4.2.4.1. Trợ keo tụ
Trợ keo tụ là quá trình kết hợp các hạt lơ lửng khi cho các hợp chất cao phân tử vào nước. Khác với quá trình đông tụ, khi trợ keo tụ sự kết hợp diễn ra không chỉ do tiếp xúc trực tiếp mà còn do tương tác lẫn nhau giữa các phân tử chất keo tụ bị hấp phụ trên các hạt lơ lửng.
Trợ keo tụ thúc đẩy quá trình tạo bông hydroxit nhôm và sắt nhằm tăng vận tốc lắng của chúng. Việc sử dụng chất trợ keo tụ cho phép giảm chất đông tụ, giảm thời gian đông tụ và tăng vận tốc lắng.
Chất trợ keo tụ có thể là hợp chất tự nhiên và tổng hợp. Chất trợ keo tụ tự nhiên là tinh bột, este, xenlulô, dectrin (C6H10O5)n. Chất trợ keo tụ vô cơ là dioxit silic đã
hoạt hóa (xSiO2.yH2O). Chất trợ keo tụ hữu cơ tổng hợp là [-CH2-CH-CONH2]n, Poliacrilamit kĩ thuật (PAA), PAA hydrat hóa.
Liều lượng PAA tối ưu để xử lí nước thải công nghiệp dao động trong khoảng 0,4÷1g/m3. PAA hoạt động trong khoảng pH của môi trường rộng. Tuy nhiên, vận tốc lắng bông keo tụ giảm khi pH>9.
Cơ chế làm việc của chất trợ keo tụ dựa trên các hiện tượng sau: hấp phụ phân tử chất keo tụ trên bề mặt hạt keo, tạo thành mạng lưới phân tử chất trợ keo tụ. Sự dính lại của các hạt keo do lực Van der Waals. Dưới tác động của chất trợ keo tụ giữa các hạt keo tạo thành cấu trúc ba chiều, có khả năng tách nhanh và hoàn toàn ra khỏi nước. Nguyên nhân xuất hiện cấu trúc này là sự hấp phụ các phân tử chất trợ keo tụ trên một số hạt tạo thành các cầu nối polime giữa chúng. Các hạt keo được tích điện âm nên thúc đẩy quá trình keo tụ với các hydroxit nhôm hoặc sắt. Khi cho thêm silicat hoạt tính sẽ làm tăng 2-3 lần vận tốc lắng và tăng hiệu quả lắng trong.
Quá trình xử lí nước thải bằng đông tụ và keo tụ gồm các giai đoạn sau: định lượng và trộn tác chất với nước thải, tạp bông và lắng xuống.
Hình 4.4: Sơ đồ hệ thống xử lí nước thải bằng keo tụ
Nước thải trộn với chất trợ keo tụ ở tốc độ chậm để không phá vỡ bông cặn. Sau đó, nước được đưa vào buồng tạo bông. Sự tạo bông diễn ra chậm sau 10-30 phút. Nước thải trộn với chất đông tụ theo ống đi vào ngăn tách không khí. Sau đó nước đi theo ống trung tâm đến các ống phân phối, là các vòi phun để phân phối và quay nước trong vùng vành ngăn. Các hạt lơ lửng cùng với bông đông tụ tạo thành trong vùng vành khăn. Các hạt lơ lửng cùng với bông lắng xuống đáy và được lấy ra khỏi thiết bị. Nước trong chảy qua các lỗ vào rãnh thoát nước.
Keo tụ là quá trình kết hợp các hạt lơ lửng khi cho các hợp chất cao phân tử vào nước. Khác với quá trình đông tụ, khi keo tụ sự kết hợp diễn ra không chỉ do tiếp xúc trực tiếp mà còn do tương tác lẫn nhau giữa các phân tử chất keo tụ bị hấp phụ trên các hạt lơ lửng.
Keo tụ không có tác chất hay keo tụ điện hóa diễn ra bằng cách dẫn nước qua các tấm nhôm được xếp cách nhau 10-20mm. Bản chất của quá trình là hòa tan anot của các tấm nhôm được nối lần lượt với các cực dương và cực âm của nguồn điện có cường độ cao và hiệu điện thế thấp. Khi đó ion nhôm sẽ chuyển vào nước và tạo thành hydroxit. Ưu điểm của quá trình này là hình thành và lắng nhanh các sợi bông dai và không cần điều chỉnh pH. Nhược điểm của nó là chi phí điện năng cao.
Phương pháp này có thể được dùng để xử lý nước phù sa ở các tỉnh thuộc đồng bằng Sông Cửu Long, nhưng do mạng lưới điện chưa được lắp đặt đầy đủ và chi phí điện cao nên còn bị hạn chế.
4.2.4.2. Keo tụ điện hóa
Keo tụ không có tác chất hay keo tụ điện hóa diễn ra bằng cách dẫn nước qua các tấm nhôm được xếp cách nhau 10-20mm. Bản chất của quá trình là hòa tan anot của các tấm nhôm được nối lần lượt với các cực dương và cực âm của nguồn điện có cường độ cao và hiệu điện thế thấp. Khi đó ion nhôm sẽ chuyển vào nước và tạo thành hydroxit. Ưu điểm của quá trình này là hình thành và lắng nhanh các sợi bông dai và không cần điều chỉnh pH. Nhược điểm của nó là chi phí điện năng cao.
4.2.4.3. Bể phản ứng xoáy
Bể phản ứng xoáy hình phễu
Bể có dạng như một cái phiễu lớn, góc nghiêng giữa 2 thành bể cần lấy trong khoảng 50o -70o tuỳ theo chiều cao bể. Thời gian lưu nước trong bể ngắn từ 6 -10 phút (nước đục lấy giới hạn dưới và nước màu lấy giới hạn trên). Tốc độ nước vào bể ở phía dưới lấy bằng 0.7÷1.2 m/s. Tốc độ nước đi tại chỗ ra khỏi bể lắng 4 ÷5 mm/s.
Bộ phận dẫn nước từ bể phản ứng sang bể lắng phải tính đến tốc độ nước chảy trong máng, trong ống và qua lỗ không được lớn hơn 0.1 m/s đối với nước đục và 0.05 m/s đối với nước màu để đảm bảo bông cặn được hình thành và không bị phá vỡ. Khoảng cách dẫn nước sang bể lắng càng ngắn càng tốt.
Trong quá trình nước dâng lên, do tiết diện dòng chảy tăng dần, nên tốc độ nước sẽ giảm dần. Tốc độ nước phân bố không đều trên tiết diên ngang, tốc độ nước càng lớn khi càng gần tâm bể và dòng nước luôn có xu hướng phân tán dần dần ra phía thành bể.
Ưu điểm: hiệu quả cao, tổn thất áp lức trong bể nhỏ, dung tích bể nhỏ (thời gian lưu nước ngắn).
Nhược điểm: khó tính cấu tạo của bộ phận thu nước trên bề măt theo hai yêu cầu:
thu nước đều và không phá vỡ bông cặn, khó xây dựng khi dung tích lớn.
4.2.4.4. Bể phản ứng kiểu vách ngăn
Hình 4.5: Bể phản ứng kiểu vách ngăn
Nguyên lý cấu tạo cơ bản của bể là dùng các vách ngăn để tạo ra sự đổi chiều liên tục của dòng nước. Bể có cấu tạo hình chữ nhật, bên trong có các vách ngăn hướng dòng nước chuyển động zic-zăc theo phương nằm ngang hoặc phương thẳng đứng. Phía sau đầu bể phản ứng có một ngăn cho nước chảy thẳng vào bể lắng ngang khi cần sửa chữa bể phản ứng hay khi không cần keo tụ. Số lượng vách ngăn được tính theo hai chỉ tiêu: dung tích bể phụ thuộc vào thời gian lưu nước và tốc độ chuyển động của dòng nước giữa hai vách ngăn. Thời gian lưu nước trong bể lấy là 20 phút khu xử lý nước đục và 30 - 40 phút khi xử lý nước có màu. Tốc độ chuyển động của dóng nước giảm dần từ 0.3m/s ở đầu bể xuống 0.1m/s ở cuối bể. Chiều sâu trung bình của bể là 2 - 3m. Độ dốc đáy bể là 0.02 - 0.03 để xả cặn. Bể có vách ngăn ngang : công suất ≥30.000m3/ngđ. Bể có vách ngăn đứng ≥6.000m3/ngđ. Thường Kết hợp bể lắng ngang. Khoảng cách giữa các vách ngăn không được nhỏ hơn 0.7m nếu bể có vách ngăn ngang và có thể nhỏ hơn 0.7m đối với bể có vách ngăn thẳng đứng.
Ưu điểm: đơn giản trong xây dựng và quản lý vận hành.
Nhược điểm: khối lượng xây dựng lớn do có nhiều vách ngăn và bể có đủ chiều
cao thỏa mãn tổn thất áp lực trong toàn bể
4.2.5. Thiết bị lắng keo tụ 4.2.5.1. Bể lắng ngang
So với bể lắng đứng, hệ quả lắng với dòng nước chuyển động theo phương nằm ngang đạt hiệu quả cao hơn. Ở đây một phần các hạt cặn có tốc độ lắng nhỏ hơn giá trị
o o H u
T
= cũng được giữ lại. Để tìm ra quy luật chuyển động của hạt cặn, ta hãy xét trường hợp bể lắng ngang với những điều kiện tối ưu nhất:
− Dòng nước chuyển động theo phương nằm ngang ở trong chế độ chảy tầng, tốc độ dòng chảy tại mọi điểm trong bể đều bằng nhau. Thời gian lưu lại của mọi phần tử nước đi qua bể đều bằng nhau và bằng dung tích bể chia cho lưu lượng dòng chảy.
− Trên mặt cắt ngang vuông góc với chiều dòng chảy ở đầu bể, nồng độ các hạt cặn có cùng kích thước tại mọi điểm đều bằng nhau.
− Hạt cặn ngừng chuyển động khi chạm đáy bể.
Để thõa mãn các điều kiện trên, trong bể lắng ngang có 4 vùng phân biệt: vùng phân phối đảm bảo đưa nước vào và phân phối đều nước, cặn trên trên toàn bộ mặt cắt ngang đầu bể, vùng lắng, vùng chứa cặn, vùng thu nước.
Hình 4.6: Thiết bị lắng loại chóp và loại phễu
4.2.5.2. Bể lắng đứng
Loại chóp
Thiết bị gồm thân hình trụ có đáy hình côn. Trong phần thân trụ đặt nhiều tầng chóp. Góc nghiêng của chóp đủ lớn sao cho các hạt rắn lắng đến bề mặt trên của chóp thì tự trượt theo mặt chóp ra phía biên đề lắng xuống đáy. Nguyên tắc làm việc như sau: huyền phù đưa từ cửa phía trên, đi vào không gian giữa các tầng chóp từ phía biên của trụ hướng vào tâm. Quá trình lắng diễn ra ở không gian đó. Nước trong qua cửa chảy tràn ở đỉnh của mỗi tầng chóp vào ống góp ở trung tâm để ra ngoài. Bã lắng trượt theo sàn chóp biên, tiếp tục lắng xuống đáy thiết bị.
Thiết bị này làm việc theo phương thức bán liên tục. Nước trong có thể được lấy ra liên tục. Bã được hút ra định kỳ nhờ xiphông hay bơm. Nhờ các tầng chóp, bề mặt lắng tăng lên, năng suất riêng thể tích của thiết bị tăng lên nhiều.
Loại phễu
Phần chính là buồng lắng mà đáy côn với góc ở đáy α =600 cao hơn nhiều so với phần hình trụ ở phía trên. Bộ phận cấp liệu được ở trục thiết bị. Huyền phù đặt ở thùng 3, trên qua miệng ống được phao 4 khử các xung động trước khi đi vào không gian lắng. Nước trong qua cửa tràn ra máng 2. Bã tụ ở đáy được khí nén đẩy qua ống 5 ra ngoài. Thiết bị làm việc liên tục. Nhờ phần côn lớn mà bã thu được khá đặc. Tuy nhiên để đạt điều đó, chiều cao thiết bị (phần côn) phải lớn.
Loại hình trụ có cào bã
Loại này được dùng nhiều trong công nghiệp và xử lý huyền phù nước thải vì có khả năng đạt mức độ phân riêng khá cao, nhất là có thể cô đặc bã (đến độ khô trên 50%), lại có cấu trúc tương đối đơn giản.
Thiết bị gồm phần chính hình trụ, đường kính từ vài mét đến vài trăm mét (tuỳ theo năng suất). Các thiết bị nhỏ có thể làm việc gián đoạn có đáy hình hơi côn.
Phần lớn loại này thể hiện tính ưu việt khi làm việc liên tục. Thiết bị làm việc liên tục có đáy bằng hoặc hơi côn, huyền phù được cấp vào phần trục của thiết bị ở độ sâu 0,3 – 1m so với mặt thoáng chất lỏng. Bã được cào vun dần vào tâm. Loại thiết bị nhỏ, cào quay với tốc độ 0,02 vòng/s nhờ trục ở giữa. Loại đường kính rất lớn thì bộ phận truyền động và cào được chuyển động nhờ một môtơ chạy trên đường ray tròn. Tốc độ quay rất nhỏ (cỡ 2.10-3 vòng/s).
Các thiết bị lớn có thể đạt tới 3000 tấn/ ngày hoặc hơn.
Để tiết kiệm mặt bằng, đồng thời tăng mức cô đặc bã và độ sạch của bã, các thiết bị lắng nhiều tầng đã ra đời, cấu tạo theo nguyên tắc các tầng chồng lên nhau.
Hệ thống cào bã được truyền động chung từ một trục thẳng đứng ở tâm. Huyền phù được cặp từ phía trên (tầng trên cùng). Bã lắng xuống sàn của mỗi tầng được cào dồn về phía tâm rơi vào hộp bã. Nếu bã được rửa thì sẽ được nước sạch (ở tầng dưới cùng) hoặc nước trong của tầng dưới hoà loãng, rồi tiếp tục quá trình lắng ở tầng dưới. Nước trong được lấy ra từ đỉnh của mỗi tầng.
Hình 4.8:Thiết bị lắng có cào bã và lắng cào bã nhiều tầng
Trong thực tế, do đặc điểm của loại huyền phù hoặc do cần kết hợp với quá trình khác, như quá trình đông tụ chẳng hạn, các thiết bị lắng còn nhiều loại khác nữa, mà hầu hết là các thiết bị làm việc bán liên tục. Mức độ tách, tức là độ trong của dòng trên và độ đặc của dòng dưới phụ thuộc không những vào cấu trúc thiết bị, mà
quan trọng hơn là ở kỹ thuật vận hành, kể cả các biện pháp bổ trợ.
Nói chung lắng bằng trọng lực trong nhiều trường hợp không đạt được độ phân tách cao song tiết kiệm năng lượng, chi phí thấp, nên tỏ ra rất đắc dụng khi năng suất lớn và khi huyền phù rất loãng.
4.3. Tuyển nổi
4.3.1. Nguyên lý
Quá trình tuyển nổi là quá trình phân tách các hạt rắn hoặc lỏng khỏi pha lỏng được thực hiện bằng cách cung cấp các bọt khí mịn vào pha lỏng. Các bọt khí dính kết với các hạt khiến cho lực đẩy của bọt khí kết hợp với hạt rắn đủ lớn để kéo các hạt này nổi lên bề mặt. Nhờ đó mà các hạt có tỷ trọng lớn hơn tỷ trọng của chất lỏng cũng nổi được.
Trong xử lý nước thải, quá trình tuyển nổi được áp dụng để xử lý các chất lơ lửng trong nước và cô đặc bùn. Ưu điểm chính quá trình tuyển nổi so với quá trình lắng là khả năng tách loại khá triệt để các hạt rất nhỏ và nhẹ, có khả năng lắng chậm trong một khoảng thời gian ngắn. Trong xử lý nước cấp, quá trình tuyển nổi được sử dụng kết hợp với quá trình keo tụ tạo bông.
Hình 4.9: Nguyên lý quá trình tuyển nổi
Trong công nghiệp, tuyển nổi được áp dụng để xử lý chất khoáng, tái sinh nguyên liệu từ nước rửa, làm sạch nước thải, xử lý bùn và thu hồi khoáng sản quí. Trong xử lý nước cấp, quá trình tuyển nổi được kết hợp với quá trình keo tụ tạo bông, đặc biệt là đối với chất mùn và tảo sau quá trình keo tụ tạo bông được tách ra khỏi nước bằng tuyển nổi.
Tuyển nổi bọt nhằm tách các hạt lơ lửng không tan và một số chất keo hoặc hòa tan ra khỏi pha lỏng. Kĩ thuật này có thể dùng cho xử lý nước thải đô thị và nhiều lĩnh vực công nghiệp như: chế biến dầu béo, dệt thuộc da, chế biến thịt, v.v…
Ngoài ra, tuyển nổi ion và phân tử là một phương pháp mới để tách các chất tan ra khỏi nước, được sử dụng trong những năm gần đây.
Hiệu suất của phương pháp tuyển nổi phụ thuộc vào kích thước và số lượng bong bóng khí, kích thước các tạp chất trong nước thải. Kích thước tối ưu của bong bóng khí là 15 ÷ 30μm, kích thước hạt tạp chất là 0,2 ÷ 1,5μm.
Phương pháp này có ưu điểm là hoạt động liên tục, phạm vi ứng dụng rộng rãi, chi phí đầu tư và vận hành không lớn, hiệu quả xử lý cao, thiết bị đơn giản, thu cặn có độ ẩm nhỏ và có thể thu hồi tạp chất trong cặn. Ngoài ra, nước thải được xử lý bằng phương pháp tuyển nổi sẽ được thông khí, giảm được hàm lượng chất hoạt động bề mặt, chất dễ bị oxy hóa.
4.3.2. Các phương pháp tuyển nổi a) Theo cơ chế người ta chia thành:
Tuyển nổi bằng khí phân tán (Dispersed Air Flotation). Phương pháp này được thực hiện bằng cách thổi trực tiếp khí nén vào dung dịch cần tuyển nổi, gây xáo trộn dung dịch, cặn tiếp xúc với bọt khí và tiếp xúc với nhau, dính kết và nổi lên trên bề mặt. Bọt khí tạo thành trong trường hợp này có kích thước tương đối lớn (0,1 – 1mm).
Hình 4.10: Nguyên lý tuyển nổi bằng khí phân tán
Tuyển nổi bằng khí hòa tan (Dissolved Air Flotation – DAF). Trong các hệ thống DAF, không khí được hòa tan vào nước ở áp suất từ 2 - 4atm cho đến khi đạt trạng thái bão hòa, sau đó nhờ sự giãn áp đột ngột đến áp suất khí quyển, tạo thành các bọt khí có đường kính từ 20-100µm. Quá trình tuyển nổi dạng này còn được gọi là quá trình tuyển nổi bằng phương pháp giãn áp và được chia làm ba loại: