al(OH)3 ↓

(3 – 3)

+ Sunfat nhôm :
Độ kiềm phải có trong nước thải để phản ứng với aluminum sulfate để tạo
bông hydroxit. Trong dãy pH thích hợp, độ kiềm thường ở dạng ion bicarbonate.
Phản ứng tạo bông:
Al2(SO4)3.14 H2O + Ca(HCO3)2  2 Al(OH)3 + 3 CaSO4 + 14 H2O + 6 CO2

(3 – 4)

Nếu nước không đủ độ kiềm để phản ứng với alum thì độ kiềm sẽ được
nâng lên bằng cách cho thêm vôi tôi hoặc canxi hydroxide, NaOH.
Al2(SO4)3.14 H2O + 3 Ca(OH)2  2 Al(OH)3 + 3 CaSO4 + 14 H2O

(3 – 5)

Đối với phèn nhôm, pH tối ưu khoảng 4.5 đến 8.0
Sự thủy phân của phèn nhôm được minh họa ở hình
+ Clorua nhôm :
2 AlCl3 + 6 HCO3- ⇔ 2 Al(OH)3 ↓ + 6 Cl- + 6 CO2

(3 – 6)

+ Aluminate natri: Ngược lại với trường hợp trên, nhôm ở đây dưới dạng bazơ
AlO2- + 2 H2O ⇔ 2 Al(OH)3 ↓ + OH-

(3 – 7)

Nó có thể dịch chuyển các ion bicarbonate và CO2 hòa tan :
NaAlO2 + Ca(HCO3)2 + H2O ⇔ Al(OH)3 ↓ + CaCO3 + Na+ + HCO3-

(3 – 8)

2 NaAlO2 + 2 CO2 + 4 H2O ⇔ Al(OH)3 ↓ + 2 Na+ + 2 HCO3-

(3 – 9)

+ Polymer nhôm :
Dùng polymer nhôm để trung hòa và cũng là cầu kết nối chất keo làm cho sự keo
tụ có hiệu quả hơn. Hơn nữa, dùng polymer cho phép xích lại gần các loại tinh thể
hydroxit nhôm, như bayerite hay gibbsite. Polymer hóa hydroxit nhôm trong dung dịch
tạo ra mần tinh thể, hợp nhất các gốc có dạng Al 6(OH)126+ . Polymer hóa bắt đầu bằng
một phản ứng nối cầu:
OH

- 35 -

Chương 2: Tổng Quan

Al

Al

(3 – 10)

OH
Tồn tại một dãy liên tục các polymer mà độ lớn của chúng tăng với mức độ
hydroxyl hóa ( tỷ số mol R = OH / Al). Polymer hóa trị càng xảy ra sớm, các bông keo
tụ càng xích gần tới cấu trúc tinh thể, nó càng rắn chắc và đặc hơn.

Hình 3-4

Sự thủy phân của phèn nhôm

o Muối sắt :
Nguyên lí phản ứng:
Fe3+ + 3 H2O ⇔ Fe(OH)3 ↓ + 3 H+

(3 – 11)

Ion sắt làm cho nước có màu.
+ Clorua ferric ( lỏng, đôi khi kết tinh )
Phản ứng đơn giản của ferric chloride với độ kiềm bicarbonate để tạo nên sắt
(III) hydroxit:
FeCl3 + 3 Ca(HCO3)2  2 Fe(OH)3 + 3 CaSO4 + 6 CO2

(3 – 12)

Phản ứng này thường tạo ra bông nặng, dễ lắng. Nếu độ kiềm tự nhiên không đủ
cho phản ứng , thường sử dụng vôi tôi hoặc sữa vôi để tăng pH tới mức Fe 2+ kết tủa
dưới dạng Fe3+:
FeCl3 + 3 Ca(OH)2  2 Fe(OH)3 + 3 CaCl2

(3 – 12)

pH tối ưu cho keo tụ từ 4 – 12 . Bông cặn được tạo thành nặng và dễ lắng.
- 36 -

Chương 2: Tổng Quan

Hình 3-5

Sự thủy phân của phèn Sắt

+ Phèn Fe2(SO4)3:
Fe2(SO4)3 + 3 Ca(OH)2  2 Fe(OH)3 + 3 CaSO4

(3 – 13)

+ Phèn sắt II sulfate (FeSO4)
Ferrous sulfate yêu cầu độ kiềm ở dạng hydroxide ion để tạo phản ứng nhanh.
Thông thường, vôi tôi hoặc sữa vôi được sử dụng để tăng pH tới mức độ mà Fe 2+ kết
tủa dưới dạng Fe3+. Phản ứng này đòi hỏi oxy hoà tan trong nước. Trong phản ứng keo
tụ này, oxy hoà tan trong nước giảm và Fe 2+ bị oxy hoá thành Fe3+. Sau đó Fe3+ được
lắng dưới dạng Fe(OH)3. Phản ứng diễn ra như sau:
2 FeSO4.7H2O + 2 Ca(OH)2 + ½O2  2 Fe(OH)3 + 2 CaSO4 + 13 H2O

(3 – 14)

Để phản ứng xảy ra, pH phải tăng tới khoảng 9.5 và quá trình ổn định hoá cần
lượng vôi dư. Nhìn chung, Ferrous sulfate tạo bông nhanh. Sử dụng Ferrous sulfate kết
hợp với vôi khá hiệu quả và kinh tế.

- 37 -