Đề tài Xử lý nước thải xi mạ

Xử lý nước thải xi mạ GVHD: ThS Dương Thị Thành 1 MỤC LỤC Phần I: TÌM HIỂU VỀ NƯỚC THẢI XI MẠ................................................................ 3 I. Công nghệ xử lý bề mặt (xi mạ): ........................................................................ 3 II. Lưu lượng và thành phần, tính chất nước thải: ............................................... 5 III. Ảnh hưởng của nước thải ngành xi mạ đến môi trường và con người: ......... 6 1. Ảnh hưởng đến môi trường .......................................................................................... 6 2. Ảnh hưởng đến con người ............................................................................................ 7 3. Độc tính của Crôm ....................................................................................................... 7 IV. Hiện trạng ô nhiễm môi trường do công nghiệp xi mạ tại Việt Nam: ............ 8 Phần 2: LỰA CHỌN VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ ..... 9 I. Giới thiệu các phương pháp và công nghệ xử lý nước thải xi mạ: ..................... 9 1. Phương pháp kết tủa .................................................................................................... 9 2. Phương pháp trao đổi ion .......................................................................................... 10 3. Phương pháp điện hóa ............................................................................................... 10 4. Phương pháp sinh học ............................................................................................... 11 II. Đề xuất công nghệ: ............................................................................................ 11 1. Đặc điểm thành phần ô nhiễm của nước thải ............................................................ 11 2. Sơ đồ công nghệ ......................................................................................................... 11 3. Thuyết minh công nghệ .............................................................................................. 12 Phần 3: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC CÔNG TRÌNH ĐƠN VỊ............................... 13 1. Hố thu gom .......................................................................................................... 13 a. Nhiệm vụ .................................................................................................................... 13 b. Hình dạng-kích thước ................................................................................................ 13 2. Bể điều hoà .......................................................................................................... 14 a. Nhiệm vụ .................................................................................................................... 14 b. Hình dạng-kích thước ................................................................................................ 15 c. Thiết bị vớt dầu mỡ .................................................................................................... 15 3. Bể phản ứng và lắng kết hợp ............................................................................... 15 a. Nhiệm vụ .................................................................................................................... 15 b. Mô tả .......................................................................................................................... 15 c. Tính toán kích thước bể ............................................................................................. 16 d. Bộ phận truyền động .................................................................................................. 17 Xử lý nước thải xi mạ GVHD: ThS Dương Thị Thành 2 e. Sàn công tác ............................................................................................................... 18 f. Ống xả bùn ................................................................................................................. 18 g. Van xả nước ............................................................................................................... 19 h. Tính toán hóa chất ..................................................................................................... 20 i. Ống bơm hóa chất ...................................................................................................... 21 4. Bể chứa trung gian .............................................................................................. 22 a. Nhiệm vụ .................................................................................................................... 22 b. Mô tả- Tính toán kích thước ...................................................................................... 22 5. Cột trao đổi ion ................................................................................................... 23 a. Giới thiệu ................................................................................................................... 23 b. Tính toán .................................................................................................................... 23 6. Sân phơi bùn ........................................................................................................ 24 a. Nhiệm vụ .................................................................................................................... 24 b. Mô tả-Tính toán ......................................................................................................... 25 Phần 4: TÍNH TOÁN CHI PHÍ .................................................................................... 27 Phần 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ .......................................................................... 30 TÀI LIỆU THAM KHẢO ............................................................................................ 31 Xử lý nước thải xi mạ GVHD: ThS Dương Thị Thành 3 Phần I TÌM HIỂU VỀ NƯỚC THẢI XI MẠ I. Công nghệ xử lý bề mặt (xi mạ): Công nghệ xử lý bề mặt (xi mạ) thường bao gồm các công đoạn sau: - Bề mặt của vật liệu cần mạ phải được làm sạch để lớp mạ có độ bám dính cao và không có khuyết tật. Để làm sạch bề mặt trước hết phải tẩy rửa lớp mỡ bảo quản trên bề mặt bằng cách tẩy rửa với dung môi hữu cơ hoặc với dung dịch kiềm nóng. Dung môi thường sử dụng là loại hydrocacbon đã được clo hoá như tricloetylen, percloetylen. Dung dịch kiềm thường là hỗn hợp của xút, soda, trinatri photphat, popyphotphat, natri silicat và chất hoạt động bề mặt (tạo nhũ). - Hoạt hoá bề mặt của vật liệu mạ bằng cách nhúng chúng vào dung dịch axit loãng (H2SO4, HCl), nếu mạ với dung dịch chứa xianua (CN) thì chúng được nhúng vào dung dịch natri xianua. - Giai đoạn mạ được tiến hành sau đó, dung dịch mạ ngoài muối kim loại còn chứa axit hoặc kiềm đối với trường hợp mạ có chứa xianua. Sau từng bước, vật liệu mạ đều được tráng rửa với nước. Một số dung dịch mạ có các thành phần chủ yếu sau: o Dung dịch chì: axit + muối chì (II) dạng borflorua hoặc silicoflorua. o Dung dịch chì- thiếc: axit, muối chì, thiếc (II) dạng borflorua. o Dung dịch đồng hun: dung dịch xianua trong đó đồng nằm trong phức xianua và thiếc trong phức hydroxo. Ngoài ra dung dịch còn chứa xianua tự do (NaCN). o Dung dịch cadmi: axit + cadmi dạng muối sunfat. Thông dụng hơn là dung dịch cadmi dạng phức xianua và xianua tự do. o Dung dịch crôm: axit crômic và axit sunfuric. o Dung dịch vàng: dung dịch xianua, vàng nằm trong phức NaAu(CN)2 và xianua tự do. Có thể sử dụng phức vàng-sunfit. o Dung dịch đồng: axit + đồng sunfat hoặc đồng borflorua. o Dung dịch đồng xianua (phức) và xianua tự do, dung dịch đồng dạng polyphotphat và muối amoni. o Dung dịch niken: muối niken sunfat, clorua và axit yếu (axit boric) hoặc dung dịch niken trên nền của axit amonisulfonic. o Dung dịch bạc: dung dịch bạc xianua hoặc dung dịch bạc thisunfat. o Dung dịch kẽm: phức kẽm xianua và xianua tự do hoặc kẽm sunfat, clorua với axit boric hoặc muối amoni làm chất đệm. Xử lý nước thải xi mạ GVHD: ThS Dương Thị Thành 4 Dây chuyền công nghệ chung của công nghệ xi mạ: Axit Muội Au Muội Ag Mài nhẵn, đánh bóng ọc Tẩy dầu, mỡ Làm sạch bằng hoá học và điện hoá Làm sạch cơ học Mạ crôm Mạ Niken Mạ kẽm Mạ vàng Mạ đồng Chất làm bóng NiSO4 H BO Zn(CN)2 ZnCl2 ZnO NaCN NaOH H3BO3 H2SO4 NaCN CuSO4 Cu(CN)2 Cr6+ Ni2+, axit CN-, Zn2+, axit Cu2+, axit CN-, axit Vật cần mạ Dung môi NaOH, HCl, H2SO4 Nước thải chứa dầu mỡ Hơi dung môi Bụi kim loại Bụi, gỉ Hơi, axit Axit, kiềm Xử lý nước thải xi mạ GVHD: ThS Dương Thị Thành 5 Một ví dụ về công nghệ xi mạ phụ tùng xe đạp và xe máy ở thành phố Hồ Chí Minh: Nguyên liệu
ngâm HCl
thùng quay NaOH
mài cát
nấu NaOH (tẩy bề mặt)
mạ Niken
mạ Crôm
ly tâm
sấy khô
thành phẩm. Dây chuyền mạ Lò mạ Bể mạ II. Lưu lượng và thành phần, tính chất nước thải: Nước thải từ xưởng xi mạ có thành phần đa dạng về nồng độ và pH biến đổi rộng từ rất axit 2-3, đến rất kiềm 10-11. Đặc trưng chung của nước thải ngành mạ là chứa hàm lượng cao các muối vô cơ và kim loại nặng. Tuỳ theo kim loại của lớp mạ mà nguồn ô ề nhiễm có thể là Cu, Zn, Cr, Ni,… và cũng tuỳ thuộc vào loại muối kim loại được sử dụng mà nước thải có chứa các độc tố như xianua, sunfat, amoni, crômat,… Các chất hữu cơ ít có trong nước thải xi mạ, phần chủ yếu là chất tạo bông, chất hoạt động bmặt … nên BOD, COD thường thấp và không thuộc đối tượng xử lý. Đối tượng xử lý chính là các ion vô cơ mà đặc biệt là các muối kim loại nặng như Cr, Ni, Cu, Fe,… Nước thải nên tách riêng thành 3 dòng riêng biệt: - Dung dịch thải đậm đặc từ các bể nhúng, bể ngâm. - Nước rửa thiết bị có hàm lượng chất bẩn trung bình (muối kim loại, dầu mỡ và xà phòng,… - Nước rửa loãng Để an toàn và dễ dàng xử lý, dòng axit crômic và dòng cyanide nên tách riêng. Xử lý nước thải xi mạ GVHD: ThS Dương Thị Thành 6 Chất gây ô nhiễm nước thải xi mạ có thể chia làm vài nhóm sau: o Chất ô nhiễm độc như cyanide CN-, Cr (VI), F-,… o Chất ô nhiễm làm thay đổi pH như dòng axit và kiềm o Chất ô nhiễm hình thành cặn lơ lửng như hydroxit, cacbonat và photphat o Chất ô nhiễm hữu cơ như dầu mỡ, EDTA … Các cuộc khảo sát cho thấy các quá trình trong ngành xử lý kim loại khá đơn giản và tương tự nhau. Nguồn chất thải nguy hại phát sinh từ quá trình làm mát, lau rửa và đốt cháy dầu. Xử lý kim loại đòi hỏi một số hoá chất như axit sunfuric, HCl, xút, …để làm sạch bề mặt kim loại trước khi mạ. Thể tích nước thải được hình thành từ công đoạn rửa bề mặt, làm mát hay làm trơn các bề mặt kim loại khá lớn, gây ô nhiễm nguồn nước và ảnh hưởng đến sức khoẻ cộng đồng. Bảng: Thành phần nước thải cơ sở xi mạ phụ tùng xe gắn máy (CEFINEA, 1996) Chỉ tiêu Đơn vị Nước thải Ni Nước thải mạ Cr Nước thải ngâm NaOH pH 5.47 3064 11.49 TDS mg/l 502 82.3 2370 Cl- mg/l 100 24 58 SO4- mg/l 400 25 38 Alk mgCaCO3/l 60 0 1513 Ni mg/l 286 4.3 - Cr mg/l - 39.6 - Bảng trên cho thấy nước thải ô nhiễm chủ yếu do các chất kiềm, axit và kim loại nặng Crôm và niken. III. Ảnh hưởng của nước thải ngành xi mạ đến môi trường và con người: 1. Ảnh hưởng đến môi trường: - Là độc chất đối với cá và thực vật nước - Tiêu diệt các sinh vật phù du, gây bệnh cho cá và biến đổi các tính chất lí hoá của nước, tạo ra sự tích tụ sinh học đáng lo ngại theo chiều dài chuỗi thức ăn. Nhiều công trình nghiên cứu cho thấy, với nồng độ đủ lớn, sinh vật có thể bị chết hoặc thoái hóa, với nồng độ nhỏ có thể gây ngộ độc mãn tính hoặc tích tụ sinh học, ảnh hưởng đến sự sống của sinh vật về lâu về dài. - Ảnh hưởng đến đường ống dẫn nước, gây ăn mòn, xâm thực hệ thống cống rãnh. - Ảnh hưởng đến chất lượng cây trồng, vật nuôi canh tác nông nghiệp, làm thoái hoá đất do sự chảy tràn và thấm của nước thải. - Ảnh hưởng đến hệ thống xử lý nước thải, cần tách riêng nếu không sẽ ảnh hưởng đến hoạt động của vi sinh vật khi thực hiện xử lý sinh học. Xử lý nước thải xi mạ GVHD: ThS Dương Thị Thành 7 2. Ảnh hưởng đến con người: Xi mạ là ngành có mật độ gây ô nhiễm môi trường cao bởi hơi hóa chất, nước thải có chứa các ion kim loại nặng, kim loại độc ảnh hưởng tới sức khỏe con người gây nên nhiều căn bệnh khó chữa, nguy hiểm tới tính mạng. Nước thải từ các quá trình xi mạ kim loại, nếu không được xử lý, qua thời gian tích tụ và bằng con đường trực tiếp hay gián tiếp, chúng sẽ tồn đọng trong cơ thể con người và gây các bệnh nghiêm trọng, như viêm loét da, viêm đường hô hấp, eczima, ung thư,... Trong khuôn khổ của Đồ án này chỉ chú trọng vào tính chất gây ô nhiễm môi trường của nước thải xi mạ do độc tính của Crôm. 3. Độc tính của Crôm: Mặc dù Crôm tồn tại ở nhiều trạng thái khác nhau, chỉ có Cr(III) và Cr(VI) gây ảnh hưởng lớn đến sinh vật và con người. a. Đường xâm nhập và đào thải: Crôm xâm nhập vào cơ thể theo 3 đường: hô hấp, tiêu hóa và qua da. Cr(VI) được cơ thể hấp thu dễ dàng hơn Cr(III) nhưng khi vào cơ thể Cr(VI) sẽ chuyển thành dạng Cr(III). Dù xâm nhập vào cơ thể theo bất cứ đường nào, Crôm cũng được hòa tan trong máu ở nồng độ 0.001mg/ml, sau đó được chuyển vào hồng cầu và sự hòa tan ở hồng cầu nhanh hơn 10-20 lần. Từ hồng cầu, Crôm được chuyển vào các tổ chức và phủ tạng. Crôm gắn với Sidero filing albumin và được giữ lại ở phổi, xương, thận, gan, phần còn lại thì qua phân và nước tiểu. Từ các cơ quan phủ tạng, Crôm lại được hòa tan dần vào máu, rồi được đào thải qua nước tiểu từ vài tháng đến vài năm. Do đó nồng độ Crôm trong máu và nước tiểu biến đổi nhiều và kéo dài. b. Tác động đến sức khoẻ: Qua ngiên cứu người ta thấy Crôm có vai trò sinh học như chuyển hóa glucose, protein, chất béo ở động vật hữu nhũ. Dấu hiệu của thiếu hụt Crôm ở người gồm có giảm cân, cơ thể không thể loại đường ra khỏi máu, thần kinh không ổn định. Tuy nhiên với hàm lượng cao Crôm làm giảm protein, axit nucleic và ức chế hệ thống men cơ bản. Cr(VI) độc hơn Cr(III). IARC đã xếp Cr(VI) vào nhóm 1, Cr(III) vào nhóm 3 đối với các chất gây ung thư. Hít thở không khí có nồng độ Crôm (ví dụ axit crômic hay Cr(III) trioxit) cao (>2µg/m3) gây kích thích mũi làm chảy nước mũi, hen suyễn dị ứng, ung thư (khi tiếp xúc với Crôm có nồng độ cao hơn 100-1000 lần nồng độ trong môi trường tự nhiên). Ngoài ra Cr(VI) còn có tính ăn mòn, gây dị ứng, lở loét khi tiếp xúc với da. c. Nồng độ giới hạn:  US. EPA giới hạn nồng độ tối đa cho phép của Cr(VI) và Cr(III) trong nước uống là 100 µg/l.  Quy định của SHA về nồng độ của Crôm trong không khí tại nơi làm việc là: o Giới hạn tiếp xúc nghề nghiệp cho ngày làm việc 8 giờ, tuần làm việc 40 giờ là 500 µg/m3 đối với Crôm tan trong nước và 1000 µg/m3 đối với Crôm Xử lý nước thải xi mạ GVHD: ThS Dương Thị Thành 8 kim loại và muối không tan. o Nồng độ của Crôm trioxit (axit crômic) và các hợp chất của Cr(VI) trong không khí tại nơi làm việc không cao hơn 52 µg Cr(VI)/m3 cho ngày làm việc 10 giờ, tuần 40 giờ.  NIOSH xem tất cả hợp chất Cr(VI) có tiềm năng gây ung thư nghề nghiệp và đưa ra giới hạn nồng độ tiếp xúc là 1 µg Cr(VI)/m3 cho ngày làm việc 10 giờ, tuần 40 giờ. IV. Hiện trạng ô nhiễm môi trường do công nghiệp xi mạ tại Việt Nam: Kết quả các nghiên cứu gần đây về hiện trạng môi trường ở nước ta cho thấy, hầu hết các nhà máy, cơ sở xi mạ kim loại có quy mô vừa và nhỏ, áp dụng công nghệ cũ và lạc hậu, lại tập trung chủ yếu tại các thành phố lớn, như Hà Nội, Hải Phòng, TP.HCM, Biên Hoà (Đồng Nai) ... Trong quá trình sản xuất, tại các cơ sở này (kể cả các nhà máy quốc doanh hoặc liên doanh với nước ngoài), vấn đề xử lý ô nhiễm môi trường còn chưa được xem xét đầy đủ hoặc việc xử lý còn mang tính hình thức, chiếu lệ, bởi việc đầu tư cho xử lý nước thải khá tốn kém và việc thực thi Luật Bảo vệ môi trường chưa được nghiêm minh. Nước thải mạ thường gây ô nhiễm bởi các kim loại nặng, như crôm, niken ... và độ pH thấp. Phần lớn nước thải từ các nhà máy, các cơ sở xi mạ được đổ trực tiếp vào cống thoát nước chung của thành phố mà không qua xử lý triệt để, đã gây ô nhiễm cục bộ trầm trọng nguồn nước. Kết quả khảo sát tại một số nhà máy cơ khí ở Hà Nội cho thấy, nồng độ chất độc có hàm lượng các ion kim loại nặng, như crôm, niken, đồng ... đều cao hơn nhiều so với tiêu chuẩn cho phép; một số cơ sở mạ điện tuy có hệ thống xử lý nước thải nhưng chưa chú trọng đầy đủ đến các thông số công nghệ của quá trình xử lý để điều chỉnh cho phù hợp khi đặc tính của nước thải thay đổi. Tại TP.HCM, Bình Dương và Đồng Nai, kết quả phân tích chất lượng nước thải của các nhà máy, cơ sở xi mạ điển hình ở cả 3 địa phương này cho thấy, hầu hết các cơ sở đều không đạt tiêu chuẩn nước thải cho phép: hàm lượng chất hữu cơ cao, chỉ tiêu về kim loại nặng vượt nhiều lần tiêu chuẩn cho phép, COD dao động trong khoảng 320 - 885mg/lít do thành phần nước thải có chứa cặn sơn, dầu nhớt .... Hơn 80% nước thải của các nhà máy, cơ sở xi mạ không được xử lý. Chính nguồn thải này đã và đang gây ô nhiễm nghiêm trọng đến môi trường nước mặt, ảnh hưởng đáng kể chất lượng nước sông Sài Gòn và sông Đồng Nai. Ước tính, lượng chất thải các loại phát sinh trong ngành công nghiệp xi mạ trong những năm tới sẽ lên đến hàng ngàn tấn mỗi năm. Điều này cho thấy các khu vực ô nhiễm và suy thoái môi trường ở nước ta sẽ còn gia tăng nếu không kịp thời đưa ra các biện pháp hữu hiệu. Xử lý nước thải xi mạ GVHD: ThS Dương Thị Thành 9 Phần 2 LỰA CHỌN VÀ ĐỀ XUẤT PHƯƠNG PHÁP VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ I. Giới thiệu các phương pháp và công nghệ xử lý nước thải xi mạ: Phương pháp xử lý nước thải xi mạ phổ biến nhất là dùng phương pháp hoá học rồi đến trao đổi ion, phương pháp chưng cất, phương pháp điện thẩm tích. Chọn phương pháp nào là tuỳ chỉ tiêu kinh tế - kĩ thuật cho phép, điều kiện môi trường địa phương, yêu cầu, mục đích dùng lại hoặc thải thẳng ra môi trường… Chọn phương pháp nào cũng phải bảo đảm chất lượng môi trường theo TCVN 5945- 1995. 1. Phương pháp kết tủa: Quá trình kết tủa thường được ứng dụng cho xử lý nứơc thải chứa kim loại nặng. Kim loại nặng thường kết tủa ở dạng hydroxit khi cho chất kiềm hóa (vôi, NaOH, Na2CO3,…) vào để đạt đến giá trị pH tương ứng với độ hoà tan nhỏ nhất. Giá trị pH này thay đổi tuỳ theo kim loại. Độ hoà tan nhỏ nhất của Crôm ở pH 7.5 và kẽm là 10.2. Ở ngoài giá trị đó, hàm lượng hoà tan tăng lên. Khi xử lý kim loại, cần thiết xử lý sơ bộ để khử đi các chất cản trở quá trình kết tủa. Thí dụ như cyanide và ammonia hình thành các phức với nhiều kim loại làm giảm hiệu quả quá trình kết tủa. Cyanide có thể xử lý bằng chlorine hoá-kiềm, ammonia có thể khử bằng phương pháp chlorine hoá điểm uốn (breakthrough point), tách khí (air stripping) hoặc các phương pháp khác trước giai đoạn khử kim loại. Trong xử lý nước thải công nghiệp, kim loại nặng có thể loại bỏ bằng quá trình kết tủa hydroxit với chất kiềm hóa, hoặc dạng sulfide hay carbonat. Một số kim loại như arsenic hoặc cadmium ở nồng độ thấp có thể xử lý hiệu quả khi cùng kết tủa với phèn nhôm hoặc sắt. Khi chất lượng đầu ra đòi hỏi cao, có thể áp dụng quá trình lọc để loại bỏ các cặn lơ lửng khó lắng trong quá trình kết tủa. Đối với Crôm VI (Cr6+), cần thiết tiến hành khử Cr6+ thành Cr3+ và sau đó kết tủa với vôi hoặc xút. Hoá chất khử thông thường cho xử lý nước thải chứa Crôm là ferrous sulphate (FeSO4), sodium-meta-bisulfit, hoặc sulfur dioxit. Ferrous sulphate (FeSO4), sodium-meta-bisulfit có thể ở dạng rắn hoặc dung dịch. SO2 ở dạng khí nén trong các bình chịu áp. Quá trình khử hiệu quả trong môi trường pH thấp. Vì vậy các hoá chất khử sử dụng thường là các chất mang tính axit mạnh. Trong quá trình khử, Fe2+ sẽ chuyển thành Fe3+. Nếu sử dụng meta-bisulfit hoặc sulfur dioxit, ion SO32-