Xử lý nước thải bằng phương pháp keo tụ - tạo bông

Giới thiệu về phương pháp keo tụ - tạo bông

 

a. Khái niệm

Theo Nguyễn Thị Thủy (2003), keo tụ là một phương pháp xử lý nước có sử dụng hóa chất, trong đó các hạt keo lơ lửng trong nước nhờ tác dụng của các chất keo tụ mà liên kết với nhau tạo thành bông keo có kích thước lớn hơn và người ta có thể tách chúng ra khỏi nước một cách dễ dàng bằng các biện pháp lắng lọc hay tuyển nổi.

Theo Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân (2018), keo tụ - tạo bông là qui trình xử lý có tầm quan trọng cao ở hầu hết hệ thống xử lý nước và nước thải. Mục đích của qui trình này là nâng cao hiệu quả loại bỏ chất rắn lơ lửng của công đoạn đi sau nó như là lắng hay lọc.

b. Quá trình keo tụ

Trong quy trình keo tụ - tạo bông các chất rắn lơ lửng có kích thước rất nhỏ và mang điện tích sẽ tạo được điều kiện để kết lại với nhau thành các bông cặn đủ lớn và nặng để có thể loại bỏ khỏi nước thải một cách dễ dàng. Việc loại bỏ các hạt keo này cũng sẽ làm giảm nồng độ kim loại nặng, chất hữu cơ độc,... do các chất này bám trên bề mặt các hạt keo. Trong xử lý nước thải công nghiệp nó được ứng dụng để:

- Cải thiện hiệu quả công đoạn xử lý thứ cấp

- Loại bỏ kim loại nặng trong nước thải

- Xử lý màu của nước thải

- Ứng phó với các thời điểm tải nạp tăng cao

- Giúp đạt được tiêu chuẩn xả thải với chi phí thấp

Theo Nguyễn Thị Thu Thủy (2006), bằng cách sử dụng quá trình keo tụ người ta còn có thể tách được hoặc làm giảm các thành phần có trong nước như kim loại nặng, các chất bẩn lơ lửng, các amoni, PO₄^3-,… cải thiện độ đục và màu sắc của nước.

Bảng thống kê khả năng xử lý có thể đạt bằng quá trình keo tụ

(Nguyễn Thị Thu Thủy, 2006)

Ghi chú:

· 0: không giảm

· +: giảm từ 0 đến 20%

· ++: giảm từ 20 đến 60%

· +++: giảm trên 60%

Theo Nguyễn Văn Sức (2012), hệ thống keo tụ - tạo bông liên tục bao gồm:

- Hệ thống bổ sung chất hóa học: bơm liên tục chất keo tụ vào nước thải.

- Bể trộn nhanh: tạo điều kiện cho tốc độ di chuyển cao của hạt keo và trộn chất keo tụ với nước thải.

- Bể bông tụ: khuấy nhẹ để gia tăng sự kết hợp của hạt keo.

- Bể lắng: lắng các hạt keo.

Lý thuyết quá trình keo tụ hóa học

Ø Bản chất của hạt keo trong nước thải

Theo Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân (2018), hạt keo có kích thước rất nhỏ (lớn hơn nguyên tử và ion nhưng không thể thấy bằng mắt thường) biến thiên từ 0,001µm đến 10µm. Do diện tích bề mặt lớn và có mang điện tích, các hạt keo có khuynh hướng hấp phụ các ion vào môi trường xung quanh nó.

Theo Trịnh Xuân Lai (2004), trong quá trình xử lý nước ta thường gặp 2 loại keo:

- Keo kỵ nước: keo không kết hợp với các phần tử nước của môi trường để tạo ra vỏ bọc hydrat, các hạt keo riêng biệt mang điện tích lớn và khi điện tích này được trung hòa thì độ bền của hạt keo sẽ bị phá vỡ.

- Keo háo nước: có khả năng kết hợp với các phân tử nước tạo thành vỏ bọc hydrat, các hạt keo riêng biệt mang điện tích bé và dưới tác dụng của các chất điện phân không bị keo tụ.

Trong quá trình xử lý nước thải bằng chất keo tụ thì kỵ nước đóng vai trò chủ yếu.

Theo Hoàng Văn Huệ (2002), mục tiêu của đông tụ là giảm điện thế zeta, tức là giảm chiều cao hàng rào năng lượng tới giá trị tới hạn, bằng cách cho thêm các ion có điện tích dương để phá vỡ sự ổn định của trạng thái keo của các hạt nhờ trung hòa điện tích.

Ø Sự kết dính của hạt

Quá trình làm mất tính ổn định của các hạt keo có thể diễn ra 4 cơ chế chính:

- Làm giảm độ dày 2 lớp điện tích của hạt keo

- Hấp phụ và trung hòa điện tích bề mặt của hạt keo

- Kết dính các hạt keo vào các chất kết tủa

- Hấp phụ và tạo cầu nối giữa các hạt keo

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ - tạo bông

Có nhiều yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ và tạo bông cặn. Theo Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân (2018) tổng hợp từ Wang et al.(2005), đã nói về các yếu tố sau:

a. Mật độ hạt keo

Ảnh hưởng đến liều lượng chất keo tụ sử dụng và hiệu quả của quá trình keo tụ. Mật độ hạt keo cao kéo theo liều lượng chất keo tụ cần sử dụng cao. Tuy nhiên, mật độ hạt keo thấp, tốc độ keo tụ diễn ra rất chậm do bị hạn chế cơ hội tiếp xúc với nhau. Trong trường hợp này không nên tăng liều lượng chất keo tụ mà nên thêm chất trợ keo tụ hoặc hoàn lưu bùn về cho bể keo tụ.

b. Liều lượng chất keo tụ

Liều lượng chất keo tụ sử dụng còn phụ thuộc vào nồng độ hạt keo và pH nước thải. Theo Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân (2018) tổng hợp từ Wang et al.(2005), đã trích dẫn nhiều tài liệu cho thấy liều lượng của phèn nhôm và phèn sắt sử dụng có thể chia ra làm 4 trường hợp sau:

- Trường hợp 1: liều lượng quá thấp, không đủ để làm mất tính ổn định của hạt keo.

- Trường hợp 2: liều lượng đủ để làm mất tính ổn định của hạt keo.

- Trường hợp 3: liều lượng cao hơn mức cần thiết có thể làm tái ổn định của hạt keo.

- Trường hợp 4: liều lượng vượt mức bảo hòa, tạo thành các hydroxide kim loại kết tủa, các kết tủa kết dính các hạt keo và đưa chúng ra khỏi nước thải.

Bảng pH thích hợp cho hoạt động của các chất keo tụ

( Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân (2018) tổng hợp từ Wang et al.(2005)

c. Hiệu điện thế zeta

Hiệu điện thế zeta càng lớn thì lực đẩy tĩnh điện của các hạt keo càng lớn và các hạt keo càng ổn định. Khả năng kết dính của các hạt keo tăng lên khi điện tích của các hạt giảm xuống và keo tụ tốt nhất khi điện tích của hạt bằng không.

d. Ái lực của hạt keo với nước

Các hạt keo ưa nước có độ ổn định cao vì các chất keo tụ khó thay thế vị trí của các phân tử nước trên bề mặt hạt keo. Độ ổn định của hạt keo ưa nước phụ thuộc vào ái lực của nó với nước hơn là điện tích bề mặt. Theo một số ước tính để loại bỏ các hạt keo này cần phải có một liều lượng chất keo tụ lớn gấp 10 - 20 lần liều lượng sử dụng cho các hạt keo kỵ nước.

e. Ion âm trong dung dịch

Khi sử dụng phèn nhôm hay phèn sắt ở liều lượng cao có thể dẫn đến việc tái ổn định của các hạt keo. Tuy nhiên, hiện tượng này có thể không xảy ra nếu trong nước thải có chứa nhiều ion âm như sunfat, photphat. Người ta thấy rằng, nếu nồng độ SO₄^2- trong nước thải lớn hơn 10 - 14 (mg/L) có thể ngăn hiện tượng tái ổn định của các hạt keo.

f. Ion dương trong dung dịch

Sự hiện diện của các ion dương Ca, Mg trong nước thải giúp keo tụ các các hạt keo có điện tích âm tốt hơn vì nó làm giảm điện tích âm và lực đẩy tĩnh điện của các hạt keo.

g. Nhiệt độ

Nhiệt độ thấp làm giảm hiệu quả của các quá trình keo tụ, nhất là khi sử dụng phèn nhôm. Do đó, để keo tụ ở nhiệt độ thấp khuyến khích cần sử dụng phèn sắt thay phèn nhôm. Để làm giảm ảnh hưởng của nhiệt độ người ta có thể sử dụng chất trợ keo tụ như bentonite, việc đưa thêm các hạt sét có điện tích âm vào làm cho quá trình keo tụ chuyển sang dạng trung hòa điện tích hơn là dạng kết dính vào các chất kết tủa.

Nhiệt độ cao có thể làm tăng quá trình keo tụ do các cơ chế sau:

+ Tăng vận tốc phản ứng;

+ Giảm thời gian cần thiết để tạo bông cặn;

+ Giảm độ nhớt của nước;

+ Thay đổi cấu trúc của các bông cặn lớn

Các chất keo tụ

Theo Nguyễn Văn Phước (2010), chất đông tụ dùng trong xử lý nước thải là muối nhôm, muối sắt hoặc hỗn hợp của chúng.

Theo Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân (2018), các chất keo tụ sử dụng trong xử lý nước thải hay nước thường có những đặc điểm sau đây:

- Là muối kim loại hóa trị 3 hay các polymer đã được kiểm chứng là chất keo tụ hiệu quả cao

- Không độc hay tạo ảnh hưởng xấu cho người

- Tạo thành sản phẩm có độ hòa tan thấp hay không hòa tan ở pH thường gặp của nước thải (bảo đảm để lại ít dư lượng nhất)

Các chất keo tụ thường được sử dụng Al₂(SO₄)₃, FeSO₄ (kết tinh), Fe₂(SO₄)₃, FeCl₃, Ca(OH)₂.

Bảng: Ưu và nhược điểm của các chất keo tụ

( Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân, 2018 tổng từ US Army Corps of Engineers, 2001)

Bảng Đặc điểm lý hóa của các chất keo tụ

( Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ hợp Châu Ngân, 2018 tổng từ Metcalf & Eddy, 1991)

Phèn nhôm

Theo Lê Văn Cát (2007), nhôm sunfat Al₂(SO₄)₃.18H₂O là chất keo tụ truyền thống. Được sử dụng rộng rãi. Không phải tất cả các thành phần hóa học trong keo tụ điều có tác dụng, chỉ có thành phần nhôm có tác dụng keo tụ, thường được tính theo phần % Al₂O₃ và là một trong những chỉ tiêu chất lượng hàng đầu của một chất keo tụ. Phèn đơn tiêu chuẩn (nhôm sunfat) có hàm lượng nhôm tính theo Al₂O₃ là 15,5% (8,1% Al³⁺). Khi sử dụng phèn nhôm, muối nhôm bị thủy phân và tạo ra axit, mỗi ion Al³⁺ tạo ra 3 ion H⁺, tương ứng với, 0,75 axit clohydric đặc (36%). Axit sinh ra sẽ làm giảm độ kiềm của nước (1 mol H⁺ tiêu hao 61g HCO₃^-) và giảm pH. Mức độ giảm pH phụ thuộc vào độ kiềm của nước, pH giảm mạnh khi độ kiềm thấp và ngược lại do kiềm đóng vai trò là hệ đệm của hệ. Do sau khi keo tụ nước được tiếp tục xử lý vi sinh để khử nitrát và chất hữu cơ với vùng pH tối ưu của nó là khoảng 8 - 9, quá trình cần một lượng kiềm khá lớn, vì vậy chế độ keo tụ cũng cần đảm bảo hài hòa các yếu tố trên.

Theo Lê Hoàng Việt & Nguyễn Võ Châu Ngân (2018), phèn nhôm khi được thêm vào nước thải phản ứng xảy ra như sau:

Al₂(SO₄)₃ + H₂O  ₌  2Al(H₂O)₆³⁺ + 3SO₄^2-

Thủy phân:

Al₂(H₂O)₆³⁺ + H₂O  ₌   Al(H₂O)₅(OH)²⁺  + H₃O⁺

Al(H₂O)₅(OH)²⁺ + H₂O   ₌  Al(H₂O)₄(OH)₂⁺  + H₃O⁺

Al(H₂O)₄(OH)₂⁺ + H₂O  ⁼  Al(H₂O)₃(OH)₃  + H₃O⁺

Al(H₂O)₃(OH)₃  + H₃O⁺  =  Al(H₂O)₂(OH)₄^- + H₃O⁺

Polymer hóa:

Quá trình đưa phèn nhôm vào nước thải cũng tạo ra các phức sau: Al₆(OH)₁₅³⁺, Al₇(OH)₁₇⁴⁺, Al₈(OH)₂₀⁴⁺, và Al₁₃(OH)₃₄⁵⁺.

Kh đưa phèn nhôm vào nước thải nó còn phản ứng với alkalinity của nước thải để tạo thành Al(OH)₃.

Aluminum hydroxide không tan và tạo nên bông cặn có độ nhớt cao, nó lắng xuống với một vận tốc chậm, kết dính với các hạt keo và chất rắn lơ lửng và kéo các hạt này lắng theo nó. Trong phản ứng trên cần thiết phải có 4,5 mg/L alkalinity (tính theo CaCO₃) để phản ứng hoàn toàn với 10 mg/L phèn nhôm. Do đó nếu cần thiết phải sử dụng thêm vôi để bổ xung đủ lượng alkalinity cho quá trình.

Poly nhôm clorua (poly aluminum chloride – PAC) là loại polymer vô cơ chứa các thành phần nhôm, ô-xy, hydroxyl và clorua. Nó được sản xuất từ muối nhôm với các chất kiềm. Công thức hóa học có dạng [AlCl_x(OH)_3-x]_n, x = 1-2. PAC có phân tử lượng 7000 – 3500 có độ dài mạch tới trên 350A⁰. 

Do được trung hòa với kiềm trước trong quá trình sản xuất nên khả năng sinh ra axit của chúng thấp và do mạch phân tử đã khá lớn nên quá trình keo tụ xảy ra với tốc độ nhanh hơn so với phèn.

Phèn sắt sulfate sắt ngậm nước và vôi: Trong hầu hết các trường hợp sulfate sắt không sử dụng riêng lẻ mà phải kết hợp với vôi để tạo kết tủa. Các phản ứng xảy ra như sau:

FeSO4.7H2O + Ca(HCO₃)₂   =   2Fe(HCO₃)₂ + CaSO₄ + 2H₂O

Fe(HCO₃)₂ + Ca(OH)₂  =  2Fe(OH)₂ + 2CaCO₃ + 2H₂O

4Fe(OH)₂ + O₂ + 2H₂O  =  4Fe(OH)₃

Khi Fe(OH)₃ lắng xuống sẽ kéo theo chất rắn lơ lửng. Trong các phản ứng này cần thêm 3,6 mg/L alkalinity, 4,0 mg/L vôi và 0,29 mg/L ô-xy. Do sự tạo thành Fe(OH)₃ phụ thuộc vào hiện diện của ô-xy, do đó không thể dùng nó xử lý các loại nước thải không chứa ô-xy hòa tan. Có thể dùng sunfate sắt khan để thay cho sunfate sắt ngậm nước. Trong trường hợp này có thể không cần cho thêm vôi và ô-xy.

Ferric chloride và vôi: phản ứng xảy ra như sau

FeCl₃ + 3H₂O ó Fe(OH)₃ + 3H⁺ + 3Cl^-

3H⁺ + 3HCO₃^- ó 3H₂CO₃

Ferric chloride và vôi: phản ứng xảy ra như sau

2FeCl₃ + 3Ca(OH)₂ ó 3CaCl₂ + 2Fe(OH)₃

Vôi: khi cho vôi vào nước thải các phản ứng sau có thể xảy ra

Ca(OH)₂ + H₂CO₃ ó CaCO₃ + 2H₂O

Ca(OH)₂ + Ca(HCO₃)₂ ó 2CaCO₃ + 2H₂O

Qúa trình lắng của CaCO₃ sẽ kéo theo các chất rắn lơ lửng. Theo cơ chế trên ta phải sử dụng một lượng vôi đủ lớn để phản ứng hết với H₂CO₃ và bicarbonate.