Quá trình tuyển nổi chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố: − Các tính chất hóa lý của chất bẩn.
− Thành phần nước thải.
− Chế độ thủy động lực của thiết bị tuyển nổi.
− Điều kiện bão hòa khí và sự ổn định của các bọt khí. − Sự ổn định của tổ hợp chất bẩn - bọt khí.
Tuy nhiên trong thực tế chúng ta không thể xác định và định lượng được toàn bộ các yếu tố trên. Người ta chỉ nghiên cứu những quy luật cơ bản nhất.
− Giai đoạn hòa trộn không khí vào nước: Đây là giai đoạn đầu của quá trình nhưng có tính chất quyết định. Nó đảm bảo lượng bọt khí cần thiết cho quá trình tuyển. Độ hòa tan của khí vào nước phụ thuộc vào nhiều yếu tố: áp suất, nhiệt độ, chế độ làm việc thủy động lực của thiết bị bão hòa khí, thành phần, tính chất của chất bẩn trong nước thải.
− Giai đoạn hình thành các bọt khí: Sau khi hạ áp suất trong nước, các bọt khí trong nước xuất hiện nhanh, chỉ sau vài phần nghìn giây, tuy nhiên số lượng và kích thước của chúng không chỉ phụ thuộc vào nồng độ không khí đã bão hòa mà còn phụ thuộc vào động lực bão hòa dung dịch và liên quan đến vận tốc chung của hỗn hợp nước thải đã bão hòa không khí vào ngăn tuyển.
Hình thành tổ hợp bọt khí và chất bẩn
Phân thành ba cơ chế hình thành các bọt khí - chất bẩn.
+ Cơ chế 1: Xảy ra khi bão hòa không khí ở trong nước thải có lẫn các chất bẩn.
+ Cơ chế 2: Xảy ra khi hình thành các tổ hợp tuyển nổi trong một chu kỳ đồng nhất. Sau đó hỗn hợp này được hòa trộn với nước thải.
+ Cơ chế 3 (thực chất là kết tụ): Khi hòa trộn không khí với nước thải có chứa chất bẩn, trên bề mặt chúng có bọt khí nhỏ, các bọt khí này đóng vai trò nhân tuyển nổi.
Ba cơ chế hình thành tổ hợp chất bẩn - bọt khí trên là cơ sở cho việc đề xuất ba công nghệ tuyển nổi áp lực khác nhau.
1. Sơ đồ tuyển nổi xuôi dòng.
Không khí nén
Thùng bão hòa Ngăn tuyển nổi Nước thải cần
xử lý Vòi phun Nước sau xử lý Bọt tuyển nổi
Không khí nén
Thùng bão hòa Ngăn tuyển nổi Nước thải cần
xử lý Vòi phun Nước sau xử lý Bọt tuyển nổi
2. Sơ đồ tuần hoàn bão hòa một phần nước thải sau xử lý.
3. Sơ đồ tuyển nổi tuần hoàn nhiều bậc với dòng bão hòa phân nhánh.
Ngăn tuyển nổi
Thùng bão hòa Nước sau xử lý Bọt tuyển nổi Nước thải cần xử lý Vòi phun
Ngăn tuyển nổi 1
Khí nén Thùng bão hòa Ngăn tuyển nổi 2
Bọt tuyển nổi Bọt tuyển nổi
4.4. Hấp phụ
4.4.1. Cơ sở quá trình hấp phụ
Hình 4.13: Cơ chế hấp phụ bằng than hoạt tính
Phương pháp hấp phụ được sử dụng rộng rãi để xử lý nước thải chứa kim loại chất bẩn khác nhau. Có thể dùng để xử lý cục bộ khi trong nước hàm lượng chất nhiễm bẩn nhỏ và có thể xử lý triệt để nước thải đã qua xử lý sinh học hoặc qua các biện pháp xử lý hoá học. Hiện tượng tăng nồng độ chất tan trên bề mặt phân chia giữa hai pha gọi là hiện tượng hấp phụ. Hấp phụ có thể diễn ra ở bề mặt biên giới giữa hai pha lỏng và khí, giữa pha lỏng và pha rắn.
Hấp phụ chất bẩn hoà tan là kết quả của sự di chuyển phân tử của những chất đó từ nước vào bề mặt chất hấp phụ dưới tác dụng của trường lực bề mặt. Trường lực bề mặt gồm có hai dạng :
− Hyđrat hoá các phân tử chất tan, tức là tác dụng tương hỗ giữa các phân tử chất rắn hoà tan với những phân tử nước.
− Tác dụng tương hỗ giữa các phân tử chất bẩn bị hấp phụ với các phân tử trên bề mặt chất rắn.
Khi xử lý nước thải bằng phương pháp hấp phụ thì đầu tiên sẽ loại được các phân tử của các chất không phân ly thành ion rồi sau đó mới loại được các chất phân ly.
Khả năng hấp phụ chất bẩn trong nước thải phụ thuộc vào điều kiện nhiệt độ. Nhiệt độ thấp quá trình hấp phụ xãy ra mạnh nhưng nếu quá cao thì có thể diễn ra quá trình khứ hấp phụ. Chính vì vậy người ta dùng nhiệt độ để phụ hồi khả năng hấp phụ của các hạt rắn khi cần thiết.
4.4.2. Vật liệu hấp phụ
Những chất hấp phụ có thể là : than hoạt tính, silicagel, nhựa tổng hợp có khả năng trao đổi ion, cacbon sunfua, than nâu, than bùn, than cốc, đôlômit, cao lanh, tro và các dung dịch hấp phụ lỏng. Bông cặn của những chất keo tụ (hydroxit của kim loại) và bùn hoạt tính từ bể aeroten cũng có khả năng hấp phụ.
4.4.2.1. Than hoạt tính
Than hoạt tính là một thuật ngữ chung để gọi tên một dãy các vật liệu cacbon có độ xốp cao và do đó có một bề mặt riêng rất lớn 500-1500m2/g. Than xốp chứa 88- 98% than tuỳ theo điều kiện chế tạo, thu được bằng cách than hoá nguyên liệu hữu cơ (vd: than mỏ, gỗ, sọ dừa, xương, xenlulose, tre, nứa, mùn cưa...) và hoạt hoá sản phẩm nhận được ở khoảng 900oC. Hoạt hoá là quá trình cho than phản ứng với hơi nước, khí cacbonic, kẽm Clorua, v…v…
Vd: do phản ứng C + CO2 = 2CO một phần than bị cháy tạo thành khí CO để lại lỗ hổng làm cho than trở nên xốp (độ xốp khoảng 60 - 70%) và do đó có khả năng hấp phụ tốt. Là chất hấp phụ tốt đối với các chất không phân cực, thường là chất hữu cơ, hấp phụ yếu các chất phân cực như nước, amoniac. Thực nghiệm chỉ ra rằng than hoạt tính là chất hấp phụ phổ biến, phần lớn các phân tử hữu cơ có sự cố định trên bề mặt của chúng, các phân tử có độ phân cực lớn và có cấu tạo hàng với khối lượng mol nhỏ thì rất khó giữ lại, các phân tử mol cao bị than hoạt tính hấp phụ khá tốt. Than hoạt tính còn có khả năng hấp phụ tối đa các chất ion dương như SO2, Cl2, NH3, CO2, H2S, CH4, H2, v.v..., vốn được đánh giá là các tác nhân gây hại không chỉ với môi trường mà còn ảnh hưởng nghiêm trọng tới sức khoẻ con người. Than hoạt tính thương phẩm thường dược chia làm hai loại: than hoạt tính dạng bột và than hoạt tính dạng hạt. Nó có đặc điểm chung nhất là hấp phụ trong pha lỏng, diện tích bề mặt không lớn lắm, độ xốp cao tạo điều kiện cho quá trình khuếch tán. Than hoạt tính dạng bột có kích thước từ 10-50µm, được sử dụng kết hợp với xử lý lọc, đưa vào giai đoạn đầu của dây chuyền xử lý sau keo tụ- tủa bông nhằm giảm bớt ô nhiễm tạm thời hoặc bất thường. Mặt khác điều đó cho phép giảm bớt liều lượng ozon hóa trung gian và tăng thời gian làm việc của lớp lọc than hoạt tính dạng hạt trong xử lý nước.
4.4.2.2. Silicagen
Hình 4.15: Vật liệu Silicagen
Là một chất hấp phụ có thành phần chủ yếu là silic oxyt có cấu trúc rất xốp. Người ta cho rằng silicagen hạt chứa rất nhiều quả cầu nhỏ SiO2, các quả cầu này tụ lại với nhau, sắp xếp không theo một trật rự nào về mặt hình học. khoảng không giữa các quả cầu nhỏ chính là lỗ xốp, tổng diện bề mặt ngoài của các quả cầu là diện tích bề mặt của silicagel. Độ xốp của silicagel đạt tới 50-60%, diện tích bề mặt đạt tới 800m2/g. Thường được chế tạo bằng cách kết tủa SiO2 từ dung dịch thủy tinh lỏng. Tính chất của silicagl phụ thuộc vào nhiều yếu tố: nồng độ, pH, nhiệt độ,. Hạt keo càng nhỏ thì điện tích bề mặt và nhóm chức càng lớn. Thông thường khi thủy phân tại vùng pH thấp hạt keo nhỏ thời gian đông tụ chậm. Ở vùng nồng độ loãng và nhiệt độ cao cũng tạo ra các hạt sol nhỏ. Sản phẩm silicagen lưu hành trên thị trường chia làm hai loại: mao quản lớn và mao quản nhỏ. Loại mao quản nhỏ có dung lượng hấp phụ cao hơn, loại mao quản lớn dùng cho những mục đích đặc thù như làm chất hấp phụ trong phân tích sắc ký, loại này trước khi sử dụng thường được biến tính bề mặt. Silicagel sử dụng chủ yếu làm chất hút ẩm, một phần làm chất mang xúc tác đã từng sử dụng làm mặt nạ phòng độc, tinh chế dầu mỏ,. Trong phân tích nó chủ yếu được sử dụng làm chất hấp phụ hay chất mang sắc kí. Gần đây một số nghiên cứu ứng dụng silicagel để xử lý nước thải chứa kim loại nặng và chất phóng xạ.
4.4.2.3. Nhôm oxit
Là vật liệu màu trắng ngà không tan trong nước nhưng tan trong axit đặc, khi nung ở nhiệt độ cao nó chuyển sang dạng thù hình khác và không tan trong axit. Nhôm oxit tồn tại dưới nhiều dạng thù hình. Khi loại bỏ nước của nhôm hydroxit dạng orto hay meta hay nung nhôm oxithydrat sẽ tạo thành Al2O3 tinh thể. Sản xuất công nghiệp Nhôm oxit thường dùng quặng bauxit. Nhôm oxit được sử dụng làm chất sấy khô, chất mang xúc tác xử lý phân đoạn dầu mỏ, khử mùi hấp phụ một số chất đặc thù như fluor, Asen…
Hình 4.15: Vật liệu Nhôm oxit
4.4.2.4. Zeolit
Hình 4.16: Vật liệu Zeolit
Zeolit là tên gọi một nhóm khoáng alumosilicat cấu trúc tinh thể thành phần hỗn hợp chủ yếu gồm nhôm oxit và silic oxit sắp xếp theo một trật tự nào đó với một tỷ lệ nhất định. Trật tự sắp xếp và tỷ lệ Al:Si dẫn đến các loại Zeolit khác nhau. Zeolit được sử dụng làm chất hấp phụ trong công nghệ lọc dầu: tách các n-parafin ra khỏi hỗn hợp iso-parafin và chất thơm do hiệu ứng rây phân tử. Zeolit được sử dụng rộng rãi trong kỹ thuật xúc tác với chức năng là chất hấp phụ nhằm loại bỏ những tác nhân gây hại cho xúc tác, là xúc tác trực tiếp cho một số quá trình hóa dầu hay là thành phần của quá trình xúc tác hỗn hợp.
4.4.2.5. Sắt oxit
Trong công nghệ xử lý nước và nước thải một trong những nguyên tố hay gặp là sắt ở dạng ion. Sắt (II) có nông độ tới 70-80mg/l tại một số nguồn nước ngầm. Fe(OH)2 là chất kết tủa xốp dạng đám mây, màu xanh nhạt để ngoài không khí ngả sang màu vàng. Fe(OH)3 màu vàng sẫm cấu trúc vô định hình. Trong kỹ thuật xử lý người ta chế tạo các vật liệu lọc bằng cách phủ một lớp sắt oxit lên cát thạch anh dùng để hấp phụ kim loại nặng.
Hình 4.17: Vật liệu Sắt oxit
4.4.3. Phân loại hấp phụ
Người ta phân biệt hai kiểu hấp phụ : hấp phụ trong điều kiện tĩnh và hấp phụ trong điều kiện động.
Hấp phụ trong điều kiện tĩnh: Là không cho sự chuyển dịch tương đối của phân tử nước so với phân tử chất hấp phụ mà chúng cùng chuyển động với nhau.
Hấp phụ trong điều kiện động: Là sự chuyển động tương đối của phân tử nước so với phân tử chất hấp phụ. Hấp phụ trong điều kiện động là một quá trình diễn ra khi cho nước thải lọc qua lớp vật liệu lọc hấp phụ. Thiết bị để thực hiện quá trình đó gọi là thùng lọc hấp phụ hay còn gọi là tháp hấp phụ.
Hình 4.18: Một số thiết bị hấp phụ trong xử lý nước
4.5. Phương pháp oxi hóa khử
Để làm sạch nước người ta sử dụng các chất oxi hóa sau: Clo khí và lỏng, dioxit Clo, Clorat canxi, hypoClorua canxi và natri, pemanganat kali, bicromat kali, oxi già, oxi của không khí, ozôn, piroluzit MnO2.
Trong quá trình oxi hóa, các chất ô nhiễm độc hại, chứa trong nước thải, do phản ứng hóa học, chuyển thành chất ít độc hơn và được loại ra khỏi nước.
Phương pháp này yêu cầu chi phí tác chất lớn, vì vậy nó chỉ được ứng dụng khi chất ô nhiễm không thể loại được bằng các phương pháp khác. Ví dụ, xử lí các Xianua, các hợp chất tan của Asen...
Chất có tính oxi hóa mạnh nhất là flo, nhưng do có tính ăn mòn mạnh nên nó không thể được ứng dụng trong thực tế.
Thế oxi hóa của các chất khác như sau: Ozôn - 2,07; Clo - 0,94; H2O2 - 0,68; Pemanganat kali - 0,59 (đơn vị: Vôn).