N G U Y ÊN HŨU PHÚ C SỎ LÝ THUYẾT CÔNG NGHỆ XỬLỶ Nước Tự NHIÊN NGUYỄN HỮU PHÚ Cơ sỏ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ Nưóc Tự NHIÊN Giáo trình dùng cho sinh viên ngành Hóa học, Cơng nghệ hóa học, Mơi trường, Ký thuật môi trường trường đại học cao đằng NHÀ XUẤT BẨN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT HÀ NỘI 6-6X9.3 - 84-106-00 KHKT-00 L Ị I N Ĩ I ĐAU Ngày nay, ván dè xử lý nước cung cấp nước cho dàn cư mối quan tâm lởn nhiêu quốc gia, nhiều tổ chức xã hội thăn cộng đồng dân cư Việt N am la nước mà "phần lớn dân cư vùng nóng thơn cịn thiêu nước số người dân hường nước chì chiếm khoảng 40% dân số" ( K Do dó, nhiệm vụ xừ lý nước cung cấp nước vắn đ'ê xã hội nồi bật, dược quan tâm dặc biệt nhiêu nhà khoa học nhà quản lý nước ta Trong hồn cảnh thế, chúng tơi biên soạn giảo trinh "Cờ sờ lý thuyết công nghệ xử lý nước tự nhiên" nhằm cung cấp kiến thức ca thông tin khoa học công nghệ mói nhát lỉnh vực với hy vọng răng, góp phần vào nhiệm vụ xử lý nước cung cấp nước ỏ nước ta cách tích cực thiết thực Cuốn sách trinh bầy nội dung thiết thục cho sinh viên dang học tập ỏ khoa Môi trường trường dại học, cho cán nghiên cứu, nhà công nghệ quản lý dang lầm việc lỉnh vực "Bào vệ, xử lý khai thác môi trường nước" Tác giả xin chân thành cảm ơn dộc giả vẽ ủng hộ dóng góp ý kiến cho nội dung hình thức giáo trinh với mong muốn rằng, lần xuất sau chất lượng dược hoàn hảo Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn! Tác giả (*) (*) Phạm Song cộng Côim nehệ cung cấp nước vệ sinh mơi truừng, Nhà xít bàn KII K ì Hà NỘI, 1996 CÁC CHỮ VIẾT TẮT ACVK BCA BET CHCĐH CHCKSH CHCR CHCHT CHCT CHCSH DPD ĐC ĐK ĐCTPK&CB FI H C-Clo-T HC- Halo- HP H G -H alo-T HCHT HCHTSH HCTN HP HPA KHP MF ' NF NTK Ox K M n04 PAC PCB PCT THB THH TOX THM VONHC VONVC UF WHO Axit alizarin violet Ñ Bicacbonat Bề m ặt riêng theo phương pháp BET (B runauer - E m m ett - Teller) Cacbon hữu đồng hố Cacbon hữu khơng phân huỷ sinh học Các bon hữu dạng h ạt Cachón hữu hoà tan Cacbon hữu tổng Cacbon hữu sinh học N, N- 1,4- dietyl phenylen diamin Dộ cứng Dộ kiềm Diều chỉnh thành phần khoáng xác lập trạn g thái cân bàng Fouling Index Hữu - clo tổng Hữu - halogen hấp phụ Hữu - halogen tổng H ữu hoà ta n H ữu hoà ta n sinh học H ữu tự nhiên Huyền phù Hydrocacbon đa vòng thơm Keo huyền phù Vi lọc Lọc nano Nitơ hữu (Nitơ Kjeldahl) Độ oxy hố theo K M n04 Polyclorua nhơm Polyclorua biphenyl Polyclorua terphenyl Than hoạt tính bột Than hoạt tính h ạt Tổng chất hữu - halogen Trihalogen m etan Vi ô nhiễm hữu Vi nhiễm vô Siêu lọc Tổ chức Y tế th ế giới CƯ SỎ LÝ THUYỂT VÀ CƠNG NGHỆ x LÝ NƯỎC Tự NHIÊN MỤC LỰC Lịi ntíi đầu Các chữ viết tắ t Trang Chương 1, Đ ại cương v ề nguồn nước 1.1 Tình trạng nguồn nưỏc tình hình sử (lụng nưỏc 1.2 Các nguồn nưóc tự nhiên 1.3 Thành phàn nưốc 1.3.1 Các chấthuyền phù 1.3.2 Các chất hoà tan 9 10 Chương Các trìn h xử ỉý nước 2.1 Keo tụ - tủa 2.1.1 Cô sỏ lý thuyết 2.1.2 Thực hành keo tụ - tủa 2.2 Làm 2.2.1 Lắng gạn 2.2.2 Lọc 2.2.3 Lọc lóp cố định 2.3 Xử lý than hoạt tính 2.3.1 Đặc tính chung than hoạt tính 2.3.2 Co sỏ lý thuyết hấpphụ 2.3.3 ứng dụng than hoạt tính 2.4 Oxy hóa khử trùng 2.4.1 Co sỏ lý thuyết 2.4.2 Clo hóa 2.4.3 ứng dụng dioxit clo đổ khử trùng 2.4.4 Ozon hóa 2.4.5 Oxy hóa tiên tiến bịi O3/H 2O2 2.4.6 phương pháp oxy hóa khử trùngkhác 2.5 Điều chinh thành phân khoáng xác lập trạngthái cân bàng nưóc 2.5.1 Một vài sỏ lý thuyết cân bàng canxi- cacbonat 2.5.2 Trung hoà CO2 dư 2.5.3 ĐCTPK (cacbõnat hóa) 2.5.4 Thực hành sử dụng vơi CO2 2.6 Các trình màng 2.6.1 Một số sò lý thuyết 2.6.2 Thực hành vè lọc màng 12 12 20 25 25 30 31 37 37 38 39 43 43 47 51 57 60 61 65 65 68 68 71 72 72 74 MỤC L ự e Chương C ác lo i ô n h iễm tr o n g nư ớc cầ n x lý 3.1 Tao 3.1.1 Hiện tuọng phì dưõng tảo 3.1.2 Các loại tảo 3.1.3 Ấnh hưỏng tảođến việc xử lý nước 3.1.4 Ngăn ngừa xử lý tảo 3.2 Các tạp chất hữu cổ tựnhiên 3.2.1 Phân tích họpchất HCTĐ 3.2.2 Ấnh hưdng tạp chất HCTN đến chất lượng nưỏc xử lý 3.2.3 Loại bỏ chuyền hóa tạp chất HCTN phương phập xữ'ỉýtruyèn thống 3.2.4 Loại bỏ chuyển hóa tạp chất HCTN biện pháp xữ lý tiên tiến 3.3 Các chát vi ô nhiẽm hũu (VONHC) 3.3.1 Nguồn gổc chất VONHC phương pháp phân tích 3.3.2 Loại bỏ chuyển hóa chất VONHC bjằng biện pháp xử lý truyền thống 3.3.3 Loại bỏ chuyên hóa chất VONHC bàng biện pháp tiên tiến 3.4 Các chất vi ô nhiẽm vô 3.4.1 Nitơ vô 3.4.2 Sắt mangan 3.4.3 Nhơm 3.4.4 Chì 3.4.5 Clorit clorat 3.4.6 Bromat Tài liệu tham khảo 77 37 78 79 79 81 81 83 85 90 93 94 97 100 102 102 107 112 114 117 118 122 Chương ĐẠI CƯƠNG VỀ NGUỒN Nưỏc 1.1 TÌNH TRẠNG NGN NƯƠC HIỆN NAY VÀ TÌNH HÌNH s DỤNG NƯỒC Nước nguồn gốc sống, cần thiết người, súc vật mà cỏ Ngày nay, nước thừa nhận nguồn tài nguyên chiến lược quốc gia, đo' nguồn tài nguyên chủ chốt Trái Đất, bảo đảm an toàn thực phẩm, trì cân hệ sinh thái, đảm bảo hoạt động người th ế giới đầy biến động nhanh chóng địa lý, xã hội mơi trường Theo số liệu gần đây(*), lượng nước sử dụng hành tinh (không kể nước đdng băng nguồn nước ngầm sâu) chiếm 0,26% lượng nước tồn thể, có khoảng 50.000 km 3/năm đo' 1/3 cđ khả sử dụng vào việc sản xuất nước Sự đa dạng không gian thời gian nguồn nước, nhu càu sử dụng rấ t khác biệt, với yêu cầu ngày tăng miền đất dần bị khô cạn, chịu áp lực nặng nề dân số bị đe doạ ô nhiễm tràm trọng phát triển cơng nghiệp, nơng nghiệp Hình 1-1 trình bày phấn bố nguồn nước hành tinh tình trạn g sử dụng nước miền dân cư giới Xét phạm vi tồn càu, tình trạng cung cấp nước khơng đáp ứng: người có người thiếu nước uống, người có người không sử dụng,hệ thống nước xử lý hợp vệ sinh triệu người chết hàng năm vỉ dùng nước bị nhiễm Trong tương lai, tình trạng khan nguồn nước cung cấp nước lại tồi tệ hơn, do: • Sự biến đổi khí hậu, xuất nhiều vùng thiếu nước khơ cạn, hạn hán • Do phát triển dân số: người ta dự đoán rằng, hai mươi năm sau, m ột nửa dân số hành tinh sống thành phố lớn rấ t lớn Hơn 50 thành phố vượt triệu người, số thành phố triệu dân tăng tìl 280 đến 600 Assessment of water Resource and water Availability in the world; State Hydrological Institute St Petersbourg Russie, Shiklomanov et al 1996 ĐẠI CƯỒNG VÈ NGUỒN NƯỐC TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NƯỒC NGỌT TRÊN THẾ GIỐI Nirớc mặn: 97,5% (đại diro-ng) Nl,'ó'c nS9t: 2>24% Vùns c9'c (Antarclique, Greenland) Nừức cổ the đạt được: 0,26% Hồ tự nhiên Hồ nhân tạo Nước chảy Nguồn tài liệu: Assessment of Water Resource and Witer Availability in the W)rld ; State Hydrological Institute, St Peterbourg, Russie; Prof, f A Shiklomanov, et, al, 1996 CÁC sâiìệu vê'NƯỚC N6ỌT ' Các nguSa nảịc ih ể gio’i (% ) ý N tứ cn g ọ t .tro n g ưó Băng hà I C Khỏ nána s ’ứ dung ihiỊO đẩu ngtJdì(nghĩn MÚỉatình S = n õ i\ ® *9*0 'L - —v ị Éấ y 9000 w Z8.3 ĩ a n p f Châu A' Bắc My f = = 37,1 VW ' a u P h ỉ^ nhdntaẻ-^ nghiệp nSng nghióp nhiêm Jo vi Nam Mỹ Bắc M ỹ □ châtihải g ) S/3 T ® Tý tệ $ nhiêm (% tha» nguSn ô nhỉôm) Châu Ấti Châu A ' Cháu Phi Chà*thái cổng ChăuẮu , Thâm th a u /n ứ d c m ứa khuân Hình 1-1: Tình hình phân bố sử dụng nước ngpt giới • Sự nhiễm nặng nề eủa nguồn nước hố ch ất độc hại sử dụng nông nghiệp cơng nghiệp Ví dụ, m ột số nước Châu Âu, tầ n g đ ấ t co' rễ 0 SỎ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ x LÝ N ó c Tự NHIÊN âníSâu có, hàm lượng n itrat vượt q tiêu chuẩn cho phép 20%, thuốc bảo vệ thực vậtcvưởt 70% J Dị đđ, khơng có sách, chiến lược đắn khai thác, bảo vệ sử đựng nguồn nưóc thhcon người, ngày phải tiến dần đến khủng hoảng nghiêm trọng nước 1.2 CÁC NGN NƯỎC Tự NHIÊN Có ba giai đoạn tạo nên chu trình luân chuyển nước m ật đất: bay hơi, mưa - tuyết dòng chảy Nước rấ t phong phú thiên nhiên che phủ 4/5 bề m ặt Trái Đất Co' bốn nguồn nước tự nhiên chủ yếu: • Nước mưa: có chất lượng tốt, bão hồ C Tuy nhiên, nước mưa hồ tan chất vơ hữu khác khơng khí trình thấm qua đất Nguồn nước mưa sử dụng không nhiều lắm, giới hạn trường hợp khó khăn nước • Nước be mặt: nước sông, suối, ao hồ (tự nhiên nhân tạo) Chất lượng nước sông phụ thuộc vào môi trường xung quanh, nghĩa phụ thuộc vào nguồn ô nhiễm (nông nghiệp, công nghiệp, dân cư ) Ngồi ra, nước sơng cịn co' phát triển sinh sôi vi khuẩn, biến đổi theo mùa Các hồ nằm tình trạn g Chúng xém bể lắng co' tính chất tương đối ổn định • Nước ngầm: nước ngầm nước mặt đất Cho đến năm gần đây, nước ngầm chưa bị xâm hại bỏi nguồn nhiễm, lọc qua đất Nước ngầm có vi khuẩn chứa nồng độ đáng kể muối hoà tan (Fe, Mn ) • Nước biển: nước chứa tới 33 đến 37 g/1 muối hồ tan Chỉ có nguồn nước ngầm, nước bề m ặt thường sử dụng với quy mô công nghiệp để sản xuất nước đáp ứng cho nhu cầu sinh hoạt người Nừớc Có tính chất đặc biệt, đo' nước trở thành sản phẩm không th ể thiếu nhiều ứng dụrig khác • Do tính phân cực mạnh, nước nguồn dung môi tốt phần tử phân cực • Do khả ion hố, phản ứng ion tiến hành dễ dàng môi trường nước • Do tính chất vật lý, nước sử dụng để làm chất tải nhiệt (nhiệt dung lốn, nhiệt độ bay hơi, Thl, cao, nhiệt hđa lớn) 1.3 THÀNH PHẦN CỦA NƯÔC Tuỳ thuộc vào chất xuất xứ nguồn nước mà thành phần nước (các chất chứa nước) khác Tuy nhiên, phân chia chất nước thành nhóm tuỳ thuộc vào kích thước đặc điểm cấu tạo (hoá học, sinh học ) chúng (hình 1-2) Ị.3.1 CÁC CHẤT HUYỆN PHÙ (HP) Gác chất HP thường co' nhiều nước bề mật Đo' hạt rắn có kích thước c o s ỏ LÝ THUYẾT VÀ CÒNG NGHỆ x LÝ N ố c Tự NHIÊN 109 Hình 3-8 Biều đồ cân E - pH mangan, nưó-c tinh khiết 25°c kim loại đó, tiếp đến giai đoạn làm (láng gạn lọc và/hoặc lọc lớp cố định) • Nguyên tắc kết tủa áp dụng biểu đồ (3- 7, 3- 8) trinh bày Thực vậy, giá trị E-pH nước nằm vùng đường cong "E - pH", sắt mangan kết tủ a dễ dàng (trừ trường hợp tạo phức với số chất vồ hữu cơ) Nếu giá trị E - pH nước nằm vùng phía đường cong E - pH cần phải oxy hoá, tăng pH phải thực hai đồng thời Xét điểm hình ABCD hình 3- 3- (đại diện cho đa số nguồn nước tự nhiên) co' thể nhận thấy rằng, việc kết tủa sắt có th ể thực dễ dàng cách thơng khí tự nhiên, keo tụ - tủa làm trong, mà thêm chất oxy hoá tăng pH Tuy nhiên mangan khơng hồn tồn Hình ABCD mangan nằm lệch sang trái thấp so với đường E - pH cân bằng, đó, khơng thể dùng khơng khí làm chất oxy hố trường hợp sắt mà phải dùng chất oxy hoá mạnh phải đồng thời tăng pH Dựa vào phản ứng, người ta có th ể tính tốn hệ số tỷ lượng, nghĩa là, lượng chất oxy hoá cần thiết để kết tủa sắt mangan Các giá trị tính tốn trìn h bày bảng 3- Ngồi ra, xảy phản ứng, kèm theo tăng dần độ axit (H+ C 2) Do đó, phản ứng thuận lợi bổ sung thêm bazơ Việc cho thêm xút, CÁC LOẠI Ò NHIỄM TRONG NƯỎC CẰN x LÝ lio vôi cacbonat natri làm tăng vận tốc phản ứng, n h ất là, phản ứng với oxy clo Báng 3-8 L ượng c h ấ t oxy hoá cần th iế t đ’ê oxy hoá sắt m angan (giá tr ị tín h tốn) Fe(II) -> Fe(ffl) Mn(II) -*• Mn(IV)- I-Iố chấi Tỷ số Tốc độ Tỷ số Tốc độ Oxy 0,14mg 2/mg Fe Chậm pH = Nhanh pH = 0,29mg 2/mg Mn Rất chậm pFÍ = Chậm ỏ’ pH = Clo dẫn xuất 0,64mg Cl2/mg Fe Rất nhanh l,29mg Ci2/mg Mn Chậm ủ pH = Nhanh ủ’ pH = Dioxit l,2mg CiC^/mg Fe Rất nhanh (>/.on 0,43mg 3/ mg Fe Rất nhanh 0,87 mg 3/ mg Mn Nhanh Pcrmanganat kali (1,9 mg KMn04/mg Fe Rất nhanh 1,42 ing KMn04/mg Mn Nhanh 2,45 mg cicym g Mn Nhanh pH>7 Mặc dàu tăng pH tảng vận tốc phản ứng, chất oxy hoá co' th ể tác dụng với hợp chất hoà tan khác nước với nitơ amoniac (chỉ clo), chất hữu tự nhiên m ột vài chất vô khác, theo chế cạnh tran h với kim loại, đặc biệt mangan Sự co' m ặt nước nhiều tạp chất thường làm tăn g đáng kể liều lượng chất oxy hoá so với giá trị tín h tốn theo lý thuyết Sự gia tăng cd gấp đến 10 lần so với giá trị lý thuyết clo ozon, cịn đối vâi K M n04 gia tăng khơng đáng kể Các kết thực nghiệm chứng tỏ rằng, sau loại bỏ 60% hợp chất hữu keo tụ, nồng độ lại chất hữu cỡ vài mg/1 đủ cản trở phản ứng clo ozon với m angan Ngồi ra, ozon khơng th ể oxy hố hồn tồn m angan khơng có m ặt ion bicacbonat (15°f), nước co' độ cứng 15°f m angan bị loại bỏ hoàn toàn ứng với tỷ số mg 3/mg Mn Ion bicacbonat có vai trò làm chậm vận tốc phản ứng với chất HCTN kết tủ a m angan dạng cacbonat m angan • Kết iùn hởi keo tụ: kim loại dạng phức chất hữu cơ, nước dạng keo, loại bỏ có th ể thực cách keo tụ, tiếp đến làm Các kết qụả sử dụng chất keo tụ nhôm tố t nhiều so với chất keo tụ s ắ t (mũối sắt) Bởi vì, sử đựngỉrauối sát tụy rấ t lợi cho việc loại bỏ hợp chất hữu cơ, song co' th ể để lại nhiều sắt dư, dạng phức hoà tan keo • Giai doạn làm nhầm giữ lại hydroxit oxit kết tủa B ất kết tủ a xảy khâu (vị trí) dây chuyền xử lý nước, việc lọc qua lớp lọc cố định giai đoạn định chất lượng nưốc sát m angan Lọc tiến hành với vận tốc nhạnh qua vật liệu truyền thống cát, an trax it, lớp (cát/than) Có vài kiểu lọc đặc biệt sử dụng, chẳng han cột lọc c ộ SỎ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ x LÝ N ó c Tự NHIÊN 111 xúc tác (để oxy hoậ mangan) lọc than hoạt tính Các q trình khác xử lý sắt mangan Trong thực tế, có hai phương pháp chủ yếu để loại bỏ sắt mangan Đó piiương pháp oxy hố kết tủa trình bày trên, phương pháp sinh học (phương pháp chủ yếu dùng để xử lý nước bề mặt), phương pháp sinh học người ta sử dụng thêm kỹ thuật màng (rất ít) • Q trình sinh học: Quá trình dựa nguyên tắc phát triển sinh vật đặc biệt mangan lớp lọc Co' hai dạng vi khuẩn phát triển tốt điều kiện tối ưu khác Các vi khuẩn đo' xúc tiến cho oxy hoá kết tủ a nhanh sắt mangan lớp lọc, thay th ế cho trình oxy hố - kết tủ a cơ’ điển hố học Các điều kiện tối ưu để phát triển vi khuẩn (xem bảng 3-9): Bảng 3-U Các điều kiện tối ưu đề lo i sắt numjjan lỉằỊiịỉ phuviiỊ' pháp sinh học ((1): số liệu cũ, (2) số ịiệu đây) Điều kiện tối ưu Loại bỏ sắt Loại bổ mangan Thế oxy hoá - khử E(V)(*) 40 - 100 mV (1) 100 - 400 mV (2) 100 - 200 mV (1) > 300 mV (2) 14 - 20 (1) > 14 (2) > 22 (1) > 25 (2) 5,5 -7,5 (1) - (2) 5,5 - 7,5 (1) > 7,5 (2) 2pH +£/0,029 pH E =L’Hl> + 0,248 V (£Hg, đo với điện cực calomen) Các điều kiện pH th ế oxy hố - khử thường trùng hợp với cáq đặc trưng nước tự nhiên xử lý cổ điển Tuy nhiên, theo ý kiến số chụyên gi,a, tượng sinh học có th ể đóng vai trò quan trọng việc xử lý nước bề m ặt, đặc biệt kết tủ a dioxit mangan lớp lọc cát • Các trình màng vỉ lọc siêu lọc sử dụng để xử lý sắt m angan nước bề mặt Song, chúng có th ể thay tăng cường biện pháp lọc truyền thống việc loại bỏ cậc keo hydroxit oxit sắt mangan Các q trìn h màng ctí ngưỡng tách nhỏ hơn, lọc nano dùng để xử lý sắt mangan dạng hòa tan C c k ế t lu ậ n v ề x lý s â t v m a n g a n • Sất m angan khơng phải chất ô nhiễm quan trọng dổi với sức khoẻ người Tuy nhiên, càn phải loại bỏ chúng khỏi nước sử dụng (Fe = 200 pgịl Mn — 50 ftgll) • Việc loại bỏ sắt mangan sử dụng chủ yếu dề xủ lý nước ngầm, dùng dể xử lý nước be m ặt bàng cách oxy hoá, diầu chinh p H keo tụ kim loại, sau làm bàng lâng gạn lọc lọc lớp cố dịnh CÁC LOẠI Ô NHIỄM TRONG NƯỎC CẦN x LÝ 112 • Việc kết tủa sắt dược tiến hành dễ dàng cách thơng kh í (khơng khí) giản dơn Dối vói m angan xảy khó khăn han, địi hỏi chăt oxy hố m ạnh hon oxy khơng khí, p H cao • Sự có m ặt tạp chất khác nước thường làm tăng dáng kề liều lượng chát oxy hoả cần sử dụng thực tế so vói tín h tốn lý thuyết Đơi gia tăng dó gấp hàng chục lần ozon clo, dổi vói perm anganat kali • Ngồi phương pháp loại bỏ phản ứng hố học, dang có m ột phương pháp sinh học, mói được? tìm ra, song có rát nhiều triển vọng 3.4.3: NHƠM Theo m ột số nghiên cứu, người sử dụng tru n g bình thụ ngày m ột lượng nhơm từ 10 đến 100 mg Ngồi ra, khơng khí chứa khoảng từ vài /