Tóm tắt giáo trình "Công nghệ xử lý nước thải" của Trần Văn Nhân và Ngô Thị Nga NXB KHKT 2002

I. Tổng Quan về Ô Nhiễm Môi Trường Nước

Tài liệu nhấn mạnh nước là một nguồn tài nguyên quý giá và thiết yếu cho sự sống, đồng thời là một phần không thể thiếu của môi trường. Tuy nhiên, các hoạt động của con người đã gây ra sự ô nhiễm đáng kể cho nguồn nước tự nhiên.

A. Nước trong tự nhiên: Nước có các đặc tính vật lý đặc biệt như khối lượng riêng (lớn nhất ở 4°C), nhiệt dung riêng cao (4184 J/kg.°C), nhiệt hóa hơi cao (2258 kJ/kg), và khả năng hòa tan chất dinh dưỡng cao. Những đặc tính này cho phép nước điều hòa nhiệt độ, vận chuyển và duy trì sự sống.

• Vòng tuần hoàn nước: Tài liệu mô tả vòng tuần hoàn nước tự nhiên và sự tác động của con người đến nó, bao gồm khai thác, xử lý và phân phối, thu gom nước thải, xử lý sơ bộ và cuối cùng là trả nước về nguồn.
• Phân bố nước trên Trái Đất: Nước biển chiếm 97.3%, nước ngọt chiếm 2.7% (trong đó 77.2% là băng/băng hà, 22.4% là nước ngầm/đất, 0.35% là hồ/đầm lầy, 0.05% là khí quyển, và 0.01% trong sông/suối).

B. Sự ô nhiễm nước: Sự ô nhiễm nước là sự thay đổi về số lượng và chất lượng nước do hoạt động của con người, ảnh hưởng đến chất lượng nước. Các nguyên nhân chính bao gồm:

• Thay đổi pH: Do nước thải công nghiệp và H₂SO₄, HNO₃ từ khí quyển.
• Tăng hàm lượng ion: Như Ca, Mg, Si, Pb, Cd, Hg, As, Zn từ nước ngầm, nước mặt và nước thải công nghiệp.
• Tăng chất hữu cơ: Gây ra bởi các chất khó phân hủy sinh học (chất thải động vật, thuốc trừ sâu).
• Tăng hàm lượng muối: Từ nước mặt và nước ngầm.
• Tăng hàm lượng oxy hóa tan (DO) và nhu cầu oxy sinh hóa (BOD): DO là lượng oxy hòa tan trong nước, cần thiết cho sự sống dưới nước. Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD) là lượng oxy cần thiết để phân hủy chất hữu cơ. Giá trị BOD càng cao, mức độ ô nhiễm càng lớn.
• Ảnh hưởng của DO: Nồng độ DO tối ưu là 5-8 mg/L. Nồng độ DO dưới 3 mg/L gây ô nhiễm nghiêm trọng.
• Nhu cầu oxy hóa học (COD): COD là lượng oxy cần để oxy hóa hóa học chất hữu cơ thành CO₂ và nước. Giá trị COD thường cao hơn BOD.
• Các chất dinh dưỡng: Nitơ và photpho, chủ yếu từ chất thải sinh hoạt và công nghiệp, gây phú dưỡng (sự phát triển quá mức của tảo và thực vật).
• Chất lượng vi sinh vật: Nước có thể chứa các vi sinh vật gây bệnh như vi khuẩn (coliform, Salmonella), virus, động vật nguyên sinh, và nấm. Sự hiện diện của Coliform phân (fecal coliform) là một chỉ số quan trọng về ô nhiễm phân.
• Các tác nhân độc hại:
• Trihalometan (THM): Các hợp chất hữu cơ có chứa halogen (chloroform, bromodichloromethane) có thể gây ung thư.
• Hợp chất hữu cơ: Như dầu mỏ, phenol, thuốc trừ sâu, v.v., đều là các chất ô nhiễm nguy hiểm.
• Kim loại nặng: Pb, Cd, Hg, As, Zn, Cu, Ni, v.v., tích lũy trong chuỗi thức ăn và gây độc hại.
• Thuốc trừ sâu: DDT, dieldrin, heptachloro, carbamate, v.v., có tác động tiêu cực đến môi trường và sinh vật.

C. Phân loại và đặc tính của nước thải: Nước thải được phân loại thành:

• Nước thải sinh hoạt: Từ khu dân cư, thương mại, trường học.
• Nước thải công nghiệp: Từ các nhà máy sản xuất.
• Nước thải mưa: Từ hệ thống thoát nước mưa.
• Nước thải tự nhiên và đô thị: Nước thải tự nhiên là nước thải được thu gom từ hệ thống thoát nước đô thị.

II. Các Phương Pháp Xử Lý Nước Thải

Tài liệu mô tả ba cấp độ xử lý nước thải: cấp I (sơ bộ và lắng), cấp II (sinh học), và cấp III (xử lý nâng cao).

A. Các phương pháp cơ học (Xử lý sơ bộ và lắng cấp I): Các phương pháp này nhằm loại bỏ các chất rắn không hòa tan và các chất lơ lửng.

• Song chắn rác và lưới chắn rác: Loại bỏ các vật rắn lớn như rác, gỗ, nhựa. Kích thước khe hở của song chắn rác dao động từ 10-100 mm.
• Điều hòa lưu lượng: Ổn định lưu lượng nước thải vào hệ thống xử lý để đảm bảo hiệu quả.
• Quá trình lắng: Tách các hạt rắn lơ lửng ra khỏi nước thải bằng trọng lực. Có các loại bể lắng khác nhau:
• Lắng riêng lẻ (loại I): Tách các hạt riêng lẻ, không tương tác.
• Lắng keo tụ (loại II): Các hạt keo tụ lại thành các cụm lớn hơn và lắng nhanh hơn.
• Lắng bùn (loại III): Xảy ra trong các bể lắng có nồng độ bùn cao.
• Lắng chèn (loại IV): Xảy ra khi các hạt lắng tạo thành một lớp bùn chèn ép.
• Lọc: Tách các hạt rắn khỏi nước thải bằng cách cho nước đi qua vật liệu lọc. Có hai loại chính:
• Lọc chậm: Tốc độ lọc thấp (0,1-0,2 m/h), hiệu quả cao trong việc loại bỏ vi khuẩn.
• Lọc nhanh: Tốc độ lọc cao (1,8-2,0 m³/m².h), thường được sử dụng trong các hệ thống xử lý lớn.
• Tách các hạt lơ lửng bằng lực ly tâm và lực nén: Sử dụng thiết bị như xyclon thủy lực và máy ly tâm để tách các hạt mịn ra khỏi nước thải.

B. Các phương pháp hóa lý: Các phương pháp này sử dụng các phản ứng hóa học hoặc các quá trình vật lý để loại bỏ các chất ô nhiễm.

• Đông tụ và keo tụ: Quá trình thêm hóa chất (phèn, polime) vào nước thải để tạo thành các hạt cặn lớn (bông keo tụ) dễ lắng.
• Tuyển nổi: Sử dụng bọt khí để đưa các hạt rắn lơ lửng lên bề mặt và loại bỏ.
• Hấp phụ: Sử dụng vật liệu hấp phụ (than hoạt tính) để loại bỏ các chất hữu cơ hòa tan.
• Trao đổi ion: Loại bỏ các ion kim loại nặng và các chất độc hại khác bằng cách trao đổi ion với một vật liệu trao đổi ion.
• Các quá trình tách bằng màng: Bao gồm điện thẩm tách, siêu lọc, thẩm thấu ngược, v.v., để loại bỏ các hạt nhỏ và chất hòa tan.
• Các phương pháp điện hóa: Sử dụng dòng điện để loại bỏ các chất ô nhiễm thông qua quá trình oxy hóa-khử tại điện cực.

C. Các phương pháp sinh học: Sử dụng vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ và vô cơ trong nước thải.

• Nguyên lý chung của quá trình oxy hóa sinh học: Vi sinh vật phân hủy chất hữu cơ để lấy năng lượng, tạo ra sinh khối mới. Quá trình này phụ thuộc vào nhiệt độ, pH, và nồng độ chất dinh dưỡng.
• Sự phát triển của tế bào và động học của phản ứng lên men: Mô tả các giai đoạn phát triển của vi sinh vật (pha tiềm phát, logarit, cân bằng, suy tàn) và các mô hình toán học để dự đoán tốc độ tăng trưởng sinh khối.
• Ảnh hưởng của các yếu tố khác nhau lên tốc độ oxy hóa sinh học:Nhiệt độ: Ảnh hưởng lớn đến tốc độ phản ứng sinh học.
• Kim loại nặng và muối: Có thể ức chế hoạt động của vi sinh vật.
• Hấp thụ và nhu cầu oxy: Cung cấp đủ oxy hòa tan là yếu tố quan trọng cho quá trình oxy hóa sinh học hiếu khí.
• Các nguyên tố dinh dưỡng và vi lượng: N, P, K, Ca, Mg, v.v., cần thiết cho sự phát triển của vi sinh vật.
• Cấu trúc của các chất ô nhiễm và bùn hoạt tính: Bùn hoạt tính chứa nhiều loại vi khuẩn, nấm, động vật nguyên sinh, v.v., có khả năng phân hủy các chất hữu cơ.
• Các phương pháp hiếu khí:Xử lý nước thải trong các công trình nhân tạo (Aeroten): Hệ thống thông khí sinh học nơi bùn hoạt tính được sục khí để duy trì môi trường hiếu khí.
• Xử lý nước thải trong điều kiện tự nhiên: Sử dụng các ao ổn định, hồ sinh học.
• Các phương pháp yếm khí: Phân hủy chất hữu cơ trong điều kiện không có oxy.
• Xử lý hỗn hợp nước thải sinh hoạt và nước thải công nghiệp.
• Xử lý bùn cặn: Bùn từ quá trình xử lý nước thải cần được xử lý và thải bỏ một cách an toàn.

III. Xử Lý Nước Thải của Một Số Ngành Công Nghiệp

Tài liệu trình bày đặc điểm và phương pháp xử lý nước thải của một số ngành công nghiệp cụ thể:

• Sản xuất hóa chất phân bón: Nước thải chứa nhiều nitơ, photpho, amoniac, sunfat, và các chất độc hại khác.
• Sản xuất thuốc da: Nước thải chứa nhiều hóa chất độc hại, kim loại nặng, và chất hữu cơ.
• Sản xuất dệt nhuộm: Nước thải có màu, pH cao, chứa hóa chất nhuộm, kim loại nặng, và chất hữu cơ.
• Sản xuất giấy: Nước thải chứa nhiều chất rắn lơ lửng, BOD, COD, lignin, và các chất độc hại khác.
• Sản xuất bia: Nước thải chứa nhiều chất hữu cơ (BOD, COD cao), chất rắn lơ lửng, và độ màu.
• Công nghiệp luyện kim và gia công kim loại: Nước thải chứa kim loại nặng (Cr, Ni, Cu, Zn), xyanua, dầu mỡ, và axit/kiềm.

IV. Kiểm Soát Ô Nhiễm Môi Trường Nước

Tài liệu đưa ra các chiến lược và giải pháp để kiểm soát ô nhiễm nước, bao gồm cả các tiêu chuẩn chất lượng nước.

A. Các giải pháp kiểm soát ô nhiễm nước:

• Giảm phát sinh chất thải tại nguồn:Tuần hoàn nước trong nhà máy.
• Tách riêng dòng thải có nồng độ ô nhiễm cao.
• Thay đổi loại nguyên liệu thô.
• Thay đổi quy trình công nghệ sản xuất.
• Thay đổi hoặc cải biến sản phẩm đầu ra.
• Giảm chất thải sau phát sinh:Tái sử dụng vật liệu.
• Sản xuất sản phẩm phụ.
• Xử lý chất thải.
• Tái sử dụng chất thải.
• Cải thiện khả năng tự làm sạch của nguồn tiếp nhận nước:Bổ sung nước pha loãng.
• Khuấy trộn nước trong hồ chứa.
• Thông khí các dòng chảy.
• Phân bố lại dòng thải.
• Các biện pháp dùng hóa chất và sinh học:Xử lý hóa học để kết tủa photpho.
• Giảm nồng độ sinh khối tảo và cá.

B. Quản lý chất lượng nước:

• Tiêu chuẩn chất lượng nước: Bao gồm tiêu chuẩn cho nước mặt, nước thải đầu ra, và nước thải công nghiệp. Các tiêu chuẩn này được thiết lập để bảo vệ môi trường và sức khỏe cộng đồng.
• Hệ thống quản lý chất lượng nước: Bao gồm các bước từ thu gom nước thải, xử lý, tái sử dụng, đến thải ra môi trường.

V. Kinh Tế Xử Lý Nước Thải

Chi phí xử lý nước thải là một yếu tố quan trọng cần xem xét. Ví dụ, tại Mỹ, chi phí xử lý nước thải ước tính khoảng 0,20 USD/1000 gallon. Chi phí này có thể thay đổi tùy thuộc vào loại nước thải, mức độ ô nhiễm, và công nghệ xử lý được áp dụng. Việc lựa chọn phương pháp xử lý cần cân bằng giữa hiệu quả và chi phí.

Tóm lại, tài liệu này cung cấp một cái nhìn tổng thể về thách thức ô nhiễm nước và các giải pháp công nghệ đa dạng để xử lý nước thải, từ các phương pháp cơ học đơn giản đến các công nghệ sinh học và hóa lý phức tạp, đồng thời nhấn mạnh tầm quan trọng của việc quản lý môi trường nước một cách bền vững.
Link download nguyên quyển sách tiếng Việt: https://drive.google.com/file/d/16A4V_wh-xdmwvdENYcvHpZcWlvXwrzqB/view?usp=sharing