Trong nước thải thường chứa các hạt cặn có nguồn gốc thành phần và kích thước khác nhau. Quá trình lắng chỉ tách được các hạt rắn huyền phù thô, không thể tách được các hạt rắn có kích thước bé (hạt có kích thước nhỏ hơn 10-4 mm). Để tách được các hạt rắn đó một cách hiệu quả phải dùng biện pháp cơ học kết hợp với hóa học làm tăng kích thước và trọng lượng của chúng nhằm làm tăng vận tốc lắng. Việc khử các hạt keo rắn bằng lắng trọng lực đòi hỏi trước hết cần trung hoà điện tích của chúng, tiếp đến là liên kết chúng với nhau. Quá trình trung hoà điện tích thường được gọi là quá trình đông tụ, còn quá trình tạo thành các bông lớn hơn từ các hạt nhỏ gọi là quá trình keo tụ.
Cơ sở quá trình đông keo tụ: Khi đưa vào nước thải một số chất đông keo
tụ thường là một số muối kim loại hóa trị 3 (còn gọi là phèn), lập tức xảy ra các phản ứng hóa học hóa lý tạo các ion dương phân tán đều trong nước. Các ion dương này sẽ hút các hạt rắn lơ lửng mang điện tích trái dấu (ion âm) tạo thành các hạt có kích thước lớn dần, đến một kích thước nhất định sẽ lắng xuống dưới tác dụng của trọng lực. Mặt khác, khi các hạt rắn mang điện tích âm chuyển động qua lớp chất lỏng thì bị giảm điện tích âm bởi các ion mang điện tích dương ở phía bên trong, nhờ đó mà trạng thái keo của hạt dần dần bị phá vỡ do trung hòa điện tích.
- Phèn nhôm:
Các chất đông keo tụ thường dùng là muối nhôm, muối sắt hoặc hỗn hợp giữa chúng. Trong đó sử dụng rộng rãi nhất là Al2(SO4)3, hoà tan tốt trong nước, chi phí thấp, ít ăn mòn đường ống và hoạt động hiệu quả cao trong khoảng pH = 5-7,5
Các phản ứng xảy ra khi cho phèn nhôm vào nước :
Khi cho phèn nhôm Sunfat vào nước nó phân ly theo các giai đoạn: Al2(SO4)3 2 Al3+ + 3 SO 2-
Al3+ + H2O = Al(OH)2+ + H+ Al(OH)2+ + H2O = Al(OH)2+ + H+ Al(OH) 2 + H2O = Al(OH)3 + H+ Al3+ + 3 H2O = Al(OH)3 + 3 H+
Mức độ thuỷ phân Al2(SO4)3 tăng lên khi pha loãng dung dịch, khi tăng nhiệt độ và giảm pH của dung dịch. Cụ thể phụ thuộc vào một số yếu tố sau:
+ pH của nước: ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình thủy phân pH > 4,5: không xảy ra quá trình thủy phân.
pH > 7,5: Al(OH)3 tan đi, hiệu quả keo tụ hạn chế. pH tối ưu là 6-7,5
+ Nhiệt độ: Nhiêt độ nước cao, tốc độ keo tụ tăng, hiệu quả keo tụ đạt được càng cao, giảm lượng phèn cho vào nước. Nhiệt độ của nước thích hợp khi dùng phèn nhôm vào khoảng 20-40oC, tốt nhất là 35-40oC.
Ngoài ra, có một số các nhân tố khác cũng ảnh hưởng đến quá trình keo tụ như thành phần các ion trong nước, các hợp chất hữu cơ, liều lượng phèn, điều kiện khuấy trộn, môi trường phản ứng...
- Phèn sắt:
Các muối sắt: Fe2(SO4)3.2H2O, Fe2(SO4)3.3H2O, FeSO4.7H2O, FeCl3 cũng thường làm chất đông keo tụ. Việc tạo thành bông keo diễn ra theo các phản ứng:
FeCl3 + 3 H2O = Fe(OH)3 + HCl
Fe2(SO4)3 + 6 H2O = 2 Fe(OH)3 + 3 H2SO4 Trong điều kiện kiềm hoá xảy ra các phản ứng sau:
2FeCl3 + 3 Ca(OH)2 = 2 Fe(OH)3 + 3 CaCl2 FeSO4 + 3 Ca(OH)2 = 2 Fe(OH)3 + 3 CaSO4
+ pH > 10 thì Fe(OH)3 tan đi, hiệu quả keo tụ hạn chế pH tối ưu là: 5-10 Các muối sắt được sử dụng làm chất đông tụ có nhiều ưu điểm hơn so với muối nhôm do:
+ Có khoảng pH tối ưu của môi trường rộng hơn. + Các bông keo tạo thành có kích thước và độ bền lớn. + Có thể khử được mùi vị khi có H2S.
+ Trọng lượng đơn vị của Al(OH)3 = 2,4 còn của Fe(OH)3 = 3,6 do vậy keo sắt vẫn lắng được khi trong nước có ít chất huyền phù.
Tuy nhiên các muối sắt cũng có nhược điểm là chúng tạo thành các hợp chất có màu qua phản ứng của các cation sắt với một số hợp chất hữu cơ.
Để tăng cường quá trình keo tụ, tăng hiệu suất làm việc của các công trình xử lí, có thể dùng thêm các chất trợ keo, các chất này có thể là các hợp chất cao phân tử như poliacrilamit (PAA) hoặc axit silic hoạt hóa (SiO2), hàm lượng PAA lấy bằng 0,1-1,5 mg/l còn nếu dùng axit silic hoạt hóa lấy bằng 2-3 mg/l.
Các Polyme cấu tạo mạch dài, phân tử lượng cao, khi phân ly trong nước chúng hấp phụ các hạt cặn bẩn trong nước thông qua cơ chế hấp phụ vật lí (dính bám) và hấp phụ hóa học (tương tác). Hệ quả là các hạt cặn bị dính vào mạch, tạo thành các cụm bông có kích thước lớn và dễ dàng bị tách ra.
- Phương pháp đông keo tụ có những ưu - nhược điểm sau: Ưu điểm:
- Tách được các chất gây nhiễm bẩn ở dạng keo và hòa tan có kích thước rất nhỏ, các chất độc hại đối với vi sinh vật
- Khử được độ màu của nước
Nhược điểm:
- Hiệu quả của quá trình keo tụ phụ thuộc vào nhiều yếu tố, quan trọng nhất là phải thường xuyên theo dõi điều chỉnh nhiệt độ và pH của nước thải.
- Tạo ra lượng bùn nhiều, tốn chi phí cho việc xử lí bùn cặn.