Phương pháp điện hóa xử lý nước thải

XỬ LÝ ĐIỆN HÓA NƯỚC THẢI LÀ GÌ?

Xử lý điện hóa nước thải là một loại phương pháp hóa lý tái chế nước thải. Quá trình xử lý điện hóa nước thải diễn ra dưới tác động của dòng điện sử dụng các điện cực hòa tan và không hòa tan. Loại xử lý nước thải này thuộc phương pháp không dùng thuốc thử và thông qua sử dụng một dòng điện nên rất thuận tiện và dễ dàng kiểm soát và tự động hóa.

NGUYÊN LÝ HOẠT ĐỘNG CỦA ĐIỆN HÓA XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Tính toán lý thuyết cho thấy tiềm năng của việc điều hoà điện hoá nước (làm sạch, làm mềm, khử muối, khử trùng, v.v…) là lớn hơn tới 100 lần so với các phương pháp lọc, hấp thụ và trao đổi ion về mặt hiệu quả, tốc độ và chất lượng.

Phương pháp điện hóa cho phép mà không cần chi phí bổ sung hóa chất làm sạch có hiệu quả đối với nước thải nhiễm dầu, chất béo, protein, sản phẩm dầu, các chất hoạt động bề mặt, thuốc nhuộm, thuốc trừ sâu, phenol, muối của các kim loại nặng và các chất độc hại khác để đạt được các thông số kỹ thuật của dung dịch nước có bất kỳ tính chất chức năng cần thiết nào đó trong thực tế.

Các quá trình điện phân, thẩm tách bằng điện và khử ion bằng điện (electrodeionization-EDI) là cơ sở của công nghệ điện hóa xử lý nước, tương ứng được gọi tên cho những thiết bị lắp đặt ở nơi xảy ra các quá trình nói trên, – máy điện phân (electrolyzer), máy thẩm tách điện (electrodialyser), máy khử ion điện (electrodeionizer).

Các hệ thống với các ion di động (các dung dịch, chất điện phân rắn hoặc các chất nung chảy của chúng) có các đặc tính điện hóa. Các chất điện giải là các hệ thống chất lỏng hoặc chất rắn, trong đó các ion hiện diện gây dòng điện chạy qua. Dung dịch của chất điện phân là nước, bởi vì nước chứa muối khoáng, phân tách thành các ion khi hòa tan. Sự thẩm tách điện (electrodialysis) được sử dụng để khử muối nước.

Máy điện phân đơn giản nhất là một thùng chứa cách nhau bởi các màng chọn lọc (selective membrane) trao đổi anion và trao đổi cation thành ba khoang, trong các khoang bên ngoài đặt cực dương và cực âm. Đặc điểm của màng chọn lọc là khả năng truyền các ion chỉ có một dấu hiệu dưới tác động của dòng điện.

Do tính chất của màng chọn lọc, nên các ion, di chuyển về phía cực âm hoặc cực dương, ở lại trong hai khoang ngoài, còn trong khoang trung tâm là nước khử muối. Để khử muối một lượng nước lớn, sử dụng các máy điện phân nhiều buồng, bao gồm nhiều ngăn được nạp dòng DC. Các khoang có nồng độ muối trong đó giảm, được gọi là khoang pha loãng, và các khoang có nước làm giàu bằng muối trong quá trình điện phân được gọi là khoang nước muối. Việc loại bỏ dung dịch khử muối (desalted solution) và nước muối khỏi thiết bị thẩm tách điện phân tích điện được thực hiện riêng biệt.

Nhờ tính chọn lọc của màng, loại điện phân này được gọi điện phân một chiều hoặc cổ điển, nhược điểm của phương pháp này là làm màng bị ô nhiễm nhanh chóng. Quá trình khử muối phải dừng lại tương đối thường xuyên, do đó phải làm sạch màng và điện cực. Để bù đắp một phần cho nhược điểm này, hãy sử dụng các dòng không đối xứng hoặc thay đổi cực của điện trường được áp dụng.

Để khử muối của nước sâu hơn, sử dụng phương pháp khử ion trong nước bằng điện (electrodeionization) là phương pháp kết hợp hai phương pháp xử lý nước: điện phân (loại bỏ ion bằng màng chọn lọc cation hoặc anion) và việc khử ion (deionization) sử dụng nhựa trao đổi ion đặc biệt, do đó không cần thiết áp dụng hóa chất trong quá trình tái tạo vật liệu trao đổi ion. Quá trình khử ion trong nước bằng điện (electrodeionization) dẫn đến việc loại bỏ các chất khoáng không mong muốn, và hiệu quả của công nghệ phụ thuộc vào nồng độ bắt đầu của tạp chất, dòng nạp vào và sự chuẩn bị sơ bộ ban đầu.

Khử ion trong nước bằng điện thường được thực hiện sau khi lọc nước bằng hệ thống thẩm thấu ngược. Trong số các phương pháp điện hóa hiệu quả nhất và phổ biến hơn là phương pháp keo tụ điện hoá (electrocoagulation) và tuyển nổi điện hóa (electroflotation). Các phương pháp này được sử dụng để làm sạch cả nước thải công nghiệp và nước sinh hoạt, cũng như nước thải từ sản xuất của ngành công nghiệp thực phẩm.

Keo tụ điện hoá

Tùy thuộc vào các thành phần của nước thải sử dụng cho keo mtuj điện hoá, các điện cực được làm từ các kim loại và hợp kim sau: nhôm, sắt, chì, và các kim loại khác, các ion của chúng có đặc tính làm keo tụ đi vào dung dịch khi điện phân.
Trên các điện cực hòa tan xảy ra quá trình ion hóa kim loại với sự chuyển đổi các ion của nó vào dung dịch:

(Me-ne = Men +), thủy phân, tạo ra (Men+ + nH₂O = Me (OH)n + nH+)

Hydroxit kim loại là chất keo tụ tốt các chất gây ô nhiễm và là chất hấp phụ đối với các hạt đã keo tụ. Ngoài ra, khi dòng nước thải chảy qua giữa các điện cực, dưới tác động của điện trường xuất hiện sự trung hòa hoá điện tích các hạt gây ô nhiễm với sự keo tụ chúng tiếp theo. Quá trình này có thể được gọi là kết bông điện hoá (electro-flocculation) và keo tụ điện hoá (electrocoagulation).

Phương pháp keo tụ điện hoá được áp dụng để làm sạch nước thải có chứa các hạt keo và lơ lửng, cũng như các hợp chất hòa tan có khả năng hấp phụ cao đối với các bông hydroxit kim loại tạo ra. Chúng bao gồm các ô nhiễm khác nhau: dầu, mỡ, sản phẩm dầu mỏ, các ion kim loại nặng, phenol, các chất hoạt động bề mặt, thuốc nhuộm, mực, bột màu (gouache), màu nước, v.v…. Hiệu quả xử lý nước thải là:

đối với các chất hoạt động bề mặt – 60-70%,
đối với chất béo 75-95%,
đối với sản phẩm dầu – lên đến 95%,
đối với crôm – 90-98%,
đối với chất lơ lửng – 90-95%.

Thời gian xử lý làm sạch nước thải bằng keo tụ điện hoá có thể từ 3 đến 30 phút, tiêu thụ kim loại – 5-200 g/m³, chi phí năng lượng từ 0,2 đến 2,5 kWh/m³. Việc làm sạch nước thải bằng keo tụ điện hoá được thực hiện trong quá trình điện phân bang các điện cực thẳng đứng được tạo thành dưới dạng các tấm hình chữ nhật. Hệ thống điện cực được tạo thành dưới dạng khối các tấm kim loại phẳng, nằm cách nhau 20 mm. Hệ thống điện cực được cung cấp nguồn điện bằng dòng điện chỉnh lưu từ bộ cấp nguồn, đảm bảo các thông số điện cho quá trình làm sạch. Chuyển động thẳng đứng của chất lỏng từ dưới lên trên đảm bảo loại bỏ các khí tách ra và các sản phẩm điện phân.

Tuyển nổi điện hoá

Trong làm sạch electroflotation của nước thải, bong bóng khí được hình thành trong quá trình điện phân (hydro trên cathode, oxy và clo ở cực dương), nổi của chất gây ô nhiễm trong khối lượng nước thải. Tùy thuộc vào thành phần của nước thải, các điện cực được sử dụng cho electroflotation được làm bằng than chì hoặc titan với các chất ngâm tẩm và lớp phủ khác nhau. Electrofloatation được sử dụng để làm sạch nước thải có chứa các sản phẩm dầu, chất béo, dầu, chất tẩy rửa, chất rắn lơ lửng và các chất gây ô nhiễm khác.

Hiệu quả của việc làm sạch là:

đối với các sản phẩm dầu – lên đến 90%,
đối với lơ lửng – lên đến 70%,
đối với chất béo – 80%,
đối với chất tẩy rửa – 60-70%.

Thời gian xử lý nước thải điện có thể thay đổi tùy theo loại ô nhiễm trong phạm vi khá rộng (từ vài phút đến 30-40 phút), mức tiêu thụ điện ít hơn 1 kWh / m3. Độ sâu của lớp chất lỏng được xử lý là từ 0,630 đến 0,655 m, khoảng cách giữa các điện cực là 2 cm, mật độ hiện tại đạt 2 A / dm2.

Phá huỷ điện hóa

Bản chất của phương pháp phá hủy điện hóa là xử lý nước thải trong lò phản ứng điện bằng điện cực không hòa tan trong điều kiện phân cực anốt. Ở đây, độ sâu của khoáng hóa các tạp chất hữu cơ được xác định bởi quá trình khử oxi hóa điện cực (phục hồi catốt và oxy hóa anốt) và phản ứng thể tích dưới tác động của các sản phẩm điện phân.

Khử trùng nước thải xảy ra bởi các ion hypochlorite, được hình thành trên cực dương hoặc hydrogen peroxide và ozone thu được trong quá trình điện hóa. Trong quá trình điện phân, xảy ra sự phân hủy nước bằng cách kiềm hóa chất lỏng được xử lý ở cực âm:

2H₂O + 2e = H₂ + 2OH- và axit hóa ở cực dương
H₂O-2e = 1/2 O₂ + 2H +

Các ion hydroxit được thải ra ở điện thế thấp của anôt, tạo thành các gốc hydroxit.
2OH – 2e = 2OH* = H₂O₂

Sau đó các gốc hydroxit, khi kết hợp, tạo ra hydrogen peroxide, và phản ứng với hợp chất hữu cơ trong nước thải, gây ra quá trình oxy hóa của chúng. Trong quá trình điện phân, hypochlorites hoặc axit hypochlorous được hình thành trong dung dịch:

Cl₂+2OH-=ClO-+Cl-+H₂O
Cl₂+OH-=HClO+Cl-

Các thành phần clo hoạt động có nguồn cung cấp năng lượng hóa học đặc biệt lớn tại thời điểm hình thành và phục vụ như là các chất oxy hóa mạnh trong các tỷ lệ được xác định bởi các điều kiện của quá trình. Trong hầu hết các trường hợp, quá trình oxy hóa anốt thúc đẩy một số bất ổn, tức là mất ổn định hóa học của các chất hữu cơ, tạo điều kiện thuận lợi cho dòng chảy của các quá trình thể tích dưới ảnh hưởng của các sản phẩm điện phân.

Như vậy, khi điện phân với sự hiện diện của các ion Cl – các chất ô nhiễm hữu cơ nằm trong nước thải bị phá hủy do hậu quả của quá trình oxy hóa điện hóa trực tiếp tại anode, và do hậu quả của dung dịch oxy hoá hoá học xử lý bởi clo “hoạt động” và oxy khi đi qua trong thể tích. Trên anode không hòa tan điện phân, các phân tử hợp chất hữu cơ phải trải qua quá trình oxy hóa phá hủy hoàn toàn để tạo thành khí carbon dioxide, nước, nitơ, amoniac và các sản phẩm khí khác.

Do đó, quá trình oxy hóa bởi ion hypochlorite có thể được minh họa bằng các ví dụ sau:

Cyanides
CN- + ClO- = CNO- + Cl-
CNO- + ClO- = CO₂ + N₂ + Cl-

Urê
CO(NH₂)2 + 3ClO- = N₂ + CO₂ + 3Cl- + 2H₂O

Phenol
C6H5OH + 8ClO- = (CHCOOH)₂ + 8Cl- + 2CO₂ + H₂O..

Như có thể thấy từ phản ứng thứ 3, khi phenol bị oxy hóa bởi hypochlorite, vòng benzen sẽ vỡ để tạo thành axit maleic và carbon dioxide. Trong dòng nước thải làm sạch: không tạo ra kết tủa; pH được ổn định; nồng độ chất rắn lơ lửng giảm. Nước như vậy có thể được chấp nhận đưa vào hệ thống thoát nước đô thị, đưa đến các bể chứa ngoài trời hoặc thậm chí tái sử dụng trong các quy trình công nghệ khác.

Xử lý điện hóa nước thải công nghiệp trong một số trường hợp có lợi thế hơn so với xử lý nước thải bằng thuốc thử hoá học và các phương pháp hoá lý khác, bởi vì nó cho phép bạn trích xuất các sản phẩm hóa chất và kim loại có giá trị từ nước, cho phép đơn giản hóa sơ đồ công nghệ làm sạch, giảm diện tích sản xuất, cần thiết để lắp đặt các cơ sở xử lý làm sạch.
Hiệu quả làm sạch nước thải công nghiệp phụ thuộc vào thành phần hóa học ban đầu của chúng (pH, tổng hàm lượng khoáng chất, muối), điện cực ứng dụng và khoảng cách giữa chúng, mật độ dòng, tiêu thụ điện, cường độ trộn trong quá trình điện phân, nhiệt độ.
Hiệu ứng làm sạch sẽ tăng lên trong trường hợp phân tách không gian anode và catode bằng các màng chắn bán thấm làm bằng các vật liệu khác nhau.

Áp dụng làm sạch điện hóa là thích hợp nhất ở độ dẫn điện tương đối cao do sự hiện diện khoáng, axit, kiềm hoặc muối trong nước thải (khi độ pH nước thải nằm trong khu vực trung lập, tổng hàm lượng muối nên có ít nhất 0,3 g/l).

Phương pháp điện hóa xử lý nước thải dựa trên quá trình oxy hóa anốt hoặc phục hồi anode các chất hữu cơ và các chất vô cơ chứa trong chúng, có thể được sử dụng trên các thiết bị cục bộ với mức tiêu thụ nước tương đối thấp. Ở Nga, phương pháp điện hoá được áp dụng để xử lý nước thải từ xianua tại các nhà máy cơ khí và gia công kim loại, để loại bỏ thuốc nhuộm và các chất hoạt động bề mặt từ nước thải của các doanh nghiệp công nghiệp nhẹ và các doanh nghiệp sản xuất hàng hóa hóa chất gia dụng, cũng như cho xử lý điện hóa để tách đồng và kim loại màu khác, cũng như kim loại quý hiếm từ nước thải có nồng độ cao và thấp.

CÔNG NGHỆ ĐIỆN HÓA XỬ LÝ NƯỚC THẢI ỨNG DỤNG TRONG

Làm sạch nước thải từ các doanh nghiệp công nghiệp thịt và sữa;
Làm sạch nước thải có chứa dung dịch tẩy rửa;
Làm sạch mạ điện;
Làm sạch nước thải có dầu;
Tái tạo các dung dịch công nghệ tẩy dầu mỡ và chuẩn bị dung dịch tẩy rửa không chứa các hợp chất clo hữu cơ;
Xử lý nước thải của các dịch vụ nhà ở và đô thị xã từ các chất ô nhiễm hữu cơ và vô cơ.

ƯU ĐIỂM CỦA ĐIỆN HÓA XỬ LÝ NƯỚC THẢI

Độ làm sạch cao hơn;
Chi phí năng lượng thấp hơn;
Dễ vận hành và bảo trì;
Không dùng thuốc thử
Khả năng tạo ra các hệ thống cấp nước tuần hoàn

Kết luận

Xử lý điện hóa nước thải dựa trên các phản ứng oxy hóa khử và là tác động của dòng điện lên nước thải. Xử lý điện hóa nước thải là phương pháp khá kinh tế và rất phổ biến ở Nga do thực tế là nó có thể khá hiệu quả với rất ít chi phí tài chính.
Tuy nhiên, ở nước ngoài, phương pháp như vậy không được sử dụng cho nước sinh hoạt, nhưng được sử dụng riêng cho xử lý nước công nghiệp. Làm sạch điện hóa nước thải có thể phá hủy tất cả các vi sinh vật, nhưng đồng thời, nó có thể ảnh hưởng xấu đến các chất hữu cơ khác nhau. Do thực tế là nước thải có thể chứa các vi sinh vật và các chất hoàn toàn khác nhau, và một phân tích chính xác về nước thải, thông thường, không được thực hiện, nên kết quả tác động của dòng điện lên dòng nước này, không ai có thể dự đoán được. Tương tự, do phản ứng không thể đoán trước của các chất trong nước, trong quá trình xử lý, các hợp chất có thể thu được các hợp chất không an toàn lắm.
XEM THÊM CÁC BÀI VIẾT LIÊN QUAN:
XỬ LÝ NƯỚC THẢI SINH HOẠT CÔNG NGHỆ AAO.
TƯ VẤN CẢI TẠO HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI
TÍNH TOÁN THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI: CHẤT LƯỢNG NƯỚC THẢI