Trong nguồn nước, một phần các hạt thường tồn tại ở dạng các hạt keo mịn phân tán, kích thước các hạt thường dao động từ 0,1 – 10 micromet. Các hạt này không nổi cũng khơng lắng, và do đó tương đối khó tách loại. Vì kích thước hạt nhỏ, tỷ số diện tích bề mặt và thể tích của chúng rất lớn nên hiện tượng hóa học bề mặt trở nên rất quan trọng.
Hình 2.7. Keo tụ - tạo bơng
Theo ngun tắc, các hạt nhỏ trong nước có khuynh hướng keo tụ do lực hút Vander Waals giữa các hạt. Lực này có thể dẫn đến sự kết dính giữa các hạt ngay khi khoảng cách giữa chúng đủ nhỏ nhờ va chạm. Sự va chạm xảy ra nhờ chuyển động Brown và do tác động của sự xáo trộn. Tuy nhiên trong trường hợp phân tán cao, các hạt duy trì trạng thái phân tán nhờ lực đẩy tĩnh điện vì bề mặt các hạt mang tích điện, có thể là điện tích âm hoặc điện tích dương nhờ sự hấp thụ có chọn lọc các ion trong dung dịch hoặc sự ion hóa các nhóm hoạt hóa.
Trạng thái lơ lửng của các hạt keo được bền hóa nhờ lực đẩy tĩnh điện. Do đó, để phá tính bền của hạt keo cần trung hịa điện tích bề mặt của chúng, q trình này được gọi là quá trình keo tụ. Các hạt keo đã bị trung hịa điện tích có thể liên kết với các hạt keo khác tạo thành bơng cặn có kích thước lớn hơn, nặng hơn và lắng xuống, quá trình này được gọi là q trình tạo bơng.
Quá trình thủy phân các chất keo tụ và tạo thành bông cặn xảy ra theo các giai đoạn sau:
Me3+ + HOH → Me(OH)2+ + H+
Me(OH)2+ + HOH → Me(OH)2+ + H+
Me(OH)2+ + HOH → Me(OH)3 + H+
-------------------------------------------------------- Me3+ + HOH → Me(OH)3 + 3H+
Những chất keo tụ thường dùng nhất là các muối sắt và muối nhôm như: Al2(SO4)3, Al2(SO4)3.18H2O, NaAlO2, , NH4Al(SO4)2.12H2O, FeCl3, Fe2(SO4)3.2H2O, Fe2(SO4)3.3H2O, Fe2(SO4)3.7H2O, Al2(OH)5Cl
Hình 2.8. FeCl3 Hình 2.9. Al2(SO4)3.18H2O Hình 2.10. Al2(SO4)3
Muối Nhôm
Trong các loại phèn nhôm, Al2(SO4)3 được dùng rộng rãi nhất do có tính hịa tan tốt trong nước, chi phi thấp và hoạt động có hiệu quả trong khoảng pH = 5,0 - 7,5. Trong phần lớn các trường hợp, người ta sử dụng hỗn hợp NaAlO2 và Al2(SO4)3 theo tỷ lệ (10:1) – (20:1). Phản ứng xảy ra như sau:
6NaAlO2 + Al2(SO4)3 + 12H2O → 8Al(OH)3 ↓ + 2Na2SO4
Việc sử dụng hỗn hợp muối trên cho phép mở rộng khoảng pH tối ưu của môi trường cũng như tăng hiệu quả quá trình keo tụ tạo bơng.
Hình 2.11. Q trình keo tụ - tạo bơng của Nhơm
Muối Sắt
Các muối sắt được sử dụng làm chất keo tụ có nhiều ưu điểm hơn so với các muối nhơm do:
- Tác dụng tốt hơn ở nhiệt độ thấp;
- Có khoảng giá trị pH tối ưu của môi trường rộng hơn; - Độ bền lớn;
Tuy nhiên, các muối sắt cũng có nhược điểm là tạo thành phức hịa tan có màu do phản ứng của ion sắt với các hợp chất hữu cơ. Quá trình keo tụ sử dụng muối sắt xảy ra do các phản ứng sau:
FeCl3 + 3H2O → Fe(OH)3↓ + 3HCl
Fe2(SO4)3 + 6H2O → 2Fe(OH)3↓ + 3H2SO4 Trong điều kiện kiềm hóa:
2FeCl3 + 3Ca(OH)2 → 2Fe(OH)3↓ + 3CaCl2 2FeSO4 + 3Ca(OH)2 → 2Fe(OH)3↓ + 3CaSO4
Chất trợ keo tụ:
Để tăng hiệu quả quá trình keo tụ tạo bơng, người ta thường sử dụng các chất trợ tụ (flucculant). Việc sử dụng chất trợ keo tụ cho phép giảm liều lượng chất keo tụ, giảm thời gian quá trình keo tụ và tăng tốc độ lắng của các bông keo. Các chất trợ keo tụ nguồn gốc thiên nhiên thường là tinh bột, dextrin (C6H10O5)n, các ete, cellulose, dioxit silic hoạt tính (xSiO2.yH2O).
Hình 2.12. PAM Hình 2.13. Tinh bột sắn Hình 2.14. PAC
Các chất trợ keo tụ tổng hợp thường dùng là polyacrylamit (CH2CHCONH2)n. Tùy thuộc vào các ion trong quá trình phân ly mà các chất trợ đơng tụ có điện tích âm hoặc dương như polyacrylic acid (CH2CHCOO)n hoặc polydiallyl dimetyl amon.
2.2.2.5. Kết tủa
Quá trình kết tủa thường gặp trong xử lý nước là kết tủa carbonate canxi và các hydroxyt kim loại. Ví dụ ứng dụng q trình làm mềm nước theo các phương pháp như sau:
- Sử dụng vôi: Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 → 2CaCO3↓ + 2H2O - Sử dụng carbonate natri: Na2CO3 + CaCl2 → 2NaCl + CaCO3↓ - Sử dụng xút: 2NaOH + Ca(HCO3)2 → Na2CO3 + CaCO3↓ + H2O
Kim loại chứa trong nước thải có thể tách loại đơn giản bằng cách tạo kết tủa kim loại dưới dạng hydroxyt. Giá trị pH tối ưu để quá trình kết tủa này xảy ra hiệu quả cao nhất của các kim loại khác nhau khơng trùng nhau. Do đó,cần xác định giá trị pH thích hợp đối với từng kim loại trong mỗi loại nước thải cụ thể cần xử lý. Bên cạnh đó, q trình kết tủa cịn được ứng dụng trong quá trình khử SO42-, F-, PO43-
như sau:
+ SO42- + Ca2+ + 2H2O → CaSO4.2H2O ↓ + 2F- + 2Ca2+ → CaF2↓
2.2.3. Nguyên tắc xử lý nước thải theo phương pháp sinh học:
Phương pháp dựa trên cơ sở : hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ hịa tan cũng như một số chất vơ cơ như H2S, sunfit, amoni,… gây nhiễm bẩn trong nước thải. Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm chất dinh dưỡng và tạo năng lượng. Chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng, sinh sản nên sinh khối của chúng tăng lên. Một cách tổng quát, phương pháp xử lý sinh học có thể phân thành 2 loại:
− Phương pháp kị khí sử dụng nhóm vi sinh vật kị khí, hoạt động trong điều kiện khơng có oxy.
− Phương pháp hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện cung cấp oxy liên tục.
Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là q trình oxy hóa sinh hóa. Để thực hiện q trình này, các chất hữu cơ hòa tan, cả chất keo và chất phân tán nhỏ trong nước thải cần di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật theo 3 giai đoạn chính như sau:
- Chuyển các chất ô nhiễm từ pha lỏng đến bề mặt tế bào vi sinh vật.
- Khuếch tán từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm do sự chênh lệch nồng độ bên trong và bên ngồi tế bào.
- Chuyển hóa các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh năng lượng và tổng hợp tế bào mới.
Ba giai đoạn này có quan hệ chặt chẽ với nhau và q trình 3 đóng vai trị quan trọng trong xử lý nước thải. Nồng độ các chất ở xung quanh tế bào sẽ giảm dần. Các phần thức ăn mới từ môi trường bên ngoài ( nước thải) lại khuếch tán trong mơi trường chậm hơn q trình hấp thụ thơng qua màng tế bào cho nên nồng độ các chất dinh dưỡng xung quanh tế bào bao giờ cũng thấp. Đối với các sản phẩm do tế bào tiết ra thì ngược lại lại cao hơn so với nơi xa tế bào. Mặc dù hấp thụ và hấp phụ là giai đoạn cần thiết trong việc tiêu thụ chất hữu cơ của vi sinh vật song khơng phải có ý nghĩa quyết định trong việc xử lý nước thải. Đóng vai trị chủ yếu quyết định là các quá trình diễn ra bên trong tế bào vi sinh vật (giai đoạn 3).
Các q trình sinh hóa:
+ Q trình hiếu khí: chất hữu cơ + O2 vsv CO2, H2O
+ Q trình kỵ khí: chất hữu cơ + O2 vsv CH4, H2S, NH3, CO2 , H2O (có mùi, hàm lượng phụ thuộc vào chất hữu cơ) (coi oxy ở trong các liên kết như NO3-, SO42-,…) (ngồi các khí này cịn 1 ít chất hữu cơ khơng phân hủy gọi là chất trơ ).
Tốc độ q trình oxy hóa sinh hóa phụ thộc vào nồng độ chất hữu cơ, hàm lượng các tạp chất và mức độ ổn định của lưu lượng nước thải vào hệ thống xử lý. Ở mỗi điều kiện xử lý nhất định, các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng sinh hoá là chế độ thủy động, hàm lượng oxy trong nước thải, nhiệt độ, pH, dinh dưỡng và các yếu tố vi lượng. Ngoài ra các điều kiện công nghệ cũng ảnh hưởng phần nào đến tốc độ của q trình oxy hóa sinh hóa:
− Tiếp xúc tốt giữa nước thải và vi khuẩn trong tập hợp các bơng bùn hoạt tính, màng sinh vật hoặc lớp bùn lơ lửng.
− Trong điều kiện xử lý sinh học hiếu khí, oxy ln được duy trì và đảm bảo để các q trình oxy hóa sinh học các chất hữu cơ diễn ra. Hàm lượng oxy hịa tan trong bể bùn hoạt tính thường duy trì ở mức 4 mg/l. Hàm lượng oxy hịa tan
− Quá trình khuấy trộn bùn với nước thải hoặc thổi khí qua bể lọc sinh học khơng được phá vỡ cấu trúc bùn hoạt tính hoặc màng sinh vật.
− Thời gian lưu của nước thải và bùn hoạt tính trong hệ thống các cơng trình xử lý phải đủ để hấp thụ các chất hữu cơ và oxy hóa các chất hữu cơ.