2.3 Nguyên lý xử lý nước bằng phương pháp lắng trọng lực
2.3.4 Những lưu ý khi sử dụng phèn nhôm
- pH hiệu quả tốt nhất với phèn nhôm là khoảng 5,5 ÷ 7,5.
- Nhiệt độ của nước thích hợp khoảng 20 ÷ 40oC.
- Ngoài ra, cần chú ý đến: Các thành phần ion có trong nước, các hợp chất hữu cơ, liều lượng phèn, điều kiện khuấy trộn, môi trường phản ứng,…
Ưu điểm nhược điểm khi sử dụng phèn nhôm:
a) Ưu điểm
- Về mặt năng lực keo tụ ion nhôm (và cả sắt(III)), nhờ điện tích 3+, có nănglực keo tụ thuộc loại cao nhất (quy tắc Shulz-Hardy) trong số các loại muối ít độc hại.
- Muối nhôm ít độc, sẵn có trên thị trường, giá thành rẻ.
- Công nghệ keo tụ bằng phèn nhôm là công nghệ tương đối đơn giản, dễ kiểm soát và được phổ biến rộng rãi.
b) Nhược điểm
- Làm giảm đáng kể độ pH, phải dùng NaOH để hiệu chỉnh lại độ pH dẫn đến chi phí sản xuất tăng.
- Khi quá liều lượng thì hiện tượng keo tụ bị phá huỷ làm nước đục trở lại.
- Phải dùng thêm một số phụ gia trợ keo tụ và trợ lắng.
- Hàm lượng Al dư trong nước > so với khi dùng chất keo tụ khác và có thể lớn hơn tiêu chuẩn với (0,2 mg/l).
- Khả năng loại bỏ các chất hữu cơ tan và không tan cùng các kim loại nặng thường hạn chế.
- Ngoài ra, có thể làm tăng lượng SO42- trong nước thải sau xử lí là loại có độc tính đối với vi sinh vật.
2.3.5 Tác dụng của chất trợ lắng (A-Polimer) [15]
Sau thủy phân các hydroxit nhôm tạo ra trong nước mang điện tích dương, các hạt keo này sẽ kết hợp với các chất lơ lửng mang điện tích âm trong nước. Vì lượng tạp chất trong nước ít và nhỏ nên sự tạo thành các hạt keo nhôm có đường kính lớn hơn, trọng lượng lớn hơn là rất khó. Khi dùng chất trợ lắng (A-Polimer), bản thân các polimer sẽ tan trong nước tạo dung dịch keo có sức dính mạnh. Chúng mang điện tích âm do vậy sự tạo thành các bông phèn có kích thước lớn nhanh và dễ dàng khi lượng keo này lớn và dày đặc tạo thành các màng ngăn, hút các hạt keo khác vừa tạo thành cùng các tạp chất lơ lửng làm nước trong.
Hiệu quả kết lắng tăng cao trong khoảng pH = 4 ÷ 10. Cho nên việc khống chế độ kiềm không khắt khe lắm, sự kết lắng nhanh nên công suất bể lắng có thể tốt nhất ở pH = 6 ÷ 8 và tránh sự thay đổi công suất bể lắng đột ngột.
+ Quá trình keo tụ khi dùng phèn nhôm và chất trợ lắng (A-Polimer) Trong dung dịch nước phèn nhôm thuỷ phân:
Al2(SO4)3. 18H2O + 3Ca(HCO3)2 → 2Al(OH)3↓ + 3CaSO4 + 6CO2 + 18H2O (2.14) Sau khi thuỷ phân các hydroxit nhôm hình thành sẽ tập hợp lại và hình thành các hạt keo mang điện tích dương. Các hạt keo này sẽ kết hợp với các hạt keo tự nhiên mang điện tích âm tạo thành bông cặn. Bản thân các bông cặn nhỏ này lại có ái lực với nhau tạo thành bông bùn to hơn và lắng xuống. Tuy nhiên, khi lượng tạp chất trong nước ít và nhỏ thì sự tạo thành các bông keo có đường kính lớn là rất khó.
Khi đó sự tham gia của chất trợ lắng vào quá trình keo tụ là rất quan trọng. Khi có
sự tham gia của chất trợ lắng (A-Polimer) trong quá trình keo tụ thì bản thân chất trợ lắng hoà tan trong nước tạo thành các sợi keo mang điện tích âm. Chúng sẽ tham gia vào quá trình lắng tụ để thúc đẩy quá trình lắng tụ liên kết các bông phèn nhỏ tạo thành các bông phèn to hơn, tạo thành các đám bông phèn lớn như những máy lọc dày đặc tiếp tục hấp phụ những bông phèn nhỏ và lắng xuống.
Hình 10: Quá trình hình thành bông cặn [5]
Khi sử dụng chất trợ lắng trong quá trình keo tụ vừa tiết kiệm được phèn mà chất lượng nước lại tốt hơn, nâng cao dung lượng trao đổi của khối hạt lọc, do vậy giảm được lượng axit dùng để hoàn nguyên bình trao đổi ion. Mặt khác giảm lượng phèn tức là giảm lượng ion SO42- trong nước, do đó bình trao đổi anion khi làm việc được lâu hơn và giảm được lượng kiềm cho quá trình hoàn nguyên bình trao đổi anion. Dùng (A- Polimer) nâng cao hiệu quả kỹ thuật cũng như kinh tế trong việc xử lý nước thải.
2.3.6 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ
Xử lý bằng phương pháp keo tụ bao gồm nhiều quá trình: điện ly, thuỷ phân, hình thành dung dịch keo, hấp phụ, keo tụ và lắng. Cho nên nhân tố ảnh hưởng đến hiệu quả keo tụ có rất nhiều. Các nhân tố ảnh hưởng trực tiếp đến hiệu quả keo tụ có thể nêu lên:
a) Trị số pH của nước
Nước xử lý khi cho Al2(SO4)3 vào thì trị số pH của nó bị giảm thấp vì Al2(SO4)3 là một loại muối gồm axit mạnh, bazơ yếu. Sự thuỷ phân của nó có thể
tăng thêm tính axit của nước. Sự thay đổi pH này có ảnh hưởng rất lớn và nhiều mặt đến quá trình keo tụ.
+ Ảnh hưởng của pH đến độ hoà tan hydroxit nhôm:
Hydroxit nhôm là một hydro lưỡng tính điển hình. Trị số pH của nước quá cao hay quá thấp đều làm cho nó hoà tan khiến hàm lượng Al3+ dưtrong nước tăng thêm.
Khi pH < 5,5: Al(OH)3 có tác động như một chất kiềm, làm cho hàm lượng Al3+ trong nước tăng nhiều, như phản ứng:
Al(OH)3 + 3H+ Al3+ + 3H2O (2.15) Khi pH > 7,5: Al(OH)3 có tác động như một axit làm cho gốc AlO-2 trong nước xuất hiện:
Al(OH)3 + OH- AlO-2 + 2H2O (2.16) Khi pH > 9: độ hoà tan của Al(OH)3 tăng lớn, sau cùng thành dung dịch muối nhôm.
Khi trong nước có SO42-, trong phạm vi pH = 5,5 ÷ 7 trong vật kết tủa có muối sunfat kiềm, rất ít hoà tan. Tóm lại, trong phạm vi pH từ 5,5 ÷ 7,5 lượng nhôm dư trong nước đều rất nhỏ.
+ Ảnh hưởng của pH đối với điện tích hạt keo hydroxit nhôm.
Điện tích của hạt keo trong dung dịch nước có quan hệ với thành phần của ion trong nước, đặc biệt đối với H+. Cho nên thị số pH có ảnh hưởng rất lớn đối với tính mang điện của hạt keo.
Khi 8 > pH > 5 mang điện tích dương
Khi pH < 5 vì hấp phụ SO42- mà mang điện tích âm.
Khi pH > 8 nó tồn tại ở dạng hydroxit lưỡng tính, vì thế dễ dàng kết tủa nhất.
+ Ảnh hưởng của pH đối với vật hữu cơ trong nước:
Vật hữu cơ trong nước như các vi sinh vật bị thối rửa, khi pH thấp dung dịch keo của axit humic mang điện tích âm. Lúc này dễ dàng dùng chất keo tụ khử đi.
Khi pH cao, nó trở thành muối axit humic dễ tan. Vì thế mà khử đi tương đối khó.
Dùng muối nhôm khử loại này thích hợp nhất là ở pH = 6 ÷ 6,5.
+ Ảnh hưởng của pH đối với tốc độ keo tụ dung dịch keo:
Tốc độ keo tụ dung dịch keo và điện thế của nó có quan hệ với nhau: trị số điện thế càng nhỏ, lực đẩy giữa các hạt càng yếu, vì vậy tốc độ keo tụ của nó càng nhanh. Khi điện thế bằng không, nghĩa là đạt đến điểm đẳng điện, tốc độ keo tụ của nó lớn nhất.
Dung dịch keo hình thành từ hợp chất lưỡng tính, điện thế của nó và điểm đẳng điện chủ yếu quyết định bởi trị số pH của nước. Hydroxit nhôm là chất lưỡng tính, cho nên pH là nhân tố chủ yếu ảnh hưởng đến tốc độ keo tụ. Khi dùng muối nhôm làm chất keo tụ, trị số pH tối ưu nằm trong giới hạn 6,5 ÷7,5 vì hydroxide nhôm lúc này dễ kết tủa xuống.
Nếu độ kiềm nước nguồn quá thấp, sẽ không đủ để khử tính axit do chất keo tụ thuỷ phân ra. Làm cho trị số pH của nước sau khi cho chất keo tụ vào quá thấp.
Vậy ta phải kiềm hoá nước nguồn để nâng trị số pH của nước ra, kiềm cho vào có thể là NaOH, KOH, NaCO3 hoặc Ca(OH)2.
b) Hàm lượng chất keo tụ
Quá trình keo tụ không phải là một loại phản ứng hoá học đơn thuần, nên lượng chất keo tụ cho vào không thể căn cứ vào tính toán để xác định, phải dùng thực nghiệm để tìm ra lượng chất keo tụ cho vào thích hợp.
Lượng chất keo tụ cho vào nước thải tối ưu là 0,1÷0,5 mgdl/l, nếu dùng Al2(SO4)3.18H2O thì tương đương 10 ÷ 100 mg/l, ta có bảng 3
Bảng 3: Liều lượng Nhôm sunphat theo hàm lượng cặn [15]
Hàm lượng cặn (mg/l) Liều lượng Al2(SO4)3(mg/l)
<100 25-35
101- 200 30-45
201-400 40-60
401-600 45-70
601-800 55-80
801-1000 60-90
1401-1800 75-115
1801-2200 80-125
2201-2500 90-130
c) Nhiệt độ của nước
Khi dùng muối nhôm làm chất keo tụ, nhiệt độ của nước ảnh hưởng lớn đến quá trình keo tụ. Khi nhiệt độ của nước rất thấp (<50C) bông phèn, sinh ra to và xốp, chứa nhiều nước, lắng xuống rất chậm nên hiệu quả thấp. Khi nhiệt độ nước cao gây ra dòng chuyển động lớn làm cho quá trình keo tụ và lắng chậm lại.
Khi dùng nhôm sunphat làm chất keo tụ nước thiên nhiên, nhiệt độ nước tốt nhất là 25 ÷ 300C.
d) Tốc độ hỗn hợp của nước và chất keo tụ
Tốc độ hỗn hợp của nước và chất keo tụ ảnh hưởng lớn đến sự phân bố đồng đều của chất keo tụ và cơ hội va chạm giữa các hạt keo, dẫn đến ảnh hưởng đến quá trình keo tụ. Tốc độ tốt nhất là lúc đầu nhanh sau chậm dần. Khi mới cho chất keo tụ vào trong nước, phải khuấy nhanh, vì sự thuỷ phân của chất keo tô trong nước và hình thành keo rất nhanh. Cho nên phải khuấy nhanh mới có khả năng sinh thành bông phèn hydroxit nhôm. Sau khi hỗn hợp đã hình thành bông phèn và lớn lên, không nên khuấy quá nhanh, vì sẽ làm những bông phèn khó lớn lên mà có thể phá vỡ những đám bông phèn đã hình thành.
e) Tạp chất trong nước
Nếu cho các ion ngược dấu vào dung dịch nước có thể làm cho dung dịch keo keo tụ. Vậy ion ngược dấu là một loại tạp chất ảnh hưởng đến quá trình keo tụ. Khi dùng Al2(SO4)3 làm chất keo tụ, dung dịch keo Al(OH)3 tạo thành thường mang điện tích dương nên ảnh hưởng của tạp chất trong nước đến quá trình keo tụ chủ yếu là anion.
Khi trong nước thiên nhiên có chứa một lượng lớn các chất hữu cơ cao phân tử (như axit humic), nó có thể hấp phụ trên bề mặt của dung dịch keo, đẫn đến tác dụng bảo vệ dung dịch keo làm cho hạt keo thu được khó keo tụ, nên hiệu quả việc keo tụ kém. Trường hợp này nên dùng clo hoặc khí ozôn vào để tác dụng với những chất hữu cơ đó.
f) Môi chất tiếp xúc
Khi tiến hành keo tụ hoặc xử lý bằng phương pháp kết tủa khác, nếu trong nước duy trì một lớp cặn bùn nhất định khiến quá trình kết tủa càng hoàn toàn, tốc độ kết tủa nhanh. Lớp cặn bùn đó có tác dụng làm môi chất tiếp xúc bề mặt của nó có tác dụng hấp phụ và thúc đẩy tác dụng của các hạt cặn bùn đó như những hạt nhân kết tinh. Cho nên hiện nay thiết bị dùng để keo tụ hoặc bằng phương pháp kết tủa khác phần lớn thiết kế có lớp bùn. Dựa vào công suất của hệ thống và các thí nghiệm thực tế ta lựa chọn thông số cho các bể chứa:
Bảng 4: Thông số thiết kế bể pH [3]
Stt Tên thông số Đơn vị Giá trị
1 Chiều dài, L m 4
2 Chiều rộng, W m 4
3 Chiều cao, H m 4
4 Thời gian lưu ph 15
5 Tốc độ khuấy động cơ v/ph 144
6 Công suất động cơ KW 3