2.4.1. Bản chất của quá trình keo tụ
Cặn bẩn trong nƣớc thiên nhiên thƣờng là hạt cát, sét, bùn, sinh vật phù du, sản phẩm phân hủy của các chất hữu cơ… Các hạt cặn lớn có khả năng tự lắng trong nƣớc, còn cặn bé ở trạng thái lơ lững. Trong kĩ thuật sử lý nƣớc bằng các biện pháp cơ học nhƣ lắng, lọc chỉ có thể loại bỏ những hạt có kích thƣớc lớn hơn 10-4mm, còn những hạt cặn có d < 10-4mm, nếu dùng quá trình lắng tĩnh thì phải tốn rất nhiều thời gian và cũng rất khó có thể có hiệu quả cao, do vậy cần phải áp dụng xử lý bằng phƣơng pháp lý hoá, đó là phƣơng pháp keo tụ.
Keo tụ là một phƣơng pháp xử lý nƣớc có sử dụng hoá chất, trong đó các hạt keo lơ lững trong nƣớc nhờ tác dụng của chất keo tụ mà liên kết lại với nhau tạo thành bông có kích thƣớc lớn hơn và ngƣời ta có thể tách chúng ra khỏi nƣớc dể dàng bằng các biện pháp lắng hay lọc. Sử dụng quá trình keo tụ này ngƣời ta có thể tách đƣợc hoặc làm giảm đi các thành phần có trong nƣớc nhƣ kim loại nặng, các chất bẩn lơ lững, các anion… và có thể cải thiện đƣợc độ đục, độ màu của nƣớc.
Các chất keo tụ thƣờng đƣợc sử dụng là phèn nhôm, phèn sắt dƣới dạng dung dịch hòa tan, các chất điện li hay cao phân tử…
Đặc điểm cơ bản của hạt cặn bé là do kích thƣớc vô cùng nhỏ nên có bề mặt tiếp xúc rất lớn trên một đơn vị thể tích, các hạt cặn này dể dàng hấp thụ, kết bám với các chất xung quanh hoặc lẫn nhau để tạo ra bông cặn to hơn. Mặc khác các hạt đều mang điện tích và chúng có khả năng liên kết với nhau hoặc đẩy nhau bằng lực điện từ. Tuy nhiên trong môi trƣờng nƣớc, do các loại lực tƣơng tác giữa các hạt cặn bé hơn lực đẩy do chuyển động nhiệt Brown nên các hạt cặn luôn luôn tồn tại ở trạng thái lơ lững.
Bằng việc phá vỡ trạng thái cân bằng động tự nhiên của môi trƣờng nƣớc, sẽ tạo điều kiện thuận lợi để các hạt cặn kết dính với nhau thành các hạt cặn lớn hơn và dể xử lý hơn. Trong công nghệ xử lý nƣớc là cho theo vào nƣớc các hoá chất làm nhân tố keo tụ các hạt cặn lơ lững.
2.4.1.1. Các phương pháp keo tụ
a. Keo tụ bằng các chất điện li
Cho thêm vào nƣớc các chất điện li ở dạng ion ngƣợc dấu. Khi nồng độ các ion ngƣợc dấu tăng lên, thì càng nhiều ion đƣợc chuyển từ lớp khuyếch tán vào lớp điện tích kéo dẫn đến việc giảm độ lớn của thế động điện, đồng thời lực đẩy tính điện cũng giản đi. Nhờ chuyển động Brown các hạt keo với điện tích bé khi va chạm dể kết dính bằng lực hút phân tử tạo nên các bông cặn ngày càng lớn.
Cũng nhƣ các phƣơng pháp keo tụ khác, keo tụ dùng chất điện ki đơn giản đòi hỏi liều lƣợng chất điện li cho vào trong nƣớc phải thật chính xác. Nếu nồng độ chất điện li trong nƣớc vƣợt quá mức cần thiết sẽ dẫn đến quá trình tích điện trở lại đối với các hạt keo, làm điện thế zeta tăng lên, hiệu quả keo tụ giảm đi và hệ keo trong nƣớc sẽ trở về thế bền vững.
Do nhƣợc điểm nói trên nên biện pháp này tuy đơn giản, nhƣng đòi hỏi phải bổ sung chất điện li nhiều, liều lƣợng phải chính xác, nên ít đƣợc sử dụng.
b. Keo tụ bằng hệ keo ngược dấu
Quá trình keo tụ đƣợc thực hiện bằng cách tạo ra trong nƣớc một hệ keo mới tích điện ngƣợc dấu với hệ keo cặn bẩn trong nƣớc thiên nhiên và các hạt keo điện tích trái dấu sẽ trung hoà lẫn nhau. Chất keo tụ thƣờng là phèn nhôm, phèn sắt, đƣa vào nƣớc dƣới dạng hoà tan, sau phản ứng thủy phân chúng tạo ra hệ keo mới mang điện tích dƣơng có khả năng trung hoà với các hạt keo mang điện tích âm.
Al2(SO4)3 2Al3+ + 3SO42- FeCl3 Fe3+ + 3Cl- Al3+ + 3H2O Al(OH)3 + 3H+ Fe3+ + 3H2O Fe(OH)2 + 3H+
Các ion kim loại mang điện tích dƣơng một mặt tham gia vào quá trình trao đổi với các cation nằm trong lớp điện tích kép của hạt cặn mang điện tích âm, làm giảm thế động điện giúp các hạt keo liên kết lại với nhau bằng lực hút phân tử tạo ra các bông cặn. Mặc khác các ion kim loại tự do lại kết hợp với nƣớc bằng phản ứng thủy phân, các phân tử nhôm hyđroxit và sắt hydroxit là các hạt keo mang điện tích dƣơng, có khả năng kết hợp với các hạt keo mang điện tích âm tạo thành các bông cặn. Đồng thời các phân tử Al(OH)3 và Fe(OH)3 kết hợp với các
anion có trong nƣớc và kết hợp với nhau tạo ra bông cặn có hoạt tính bề mặt cao. Các bông cặn này khi lắng sẽ hấp thu cuốn theo các hạt keo, cặn bẩn, các hợp chất hữu cơ, các chất mùi vị… tồn tại ở tạng thái hoà tan hoặc lơ lững trong nƣớc.
c. Tăng cường quá trình keo tụ bằng các hợp chất cao phân tử
Ngƣời ta dùng các chất cao phân tử tan trong nƣớc, có cấu tạo mạch dài với phân tử lựơng từ 103 đến 107g/mol và đƣờng kính phân tử trong dung dịch vào khoảng 0,1m đến 1m để keo tụ hoặc làm chất phụ trợ keo tụ cho các phèn nhôm và phèn sắt.
Dựa vào hoá trị, ngƣời ta phân chia các loại cao phân tử dùng trong keo tụ ra làm 3 loại: loại anion, loại cation và loại không ion.
Trong xử lý nƣớc ăn uống, ngƣời ta thƣờng các chất cao phân tử tự nhiên và một số loại cao phân tử tổng hợp, lƣợng tối đa đến 0,5mg/l. Tuy nhiên các loại polime này có nhƣợc điểm là không bảo quản đƣợc lâu, đặc biệt là khi đã hoà tan trong nƣớc, công nghệ sản xuất đắt, giá thành sản phẩm cao. Ở nƣớc ta hầu nhƣ chƣa dùng loại keo tụ này.
2.4.1.2. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ
a. Độ pH
Độ pH của nƣớc có ảnh hƣởng trực tiếp đến quá trình thủy phân. Khi pH > 4,5 thì không xảy ra quá trình thủy phân. Khi pH > 7,5 làm cho muối kiềm kém tan ít đi và hiệu quả keo tụ bị hạn chế. Thông thƣờng phèn nhôm đạt hiệu quả keo tụ cao nhất khi nƣớc có pH = 5,5 ÷ 7,5. Trong môi trƣờng pH cao, hạt keo có xu hƣớng mang điện tích âm, và ngƣợc lại mang điện tích dƣơng khi ở trong môi trƣờng có pH thấp.
b. Nhiệt độ
Yếu tố nhiệt độ cũng có ảnh hƣởng đến quá trình keo tụ. Nhiệt độ của nƣớc cao, tốc độ keo tụ xảy ra nhanh chóng, giảm lƣợng phèn cho vào nƣớc. Độ đục của nƣớc nguồn càng cao, thì ảnh hƣởng của nhiệt độ càng rõ rệt. Nhiệt độ của nƣớc thích hợp khi dùng phèn nhôm vào khoảng 20 ÷ 400C, tốt nhất là 35 ÷ 400C.
c. Hàm lượng và kích thước cặn
Hàm lƣợng cặn tăng thì lƣợng phèn cần thiết cũng tăng. Hiệu quả keo tụ phụ thuộc vào tính chất tự nhiên nhƣ kích thƣớc, điện tích, mức độ phân tán…
Ngoài ra còn có một số nhân tố khác cũng ảnh hƣởng đến quá trình keo tụ nhƣ: các thành phần ion có trong nƣớc, các hợp chất hữu cơ, liều lƣợng phèn, điều kiện khoáy trộn, môi trƣờng phản ứng…
2.4.2. Hoá chất dùng trong keo tụ
2.4.2.1. Phèn nhôm
Muối sunfat thƣờng đƣợc sử dụng nhất (có thể ở dạng bột, hạt, miếng), có ngậm một lƣợng nƣớc trong tinh thể, trong đó muối nhôm chiếm khoảng 17%. Trong công nghệ xử lý nƣớc ngƣời ta hay dùng phèn nhôm sạch chứa 45%Al2(SO4)3 và không ngậm nƣớc làm chất keo tụ. Loại phèn này có màu trắng đục và ở dạng cục. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Khi cho phèn nhôm vào nƣớc, chúng phân li thành các ion Al3+, sau đó các ion này bị phân huỷ thành Al(OH)3
Al3+ + 3H2O = Al(OH)= + 3H+
Trong phản ứng thủy phân trên đây, ngoài Al(OH)3 là nhân tố quyết định đến hiệu quả keo tụ đƣợc tạo thành, còn giải phóng ra ion H+
. Các ion H+ này sẽ đƣợc khử bằng độ kìm tự nhiên của nƣớc (đƣợc đánh giá bằng HCO3-).
2.4.2.2. Phèn sắt
Phèn sắt chia làm hai loại: phèn sắt (II) và phèn (III).
a. Phèn sắt II
Phèn sắt II (FeSO4) khi cho vào nƣớc phân li thành Fe(OH)2: Fe2+ + 2H2O = Fe(OH)2 + 2H2
Fe(OH)2 vừa đƣợc tạo thành vẫn còn độ hòa tan trong nƣớc lớn, khi trong nƣớc có ôxi hòa tan, Fe(OH)2 sẽ bị ôxi hóa thành Fe(OH)3.
4Fe(OH)2 + O2 + 2H2O = 4Fe(OH)3
Quá trình ôxi hóa diễn ra tốt khi pH của nƣớc đạt đƣợc trị số pH = 8 ÷ 9 và nƣớc phải có độ kiềm cao. Vì vậy thƣờng dùng loại phèn này khi cần kết hợp vôi làm mềm nƣớc. Ngoài ra nếu nƣớc thiên nhiên có nhiều keo hữu cơ thì dùng phèn sắt (II) không thích hợp.
Phèn sắt FeSO4 kĩ thuật ở dạng tinh thể trong, màu xanh lơ, khi tiếp xúc với không khí bị ôxi hoá thành màu đỏ sẫm có chứa 47 ÷ 53%FeSO4.
b. Phèn sắt III
Phèn sắt III loại FeCl3 hoặc Fe(SO4)3 khi cho vào nƣớc phân li thành Fe3+ và bị phân hủy thành Fe(OH)3
Fe3+ + 3H2O = Fe(OH)3 + 3H+
Vì phèn sắt III không bị ôxi hóa nên không cần nâng cao pH của nƣớc nhƣ sắt II. Phản ứng thủy phân xảy ra khi pH > 3,5 và quá trình kết tủa sẽ hình thành nhanh chóng khi pH = 5,5 ÷ 6,5. Phèn sắt III khi thủy phân ít bị ảnh hƣởng của nhiệt độ, vì vậy nhiệt độ của nƣớc bằng O0C vẫn có thể dùng phèn sắt III làm chất keo tụ.
2.4.2.3. So sánh phèn nhôm và phèn sắt
So sánh keo của phèn nhôm và phèn sắt đựơc tạo thành cho thấy: độ hòa tan của keo Fe(OH)3 trong nƣớc nhỏ hơn Al(OH)3. Tỉ trọng của keo Fe(OH)3 = 1,5 Al(OH)3 trọng lƣợng đơn vị của Al(OH)3 = 2,4 còn của Fe(OH)3 = 3,6 do vậy keo sắt tạo thành vẫn lắng đƣợc khi trong nƣớc có ít chất huyền phù. Liều lƣợng phèn FeCl3 dùng để kết tủa chỉ bằng 1/3 ÷ ½ liều lƣợng phèn nhôm. Phèn sắt ít bị ảnh hƣởng bởi nhiệt độ và giới hạn pH rộng. Nhƣng phèn FeCl3 ăn mong đƣơng ống mạnh hơn phèn nhôm (vì trong quá trình phản ứng, phèn FeCl3 tạo ra axit HCl). Ở nƣớc ta ngƣời ta vẫn quen dùng phèn nhôm. Để khắc phục nhƣợc điểm của mỗi loại có thể dùng kết hợp cả phèn sắt và phèn nhôm (gọi là kết tủa hỗn hợp). Tỉ lệ hỗn hợp giữa phèn sắt và phèn nhôm tƣơng ứng là 1:1 hoặc 2:1. Kết tủa hỗn hợp thích hợp nhất vào mùa lạnh.
2.4.2.4. Một số loại hoá chất khác
- Vôi: đƣợc dùng để nâng cao pH và cũng để làm mất ổn định của các hạt keo và nhũ tƣơng của các chất hữu cơ hay dầu. Chính vì làm pH tăng mà một số kim loại đôc hại bị loại dƣới dạng kết tủa hyđroxide.
- Để tăng cƣờng quá trình keo tụ, tăng hiệu suất làm việc của các công trình xử lý, có thể dùng thêm các chất phụ trợ keo tụ cho vào cùng với phèn. Chất trợ keo tụ có thể là các hợp
chất cao phân tử nhƣ pôliacrilamic (PAA) hoặc axit silic hoạt hóa (theo SiO2). Liều lƣợng các chất phụ trợ keo tụ (khi cho vào nƣớc trƣớc bể lắng) lấy nhƣ sau:
+ Nếu dùng pôliacrilamic: lấy bằng 0,1 ÷ 1,5 mg/l
+ Nếu dùng aixt silic hoạt hoá (SiO2) lấy bằng 2 ÷ 3 mg/l
- Chất đa điện cực: bao gồm những polimer với mạch dài hay chứa các nhóm có khả năng ion hóa. Tác dụng chung của các chất này là tạo bông cặn chắc và đặc.
2.4.3. Các thiết bị và công trình của quá trình keo tụ
Các công trình và thiết bị chuẩn bị dung dịch và định liều lƣợng chất phản ứng gồm thùng hòa trộn, thùng tiêu thụ, thiết bị định lƣợng chất phản ứng. Chúng tạo điều kiện cho phản ứng tạo bông kết tủa xảy ra hoàn toàn. Ngoài các công trình thiết bị trên còn cần có: kho chứa hóa chất, thiết bị vận chuyển hoá chất, cân đong đo hóa chất, bơm hóa chất và các ống dẫn hóa chất.
Phèn cục thƣờng chứa nhiều tạp chất và tan chậm, để đảm bảo cho phèn đƣợc hòa tan đều trong nƣớc ngƣời ta pha phèn làm hai bậc. Trƣớc tiên, phèn cục đƣợc đƣa vào bể hòa trộn để hoà tan thành dung dịch có nồng độ cao và loại bỏ cặn bẩn. Sau đó dung dịch này đƣợc dẫn sang bể tiêu thụ để pha loãng thành nồng độ sử dụng.
2.4.3.1. Thiết bị định liều lượng phèn
Thiết bị định liều lƣợng phèn có nhiệm vụ điều chỉnh tự động liều lƣợng phèn cần thiết vào nƣớc cần xử lý theo yêu cầu của quản lý. Thiết bị định liều lƣợng phèn có thể đƣợc ở bên trong hoặc ngay sau bể tiêu thụ. (adsbygoogle = window.adsbygoogle || []).push({});
Theo chức năng tiêu thụ có thể chia thiết bị định lƣợng ra làm hai loại:
Định liều lượng không đổi: dùng để đƣa một lƣọng hoá chất không đổi vào nƣớc. Thƣờng sử dụng trong các trạm xử lý có công suất không đổi.
Định liều lượng thay đổi:
+ Định liều lƣợng phèn tỉ lệ với lƣu lƣợng nƣớc xử lí; tức là lƣợng hóa chất cho vào nƣớc xử lí tự động thay đổi tƣơng ứng tới sự thay đổi lƣu lƣợng nƣớc sử lí.
+ Định liều lƣợng phèn thay đổi theo sự thay đổi tính chất của nƣớc xử lí, tức là lựơng hóa chất cho vào nƣớc tự động thay đổi tƣơng ứng với sự thay đổi chất lƣợng nƣớc xử lí.
Hoặc cũng có loại định liều lƣợng phèn theo sự thay đổi của cả lƣu lƣợng và chất lƣợng của nƣớc xử lí.
Theo chế độ chảy của dung dịch phèn chia 2 loại:
Định liều lƣợng tự chảy: thƣờng dùng để đƣa dung dịch vào bể trộn Định liều lƣợng có áp: dùng để đƣa dung dịch phèn vào ống nƣớc có áp.
2.4.3.2. Thiết bị pha chế vôi
Vôi đƣợc dùng để kiềm hóa nƣớc, làm mềm nƣớc hoặc ổn định nƣớc. Vôi cho vào nƣớc có thể ở dạng vôi sữa hay vôi bảo hòa. Vôi là chất có độ hòa tan trong nƣớc rất thấp. Ở nhiệt độ 2000C, độ hòa tan của vôi chỉ bằng 1,23g/l (tức là 0,123%). Trong khi đó độ hòa tan của phèn là 1000g (tức là 100%) vì thế việc điều chế vôi bảo hòa chỉ có lợi khi lƣợng vôi đem sử dụng nhỏ hơn 0,25 tấn/ngđ. Còn với những trạm xử lí đòi hỏi lƣợng vôi lớn hơn thì phải dùng vôi sữa (tức là vôi ở dạng huyền phù, không phải ở dạng hòa tan).
Trƣớc tiên vôi sống phải đựơc đem tôi. Đối với nhà máy có công suất nhỏ hoặc không có điều kiện cơ giới hóa, thƣờng tôi vôi trong các bể tôi vôi thông thƣờng thành vôi sữa đặc. Sau đó vôi sữa đƣợc đƣa sang bể pha vôi. Tại đây vôi đƣợc pha loãng đến nồng độ thích hợp (không lớn hơn 5%). Bể tôi vôi thƣờng có dung tích đủ cho 30 ÷ 40 ngày tiêu thụ của nhà máy và đƣợc chia làm nhiều ngăn để tiện việc thay rửa. Bể tôi vôi có thể xây gạch hoặc bê tông cốt thép có các ống đƣa vào, xả nƣớc vôi trong và xả kiệt. Đối với nhà máy có công suất lớn hoặc điều kiện cho phép có thể dùng các thùng tôi vôi cơ nhiệt.
Trƣờng hợp dùng vôi sữa: vôi sữa ở dạng khuyếch tán không bền, các hạt vôi rất nhỏ có thể nổi lên hoặc lắng xuống trong môi trƣờng khuếch tán. Do đó cần phải khuấy trộn không ngừng để vôi không lắng xuống. Có thể sử dụng một trong các biện pháp khuấy trộn sau: biện pháp thủy lực, dùng máy khuấy hoặc không khí nén.
Sơ đồ cấu tạo thiết bị pha chế vôi sữa:
2.4.4. Phản ứng tạo bông kết tủa
Nƣớc và chất phản ứng sau khi đã đƣợc hòa trộn đều trong các bể trộn sẽ đƣợc đƣa sang bể phản ứng. Bể phản ứng có chức năng hoàn thành tốt quá trình keo tụ, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tiếp xúc và kết dính giữa các hạt keo và cặn bẩn trong nƣớc để tạo nên những bông cặn đủ lớn để đƣợc giữ lại trong bể lắng. Trên thực tế việc chọn bể phản ứng phải đồng thời với việc chọn bể lắng và các chỉ tiêu kĩ thuật của chúng có ảnh hƣởng lẫn nhau. Bể phản ứng có thể ghép chung với bể lắng hoặc tách rời. Riêng bể lắng trong có lớp cặn lơ lững không cần xây dựng thêm bể phản ứng vì ngay trong lớp cặn lơ lững của nó, phản ứng tạo bông kết