Tổng quan về Nước thải Xi mạ và Công nghệ Xử lý Đề xuất

Tóm tắt Báo cáo

Tài liệu này trình bày một phân tích toàn diện về đặc tính, tác động môi trường và các phương pháp xử lý nước thải từ ngành công nghiệp xi mạ, tập trung vào bối cảnh tại Việt Nam. Nước thải xi mạ là một nguồn ô nhiễm công nghiệp nguy hại, đặc trưng bởi độ pH biến động mạnh (từ 2-3 đến 10-11), hàm lượng cao các kim loại nặng độc hại như Crom (Cr), Niken (Ni), Đồng (Cu), Kẽm (Zn) và các chất độc khác như xyanua (CN-). Các chất ô nhiễm này gây ra những tác động nghiêm trọng đến hệ sinh thái thủy sinh, làm thoái hóa đất, ăn mòn cơ sở hạ tầng và đe dọa sức khỏe con người, bao gồm nguy cơ gây ung thư.

Tại Việt Nam, tình trạng ô nhiễm do ngành xi mạ đang ở mức báo động, với hơn 80% lượng nước thải từ các cơ sở sản xuất, đặc biệt là các doanh nghiệp vừa và nhỏ, không được xử lý và xả thẳng ra môi trường. Điều này đã gây ô nhiễm cục bộ trầm trọng tại các trung tâm công nghiệp lớn như Hà Nội, TP.HCM và Đồng Nai.

Tài liệu đề xuất một hệ thống xử lý hoàn chỉnh cho một nhà máy xi mạ có công suất 30 m³/ngày, sử dụng phương pháp xử lý hóa lý theo từng mẻ. Công nghệ cốt lõi bao gồm các bước: (1) Điều chỉnh pH xuống môi trường axit mạnh (pH 2.1-2.3) bằng H₂SO₄; (2) Khử Cr(VI) độc hại thành Cr(III) ít độc hơn bằng FeSO₄; (3) Trung hòa và kết tủa các ion kim loại dưới dạng hydroxit bằng NaOH; (4) Lắng cặn và tách nước trong; (5) Xử lý triệt để các ion kim loại còn sót lại bằng cột trao đổi ion. Bùn thải chứa kim loại nặng được thu gom và làm khô tại sân phơi bùn. Mặc dù chi phí đầu tư và vận hành là một rào cản, việc áp dụng các công nghệ xử lý hiệu quả là yêu cầu cấp bách để giảm thiểu suy thoái môi trường và bảo vệ sức khỏe cộng đồng.

1. Đặc điểm và Tác động của Nước thải Xi mạ

1.1. Thành phần và Tính chất

Nước thải từ các xưởng xi mạ có thành phần phức tạp và đa dạng, phụ thuộc vào công nghệ và kim loại được sử dụng. Đặc trưng chung là chứa hàm lượng cao các muối vô cơ và kim loại nặng.

• Độ pH: Biến đổi trong khoảng rộng, từ rất axit (2-3) đến rất kiềm (10-11).

• Chất ô nhiễm chính:

    ◦ Kim loại nặng: Cu, Zn, Cr, Ni, Fe, Cd, Pb.

    ◦ Các chất độc hại: Xyanua (CN⁻), sunfat (SO₄²⁻), amoni (NH₄⁺), crômat (CrO₄²⁻), florua (F⁻).

    ◦ Chất gây thay đổi pH: Dòng thải chứa axit (H₂SO₄, HCl) và kiềm (NaOH) nồng độ cao.

    ◦ Chất hữu cơ: Chủ yếu là dầu mỡ, chất hoạt động bề mặt, chất tạo bông (EDTA). Các chỉ số BOD, COD thường thấp và không phải là đối tượng xử lý chính.

• Phân loại dòng thải: Để xử lý hiệu quả, nước thải xi mạ nên được tách thành các 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.

    ◦ Nước rửa loãng.

    ◦ Đặc biệt, dòng chứa axit crômic và dòng chứa xyanua nên được tách riêng hoàn toàn để đảm bảo an toàn và dễ xử lý.

Bảng: Thành phần nước thải tại một cơ sở xi mạ phụ tùng xe gắn máy (CEFINEA, 1996)

Chỉ tiêu	Đơn vị	Nước thải mạ Ni	Nước thải mạ Cr	Nước thải ngâm NaOH
pH		5.47	3.64	11.49
TDS	mg/l	502	82.3	2370
Cl⁻	mg/l	100	24	58
SO₄²⁻	mg/l	400	25	38
Alk	mgCaCO₃/l	60	0	1513
Ni	mg/l	286	4.3	-
Cr	mg/l	-	39.6	-

1.2. Ảnh hưởng đến Môi trường và Con người

Nước thải xi mạ nếu không được xử lý sẽ gây ra những hậu quả nghiêm trọng.

• Đối với môi trường:

    ◦ Là độc chất đối với cá và thực vật thủy sinh, tiêu diệt sinh vật phù du.

    ◦ Gây tích tụ sinh học trong chuỗi thức ăn.

    ◦ Làm thay đổi các tính chất lý hóa của nguồn nước tiếp nhận.

    ◦ Gây ăn mòn, xâm thực hệ thống cống rãnh và đường ống dẫn nước.

    ◦ Làm thoái hóa đất nông nghiệp do thấm và chảy tràn.

    ◦ Ức chế hoạt động của vi sinh vật, ảnh hưởng đến hiệu quả của các hệ thống xử lý nước thải sinh học.

• Đối với con người:

    ◦ Tiếp xúc với hóa chất và nước thải có thể gây các bệnh nghiêm trọng như viêm loét da, viêm đường hô hấp, eczima.

    ◦ Tích tụ kim loại nặng trong cơ thể qua thời gian có thể dẫn đến ung thư và các bệnh mãn tính nguy hiểm.

1.3. Độc tính của Crom (Cr)

Crom là một trong những kim loại nặng độc hại và phổ biến nhất trong nước thải xi mạ, tồn tại chủ yếu ở hai dạng Cr(III) và Cr(VI).

• Mức độ độc hại: Cr(VI) độc hơn và dễ hấp thụ vào cơ thể hơn Cr(III). Tổ chức Nghiên cứu Ung thư Quốc tế (IARC) xếp Cr(VI) vào nhóm 1 (chất gây ung thư cho người).

• Đường xâm nhập: Crom có thể vào cơ thể qua đường hô hấp, tiêu hóa và tiếp xúc qua da. Khi vào cơ thể, Cr(VI) sẽ chuyển hóa thành Cr(III).

• Tác động sức khỏe:

    ◦ Hít thở không khí chứa Cr(VI) nồng độ cao (>2µg/m³) có thể gây kích ứng mũi, hen suyễn và ung thư.

    ◦ Tiếp xúc qua da có thể gây dị ứng, lở loét và ăn mòn.

    ◦ Với hàm lượng cao, Crom ức chế hệ thống men cơ bản, làm giảm protein và axit nucleic.

• Giới hạn cho phép:

    ◦ US. EPA: Nồng độ tối đa cho phép trong nước uống là 100 µg/l đối với cả Cr(III) và Cr(VI).

    ◦ NIOSH (Mỹ): Giới hạn nồng độ tiếp xúc nghề nghiệp khuyến nghị là 1 µg Cr(VI)/m³ cho ngày làm việc 10 giờ.

2. Hiện trạng Ô nhiễm do ngành Xi mạ tại Việt Nam

Tình hình ô nhiễm môi trường do ngành xi mạ ở Việt Nam đang rất nghiêm trọng, đặc biệt tại các khu vực tập trung nhiều cơ sở sản xuất.

• Quy mô và công nghệ: Hầu hết các cơ sở xi mạ có quy mô vừa và nhỏ, sử dụng công nghệ cũ, lạc hậu và tập trung tại các thành phố lớn như Hà Nội, Hải Phòng, TP.HCM, Biên Hòa.

• Thực trạng xử lý:

    ◦ Hơn 80% nước thải của các nhà máy và cơ sở xi mạ không được xử lý mà xả trực tiếp vào hệ thống thoát nước chung.

    ◦ Nhiều cơ sở có hệ thống xử lý nhưng chỉ mang tính hình thức, chiếu lệ, không vận hành đúng quy trình do chi phí tốn kém và việc thực thi luật pháp chưa nghiêm minh.

• Hậu quả:

    ◦ Kết quả khảo sát tại Hà Nội, TP.HCM, Bình Dương và Đồng Nai cho thấy nồng độ các kim loại nặng như Crom, Niken, Đồng trong nước thải đều vượt tiêu chuẩn cho phép nhiều lần.

    ◦ Nguồn thải này đang gây ô nhiễm nghiêm trọng nước mặt, ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng nước sông Sài Gòn và sông Đồng Nai.

    ◦ Lượng chất thải từ ngành xi mạ được dự báo sẽ tăng lên hàng ngàn tấn mỗi năm, đe dọa làm gia tăng các khu vực ô nhiễm và suy thoái môi trường nếu không có biện pháp can thiệp hiệu quả.

3. Tổng quan các Phương pháp Xử lý Nước thải Xi mạ

Có nhiều phương pháp được áp dụng để xử lý nước thải xi mạ, việc lựa chọn phụ thuộc vào đặc tính nước thải, quy mô sản xuất, yêu cầu chất lượng đầu ra và điều kiện kinh tế-kỹ thuật.

1. Phương pháp Kết tủa Hóa học:

    ◦ Nguyên lý: Là phương pháp phổ biến nhất, sử dụng các chất kiềm hóa (vôi, NaOH, Na₂CO₃) để nâng pH, tạo ra các kết tủa hydroxit kim loại không tan. Mỗi kim loại có một khoảng pH tối ưu để đạt độ hòa tan nhỏ nhất (ví dụ: Cr(OH)₃ ở pH 7.5, Zn(OH)₂ ở pH 10.2).

    ◦ Xử lý Cr(VI): Cr(VI) không thể kết tủa trực tiếp. Cần phải thực hiện bước khử Cr(VI) thành Cr(III) trong môi trường axit (pH < 3) bằng các chất khử như sunfat sắt (FeSO₄), natri metabisulfit (Na₂S₂O₅) hoặc sulfur dioxit (SO₂). Sau đó, Cr(III) mới được kết tủa bằng cách nâng pH.

    ◦ Ưu/Nhược điểm: Hiệu quả cao, công nghệ đơn giản. Tuy nhiên, tạo ra lượng bùn thải lớn, đặc biệt khi dùng FeSO₄.

2. Phương pháp Trao đổi Ion:

    ◦ Nguyên lý: Nước thải được cho đi qua cột chứa các hạt nhựa (resin) có khả năng trao đổi ion. Các ion kim loại nặng trong nước sẽ bị giữ lại trên bề mặt nhựa, trả lại các ion vô hại vào dung dịch.

    ◦ Ứng dụng: Thường được dùng để xử lý triệt để kim loại ở nồng độ thấp hoặc để thu hồi các kim loại quý như Crom, Vàng. Có thể thu hồi axit crômic để tái sử dụng.

    ◦ Nhược điểm: Chi phí đầu tư và vận hành (tái sinh hạt nhựa) cao.

3. Phương pháp Điện hóa:

    ◦ Nguyên lý: Dựa trên quá trình oxy hóa-khử tại các điện cực khi cho dòng điện một chiều đi qua nước thải. Các ion kim loại sẽ kết tủa hoặc bám trên bề mặt điện cực.

    ◦ Ứng dụng: Thích hợp cho nước thải có nồng độ kim loại cao (> 1 g/l).

    ◦ Ưu điểm: Không cần thêm hóa chất, giảm lượng bùn thải.

4. Phương pháp Sinh học:

    ◦ Nguyên lý: Sử dụng khả năng của một số loài vi sinh vật, tảo hoặc thực vật thủy sinh (như bèo tây) để hấp thụ kim loại nặng như một chất vi lượng trong quá trình phát triển.

    ◦ Nhược điểm: Yêu cầu nồng độ kim loại thấp (< 60 mg/l), cần diện tích lớn và hiệu quả xử lý kém đối với nước thải chứa nhiều loại kim loại khác nhau.

4. Phân tích Chi tiết Công nghệ Xử lý Đề xuất

Dựa trên đặc tính nước thải và quy mô công suất 30 m³/ngày, một hệ thống xử lý hóa lý theo từng mẻ được đề xuất.

Bảng: Thông số Đầu vào và Yêu cầu Đầu ra (Tiêu chuẩn loại B)

Thông số	Đơn vị	Nước thải đầu vào	Nước thải sau xử lý
Lưu lượng	m³/ngày	30	30
pH		4	6-9
Dầu mỡ (Oil)	mg/l	34-65	Vết
Cr³⁺	mg/l	55-73	< 1.0
Cr⁶⁺	mg/l	40-52	< 0.1

4.1. Sơ đồ và Thuyết minh Công nghệ

Quy trình xử lý được thiết kế gồm các công trình đơn vị sau: Nước thải → Hố thu gom → Bể điều hòa (kết hợp vớt dầu) → Bể phản ứng và lắng kết hợp → Bể chứa trung gian → Cột trao đổi ion → Nguồn tiếp nhận Bùn từ bể lắng được đưa đến Sân phơi bùn.

Thuyết minh quy trình:

1. Thu gom và Điều hòa: Nước thải từ nhà máy được thu gom và bơm vào bể điều hòa để ổn định lưu lượng và nồng độ. Tại đây, dầu mỡ được tuyển nổi bằng khí và vớt bỏ.

2. Phản ứng Hóa học (Xử lý theo mẻ): Nước thải được đưa vào Bể phản ứng và lắng kết hợp. Mỗi ngày xử lý 4 mẻ, mỗi mẻ 7.5 m³.

    ◦ Bước 1 - Axit hóa & Khử Cr⁶⁺: Châm H₂SO₄ để hạ pH xuống 2.1-2.3, tạo điều kiện tối ưu cho phản ứng khử. Sau đó châm dung dịch FeSO₄ và khuấy trộn để khử toàn bộ Cr⁶⁺ thành Cr³⁺.

    ◦ Bước 2 - Trung hòa & Kết tủa: Châm dung dịch NaOH để nâng pH, tạo kết tủa các hydroxit kim loại, chủ yếu là Cr(OH)₃ và Fe(OH)₃.

3. Lắng: Giảm tốc độ khuấy và để lắng trong khoảng 4 giờ. Phần cặn bùn lắng xuống đáy bể.

4. Xử lý tinh (Polishing): Phần nước trong sau lắng được xả sang bể chứa trung gian, sau đó bơm qua cột trao đổi ion để loại bỏ triệt để các ion kim loại nặng còn sót lại, đảm bảo nước đầu ra đạt tiêu chuẩn loại B.

5. Xử lý bùn: Bùn cặn từ đáy bể phản ứng được xả định kỳ ra sân phơi bùn để làm khô, giảm thể tích trước khi đem đi chôn lấp theo quy định.

4.2. Tính toán Thiết kế và Hóa chất

• Bể phản ứng và lắng kết hợp:

    ◦ Thể tích xử lý mỗi mẻ: 7.5 m³.

    ◦ Thiết kế dạng trụ tròn, đường kính 2.2m, tổng chiều cao 2.85m.

    ◦ Vật liệu: Thép không gỉ.

• Lượng hóa chất cần dùng (tính toán cho hiệu suất 90%):

    ◦ FeSO₄: 16.42 kg/ngày (châm dư 120% so với lý thuyết).

    ◦ NaOH: 9.95 kg/ngày.

• Lượng bùn sinh ra:

    ◦ Khối lượng cặn khô (Cr(OH)₃ và Fe(OH)₃): 7.72 kg/ngày.

    ◦ Thể tích bùn ướt (độ ẩm 97%): 0.215 m³/ngày.

• Sân phơi bùn:

    ◦ Tổng diện tích cần thiết: 7.6 m² (thiết kế 1 ô kích thước 3m x 2.5m).

    ◦ Thời gian phơi: 21 ngày để đạt độ ẩm 25%.

5. Phân tích Chi phí

Tài liệu gốc không thực hiện tính toán chi phí chi tiết cho hệ thống đã thiết kế, nhưng có tham khảo hai công nghệ xử lý nước thải xi mạ thương mại tại Việt Nam:

1. Hệ thống xử lý hợp khối tự động:

    ◦ Công nghệ: Điều chỉnh pH, phản ứng hóa học, lắng, tuyển nổi áp lực và hấp phụ.

    ◦ Công suất: 5 - 300 m³/ngày đêm.

    ◦ Chi phí tham khảo:

        ▪ Giá bán thiết bị (công suất 5 m³/ngày): 90 triệu đồng.

        ▪ Phí đào tạo: 5 triệu đồng.

        ▪ Phí tư vấn kỹ thuật: 10 triệu đồng.

    ◦ Giá thành xử lý: 2,000 - 2,500 đồng/m³ nước thải.

2. Công nghệ MICRO-CELL:

    ◦ Công nghệ: Sử dụng phoi sắt và "xúc tác" trong thiết bị khử micro-cell.

    ◦ Ưu điểm: Không cần tách dòng nước thải chứa Cr⁶⁺, hệ thống gọn nhẹ, chi phí cơ bản giảm ít nhất 50%, vận hành đơn giản.

    ◦ Yêu cầu: Nhà xưởng 120 m², nguyên liệu gồm phoi sắt, H₂SO₄, vôi.

    ◦ Chi phí: Không được cung cấp.

6. Kết luận và Kiến nghị

Ngành xi mạ là một ngành công nghiệp thiết yếu nhưng lại là một trong những nguồn gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng nhất. Thực trạng tại Việt Nam cho thấy sự thiếu quan tâm và đầu tư vào việc xử lý nước thải của các doanh nghiệp, dẫn đến suy thoái chất lượng nguồn nước và các hệ lụy lâu dài về môi trường và sức khỏe.

Hệ thống xử lý được đề xuất trong tài liệu chứng minh rằng việc xử lý nước thải xi mạ là hoàn toàn khả thi về mặt kỹ thuật, có khả năng đưa các thông số ô nhiễm về ngưỡng an toàn theo quy định. Mặc dù chi phí đầu tư ban đầu có thể là một thách thức, nhưng lợi ích về môi trường và xã hội về lâu dài là vô cùng to lớn và cần được ưu tiên. Do đó, cần có những biện pháp mạnh mẽ hơn trong việc thực thi Luật Bảo vệ Môi trường, đồng thời nâng cao nhận thức của các nhà quản lý doanh nghiệp về tầm quan trọng của việc đầu tư cho công nghệ xử lý, nhằm cân bằng giữa phát triển kinh tế và bảo vệ môi trường bền vững.
Link download full tiếng Việt: https://drive.google.com/file/d/1iCsiQ00XgB0Jf24f1Fo9gP37JHZV-4hM/view?usp=sharing