Chương 4: Keo tụ - tạo bông potx

Theo thuyết này hạt keo về tổng thể không mang điện tích, điều này không chophép giải thích đợc các tính chất điện động hiện tợng điện di, điện thẩm do hạtkeo tích điện và độ bền của hệ

Chương 4 Keo tụ - tạo bụng

Nhóm tạp chất hoà tan là các hợp chất phân bố đều trong nớc ở mức độ phân tử

hoặc ion, ta không thể cảm nhận hoặc nhìn thấy chúng bằng các phơng tiện hiển

vi thông thờng, trừ các chất gây màu và các hợp chất gây mùi

Nhóm tạp chất không tan, trừ phần dễ lắng hoặc nổi là các tạp thô nh hạt cát,

mảnh thuỷ tinh, mảnh gỗ khi ta để mẫu nớc tĩnh trong 1 giờ hoặc 30', thờng đợc

đo bằng khái niệm cặn lơ lửng (SS).

Nhóm chất nằm giữa các chất tan và không tan là nhóm các dung dịch keo hay còn gọi là các hệ đa phân tán.

Cặn lơ lửng là đặc trng chủ yếu của nớc mặt, nhất là vào mùa lũ lụt Nguồn gốccủa cặn lơ lửng chủ yếu là đất, bùn, bụi trên mặt đất đợc nớc rửa trôi, vi sinh vậttrong nớc Thờng phân biệt các loại cặn theo kích thớc; cặn càng lớn, càng nặngthì càng dễ lắng xuống đáy và càng khó bị dòng chảy cuốn trôi Vì vậy ng ời ta đa

ra khái niệm độ lớn thủy lực của cặn là tốc độ lắng cặn trong nớc xác định bằng

Nh đã nêu, cặn lơ lửng có thể có nguồn gốc vô cơ, hữu cơ lẫn sinh học Cặn lơ

lửng có thể đo bằng hai chỉ tiêu: hàm lợng cặn lơ lửng (CLL (SS), mg/L) hoặc độ

đục (đo bằng đơn vị NTU) Cần lu ý là hai đại lợng này cùng tăng giảm nhng

không tỷ lệ thuận với nhau Hàm lợng SS trong nớc sông ở Việt Nam thờng dao

động từ vài chục mg/L vào mùa nớc trong tới vài nghìn, thậm chí trên chục nghìnmg/L vào các mùa ma lũ

6.2 Phân loại tạp chất trong nớc theo kích thớc

Tạp chất trong nớc rất đa dạng, chúng có kích thớc từ nhỏ nhất là các ion tới cáctạp thô nhìn thấy đợc Trên cơ sở kích thớc của tạp chất Kulsky [2] đề xuất bảngphân loại nớc tự nhiên theo độ phân tán của tạp chất, trên cơ sở đó có thể lựachọn các phơng pháp khảo sát và công nghệ xử lý thích hợp

Bảng 6.2 - Phân loại nớc tự nhiên theo kích thớc tạp chất [ 2]

/tmp/jodconverter_2b32515b-c07f-464d-9896-4f7bfe40f434/tempfile_56951.doc 1

Hệ dị thể Hệ đồng thể Kích thớc, cm,

m

 10 5

 0,1

10 5  10 6 0,1  0,01

10 6  10 7 0,01  0,001

Khí hoà tan Chất hữu cơ tan Chất phân li hữu cơ

Cation Anion

Lọc bằng giấy lọc Phân tích sa lắng

Hiển vi điện tử

Điện thẩm tách Tán xạ Reley

Lọc màng bán thấm Phổ tử ngoại  khả kiến

Lu ý: kích thớc ion thờng đo bằng Angstrởm (Å), 1 Å = 1010 m =108 cm = 104 m

Nhóm I: các tạp chất thô nhìn thấy đợc bằng mắt (khi nhìn tổng thể thấy độ đục,

màu) hoặc hiển vi quang học thờng (thấy từng hạt), chúng thờng không bền, bịlắng hoặc tách lớp (đối với nhũ tơng) khi để tĩnh, chỉ tồn tại nhờ chuyển động củanớc Chúng thờng là các hạt phù sa, huyền phù gốc vô cơ, hữu cơ Trong nhómnày cần lu ý các sinh vật nớc bậc thấp nh tảo, vi khuẩn và plankton Cặn nhómnày có khả năng lắng khi để lâu

Nhóm 2: là nhóm dung dịch keo Đây là hệ bền (khó lắng) nhờ cấu trúc đặc biệt

của các hạt keo Trong nhóm này phải kể đến virus, các chất có phân tử lợng lớn

có nguồn gốc tự nhiên nh axit humic Hạt keo có kích thớc nhỏ (< 0,5 m) nênbằng mắt và hiển vi thông thờng không thể nhìn thấy

Có thể quan sát gián tiếp hạt keo nhờ hiệu ứng Tindal: khi đa cốc dung dịch vào

buồng tối, dùng đèn nhỏ chiếu chùm ánh sáng hẹp ngang qua cốc dung dịch và

quan sát bằng mắt theo hớng vuông góc với tia sáng Nếu là dung dịch thực (chất

tan dạng phân tử, ion) ta sẽ không thấy chùm tia sáng Nếu là dung dịch keo ta

sẽ thấy chùm tia sáng thông qua những chấm nhỏ lấp lánh Đó là hiệu ứng Tindal

 tán xạ ánh sáng xảy ra khi tia sáng gặp hạt keo có kích th ớc xấp xỉ bớc sóng

ánh sáng sẽ bị tán xạ ra xung quanh, vì vậy ở hớng vuông góc với đờng đi của tiasáng ta quan sát đợc hạt keo

Hạt keo kị nớc có độ bền nhờ lớp điện kép tích điện cùng dấu Hạt keo a nớc có

độ bền nhờ tơng tác hạt-nớc thông qua các chóm chức a nớc trên các phân tử hạtkeo

Nuớc thải nhiều ngành sản xuất nh giấy, hoá dầu cũng có đặc trng của nhómnày Đây là tạp chất thuộc loại vi dị thể, rất khó tự lắng, chỉ có thể lọc đ ợc bằngcác phơng tiện lọc thông thờng khi đợc xử lí bằng chất keo tụ hoặc tạo bông

Nhóm 3: nhóm của các chất hữu cơ tan, khí hoà tan, kích thớc hạt chất tan ở mức phân tử, ta còn gọi là dung dịch phân tử Thành phần chất tan ở đây rất đa dạng,

nó có thể có nguồn gốc tự nhiên cũng nh nhân tạo Nó có thể là các chất thải ratrong quá trình hoạt động sống của động, thực vật, con ngời, nhất là từ các sinhvật nớc … Về bản chất hoá học chúng có thể thể hiện các tính chất của phenol, r -

ợu, amin … Chúng có thể gây độ màu, mùi Một số nhóm chất có tính độc Đặc

tr-ng chutr-ng là chútr-ng tan nhtr-ng khôtr-ng phân li trotr-ng nớc

Nhóm 4: là nhóm các chất chủ yếu là vô cơ tan, phân ly Kích thớc các hạt tan là

phân tử và nguyên tử (A0 = angstrem = 10-10 m)

Các chất thuộc nhóm 3 và 4 là các đối tợng khó xử lý nhất, nếu lọc cần sử dụng

các kĩ thuật lọc màng hiện đại nh lọc nano (NF), lọc thẩm thấu ngợc (RO) Tạp

nhóm 1 và 2 thuộc hệ đa phân tán là đối tợng của Hoá Keo hay Hoá học các hệ

đa phân tán

Phần lớn các loại cặn lơ lửng khó lắng lọc đều là những hạt keo kích th ớc rất nhỏ,không thể lọc đợc bằng kỹ thuật lọc nhanh thông thờng kiểu lọc cát Bằng kỹthuật keo tụ - lắng - lọc ngời ta có thể xử lý đợc phần lớn tạp chất trong các nhóm

1, 2 (bảng 6.2) Riêng đối với các chất hữu cơ tan gây mùi, vị thì kết quả còn bịhạn chế

6.3 Cấu tạo hạt keo và tính bền của hệ keo

Theo Atkins [3] hệ keo là tên gọi cổ điển của các hệ phân tán dị thể của các hạt

có kích thớc nhỏ hơn 500 nm trong môi trờng khác về chất so với chất hạt (ở đây

Cấu tạo đặc biệt của hạt keo có thể đợc làm rõ trên cơ sở ví dụ keo Fe(III):

Khi hoà tan FeCl3 trong nớc sẽ xảy ra phản ứng thủy phân:

FeCl3 + 3H2O  Fe(OH)3 + 3HCl (6.1)Kết tủa Fe(OH)3 co cụm dới dạng tập hợp hạt [mFe(OH)3] rất nhỏ, đợc gọi là hạt nhân, nó có khả năng hấp phụ những ion giống các thành phần tạo ra nó, ví dụ

hấp phụ các ion Fe3+, tạo thành lớp ion Fe3+ trên bề mặt hạt đợc gọi là lớp hấp phụ hay là lớp ion quyết định dấu:

[mFe(OH)3] + nFe3+  [mFe(OH)3]nFe3n+ (6.2)

Nh vậy, ta có một hạt mới mang điện tích 3n+, nó có xu thế hút 3n các ion tráidấu (Cl) trong dung dịch để trung hoà điện tích 3n+ Trong thực tế không phải tấtcả 3n hạt Cl bám chặt vào nhân mà chỉ có 3(n-x) hạt Cl bám vào, lớp ion Cl bám

vào này đợc gọi là lớp điện tích trái dấu Cùng với lớp n ion Fe3+ đã hấp phụ cố

định ta có 3(n-x) ion Cl bám theo hạt [mFe(OH)3] tạo thành lớp điện kép gồm 3n

điện tích dơng và 3(n-x) điện tích âm, kết quả là hạt keo (phần giữa dấu {}) mang

điện tích 3x+:

[m Fe(OH)3]nFe3n+ + 3(n-x)Cl  {[mFe(OH)3]nFe3n+3(n-x)Cl}3x+ (6.3)Phần còn lại 3x hạt Cl trôi nổi trong dung dịch ở khoảng không gian gần hạt,“trôi nổi” trong dung dịch ở khoảng không gian gần hạt, ” trong dung dịch ở khoảng không gian gần hạt,

tạo nên lớp khuyết tán Nh vậy, nếu viết dới dạng công thức hoá học hạt keo có

cấu tạo tổng thể nh sau:

{[mFe(OH)3]nFe3n+ 3(n-x)Cl}3x+ 3xCl

hạt nhân

lớp hấp phụ (lớp ion quyết định dấu)

/tmp/jodconverter_2b32515b-c07f-464d-9896-4f7bfe40f434/tempfile_56951.doc 3

lớp điện tích trái dấu lớp khuếch tán

Hạt keo

Trong không gian, hạt keo có dạng nh một quả cầu tích điện (hình 6.1)

Theo hình 6.1 hạt nhân là quả cầu gồm tập hợp các phân tử Fe(OH)3(r) nằm ởtâm Các ion quyết định dấu gắn chặt vào quả cầu Các điện tích trái dấu ở lớpgần nhất tạo thành lớp ion nghịch và mặt biên A-A, các điện tích trái dấu – phầncòn lại nằm ở lớp khuếch tán khá linh động, vây quanh hạt keo tích điện nh đámmây quanh trái đất

Khi hạt keo chuyển động tức là phần nhân hạt keo chuyển động, lớp mây tích“trôi nổi” trong dung dịch ở khoảng không gian gần hạt, ” trong dung dịch ở khoảng không gian gần hạt,

điện trái dấu chuyển động theo nhng với tốc độ chậm hơn Mặt phân cách AA

giữa hạt keo (tới biên lớp điện kép) và lớp khuyếch tán gọi là mặt trợt (hình 6.1, ờng chấm chấm A-A)

đ-Tóm lại, để hạt keo trung hoà về điện hạt keo phải có hai lớp điện tích trái dấu cócùng lợng điện tích: lớp hấp phụ (ví dụ, nFe3+) nằm trên bề mặt hạt nhân tích điệndơng hoặc âm (trong trờng hợp nFe3+ là dơng), điện thế tơng ứng của nó là thế nhiệt động hay là thế Nernst, o; tiếp theo là lớp ion trái dấu tích điện ngợc lại (âm

hoặc dơng) Hai lớp điện tích này tạo nên một cấu trúc tơng tự nh hai bản cựcsong song của một tụ điện, trong đó một bản cực tích điện dơng (hoặc âm) gắnchặt với hạt nhân là lớp ion quyết định dấu, còn bản cực kia tích điện trái dấu và

tạo nên lớp điện kép Đây là cấu tạo thông thờng của tụ điện phẳng (h 6.2)

Hình 6.1- Cấu tạo hạt keo và sự thay đổi thế  theo khoảng cách từ bề mặt hạt keo Thuyết Helmholz:

Thuyết Helmholz coi hạt keo có cấu tạo tụ điện phẳng

Đối với một tụ điện phẳng thông thờng, thế nhiệt động Nernst, 0, của tụ điện docác điện tích của lớp hấp phụ, ví dụ dơng, tạo ra sẽ bị triệt tiêu bởi số điện tích âmtơng đơng ở cực đối diện, ra khỏi tụ điện theo phơng X tính từ mặt phẳng của điệncực điện thế sẽ bằng không (đờng chéo thẳng từ o tới A, hình 6.2)

Lớp ion trái dấu

Lớp ion quyết định dấu hay lớp hấp phụ

Thế nhiệt động ,

Thế dzeta ,

Lớp điện kép Hạt nhân



Theo thuyết này hạt keo về tổng thể không mang điện tích, điều này không chophép giải thích đợc các tính chất điện động (hiện tợng điện di, điện thẩm do hạtkeo tích điện) và độ bền của hệ keo.

Thuyết Stern:

Lớp điện kép của hạt keo một mặt tuân theo quy luật số điện tích dơng bằng số

điện tích âm của tụ điện phẳng, mặt khác nó khác tụ điện thông thờng là tổng

điện tích của lớp hấp phụ (lớp ion quyết định dấu) bao giờ cũng lớn hơn tổng điệntích của lớp điện tích trái dấu nằm trong mặt trợt AA Nh vậy phần hạt keo tính

đến mặt trợt AA (phần giới hạn giữa dấu { }) luôn mang điện tích của lớp ion quyết

định dấu Phần điện tích còn lại của lớp điện tích trái dấu phân tán trong dung dịch theo hớng giảm dần mật độ khi rời xa khỏi hạt tạo nên lớp khuếch tán Tổng thế của hạt keo tạo nên bởi điện tích của lớp ion quyết định dấu là thế nhiệt động, hay thế Nernst, o

A

A

X

Hình 6.2- Mô hình tụ điện phẳng và biến thiên  o

Sự giảm thế do điện tích của lớp ion trái dấu tuân theo quy luật của tụ điện phẳng

nh trong thuyết Helmholz nhng không tới zero Tuy nhiên điều này chỉ đúng chotới mặt trợt AA (h 6.1) Ra khỏi mặt trợt AA, do cha đợc trung hoà hoàn toàn hạt

keo vẫn còn một thế nhất định đợc gọi là thế điện động hay thế zeta,  Thế 

cao hay thấp phụ thuộc vào thế o của hạt ban đầu và việc có bao nhiêu ion nằmtrong lớp điện tích trái dấu Thế  càng cao nghĩa là điện tích của hạt keo càng lớn

và các đặc trng điện động và tính bền của hệ keo sẽ thể hiện càng mạnh hình6.1)

Tơng tự nh quá trình hình thành keo sắt, các hạt keo đất (hay gặp trong nớc tựnhiên, nhất là nớc sông hồ mùa lũ) có hạt nhân là hạt đất phân tán rất mịn cócông thức hoá học là mAl2O3.nSiO2 (aluminosilicat-AS) Hạt AS hay tạo lớp hấpphụ dới dạng các ion HSiO3 hay có trong đất để tạo hạt keo âm Ngoài ra điệntích âm của keo đất còn đợc tăng cờng bởi các phân tử axit humic hấp phụ cónhóm chức axit – COO–

Thế zeta có thể xác định đợc bằng phơng trình:

 = 4v/X = 4(EM)/

trong đó: v = tốc độ hạt

 = độ nhớt của môi trờng

 = hằng số điện môi của môi trờng

X = hiệu điện thế trên 1 đơn vị chiều dài buồng đo

/tmp/jodconverter_2b32515b-c07f-464d-9896-4f7bfe40f434/tempfile_56951.doc 5

EM = linh độ điện di của hạt Trong thực tế các đại lợng có đơn vị nh sau:

sử dụng bể lắng để xử lí làm trong nớc xem bảng 6.3

Ghi chú: Tính theo phơng trình Stoke

Ta thấy các kỹ thuật lắng - lọc thông thờng trong ngành nớc chỉ có hiệu quả nhất

định đối với hạt có kích thớc cỡ m, trong trờng hợp lọc tốt nhất là lớn hơn 0,1 m

Đối với những hạt cỡ 0,1 m trở xuống rất khó lắng và không thể lọc đợc bằng lọccát thông thờng Để có thể lọc chúng bằng lọc cát thông thờng phải biến chúng

thành những hạt lớn hơn Phơng pháp phổ biến để thực hiện việc này là phơng pháp keo tụ nghĩa là xử lí nớc bằng những chất keo tụ trớc khi lắng - lọc.

6.4 Cơ chế keo tụ - tạo bông

Đối với hệ phân tán có diện tích bề mặt riêng lớn (bụi trong không khí, bùn, phù

sa trong nớc ) các hạt luôn có xu hớng co cụm lại tạo hạt lớn hơn để giảm nănglợng bề mặt (tơng tự hiện tợng giọt nớc, giọt thủy ngân luôn tự vo tròn để giảmdiện tích bề mặt)

Về nguyên tắc do độ phân tán lớn, diện tích bề mặt riêng lớn, hạt keo có xu thếhút nhau nhờ các lực bề mặt Mặt khác do các hạt keo cùng loại luôn tích điệncùng dấu (đặc trng bởi thế , xem mục 6.3) nên các hạt keo luôn đẩy nhau bởi lực

đẩy tĩnh điện giữa các hạt cùng dấu theo định luật Culong, xu hớng này làm hạtkeo không thể hút nhau để tạo hạt lớn hơn và lắng xuống nhờ trọng lực nh những

hạt không tích điện Nh vậy thế  càng lớn (hạt keo càng tích điện) thì hệ keocàng bền (khó kết tủa) Trong trờng hợp lý tởng: nếu thế  = 0 thì hạt keo biếnthành cấu tạo tụ điện phẳng, hạt sẽ không khác gì các hạt không tích điện nên dễdàng hút nhau để tạo hạt lớn hơn có thể lắng đợc Đây là cơ sở khoa học của ph-

ơng pháp keo tụ

Hiện tợng các hạt keo cùng loại có thể hút nhau tạo thành những tập hợp hạt cókích thớc và khối lợng đủ lớn để có thể lắng xuống do trọng lực trong thời gian đủ

ngắn đợc gọi là hiện tợng keo tụ Hiện tợng này xảy ra khi thế  đợc triệt tiêu.

Hiện tợng keo tụ có tính thuận nghịch nghĩa là hạt keo đã keo tụ lại có thể tích

điện trở lại và trở nên bền (xem phần tiếp theo) Các hoá chất gây keo tụ thờng là

các loại muối vô cơ và đợc gọi là chất keo tụ.

Một cách khác làm các hạt keo co cụm thành bông cặn lớn dễ lắng là dùng cáctác nhân thích hợp khâu chúng lại thành các hạt lớn hơn đủ lớn, nặng để lắng.“trôi nổi” trong dung dịch ở khoảng không gian gần hạt, ” trong dung dịch ở khoảng không gian gần hạt,

Hiện tợng này đợc gọi là hiện tợng tạo bông đợc thực hiện nhờ những phân tử các

chất cao phân tử tan trong nớc và có ái lực tốt với các hạt keo hoặc các hạt cặnnhỏ Khác với keo tụ có tính thuận nghịch, các chất có khả năng tạo bông đợc gọi

là các chất tạo bông hay trợ keo tụ, quá trình tạo bông là bất thuận nghịch.

Nh vậy, để kết tủa hệ keo có thể sử dụng các cách sau đây:

1 Phá tính bền của hệ keo (do lực đẩy tĩnh điện) bằng cách thu hẹp lớp

điện kép tới mức thế  = 0, khi đó lực đẩy tĩnh điện hạt – hạt bằng không, tạo điềukiện cho các hạt keo hút nhau bằng các lực bề mặt tạo hạt lớn hơn dễ kết tủa.Cách này có thể thực hiện khi cho hạt keo hấp phụ đủ điện tích trái dấu để trunghoà điện tích hạt keo Điện tích trái dấu này thờng là các ion kim loại đa hoá trị

2 Tạo điều kiện cho các hạt keo va chạm với các bông kết tủa của chính

chất keo tụ nhờ hiện tợng hấp phụ  bám dính (hiệu ứng quét).

3 Dùng những chất cao phân tử – trợ keo tụ để hấp phụ khâu các hạt“trôi nổi” trong dung dịch ở khoảng không gian gần hạt, ” trong dung dịch ở khoảng không gian gần hạt,

nhỏ lại với nhau tạo hạt kích thớc lớn (gọi là bông hay bông cặn) dễ lắng.

Việc xử lý nớc bằng phèn nhôm, FeCl3 và PAA nhằm thực hiện đồng thời một, haihay cả ba giải pháp trên

 Hiện tợng co lớp điện kép nhằm giảm thế zeta :

Khi cho các muối có điện tích cation khác nhau vào dung dịch keo đất (âm), ví dụmuối Na+, Ca2+, Al3+ ngời ta thấy với cùng một lợng keo âm tích điện nh nhau lợngmuối gây keo tụ giảm nếu điện tích cation tăng, đối với hệ trên để gây hiện tợngkeo tụ ta có tỉ lệ nồng độ các muối sử dụng tuân theo tỷ lệ gần đúng (MZ+ là kíhiệu ion kim loại, z là số điện tích):

M+: M2+: M3+ = 1 : 1/(3050): 1/(15002500) (15.4)

Đây là quy tắc Schulze - Hardy (18EM90) nói nên khả năng gây keo tụ của các ion

trái dấu Nh vậy ion trái dấu trung hoà bớt điện tích hạt keo, lớp điện kéo bị ép lạitới mức  = 0, lực hút Van Der Waals và các lực bề mặt khác sẽ thắng lực đẩy tĩnh

điện, các hạt nhỏ sẽ hút nhau tạo hạt lớn hơn lắng đợc Ta thấy điều này rất rõqua sự bồi đắp nhanh chóng các cửa sông khi nớc phù sa (các hạt keo đất) gặpnớc mặn và phù sa nhanh chóng bị lắng

/tmp/jodconverter_2b32515b-c07f-464d-9896-4f7bfe40f434/tempfile_56951.doc 7

Hình 6.3- Dụng cụ xác định khả năng keo tụ - phơng pháp thử trong cốc (Jar Test)

Hình 6.4- Các đờng keo tụ đối với bốn loại chất keo tụ

Nh vậy, theo quy tắc này chất keo tụ thích hợp nhất là các muối Al3+ hay Fe3+ có

điện tích lớn nhất trong số các muối kim loại phổ biến và không độc Điều nàycũng dễ dàng chứng minh đợc bằng thực nghiệm

Nếu dùng phơng pháp thử keo tụ trong cốc (hình 6.3) và khảo sát độ đục của nớcthử theo thời gian sau khi cho thêm chất keo tụ ở hình 6.4(a) ta thấy lợng Al3+

dùng để xử lý nớc đạt độ trong cần thiết nhỏ hơn nhiều so với Ca2+ và Na+

Tuy nhiên thử keo tụ theo hình 6.4(a) cha nói lên vai trò đầy đủ của chất keo tụnói chung Khi trong hệ có chất keo tụ, ta có tuơng tác tay ba: chất keo tụ - hạtkeo - dung môi

 Sự hấp phụ điện tích trái dấu để trung hoà điện tích hạt keo

Khác với các chất điện ly thông dụng (ví dụ: NaCl phân ly thành Na+ gây keo tụhạt keo đất do điện tích trái dấu) có thể cho vào hệ một lợng nhiều hơn lợng gâykeo tụ cần thiết (ví dụ với NaCl là  10-1 M), đối với chất keo tụ hữu cơ hoặc caophân tử tan trong nớc sự quá tay sẽ dẫn đến hiệu ứng ng“trôi nổi” trong dung dịch ở khoảng không gian gần hạt, ” trong dung dịch ở khoảng không gian gần hạt, ợc Điều này thấy rất

rõ qua hình 6.4(b) và 6.4(d) ứng với hai chất keo tụ-tạo bông tổng hợp là

C12H25NH3 (dodecylamin) và polyacrylamit (PAA): lúc đầu keo tụ rất tốt ở nồng

độ 10-4 M đối với C12H25NH3 và ~ 10-7 M với PAA (độ đục giảm mạnh), sau đó độ

đục lại tăng do tính làm bền keo của chất cho thêm ở nồng độ vợt yêu cầu keo tụ

đối với hệ keo khảo sát Đó là vì ở nồng độ thấp chất cao phân tử hấp phụ lên hạtkeo âm, trung hoà điện tích trái dấu nhờ các nhóm chức mang điện dơng làm triệttiêu lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt keo, thúc đẩy quá trình keo tụ–lắng Mặt khác,phần kỵ nớc của phân tử chất cho thêm quay ra ngoài sẽ đẩy bớt n ớc ra khỏi bềmặt hạt keo, tơng tác hạt keodung môi (nớc) giảm nh vậy hạt keo lắng nhanhhơn

Nếu cho quá nhiều chất keo tụ, ví dụ đối với C12H25NH3 quá 4.104 M sẽ xảy rahiện tợng hạt keo sau khi đợc trung hoà điện tích sẽ hấp phụ thêm chất keo tụ

mang điện Khi đó ta có hiện tợng đổi dấu điện tích bề mặt, thay vì điện tích âm

lúc đầu, hạt keo sẽ tích điện dơng của chất cho thêm, lực đẩy tĩnh điễn sẽ tái xuất

hiện và hệ keo lại trở nên bền Điều này không xảy ra đối với Na vì tính hấp phụyếu của Na+ Đây là hiệu ứng đảo dấu hạt keo, cản trở quá keo tụ (h 6.4(b)).

Đối với muối Al3+ nhờ điện tích lớn, khả năng hấp phụ mạnh sẽ có hai ng ỡng nồng

độ Ngỡng thứ nhất, ở nồng độ thấp (khoảng 10–410–5 M) bản chất hiện tợng

t-ơng tự nh đối với Na+ và C12H25NH3 ở nồng độ thấp, các ion Al3+ sẽ nhanh chóngtrung hoà thế  của hạt keo âm để gây keo tụ Khi tăng nồng độ hiện tợng đảodấu hạt keo cũng xảy ra lúc đầu tơng tự nh ở hình 6.4(c), nhng sau đó, nếu tăngtiếp nồng độ lên  10-2 M dung dịch lại trở nên trong hơn nhờ hiện tợng bông cặnAl(OH)3 hình thành nhiều sẽ quét theo hạt keo kết tủa rơi xuống Đây là hiện tợng

keo tụ quét, là cơ sở để sử dụng phèn nhôm nh chất keo tụ phổ biến nhất hiện

nay Nồng độ Al3+ trong khoảng 10–4  10–5 M (khoảng chục mg phèn nhôm/L)chính là nồng độ phèn nhôm hay sử dụng trong xử lí nớc cấp

 Lôi kéo hạt keo bằng bông cặn

Hình 6.5- Mô hình quá trình keo tụ  tạo bông

(a) Sự đẩy giữa các hạt keo cùng dấu; (b) Hiện tợng co lớp điện kép và sự hút nhau giữa các hạt keo bị trung hoà về điện; (c) Hiện tợng tạo bông nhờ PAA: các hạt keo âm bị

phân tử PAA “khâu lại” thành bông lớn.

Hiện tợng chất keo tụ (Al2(SO)3 và FeCl3) tạo bông kết tủa hyđroxit có kích thớclớn, khi sa lắng kéo theo các hạt keo có thể thấy rõ ở hình 6.4(c) Điều này đã đợcphân tích trên cơ sở hiệu ứng keo tụ quét của phèn nhôm ở trên

 Tạo điều kiện “khâu” các hạt cặn lơ lửng bằng phân tử polyme

Một số polime tan trong nớc, ví dụ PAA, có khả năng khâu các hạt keo lại với“trôi nổi” trong dung dịch ở khoảng không gian gần hạt, ” trong dung dịch ở khoảng không gian gần hạt,

nhau nhờ tơng tác giữa hạt keo với các nhóm chức khác dấu hoặc bằng lực hấpphụ (hình 6.5), nhờ quá trình này bông cặn trở lên to hơn, nặng hơn và dễ lắng

Chú ý: do hiệu ứng đảo dấu hạt keo nên khi sử dụng các chất keo tụ nhất là các

chất tạo bông cao phân tử nhất thiết phải có thí nghiệm để định l ợng vừa đủ hoáchất đa vào, mật độ thử tuỳ diễn biến chất lợng nớc cần xử lí, cha kể đến các yếu

Al2(SO4)3 + 6H2O  2Al(OH)3 + 6H+ + 3SO42 (6.5)

Nếu trong nớc thiếu độ kiềm (ĐK), pH sẽ giảm; nếu đủ ĐK sẽ có phản ứng:

/tmp/jodconverter_2b32515b-c07f-464d-9896-4f7bfe40f434/tempfile_56951.doc 9

(a)

(b)

(c)

Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2  2Al(OH)3 + 3CaSO4 + 6CO2 (6.6)

Hình 6.6 - ảnh hởng của pH và liều lợng đến khả năng gây keo tụ của phèn nhôm

Theo phơng trình (15.6) cứ 342 mg Al2(SO4)3 khan, hàm lợng 100% cần 6 mđl ĐK(HCO3 –) Nếu ĐK trong nớc không đủ thì cần bổ sung vôi hoặc sôđa để bù, nếukhông pH sẽ hạ Lợng kiềm cần (K) tính theo công thức:

Khi sử dụng phèn nhôm hay bất kì chất keo tụ nào khác cần lu ý nồng độ và vùng

pH tối u (hình 6.6), pH hiệu quả tốt nhất với muối nhôm là khoảng 5,5 7,0

Có thể dùng phèn kép KAl(SO4)2.12H2O để thay phèn nhôm, mọi quy luật tơng tựphèn nhôm song giá đắt hơn nhiều Không dùng NH4Al(SO4)2 trong xử lí nớc cấpvì gây nhiễm amôni

ở các nớc công nghiệp ngời ta có đòi hỏi rất cao về độ trong của nớc lọc Nếu đobằng độ đục kế thì độ đục nớc lọc phải nhỏ hơn hoặc bằng 0,1 đến 3 NTU(AWWA Task Group 225 M)

Thậm chí khi nớc có độ đục rất thấp 0,1 NTU vẫn có rất nhiều cặn không thể thấybằng mắt thờng Nó có thể là những hạt cặn rất tinh cha bị tác động của chất keo

tụ hoặc bản thân những mảnh vỡ nhỏ của các bông kết tủa chất keo tụ không thểlắng – lọc đợc Ngời ta đã xác định đợc ứng với SS = 0,1 mg/L có thể có tới 200triệu hạt cỡ 0,1 m là các mảnh của bông cặn Al(OH)3 có  = 1,01 Tuy nhiên đây

là đại lợng không nguy hiểm vì chỉ ứng với hàm lợng Al bằng 0,06 mg/L (theoQĐ BYT 1329/2002, hàm lợng Al  0,2 mg/L).

ở Việt Nam phèn nhôm đợc sản xuất ở các nhà máy hoá chất Việt Trì, Tân Bình

và có hàm lợng nhôm quy về Al2O3 là khoảng 14% (đối với hoá chất tinh khiết là15,1%) Do độ ngậm nớc rất thay đổi nên cần định lợng hàm lợng nhôm khi sửdụng

6.5.2 Muối sắt Fe 2 (SO 4 ) 3 H 2 O hoặc FeCl 3 nH 2 O (n = 1  6)

Muối sắt cha phổ biến ở Việt Nam nhng rất phổ biến ở các nớc công nghiệp Hoáhọc của muối sắt tơng tự nh muối nhôm nghĩa là khi thuỷ phân sẽ tạo axit, vì vậycần đủ độ kiềm để giữ pH không đổi

Fe2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2  2Fe(OH)3 + 3CaSO4 + 6CO2 (6.8EM)

So với phèn nhôm muối sắt có u thế là vùng pH tối u rộng hơn, từ 5 đến 9, bôngcặn bền hơn và nặng hơn nên lắng tốt hơn, lợng sắt d thấp hơn

6.5.3 Các polime nhôm, sắt

1 u điểm và nhợc điểm của phèn nhôm trong xử lí nớc

Nh đã nêu, trong công nghệ xử lí nớc cấp (và ở mức độ nhất định công nghệ xử lí nớc thải và một

số công nghệ khác) công nghệ keo tụ mà theo truyền thống chất keo tụ là phèn nhôm (Al 2 (SO 4 ) 3 )

đóng vai trò quan trọng Vai trò của phèn nhôm là ở chỗ, khi đ ợc đa vào nớc cần xử lí chứa cặn lơ lửng đầu tiên nó phải hoà tan tạo Al 3+ để trung hoà điện tích các hạt keo âm, sau đó Al 3+ thuỷ phân tạo bông cặn là Al(OH) 3 , trong bể lắng bông cặn kết tủa kéo theo cặn lơ lửng cần xử lí (keo tụ quét) và làm trong nớc Nh vậy phá độ bền hệ keo bằng ít nhất là hai trong 3 cách đầu nêu trong

mục 6.4 Trong thực tế phèn cũng thực hiện cả cách thứ ba là tạo bông nếu thiết kế khu vực tạo bông tốt, tạo điều kiện cho các bông cặn nhỏ tiếp xúc tốt để tạo các bông lớn Công đoạn keo tụ làm trong nớc (dân gian gọi là đánh phèn) là một bớc kĩ thuật quan trọng trong dây chuyền công nghệ xử lí nớc mặt và các loại nớc nhiều cặn lơ lửng khác (kể cả các loại nớc thải).

u điểm chính của phơng pháp keo tụ bằng phèn nhôm

 Về mặt năng lực keo tụ ion nhôm (và cả sắt(III)), nhờ điện tích 3+, có năng lực keo tụ thuộc loại cao nhất (quy tắc Shulz-Hardy) trong số các loại muối ít độc hại mà loài ngời biết.

 Muối nhôm ít độc, sẵn có trên thị trờng và khá rẻ.

 Công nghệ keo tụ bằng phèn nhôm là công nghệ tơng đối đơn giản, dễ kiểm soát, phổ biến rộng rãi.

Nhợc điểm chính của phèn nhôm nằm trong bản chất quá trình keo tụ bằng muối kim loại [5

Quá trình keo tụ bởi muối kim loại M Z+ gồm các bớc theo thứ tự:

1 Tạo các hạt gây keo tụ hạt keo âm (ví dụ phèn nhôm phân li tạo Al 3+ ).

2 Làm mất ổn định hạt keo nhờ phá tơng tác tĩnh điện, ví dụ Al 3+ trung hoà điện tích âm của hạt keo (hạt keo trong nớc thờng tích điện âm, nh vậy các hạt keo cùng điện tích có xu thế

đẩy nhau nên khá bền), khi đó các hạt keo dễ dàng hút nhau nhờ các lực phân tử để tạo thành các hạt lớn hơn.

3 Tạo bông: trớc hết Al 3+ thuỷ phân tạo Al(OH) 3 Tiếp theo các hạt Al(OH) 3 có xu thế

"dính" vào nhau tạo các bông cặn lớn, dễ dàng kết tủa dới tác dụng của trọng lực Trên đờng đi các bông cặn lớn này lại "quét" những hạt nhỏ để làm trong nớc.

Khi cho hoá chất keo tụ vào nớc để thực hiện quá trình thuỷ phân (muối nhôm) và để các hạt Al 3+

tiếp xúc tốt với các hạt keo cần xử lí ta phải khấy mạnh, đó là các bớc 1, 2 Bớc 3 cần khấy chậm

để tạo điều kiện cho các hạt cặn nhỏ mới hình thành va chạm, tạo bông cặn to hơn dễ lắng hơn Nếu chất keo tụ là phèn nhôm (hay sắt) ta có [ 5

Thuỷ phân và hấp phụ: micro giây

Tạo thành hạt Al(OH) 3 nhỏ: 1 giây

Tạo kết tủa Al(OH) 3 : 1-7 giây

/tmp/jodconverter_2b32515b-c07f-464d-9896-4f7bfe40f434/tempfile_56951.doc 11

Nh vậy quá trình thuỷ phân tạo kết tủa Al(OH) 3 quá nhanh, tính bằng micro giây và giây, khi đó ion

Al 3+ cha kịp thực hiện chức năng của chúng (bớc 1, 2) đã bị chuyển hoá thành kết tủa Al(OH) 3

không có khả năng trung hoà điện tích các hạt keo, suy ra chi phí hoá chất sẽ lớn hơn thực tế cần.

Điều này dẫn tới chi phí hoá chất cao, lợng bùn sinh ra cần xử lí lớn hơn thực cần.

Mặt khác, bản thân Al(OH) 3 cũng có độ tan nhất định dẫn tới nguy cơ nớc bị nhiễm Al 3+ - một tác nhân gây bệnh Alzmeyer [ 6

Những yếu điểm đã nêu cùng với tính công nghệ không cao của muối nhôm (sắt) cổ điển (nhạy cảm với pH, nhiệt độ ) đã thúc đẩy việc nghiên cứu các muối polime vô cơ (Al, Fe) có khả năng keo tụ cao hơn, ít nhạy môi trờng hơn và ít độc hơn.

2 Sự phát triển của các sản phẩm polime vô cơ

u thế của polime vô cơ trong công nghệ xử lí nớc, trớc hết là PAC (PolyAluminiumChloride) so với phèn đợc phát hiện từ những năm 1960-70 và đợc ứng dụng công nghiệp từ 198EM0 [ 7- 14 ].

Trớc khi có khái niệm về PAC, để làm trong nớc phèn nhôm (hoặc sắt) đợc sử dụng nh sau: Dung dịch phèn đợc định lợng vào nớc cần xử lí, khấy mạnh cho tan đều đồng thời chỉnh pH về gần pH7 rồi cho nớc qua bể tạo bông và lắng Công nghệ này hiện nay vẫn áp dụng ở Việt Nam Tới những năm 60-70 cho tới đầu những năm 8EM0 khi phát hiện ra hiệu ứng của phèn đợc trung hoà một phần (Pre-neutralised alum tức là PAC) thì dung dịch PAC thờng đợc ứng dụng dới dạng dung dịch phèn đợc trung hoà tại chỗ Khi đó bản chất dung dịch PAC và bản thân quá quá trình keo tụ bằng PAC còn cha đợc rõ Do sự thiếu hiểu biết về thành phần và bản chất các hạt trong hệ PAC, ngoài ra PAC còn cha đợc sản xuất dới dạng sản phẩm thơng mại (dạng bột) nên kĩ thuật này bị hạn chế sử dụng mặc dù u thế đã đợc chứng minh bằng thực tế Việc điều chế PAC tại chỗ rất phức tạp, nhiều khi dung dịch chuẩn bị trớc bị mất hoạt tính sau 24 giờ [ 13 ].

Để khắc phục những nhợc điểm trên nhiều nghiên cứu chế tạo PAC dạng bột thơng phẩm đợc tiến hành chủ yếu vào những năm 198EM0 Đồng thời là hàng loạt công bố liên quan đến bản chất của quá trình hình thành các hạt polime quyết định đến khả năng keo tụ tiên tiến của PAC [ 15, 16 ].

Sự thành công của PAC dẫn đến sự ra đời của hàng loạt sản phẩm tơng tự trong những năm

1990 Ví dụ, theo sau sự thành công của PAC ngời ta đã chế tạo và ứng dụng thành công PolyAluminiumSilicateSulphate).

PASS-Tiếp theo sự ra đời của các polime nhôm, do sự lo ngại về ảnh h ởng của d lợng nhôm trong nớc

ăn uống ngời ta chuyển sự chú ý sang các polime sắt PFC (PolyFerric Chloride) và PFS (PolyFerric Sulphate).

Tóm lại thành công trong nghiên cứu sản xuất PAC và sau đó là PFC dẫn tới sự thay thế đánh phèn cổ điển bằng PAC và bằng PFC.

Trong những năm 1990 các loại PFS bắt đầu đợc coi trọng Ngoài ra còn phải kể đến polime hỗn hợp nhôm-sắt PAFS (Poly-Alumino-Ferric Sulphate).

5 Sự hình thành các hạt polyme nhôm trong dung dịch

Sự hình thành các hạt polyme nhôm trong dung dịch đợc làm rõ từ những năm 198EM0 Đây là cơ sở khoa học để sản xuất PAC cũng nh ứng dụng PAC.

Hoá học của quá trình keo tụ:

Thông thờng khi keo tụ chúng ta hay dùng muối clorua hoặc sulphát của Al(III) hoặc Fe(III) Khi

đó, do phân li và thuỷ phân ta có các hạt trong nớc: Al 3+ , Al(OH) 2+ , Al(OH) 2 , Al(OH) phân tử và Al(OH) 4-, ba hạt polime: Al 2 (OH) 24+, Al 3 (OH) 45+ và Al 13 O 4 (OH) 247+ và Al(OH) 3 rắn Trong đó

Al 13 O 4 (OH) 247+ gọi tắt là Al 13 là tác nhân gây keo tụ chính và tốt nhất

Với Fe(III) ta có các hạt: Fe 3+ , Fe(OH) 2+ , Fe(OH) 2 , Fe(OH) phân tử và Fe(OH) 4-, polime:

Fe 2 (OH) 24+, Fe 3 (OH) 45+ và Fe(OH) 3 rắn Các dạng polime Fe x (OH) y(3x-y)+ hoặc Fe x O y (OH) x+r(2x-2y-r)+

Trong công nghệ xử lí nớc thông thờng, nhất là nớc tự nhiên với pH xung quanh 7 quá trình thuỷ phân nh đã nêu xảy ra rất nhanh, tính bằng micro giây, khi đó hạt Al 3+ nhanh chóng chuyển thành các hạt polime rồi hyđroxit nhôm trong thời gian nhỏ hơn giây mà không kịp thực hiện chức năng của chất keo tụ là trung hoà điện tích trái dấu của các hạt cặn lơ lửng cần xử lí để làm chúng keo

tụ

Khi sử dụng PAC quá trình hoà tan sẽ tạo các hạt polime Al 13 , với điện tích vợt trội (7+), các hạt polime này trung hoà điện tích hạt keo và gây keo tụ rất mạnh, ngoài ra tốc độ thuỷ phân của chúng cũng chậm hơn Al 3+ rất nhiều, điều này tăng thời gian tồn tại của chúng trong nớc nghĩa là tăng khả năng tác dụng của chúng lên các hạt keo cần xử lí, giảm thiểu chi phí hoá chất Ngoài ra, vùng pH hoạt động của PAC cũng lớn gấp hơn 2 lần so với phèn, điều này làm cho việc keo tụ bằng PAC dễ áp dụng hơn Hơn nữa, do kích thớc hạt polime lớn hơn nhiều so với Al 3+ (cỡ 2 nm so

với nhỏ hơn 0,1 nm) nên bông cặn hình thành cũng to và chắc hơn, thuận lợi cho quá trình lắng tiếp theo

Cơ chế hình thành Al 13 :

Trong nớc Al 3+ có số phối trí 4 và 6, khi đó khả năng tồn tại dới dạng tứ diện Al(OH) 4- hay còn gọi

là tế bào T4, hoặc bát diện Al(OH) 4 (H 2 O) 2

-Hình 15.7- Cấu trúc Keggin của PAC

Tế bào T4 này là mầm để hình thành cái gọi là cấu trúc Keggin với tâm là tế bào T4 và 12 bát diện bám xung quanh, khi đó ta có cấu trúc ứng với công thức Al 12 AlO 4 (OH) 247+ Ngời ta cho rằng khi cho kiềm vào dung dịch Al 3+ , khi ion Al 3+ tiếp xúc với các giọt kiềm thì đó là lúc hình thành các tế bào T4 Tiếp theo các bát diện vây quanh T4 tạo Al 13 , nh vậy có thể coi bớc tạo T4 là bớc quyết

định trong công nghệ chế tạo Al 13 thành phần chính của PAC.

Điều kiện đã nêu rất khó gặp trong quá trình thuỷ phân thông thờng trong công nghệ xử lí nớc, vì vậy hiện PAC chỉ đợc sản xuất trong công nghiệp, việc nghiên cứu chế tạo cũng đợc xúc tiến ở Việt Nam.

6.5.4 Chất trợ keo tụ - tạo bông

Có bốn nhóm chất trợ keo tụ: các chất hiệu chỉnh pH, dung dịch axit silixic hoạttính, bột đất sét và polime

1 Các chất hiệu chỉnh pH

Nh đã nêu quá trình keo tụ thờng kèm theo sự tiêu thụ ĐK, nếu độ kiềm của nớcnguồn thấp gây giảm pH Chất hiệu chỉnh pH thờng là vôi Vôi sống là CaO, khidùng phải tôi nghĩa là hoà vào nớc để tạo Ca(OH)2 Do độ tan của vôi thấp (trongkhoảng 2030 oC, độ tan của Ca(OH)2 bằng 1,651,53 g/L) vôi thờng đợc sửdụng dới dạng huyền phù Ca(OH)2

Sử dụng vôi ngoài khả năng ổn định pH tăng hiệu quả keo tụ bằng phèn còn tăngcờng xử lí các axit humic, độ cứng

2 Axit silixic hoạt tính (AS)

AS thờng đợc điều chế tại chỗ bằng cách trung hoà thuỷ tinh lỏng Na2SiO3 bằngaxit ở những điều kiện cụ thể Axit silixic tạo thành thực chất là polime vô cơ,mang điện tích âm Khi vào nớc các phân tử AS âm điện nhanh chóng hút các hạtbông cặn nhỏ mang điện dơng của kết tủa hyđroxit nhôm hoặc sắt tạo bông lớn

3 Bột đất sét

Bột sét tác dụng tơng tự AS do chúng mang điện tích âm, hơn nữa chúng còn cókhả năng, tuy yếu, hấp phụ một phần các chất hữu cơ gây màu, bông cặn tạothành cũng nặng hơn Cũng nh AS, bột sét ở liều lợng thích hợp dùng tốt khi phốihợp với phèn nhôm và muối sắt

4 Các chất tạo bông hữu cơ - cao phân tử

/tmp/jodconverter_2b32515b-c07f-464d-9896-4f7bfe40f434/tempfile_56951.doc 13

Đây là nhóm chất có tác dụng tạo bông tốt nhất Các polyme dùng làm chất tạobông cho quá trình xử lý nớc phải đáp ứng các yêu cầu sau:

- Tan tốt trong nớc;

- Không độc;

- Có khả năng tạo bông tốt nhờ ái lực cao đối với hạt keo và bông cặn nhỏtrong nớc xử lí

Tùy vào bản chất nhóm chức mà ngời ta phân ra làm 3 loại:

- Loại không phân ly (nhóm chức amid CONH2)

- Loại tạo anion (nhóm chức axit COO)

- Loại tạo cation (nhóm chức amin bậc cao N+Cl-)

Tạo bông hữu cơ bao gồm các hợp chất tự nhiên và các hợp chất tổng hợp

Các hợp chất tự nhiên chủ yếu có cấu trúc đuờng, bao gồm:

 gôm thực vật

 pectin

 xantan (sản phẩm lên men yếm khí đờng mía)

Các hợp chất tổng hợp:

Thờng chúng là các hợp chất cao phân tử, có phân tử khối ở mức 104-105 Chúng

có thể đợc sử dụng riêng, nhng thờng phối hợp với chất keo tụ vô cơ Khi sử dụngchúng liều lợng muối vô cơ giảm mạnh, bùn sinh ra sẽ ít hơn nhiều so với sử dụngkeo tụ vô cơ

triệu Tốt nhất là dùng PAA kết hợp với phèn Khi dùng PAA, dung dịchPAA thờng đợc đa vào sau khi khuấy trộn phèn khoảng 1  2 phút Điểmkhác cơ bản của quá trình tạo bông là tốc độ tạo bông lớn (trong vòng 2phút so với phèn cần 20 phút) và kích thớc bông cặn cũng nh độ bền bôngcặn hơn hẳn bông cặn phèn.

PAA còn đợc sử dụng phổ biến trong xử lí nớc thải, xử lí bùn và nhiều ngành côngnghiệp với liều dùng lên tới 5-50 g/m3 [17]

Nhợc điểm chính của PAA là sản phẩm nhập, đắt và phải lựa chọn chủng loạiPAA và liều lợng cho phù hợp với từng loại nớc bằng thực nghiệm

Công thức cấu tạo của các loại PAA phổ biến cho ở hình 6.7

Loại không phân li (non-ionic):

n

CH2

NH2C=OCH

Loại anion (anionic):

CHC=O

NH2

C=OCH

NaO

Hình 6.7 - Công thức cấu tạo của các loại PAA xử lý nớc

6.6 Các yếu tố ảnh hởng đến quá trình keo tụ

Ngoài yếu tố bản chất của chất keo tụ (nhất là giá trị và dấu điện tích) và tạp chất

có trong nớc các yếu tố sau là quan trọng nhất

6.6.1 Yếu tố pH

Mỗi chất keo tụ, dù là muối nhôm hay sắt, đều có khoảng pH tối u cho sự hìnhthành kết tủa hyđroxit tơng ứng Thấp hơn giá trị này các bông Me(OH)3 tạo thành

sẽ bị hoà tan bởi axit Cao hơn giá trị này sẽ tạo thành các muối bazơ khó kết tủa

Đối với các chất điện li polime pH sẽ ảnh hởng đến khả năng phân li của cácnhóm chức, gây tăng hoặc giảm mật độ các nhóm chức hoạt động làm thay đổikhả năng tơng tác phân tử polime  hạt keo

6.6.2 Yếu tố hữu cơ

/tmp/jodconverter_2b32515b-c07f-464d-9896-4f7bfe40f434/tempfile_56951.doc 15

Khi xử lý nớc bằng keo tụ cần lu ý hiện tợng làm bền keo bởi các chất bị hấp phụ

hữu cơ Các chất hữu cơ tự nhiên (ví dụ, axit humic  AH) phổ biến trong nớc cótính làm bền keo rõ rệt nhờ khả năng tạo phức với Fe2/3+, ngoài ra lớp màng hấpphụ hữu cơ quanh hạt keo ngăn cản tơng tác giữa các hạt keo với các tác nhânkeo tụ ta chủ động đa vào, giảm rõ rệt tác dụng làm trong nớc của chất keo tụ Vềphần mình, lợng HA trong keo đất có thể đánh giá qua pH, bảng 6.4 cho ta thấy tỉ

lệ HA thờng gặp trong keo đất phụ thuộc vào pH nh thế nào

Đây chính là trờng hợp ta gặp khi nớc có mầu (do chất hữu cơ tan trong nớc).Cách xử lý thờng là nâng pH bằng vôi để giảm tỉ lệ HA/đất hoặc tiền xử lý bằng cácchất ôxy hoá nh clo, ôzôn để phá hủy một phần chất hữu cơ trớc khi keo tụ

Bảng 6.4 - Sự phụ thuộc tỉ lệ HA/đất (phần HA/100 phần đất) vào pH môi trờng nớc [ 2]

Quá trình keo tụ – tạo bông thờng áp dụng trớc lắng hoặc lọc để:

- làm trong nớc, xử lí một phần độ màu trớc khi lọc (xử lí nớc cấp): các chấtkeo tụ trong xử lí nớc cấp thờng là phèn nhôm, gần đây xuất hiện Poly-Aluminium-Chloride (PAC) là muối nhôm dạng polime, các chất trợ keo tụ PAA.Muối nhôm thờng sử dụng ở mức trên 10 mg/L, PAC sử dụng ở mức bằng1/21/4 muối nhôm, PAA sử dụng ở mức 0,20,5 ppm

- giảm hàm lợng SS trớc khi vào xử lí sinh học (xử lí nớc thải)

- tăng cờng khả năng lắng của bể lắng cấp 2 trong xử lí nớc thải

- lọc trực tiếp nếu SS không quá caoTrong một số trờng hợp các chất keo tụ ở liều cao có thể áp dụng để xử lí màutrong nớc thải công nghiệp, ví dụ nớc thải dệt nhộm, nớc thải giấy

Quá trình keo tụ đợc thực hiện bằng cách trộn nớc với chất keo tụ trong các thiết

bị khuấy nhanh, sau đó nớc đợc đa vào bể tạo bông với sự khuấy trộn nhẹ nhàngnhằm tăng cờng tiếp xúc hạt - hạt làm cho bông phát triển kích thớc, tránh vỡbông Tiếp theo nớc vào bể lắng thực hiện quá trình tách rắn/lỏng

Sự keo tụ - tạo bông đợc coi là hiệu quả nếu bông cặn tạo ra dễ dàng nhìn thấybằng mắt thờng (kích thớc gần 1 mm trở lên), khi đó nớc sẽ lắng trong nhanhtrong ống quan sát trong vòng 10 - 15 phút để yên

Ngoài những ứng dụng trong xử lí nớc chất keo tụ tạo bông còn áp dụng nhiềutrong việc xử lí bùn nhằm tăng khả năng tách nớc khỏi bùn, áp dụng trong côngnghiệp giấy nhằm điều chỉnh đặc trng lu biến của hỗn hợp bột

Ví dụ xử lí nớc thải sản xuất giấy [20]:

Nớc thải sản xuất giấy chứa nhiều SS và các hạt keo Phèn nhôm là chất keo tụtốt trong trờng hợp này, các chất trợ keo tụ nh axit silixic, PAA sẽ tăng cờng sựtạo bông, giúp quá trình lắng tốt hơn Các kết quả xử lí nớc thải các nhà máy giấycho ở bảng 6.5

Bảng 6.5- Kết quả xử lí keo tụ nớc thải sản xuất giấy

Nớc

thải

Nớc vào Nớc ra Chất keo tụ, tạo bông

Thời gian

lu, h

% rắn của

BOD,

ppm

SS, ppm

BOD ppm

SS,

Phèn Al, ppm

Ax.

silixic , ppm

Khác, ppm

68EM 36 33

15-60 10-40 35-8EM5 44 10-15

6,7 6,6

3 1 10-12 2

5

10 4 4

10

1,7 0,3 2,0 1,3

2-4 2 2-5 1,76

tuyển nổi 38EM,7m 3 m -2 ng

Ví dụ xử lí nớc thải chứa dầu [20]:

Nớc thải gia công cơ khí hay chứa các giọt dầu nhỏ, chúng đợc ổn định bởi cácchất hoạt động dới dạng các hạt nhũ tơng kích thớc 10-5 cm Để phá nhũ (trunghoà điện tích bề mặt) có thể dùng các muối và chất keo tụ hoặc hạ pH Ví dụ, nớcthải nhà máy sản xuất ổ bi hay là nhũ tơng chứa xà phòng, chất hoạt động bềmặt, dầu trợ nghiền, axit phốtphoric để tẩy bề mặt và dung môi Để xử lí nớc thảinày cần dùng 8EM00 mg/L phèn nhôm, 450 mg/L H2SO4 và 45 mg/L chất trợ keo tụ.Kết quả đợc trình bày ở bảng 6.6a

Sự có mặt các chất hoạt động bề mặt dạng anion làm tăng chi phí chất keo tụ N

-ớc thải giặt công nghiệp đợc xử lí bằng H2SO4 và phèn, vôi, khi đó COD có thểgiảm từ 12000 mg/L xuống 18EM00 mg/L; SS từ 1620 xuống 105 mg/L Chi phí hoáchất 1400 mg/L H2SO4, 1500 mg/L vôi và 300 mg/L phèn, khi đó thể tích bùnchiếm tới 25% tổng thể tích

Nớc thải các tiệm giặt là thờng chứa các tác nhân tẩy rửa tổng hợp đợc xử lí bằngcác chất tạo bông cationic để trung hoà điện tích rồi bổ xung muối Ca để kết tủaphốtphát Với pH kết tủa lớn hơn 8EM,5 có thể kết tủa hoàn toàn P Có thể đạt đợcmức giảm 90% BOD nếu sử dụng tới 0,24 kg Fe2(SO4)3/m3 ở pH keo tụ 6,4-6,6.Một số kết quả cho ở bảng 6.6b

Nớc thải sản xuất latex nếu keo tụ bằng 0,5 kg FeCl3/m3 và 0,2 kg vôi/m3 ở pH 9,6

đạt đợc mức giảm COD và BOD tới 75 và 94% Bùn tạo thành chứa 1,2% chấtkhô Nớc thải sản xuất sơn latex khi keo tụ với 345 mg/L phèn nhôm ở pH 3-4 tạothành 2,5 kg/m3 bùn có 2,95% chất khô Kết quả cho ở bảng 6.6c

Bảng 6.6- Kết quả xử lí keo tụ nớc thải sản xuất giấy

(a) Nớc thải sản xuất vòng bi

7,1 40 28EM 1,6 8EM,5

0,1 90 171 150

178EM 90 446

Một số kết quả keo tụ các nhà máy dệt nhuộm, nhà máy giấy, nbột giấy tổng kếttrong bảng 6.7 và 6.8EM

Bảng 6.7- Kết quả xử lí keo tụ nớc thải dệt nhuộm

/tmp/jodconverter_2b32515b-c07f-464d-9896-4f7bfe40f434/tempfile_56951.doc 17

7,5-11 5-9 3-4, 9-11 8EM,5-10 9,5-11 6-9 9-11 5-6

0,25 0,74 1,8EM4 4,6

90 8EM6 68EM 8EM9 8EM9 65 95 95 78EM 8EM7 8EM9 8EM7

58EM4 8EM40 8EM25 1570

33 39 30 49 40 40 38EM 31 50 31 44 44

Bảng 15.8- Kết quả xử lí keo tụ nớc thải sản xuất giấy và bột giấy

3,5-4,5 4,0-5,0 - 3,5-4,5 4,0-5,0 - 4,5-5,5 5,0-6,5 -

2250 1470 940

92 92 92 91 93 8EM5 8EM5 91 8EM5

776 48EM0 468EM

60 53 38EM 53 48EM 45 53 44 40

Lu ý, các nhà máy bột giấy ở các nớc công nghiệp hoá thờng có hệ cô-đốt thu hồikiềm nên tải lợng COD giảm tới 90%, nớc thải thực chất chỉ chứa khoảng 10% tảilợng COD toàn nhà máy ở VN chỉ có nhà máy giấy Bãi Bằng có chất l ợng nớc t-

ơng tự, còn lại xấu hơn rất nhiều Các kết quả của [20] tổng kết khi dùng phènnhôm ở pH quá thấp cần xem xét lại

6.7.1 Khuấy trộn

Khuấy trộn là quá trình mà hầu hết các hệ phản ứng đều cần thực hiện Mục đíchchính của nó là tạo tiếp xúc tối đa giữa các phân tử, ion, các thành phần phảnứng, giảm thiểu cản trở gây ra do khuếch tán chậm

Đối với hệ lỏng hoặc rắn(ít)/lỏng(nhiều) ta dùng thuật ngữ khuấy (hoặc cả khuấy trộn), đối với hệ rắn/rắn hoặc rắn(nhiều)/lỏng(ít) ta thờng dùng thuật ngữ trộn.

Ngoài việc tạo điều kiện cho phản ứng xảy ra nhanh hơn, giảm thiểu tác động củayếu tố khuếch tán, khuấy trộn còn có các tác dụng quan trọng khác nh:

- Làm đều hỗn hợp (trong công nghệ vật liệu bột)

- Làm vỡ các hạt, giọt lớn (trong công nghệ hoá học)

- Tăng tốc độ truyền nhiệt, giảm nhẹ hiện tợng tăng giảm nhiệt độ cục bộ.Trong quá trình keo tụ – tạo bông khuấy trộn nhằm:

- Phân bố nhanh, đều chất keo tụ, tạo bông trong thể tích nớc cần xử lý

- Tăng hiệu quả xử lí, suy ra giảm chi phí trong quá trình keo tụ

- Tăng tiếp xúc hạt – hạt nhỏ, thúc đẩy tạo bông

- Làm lơ lửng các hạt rắn trong lỏng (trong hệ xử lí vi sinh) hoặc khí

Khi đó cần phân biệt: đối với quá trình phản ứng, cần phân bố đều hoá chấtnhanh tối đa nên ta sử dụng quá trình khuấy nhanh; đối với quá trình tạo bônghyđroxit kim loại khuấy nhanh sẽ làm vỡ bông cặn, khi đó ta cần khuấy nhẹnhàng Hiệu quả quá trình khuấy phụ thuộc vào công suất khuấy

Tính công suất khuấy [ 18 ]

Để định lợng quá trình khuấy ta dùng đại lợng građien vận tốc G Trong giới hạn

nhất định, đại lợng G càng lớn sự khuấy càng tiến tới lý tởng G chính là hàm củacông suất khuấy áp cho một đơn vị thể tích cần khuấy:

V

P G

Bảng 6.9, 6.10 cho ta các dữ liệu kinh nghiệm để tính các đại lợng G, Gto ứng vớimỗi quá trình khuấy

Bảng 6.9 – Các giá trị G để tính khuấy nhanh [ 18]

Nớc có SS thấp, keo tụ để xử lí cả màu 2070 60000200000

Al3+ hình thành cha kịp tiếp xúc hạt keo để thực hiện chức năng trung hoà điệntích, gây keo tụ, nó đã thuỷ phân tạo Al(OH)3, khi đó nó chỉ có thể tác động nhmột chất tạo bông

Phân loại các phơng pháp khuấy nhanh:

 Khuấy cơ khí bằng máy khuấy (tốt nhất)

 Khuấy bằng khí nén

 Khuấy bằng cách bơm chất lỏng tuần hoàn

 Khuấy tĩnh: tận dụng các cơ cấu dòng chẩy, ví dụ: khuấy trong ống trộn;khuấy kiểu rãnh thu – dãn (rãnh Parshall); ”thác” nớc; vách đục lỗ, vách

Hình 6.8 - Bồn khuấy nhanh cơ khí

Bồn khuấy nhanh thờng có thời gian lu thuỷ lực cỡ 10  30 s, G ở mức 600 

1000 s-1, thể tích giới hạn ở 8EM m3 Bồn khuấy thờng có hình trụ, để tăng hiệu quảkhuấy thờng bố trí thêm 2  4 vách chắn nhỏ dọc thành bể để tăng hiệu quảkhuấy, đôi khi có vách ngang chống tạo xoáy

Máy khuấy gồm: động cơ điện, hộp số giảm tốc, trục khuấy, cánh khuấy

Cánh khuấy thờng dùng loại turbin hoặc mái chèo (xem h 6.9) Hoá chất phảicho vào vùng ngay dới cánh khuấy, nơi đợc khuấy mạnh nhất

- Hai bộ cánh khuấy đồng trục gây ra công suất khuấy 1,9 lần so với một

6.7.2 Hệ tạo bông

Hệ tạo bông ảnh hởng đến kích thớc bông hình thành, do đó ảnh hởng đến khảnăng tách R/L trong hệ tiếp theo

Mục đích quá trình tạo bông là khuấy vừa đủ để tạo điều kiện tiếp xúc tốt nhấtgiữa các hạt cặn nhỏ với nhau, tạo điều kiện cho chúng hút nhau, tạo bông lớnhơn tới mức có khả năng lắng dễ dàng, nhng mặt khác không đợc khuấy quámạnh làm vỡ bông cặn mới hình thành, nh“trôi nổi” trong dung dịch ở khoảng không gian gần hạt, ” trong dung dịch ở khoảng không gian gần hạt, vậy đại lợng G phải nhỏ và hẹp(bảng 6.9).

Do chất lợng nớc vào thay đổi nên cần thiết kế sao cho có thể thay đổi G đợc 2 

3 lần mà không quá thay đổi kết cấu bể tạo bông Bông càng lớn, mật độ bôngcàng cao ta càng cần G lớn (bảng 6.9) Đối với cặn của quá trình làm mềm bằngvôi – sôđa, tỷ khối nặng hơn cặn keo tụ nên G cao nhất Khi mật độ SS tăng, giátrị G cũng tăng tơng ứng

Cánh khuấy thờng dùng là loại cánh hớng tâm do cánh khuấy loại này tạo G cógiá trị đều nhất trong toàn thể tích

Có thể khuấy tạo bông bằng các cánh khuấy dạng tấm phẳng, hệ bồn nhiều váchngăn đảo chiều

Hình 6.10 - Bể tạo bông với cánh khuấy dạng tấm phẳng

Bồn/bể tạo bông tốt nhất là hình chữ nhật, chia 3 vùng Đại lợng G phân chia saocho giảm dần từ đầu vào tới đầu ra (h 6.10) G lấy theo bảng 6.9

Một số quy tắc kinh nghiệm:

 Cánh khuấy mái chèo có đờng kính=0,2  0,5 bề rộng bể, tối đa= 3m

 Tính công suất khuấy dùng biểu thức Rushton: [19]

Một kiểu bể tạo bông khác, khá đơn giản và hiệu quả là bể tạo bông kiểu Alabama (hình 6.11) Đây thực chất là một thiết bị phản ứng khuấy trộn bằng thuỷlực, dòng nớc đợc đảo chiều nhiều lần nhờ hệ thống ống hớng dòng Hệ thốngống đảo chiều dòng nớc có thể đợc thay bằng hệ vách ngăn với cùng chức năng,

khi đó ta gọi là thiết bị phản ứng với vách ngăn đảo chiều

/tmp/jodconverter_2b32515b-c07f-464d-9896-4f7bfe40f434/tempfile_56951.doc 21

Vách cố định

H ớng dòng xoay Khuấy nhanh

Đ ờng hoá chất

Cánh khuấy

Bể lắng

Hình 6.11 - Bể tạo bông kiểu Alabama

Ví dụ 6.1:

Một nhà máy nớc cần loại cặn lơ lửng Phơng pháp lựa chọn là keo tụ bằng muối

Fe Các thông số thiết kế nh sau:

Nếu ta dùng hệ khuấy đúp để đạt đợc hệ số truyền công suất 1,9, khi đó đối với

hệ khuấy lớn nhất JTQ500 ta có công suất truyền vào nớc bằng (0,8EM là hiệu suất

động cơ):

3,74 (kW) * 0,8EM * 1,9 = 5,68EM kWTính thể tích khuấy theo pt (6.9) với G = 1000 s-1, P = 5,68EM kW,

Tra cứu độ nhớt của nớc ta có: 1,053*10 3Pa s

18 0





Vậy thể tích bồn khấy bằng:

3 3

1

3

) 10

* 053 , 1 (

* ) ( 1000

) ( 10

* 68 , 5

m s

Pa s

W G

kg s

v

s m w

n K

Pg D

T

)/(1000

*)/92,2(

*)30,6(

)/(8,9

*)(10

*68,5

*

5 / 1 5

/ 1

3 3

2 3

5 / 1

81 , 0

)62,1(

) ( 06 , 2

) ( 5 2

3



KiÓm tra tû lÖ møc níc : Dbån ta cã:

5 , 1 62 , 1

43 , 2

2 1

3

) 10

* 053 , 1 (

* ) 30 (

10

* 68 , 5

m s

Pa s

w G

40 3

3





b m

m n

) / ( 900 )

( 8

) (

b m b

m



P = G V = (40 s ) (1,053*10 Pa.s)(300 m ) = 505 W = 0,505 kW

Với hiệu suất 0,8EM; công suất môtơ cần:

kW kW

8 , 0

505 , 0





Đối với 300 m3 tiếp theo:

P = G2V = (30 s–1)2(1,053*10–3 Pa.s)(300 m3) = 28EM4 W = 0,28EM4 kW

Với hiệu suất 0,8EM, công suất môtơ cần:

kW kW

8 , 0

284 , 0

8 , 0

126 , 0

m



Nếu bể hình vuông ta có kích thớc bể bằng: (75 m2)1/2 = 8EM,66 m

Chọn tỷ lệ đờng kính cánh khuấy từ (Di : bề rộng) = 0,3, tính đờng kính cánhkhuấy:

Di = 8EM,66 (m) * 0,3 = 2,6 mChọn khuấy 3 cánh với tốc độ khuấy tính theo (6.10):

)0234,0()/(1000)6,2)(

00,1(

)/(8,9

*)(284

*

2 5

s m W

D K

Pg n

i

s v

n ( 0 , 0234 ) 1 / 3 0 , 286 /





ph v ph

s s

v

Giá trị 17 v/ph nằm trong khoảng 1  45 là phù hợp

Tài liệu tham khảo

1 Kulsky L.A., Goronovsky Y.T., Koganovsky A.M., Shevtrenko M.A Spravotrnik po Svoistvam, Metodu Analiza i Otristke Vodu, Tom 1, Naukova Dumka, Kiiev, 198EM0 (Tiếng Nga)

2 Kulsky L.A Teoretritreskiie Osnovu i Technologia Konditxionirovania Vodu, Naukova Dumka,

Kiiev, 198EM0 (Tiếng Nga).

3 Atkins P.W Concepts in Phys Chem Oxford Univ Press, 1995.

4 Water Treatment Handbook, p.132, 6 th Ed Degre mont, 1991.’mont, 1991.

5 Jang J.Q and Graham N.J.D Pre-polymerised inorganic coagulants for treating water and WW.

Chem and Industry, 19 May 1997, pp 38EM8EM-391.

6 Lewis T.E Ed (198EM9) The Env Chem and Toxicology of Al Lewis Pub Inc., Chelsea, MI

7 Stumm & Morgan (1962) Chemical aspect of coagulation J AWWA 54, p 971;

8EM Hall & Packham (1965) The coagulation process: VI Studies of the removal of organic colour

with hydrolysing coagulants WRA Tech Pap 39;

9 Stumm W., O'Melia (1968EM) Stoichiometry of coagulation J AWWA 60, 514;

10 Hsu o (1968EM) Interaction between aluminum and phosphate in aqueous solution Am Chem Soc Adv Chem Ser 73, 115;

11 Rubin & Kovach (1974) Effect of aluminium (III) hydrolysis on alum coagulation In: Chemitry

of Water Treatment, Distribution and Water Supply Ed by Rubin AJ, Chapman & Ann Arbor

Science, Ann Arbor, MI.;

12 Packham and Shieham (1977) Development in the theory of coagulation and flocculation J Inst Wat Eng Sci 31, 96;

13 Fiessinger F (1978EM) Coagulation and flocculation Part I Coagulation Inst Wat Supply Ass Congr Proc 12, E-1_E-10;

14 Tang H.X., Stumm W., The coagulation behavior of Fe(III) polymer species I, II Wat Res.

21(1), pp 115-121; 122-129, 198EM7

15 Tang HX and Luan ZK (1996) The differences of behaviour and coagulating mechanism

between inorganic polymer flocculants and traditional flocculants In: Chem Water and WW Treatment (Eds Hahn HH., Hoffmann E and Odegaard H.), 7th Gothenburg Symposium 1996,

Edinburgh, Scotland;

16 Jang J.Q and Graham N.J.D Pre-polymerised inorganic coagulants for treating water and

WW Chem and Industry, 19 May 1997, pp 38EM8EM-391

17 Toagosei High Molecular Weight Flocculant Polymer ARONFLOC TM, b¶n giíi thiÖu s¶n phÈm.

18EM Mckenzie L Davis, David A Cornwell Introduction to Environmental Engineering Second

Edition, McGraw-Hill, Inc 1991

19 Rushton J.H Mixing of liquids in Chemical Processing Industrial & Engineering Chemistry,

Vol 44, No 12, pp 2931, 1952.

20 Eckenfelder W.W., Jr Industrial Water Pollution Control, 3rd Edition, McGraw Hill, 2000.

/tmp/jodconverter_2b32515b-c07f-464d-9896-4f7bfe40f434/tempfile_56951.doc 25

Chơng 5 Tỏch R/L bằng bể lắng7.1 Khái niệm lắng, bể lắng và vận tốc lắng

Lắng là quá trình tách cặn lơ lửng khỏi nớc nhờ tác động của trọng lực, nó còn

đ-ợc gọi là sa lắng.

Các chất lơ lửng ở đây có thể là SS tự nhiên, các bông cặn sau keo tụ – tạo bông,

kể cả bông vi khuẩn sau xử lý sinh học

Công cụ để thực hiện quá trình lắng là bể lắng Bể lắng có thể đợc chế tạo dới

dạng thiết bị bằng thép, compozit hoặc xây dựng bằng beton, gạch Các hìnhdạng phổ biến nhất là hình trụ vuông hoặc tròn, hình hộp chữ nhật

Vùng nhận nớc có chức năng phân phối nớc đều sao cho tận dụng đợc tối đa

không gian vùng lắng, ngoài ra phải giảm vận tốc nớc vào vùng lắng tới vận tốcthiết kế giới hạn cho vùng lắng vo đợc gọi là tốc độ giới hạn hay tải bề mặt (đơn vị:

m3/m2.ngày) Nh vậy cấu tạo của vùng nhận nớc phải đảm bảo đợc các yêu cầu

kể trên Trong thực tế thiết kế vùng nhận nớc không đợc coi trọng nên hiệu quả

bể lắng kém hơn so với khối tích bể tới 25%

Để thực hiện điều này vùng thu nớc thờng có vách hớng dòng (có thể kiêm phânphối (hình 7.1) Nớc cũng có thể đợc phân phối và giảm tốc tốt thông qua hệ ốngnhiều đầu ra

Vùng thu nớc lắng có chức năng thu nớc đã lắng bớt cặn, chuyển tải đi sang công

đoạn tiếp theo Để thực hiện điều này cần bố trí các máng thu Để vận tốc nớc

vào máng không quá cao, điều dẫn tới tạo các dòng chảy mạnh gần máng thucuốn theo cặn đang lắng ngời ta đa ra thông số tải máng thu (đơn vị: m3/m.ngày)

Rõ ràng là cặn càng nặng càng khó bị cuốn trôi nên chiều dài máng thu càngngắn Bảng 7.1 cho ta sự phụ thuộc tiêu chuẩn thiết kế đối với máng thu cho cácloại bông cặn khác nhau

Bảng 7.1- Các thông số tải máng thu thờng gặp [ 1]

Bông đánh phèn với nớc ít đục

Bông đánh phèn với nớc đục

Bông cặn xử lí độ cứng

143179 179268EM 268EM322

Vùng chứa bùn phải thuận lợi cho việc thu gom, xả bùn và vệ sinh bể thờng kì.

Thờng phải có hố gom bùn bố trí gần cửa nhận nớc Nếu bể gom bùn thủ công thì

đáy bể phải có độ dốc nhất định về phía hố gom Độ dốc từ hai bên về tâm bể ít

Xả bùn

Vùng lắng Vùng nhận – phân phối n ớc vào

Vùng chứa bùn

Vùng thu n ớc lắng Máng thu n ớc

Xả bùn

nhất phải là 10%, từ đầu thu nớc lắng đến đầu nhận nớc vào ít nhất là 5% Nếugom bùn bằng cần gạt bùn cơ khí thì độ dốc ít là 1%.

Độ sâu hố gom bùn ít nhất là 0,3 mét Với bể lắng thiết kế vận hành tốt, với n ớckeo tụ – tạo bông tốt thì có tới 75% bùn lắng đợc lắng trong khoảng 1/5 đầu tiêncủa đờng đi của nớc, vì vậy vùng lắng bùn tính từ khoảng 2 mét cách vùng nhậnnớc vào

Để xây dựng các tiêu chuẩn thiết kế bể lắng ta xét trên ví dụ lắng đứng (h 7.2),

khi đó ta có hai khái niệm: tốc độ lắng cặn vP và tốc độ dâng nớc vo.

Q = lu lợngVì thể tích vùng lắng V = HA, trong đó A là thiết diện đáy, phối hợp với pt (7.2) và(7.3) ta có:

Q

HA v

Điểm đặc biệt thuận lợi của pt (7.4) là vo không phụ thuộc H, pt.(7.4) đợc gọi là

pt Hazen. Pt (7.4) cũng có thể dẫn ra cho đối với bể lắng ngang

v0 chính là giới hạn tốc độ dâng nớc mà khi thiết kế không đợc phép vợt qua, nó

đợc gọi là “tải bề mặt” Giá trị vo phụ thuộc vào loại nớc và chức năng của bể lắngloại 1 hay loại 2, có hay không sử dụng chất keo tụ Thông thờng với mỗi loại nớc

sẽ có các “tiêu chuẩn thiết kế tơng ứng”

Trong trờng hợp bể lắng ngang lu ý mấy điểm sau (hình 7.3):

Mô hình bể lắng ngang đợc xây dựng trên cơ sở những chấp nhận sau:

1 Tốc độ dòng nớc v đều khắp mọi điểm trong vùng lắng

2 Hạt đợc coi là lắng nếu gặp đáy bể, nếu va vào vách đối diện thì quy u ớc

là không lắng, bị rửa trôi

3 Quỹ đạo hạt là tổng vectơ của tốc độ dòng nớc v và tốc độ lắng hạt vP

Hình 7.3- Mô hình bể lắng ngang

Nh vậy ta có ba trờng hợp sau:

1 Nuớc vào chỉ chứa một loại cặn có cùng tốc độ lắng vP (h 7.3(a)) Khi đóhai hạt a và b sẽ lắng trong mọi trờng hợp nếu quỹ đạo hạt gặp đáy bể.Trong trờng hợp này sự phân phối dòng chảy đầu vào có ý nghĩa rất quantrọng: hạt b với cùng tốc độ lắng sẽ lắng trớc hạt a do đợc đa vào ở điểmthấp hơn (H/2)

Nếu có hạt cặn nhẹ hơn (không vẽ trên hình) có cùng điểm vào với hạt a

nhng có vP nhỏ hơn vectơ tổng sẽ gặp vách đối diện, nghĩa là hạt khônglắng (tốc độ lắng tơng tự hạt b’ ở trờng hợp 2)

2 Nếu hạt cặn b’ có v’P thấp hơn vP của hạt a trong trờng hợp h 7.3(a) nhng

đợc đa vào ở điểm thấp hơn (hình 7.3(b)) thì vẫn có thể lắng nếu quỹ đạorơi gặp đáy bể

3 Hạt cặn a có vP phù hợp nhng nếu vách đối diện quá cao, từ cái nhìn đầutiên cũng không lắng đợc (hình 7.3(c)) Trờng hợp này vẫn có thể lắng dohạt sau khi va với thành bể sẽ đổi hớng rơi xuống đáy

Nh vậy đơn vị trọng tâm cần để tính bể lắng sẽ là vP – tốc độ lắng cặn.

Từ mô hình lắng này còn có thể rút ra hai kết luận có tính ứng dụng sau:

1 Nếu vẽ thêm đáy bể ở vị trí H/2 thì các hạt dễ gặp đáy bể hơn (không vẽtrên hình) Đây chính là cơ sở để lắp thêm đáy dới dạng tấm mỏng còn gọi

là lamen

(16.4)

a

(a) (b)

(16.4)

a

(a) (b)