TỔNG QUAN VỀ XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ TẠO BÔNG
Khái niệm
Ngô Xuân Trường et al (2008) cho rằng keo tụ - kết bông là một phương pháp hiệu quả trong xử lý nước thải, giúp các chất lơ lửng và chất keo kết tủa thành các hạt cặn lớn hơn hoặc hình thành bông cặn Quá trình này cho phép loại bỏ cặn ra khỏi nước thông qua lắng hoặc lọc chậm, làm cho nước trở nên trong hơn và giảm thiểu sự hiện diện của vi trùng gây bệnh bám vào các hạt.
Theo Jarvis (2005) trích dẫn từ Cornwell và Bishop (1983), cũng như Gregory et al (1997), đông tụ là quá trình làm thay đổi tính chất hóa học của các hạt keo, giúp chúng tiến gần nhau hơn và hình thành các hạt keo có kích thước lớn hơn.
Keo tụ là quá trình liên kết các hạt lơ lửng nhỏ thành những hạt lớn hơn, thường diễn ra sau giai đoạn đông tụ Quá trình này nhằm khôi phục trạng thái ổn định cho các hạt keo đã bị phá vỡ, tạo thành các bông cặn có kích thước và khối lượng phân tử lớn hơn, giúp chúng tự lắng nhờ trọng lực (Tripathy và De, 2006).
Quá trình keo tụ
Keo tụ là quá trình loại bỏ các chất không hòa tan và hạt keo kim loại nặng, được hình thành từ quá trình kết tủa Các hạt keo kim loại nặng rất nhỏ và mang điện tích, gây ra lực đẩy lẫn nhau, làm cho quá trình tạo bông lắng trở nên khó khăn Qua đó, keo tụ giúp mất tính ổn định của các hạt keo bằng cách trung hòa điện tích.
2 tích của chúng làm mất lực đẩy lẫn nhau của chúng để chúng có thể kết với nhau thành bông cặn (Nguyễn Văn Phước, 2010)
Nguyễn Thị Thu Thủy (2006) cho rằng quá trình keo tụ có khả năng tách hoặc giảm thiểu các thành phần ô nhiễm trong nước, bao gồm kim loại nặng, chất bẩn lơ lửng và anion PO4 3- Phương pháp này giúp cải thiện đáng kể độ đục và màu sắc của nước.
Bảng 1 Thống kê khả năng có thể đạt được khi xử lý bằng quá trình keo tụ
Các thành phần trong nước Khả năng tách tối đa
- Hóa chất bảo vệ thực vật (Parathion, BHC, Dieldrin)
(Nguồn: Nguyễn Thị Thu Thủy, 2003)
Theo Nguyễn Văn Phước (2010) quá trình keo tụ - tạo bông cặn diễn qua 4 bước:
Để tăng độ kiềm của nước, có thể thêm CaCO3 hoặc Ca(HCO3)2 mà không cần nâng pH, điều này sẽ hỗ trợ quá trình keo tụ diễn ra hiệu quả hơn.
- Cho chất keo tụ và trợ keo tụ vào
- Khuấy trộn nhanh để phân tán đều chất keo tụ trong dug dịch
- Thêm chất keo tụ, khuấy chậm để các hạt có thể kết lại với nhau thành bông cặn
Theo Nguyễn Thị Thu Thủy (2006) để thực hiện một quá trình keo tụ người ta phải tiến hành các bước sau đây:
Định lượng và hòa trộn chất keo tụ là bước quan trọng trong quá trình xử lý nước, nhằm đảm bảo cung cấp đủ lượng chất keo tụ cần thiết và hòa trộn đồng đều chúng trong hệ thống.
- Phá vỡ trạng thái ổn định của hệ keo, chất gây đục trong nước
- Tạo ra bông keo tụ kích thước nhỏ hơn nhờ gradient vận tốc lớn để cho các chất keo bông nhỏ tạo thành
- Tạo ra bông keo tụ lớn nhờ gradient vận tốc nhỏ để tách các hạt cặn ra khỏi nước, có thể cần hoặc không cần chất keo tụ
Bản chất của các hạt keo trong nước
Theo nghiên cứu của Lê Hoàng Việt và Nguyễn Võ Châu Ngân (2014) cùng với Trịnh Xuân Lai (2011), trong nước và nước thải có hai loại keo chính là keo kỵ nước và keo ưa nước.
Keo ưa nước, như tinh bột và protein hòa tan, có khả năng kết hợp với phân tử nước để tạo thành vỏ bọc hydrat Các hạt keo này mang điện tích nhỏ và dưới tác động của các chất điện phân, chúng không bị keo tụ Nhờ đó, keo ưa nước trở nên bền vững và khó bị loại bỏ hơn.
Keo kỵ nước, như các hạt sét và hydroxide kim loại, không tương tác với nước để tạo ra vỏ bọc hydrat Những hạt keo này mang điện tích lớn và khi điện tích này bị trung hòa, độ bền của chúng sẽ bị phá vỡ Quá trình keo tụ của hệ keo kỵ nước thường không thuận nghịch và diễn ra cho đến khi các hạt keo được keo tụ hoàn toàn Chúng đóng vai trò quan trọng trong việc xử lý nước và nước thải bằng phèn.
Nước có khả năng tương tác với các hạt keo kỵ nước, dẫn đến việc một số phân tử nước bị hấp phụ vào bề mặt của chúng Tuy nhiên, phản ứng giữa các hạt keo ưa nước và nước diễn ra nhanh hơn nhiều.
Tính ổn định của các hạt keo chủ yếu phụ thuộc vào điện tích bề mặt của chúng Điện tích này được hình thành từ nhiều yếu tố khác nhau, phụ thuộc vào thành phần của nước thải và các hạt keo.
Hình 1 Cấu tạo điện tích của hạt keo
Theo nghiên cứu của Hoàng Văn Huệ (2002), khả năng dính kết và tạo bông keo tụ tăng lên khi điện tích của các hạt giảm, đạt hiệu quả tối ưu khi điện tích bằng 0 Do đó, lực tác dụng giữa các hạt mang điện tích khác nhau đóng vai trò quan trọng trong quá trình keo tụ Hơn nữa, lực hút phân tử gia tăng nhanh chóng khi khoảng cách giữa các hạt giảm, nhờ vào những chuyển động khác nhau do quá trình khuấy trộn tạo ra.
Cơ chế của quá trình keo tụ
Trần Văn Nhân và Ngô Thị Nga (2002) đã mô tả cơ chế keo tụ qua mô hình hai lớp, trong đó các hạt rắn lơ lửng mang điện tích âm sẽ thu hút các ion trái dấu Một số ion này bị hút chặt vào hạt rắn, tạo thành mặt trượt, trong khi lớp ion bên ngoài chủ yếu là các ion trái dấu được gắn kết lỏng lẻo Khi các hạt rắn di chuyển qua chất lỏng, điện tích âm giảm do sự ảnh hưởng của các ion dương trong lớp bên trong Hiệu số điện năng giữa lớp cố định và lớp chuyển động được gọi là thế zeta (ξ), khác với thế nhiệt động E, và nó phụ thuộc vào E cùng độ dày của hai lớp Giá trị của thế zeta xác định lực tĩnh điện đẩy giữa các hạt, ảnh hưởng đến sự kết dính của chúng.
Hạt keo mang điện tích âm
Lớp ion đối cố định
Lớp ion đối khuếch tán
Hình 2 Điện tích trên hạt lơ lửng khi giải thích bằng lý thuyết hai lớp
(Nguồn: Trần Văn Nhân và Ngô Thị Nga, 2002)
Hình 3 Thêm các ion trái dấu hóa trị 3 để giảm điện tích thực trên các hạt rắn
(Nguồn: Trần Văn Nhân và Ngô Thị Nga, 2002)
Lớp ion trái dấu bên ngoài
Hạt mang điện tích âm Lớp ion trái dấu bên trong
Điện tích âm thực sự là điện tích đẩy, kết hợp với lực hút tĩnh điện do cấu trúc phân tử của các hạt, tạo thành một hàng rào năng lượng ngăn cản các hạt rắn liên kết Mục tiêu của quá trình keo tụ là giảm thế zeta, tức là giảm chiều cao hàng rào năng lượng xuống mức tới hạn, giúp các hạt rắn không còn đẩy lẫn nhau bằng cách thêm các ion dương Quá trình đông tụ diễn ra khi các điện tích được trung hòa, phá vỡ trạng thái ổn định của keo Hiệu quả của đông tụ phụ thuộc vào hóa trị của ion, với ion có hóa trị cao mang lại hiệu quả đông tụ tốt hơn.
Nguyễn Thị Thu Thủy (2006) và Davis (2010) cho rằng quá trình đông tụ - keo tụ diễn ra theo các cơ chế sau:
Cơ chế nén lớp điện tích kép diễn ra khi hai phần tử keo có điện tích bề mặt giống nhau đẩy nhau do lực đẩy tĩnh điện Việc thêm muối kim loại có khả năng thủy phân tạo ra các ion trái dấu, làm tăng mật độ điện tích trong lớp điện tích kép, từ đó giảm thế điện động zêta và lực tĩnh điện Khi mật độ ion trái dấu trong dung dịch đạt đến một mức độ nhất định, lực hút Van der Waals sẽ vượt qua lực đẩy tĩnh điện, khiến các hạt keo tiến lại gần nhau, kết dính và hình thành bông keo tụ Trong quá trình này, lực ion và điện tích của các ion trái dấu đóng vai trò quan trọng.
Cơ chế hấp phụ và trung hòa điện tích diễn ra khi các hạt keo hấp phụ ion dương trái dấu lên bề mặt, làm thay đổi điện tích bề mặt và dẫn đến sự trung hòa điện tích, từ đó phá vỡ trạng thái bền vững của hệ keo Hơn nữa, quá trình hấp phụ ion trái dấu trên bề mặt diễn ra song song với cơ chế nén lớp điện tích kép, nhưng được xem là mạnh mẽ hơn.
Cơ chế hấp phụ bắc cầu sử dụng các hợp chất cao phân tử (polymer) với cấu trúc mạch dài, giúp các đoạn phân tử polymer hấp phụ lên bề mặt hạt keo Quá trình này tạo ra cầu nối giữa các hạt keo, hình thành bông keo tụ lớn, từ đó tăng tốc độ lắng của các hạt keo.
Hình 4 Hình thành bông cặn theo cơ chế hấp phụ bắc cầu bởi các polymer
Cơ chế kết tủa cùng lắng: trong quá trình keo tụ, các ion kim loại hóa trị cao như Al 3+ ,
Ion Fe3+ tạo ra nhiều sản phẩm thủy phân như Fe(OH)2+, Fe(OH)2+, Fe(OH)3, Fe(OH)4-, Fe2(OH)24+, Fe3(OH)45+, Al(OH)2+, Al(OH)2+, Al(OH)3, Al(OH)4-, Al(OH)24+, và Al(OH)45+ Khi đạt giá trị pH thích hợp, hydroxide của sắt và nhôm sẽ kết tủa Những kết tủa này có khả năng hấp phụ các hạt keo, cặn bẩn, cũng như các chất vô cơ và hữu cơ lơ lửng trong nước, giúp kéo chúng lắng xuống.
Phương pháp keo tụ
Nguyễn Thị Thu Thủy (2006) cho rằng trong công nghệ xử lý nước bằng phương pháp keo tụ người ta thường sử dụng:
Phương pháp keo tụ sử dụng các chất điện ly đơn giản để cải thiện quá trình xử lý nước Bản chất của phương pháp này là đưa vào nước các ion đơn giản có điện tích ngược dấu Khi nồng độ các ion này tăng, chúng chuyển nhiều ion từ lớp khuếch tán vào lớp điện tích kép, dẫn đến giảm điện thế zeta và lực đẩy tĩnh điện Nhờ vào chuyển động Brown, các hạt keo có điện tích nhỏ dễ dàng kết dính với nhau thông qua lực hút phân tử Van der Waals, tạo thành các bông cặn lớn hơn Khi kích thước bông cặn đạt đến một mức nhất định, chuyển động Brown sẽ không còn tác dụng Để tăng kích thước bông cặn, cần có tác động khuấy trộn để các cặn xích lại gần nhau hơn.
Phương pháp keo tụ sử dụng hệ keo ngược dấu với muối nhôm hoặc sắt hóa trị 3, còn gọi là phèn nhôm hoặc sắt, làm chất keo tụ Đây là hai loại hóa chất phổ biến trong xử lý nước cấp, đặc biệt là trong xử lý nước sinh hoạt Các muối này được hòa tan trong nước và phân ly thành cation và anion.
Quan sát quá trình keo tụ dùng phèn nhôm, sắt ta thấy có khả năng tạo ra ba loại bông cặn sau:
- Loại thứ nhất là tổ hợp của các hạt keo tự nhiên bị phá vỡ thế điện động zeta, loại này chiếm số ít
Loại thứ hai bao gồm các hạt keo có điện tích trái dấu, chúng kết hợp với nhau để trung hòa điện tích Tuy nhiên, loại hạt này không có khả năng kết dính và hấp phụ trong quá trình lắng, dẫn đến số lượng của chúng không đáng kể.
Bông cặn loại ba được hình thành từ sự thủy phân của các hạt keo kết hợp với anion trong nước, tạo ra các bông cặn có hoạt tính bề mặt cao, giúp hấp thụ chất bẩn hiệu quả trong quá trình lắng Trong xử lý nước bằng keo tụ, bông cặn loại ba đóng vai trò quan trọng và quyết định đến hiệu quả của quá trình keo tụ, do đó, các điều kiện ảnh hưởng đến sự hình thành của loại bông cặn này cần được chú trọng.
Các chất keo tụ
Theo Nguyễn Văn Phước (2010) và Hoàng Văn Huệ (2002), chất đông tụ dùng trong xử lý nước và nước thải là muối nhôm, muối sắt hoặc hỗn hợp của chúng
Theo Lê Hoàng Việt, Nguyễn Võ Châu Ngân (2014), các chất keo tụ sử dụng trong xử lý nước hay nước thải thường có những đặc điểm sau:
- Là muối kim loại hóa trị 3 hay các polymer đã được kiểm chứng là chất keo tụ hiệu quả cao
- Không độc hay tạo ảnh hưởng xấu cho người
- Tạo thành các sản phẩm có độ hòa tan thấp hay không hòa tan ở pH thường gặp của nước thải (bảo đảm để lại ít dư lượng nhất)
Các chất keo tụ thường được sử dụng là Al2(SO4)3.FeSO4 (kết tinh), Fe2(SO4)3, FeCl3, Ca(OH)2
Bảng 2 Ưu và nhược điểm của các chất đông tụ - keo tụ
Hóa chất Ưu điểm Nhược điểm
Dễ bảo quản và sử dụng, sử dụng phổ biến, tạo ít bùn hơn khi sử dụng vôi, hiệu quả nhất ở pH 6,5 ÷ 7,5
Tạo thêm muối hòa tan trong nước, chỉ hiệu quả trong một khoảng pH nhỏ
Hiệu quả khi xử lý nước cứng, liều lượng sử dụng thấp
Sử dụng kết hợp với phèn, giá thành cao, không hiệu quả với nước mềm
Trong một vài trường hợp bông cặn tạo thành dày hơn và dễ lắng hơn so với sử dụng phèn nhôm Ít phổ biến
Hiệu quả ở pH = 4 ÷ 6 và pH 8,8 ÷ 9,2
Tạo muối hòa tan trong nước, cần thêm alkalinity
Hiệu quả ở pH = 4 ÷ 11 Tạo thêm muối hòa tan trong nước, tiêu thụ lượng alkalinity gấp 2 lần phèn nhôm
Không nhạy cảm với pH như vôi Tạo thêm muối hòa tan trong nước, cần bổ sung alkalinity và oxy
Vôi Ca(OH)2 Được sử dụng phổ biến và rất hiệu quả; có thể không tạo thêm muối trong nước thải sau xử lý
Rất phụ thuộc vào pH, tạo lượng bùn lớn, sử dụng quá liều sẽ cho chất lượng nước đầu ra thấp
(Nguồn: US Army of Engineer, 2001)
Bảng 3 Đặc điểm lý hóa của các chất keo tụ
Tên hóa chất Công thức Trọng lượng phân tử
Vôi Ca(OH)2 56 theo CaO 561 - 801
Phèn nhôm khi được thêm vào nước thải phản ứng xảy ra như sau:
Quá trình đưa phèn nhôm vào nước thải tạo các phức Al6(OH)15 3+, Al7(OH)17 4+,
Al8(OH)20 4+, và Al13(OH)34 5+
Khi đưa phèn nhôm vào nước thải nó còn phản ứng với alkalinity của nước thải để tạo thành Al(OH)3
Al2(SO4)3.18H2O + 3Ca(HCO3)2 3CaSO4 + 2Al(OH)3 + 6CO2 + 18H2O
Khi đưa phèn nhôm vào nước thải nó còn phản ứng với alkalinity của nước thải để tạo thành Al(OH)3
Aluminum hydroxide không tan và tạo ra bông cặn có độ nhớt cao, lắng xuống chậm và kết dính với các hạt keo cùng chất rắn lơ lửng, giúp kéo các hạt này lắng theo Để phản ứng hoàn toàn với 10 mg/L phèn nhôm, cần có 4,5 mg/L alkalinity (tính theo CaCO3).
12 thêm vôi để bổ sung đủ lượng alkalinity cho quá trình (Lê Hoàng Việt và Nguyễn Võ Châu Ngân, 2014)
Ferric sulfate đưa vào nước thải phản ứng xảy ra như sau:
- Hòa tan: Fe2(SO4)3 + 12H2O → Fe(H2O)6 3+ + 3SO4 2-
- Thủy phân: Fe(H2O)6 3+ + H2O → Fe(H2O)5(OH) 2+ + H3O +
- Polymer hóa: tạo thành Fe2(OH)2 4+
Ferric sulfate cũng tác dụng với alkalinity trong nước để tạo thành Fe(OH)3
Fe2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 3CaSO4 + 2Fe(OH)3 + 6CO2 + 6CO2
Trong trường hợp không đủ alkalinity có thể thêm vôi vào nước thải và phản ứng xảy ra như sau:
Fe2(SO4)3 + Ca(OH)2 3CaSO4 + 2Fe(OH)3
Ferric chloride đưa vào nước thải phản ứng xảy ra như sau:
Ferric chloride và vôi đưa vào nước thải phản ứng xảy ra như sau:
FeCl3 + Ca(OH)2 3CaCl2 + 2Fe(OH)3
Vôi khi cho vào nước các phản ứng sau có thể xảy ra:
Ca(OH)2 + Ca(HCO3)2 → 2CaCO3 + 2H2O
Các muối vô cơ cao phân tử, đặc biệt là muối của sắt và nhôm như PAC (polyaluminum chloride), được sử dụng phổ biến làm chất keo tụ trong xử lý nước Chúng có thể được mua trực tiếp trên thị trường hoặc sản xuất tại các nhà máy xử lý nước bằng cách thêm ba-zơ để trung hòa dung dịch muối nhôm hoặc sắt đậm đặc Quá trình polymer hóa của các muối này phụ thuộc vào nồng độ dung dịch, loại và nồng độ ba-zơ sử dụng, cũng như nhiệt độ môi trường.
Các chất hữu cơ cao phân tử được tổng hợp từ các đơn phân và thường chứa các nhóm chức có khả năng ion hóa như carboxyl, amin hay sulfonic Tùy thuộc vào nhóm chức khi ion hóa tạo ra nhóm dương hay âm, các polymer này được phân loại thành cationic hoặc anionic Khả năng keo tụ của các polymer hữu cơ chịu ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố như tính chất của polymer, nhóm chức, mật độ điện tích, trọng lượng phân tử, kích thước và độ phân nhánh.
13 các các polymer, pH của nước, tính chất của nước thải và nồng độ của các ion Ca 2+ và
Khi lựa chọn hóa chất để keo tụ hoặc tạo bông, cần xem xét nhiều yếu tố quan trọng như hiệu quả, giá thành, khả năng cung cấp và lượng bùn tạo ra Ngoài ra, hóa chất cũng phải phù hợp với quy trình xử lý, có tác động tích cực đến môi trường và đảm bảo tính khả thi về nhân công cũng như thiết bị cần thiết cho việc dự trữ và nạp hóa chất.
Các yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất keo tụ
Theo nghiên cứu của Chowdhury và cộng sự (2013), pH có vai trò quan trọng trong quá trình đông tụ - keo tụ, vì nó quyết định loại sản phẩm thủy phân hình thành Khi các chất đông tụ như muối nhôm hoặc muối sắt được thêm vào nước, chúng sẽ tạo ra các sản phẩm thủy phân hòa tan thông qua các phản ứng hóa học Tùy thuộc vào giá trị pH của dung dịch, các sản phẩm này có thể mang điện tích dương khi pH thấp và điện tích âm khi pH cao.
Quá trình loại bỏ các chất hữu cơ bằng muối kim loại diễn ra theo hai cơ chế khác nhau tùy thuộc vào pH Ở pH thấp, cơ chế hấp phụ trung hòa điện tích chiếm ưu thế, trong khi ở pH cao, cơ chế kết tủa và lắng đọng trở nên quan trọng hơn (Aygun và Yilmaz, 2010).
Mỗi loại nước thải có một vùng pH tối ưu khác nhau cho quá trình keo tụ, phụ thuộc vào loại và nồng độ chất keo tụ cũng như thành phần nước thải Khi keo tụ diễn ra ngoài vùng pH tối ưu, chất lượng nước đầu ra sẽ giảm hoặc cần sử dụng nhiều hóa chất đông tụ hơn Do đó, cần điều chỉnh pH của nước thải về mức thích hợp bằng các chất như axit (H2SO4, HCl), vôi hoặc natri hydroxide (NaOH) để đảm bảo hiệu quả của quá trình keo tụ.
Nguyễn Trung Việt et al (2011) cho rằng độ kiềm có ảnh hưởng đến quá trình keo tụ
Các hóa chất trong quá trình keo tụ nước phản ứng với nước thải để tạo kết tủa hydroxit không tan Ion hydro giải phóng sẽ tác động đến độ kiềm của nước, giúp duy trì pH tối ưu cho quá trình keo tụ Độ kiềm cần đủ để trung hòa axit từ các chất keo tụ, đảm bảo quá trình keo tụ diễn ra hiệu quả.
Theo nghiên cứu của Ye et al (2007), việc tăng độ kiềm của dung dịch có thể cải thiện hiệu suất keo tụ thông qua quá trình kết tủa và lắng Ngược lại, khi độ kiềm thấp, lượng hóa chất đông tụ cần thiết để trung hòa điện tích sẽ tăng lên (trích dẫn từ Muhammad và James, 2009).
Theo nghiên cứu của Lê Hoàng Việt và Nguyễn Võ Châu Ngân (2014), nước thải thường chứa một lượng alkalinity cần thiết để phản ứng với chất keo tụ Khi lượng alkalinity không đủ, cần bổ sung bằng vôi hoặc soda Bên cạnh đó, nhiệt độ của nước thải cũng là yếu tố quan trọng cần xem xét.
Trịnh Xuân Lai (2004) chỉ ra rằng nhiệt độ nước ảnh hưởng đáng kể đến quá trình keo tụ, với việc tăng nhiệt độ dẫn đến giảm liều lượng phèn cần thiết, cũng như thời gian và cường độ khuấy trộn Ngược lại, nhiệt độ thấp làm giảm hiệu quả của quá trình đông tụ - keo tụ, và khi nhiệt độ gần 0°C, các bông cặn trở nên khó lắng do độ nhớt của nước tăng lên Hơn nữa, vùng pH tối ưu cũng bị thu hẹp lại trong điều kiện này.
Trong quá trình đông tụ - keo tụ, việc trộn hóa chất là rất quan trọng Hiệu quả của quá trình này phụ thuộc vào cường độ khuấy trộn, được biểu thị bằng gradient vận tốc (G), và thời gian khuấy trộn (T) Quá trình trộn diễn ra qua hai giai đoạn.
Giai đoạn đầu tiên của quá trình xử lý nước là trộn nhanh, nhằm khuếch tán hóa chất đông tụ vào toàn bộ thể tích nước trong thời gian ngắn Nếu mức độ khuấy trộn không đạt yêu cầu, lượng hóa chất đông tụ cần thiết sẽ tăng lên Theo Trịnh Xuân Lai (2011), giá trị gradient vận tốc G trong giai đoạn này thường dao động từ 200.
Thời gian khuấy trộn cho hóa chất thường dao động từ 1 giây đến 2 phút, với tốc độ khuấy 1000 s-1 Thời gian này phụ thuộc vào loại hóa chất cần trộn Theo nghiên cứu của Clack và Stephenson (1999), được trích dẫn bởi Johnson et al (2008), tích số GT phù hợp với phèn sắt (III) clorua nằm trong khoảng 20.000 - 50.000.
Ở giai đoạn thứ hai, quá trình khuấy trộn diễn ra chậm nhằm tăng cường sự tiếp xúc giữa các phần tử kết bông và các yếu tố gây đục, màu cho nước Việc trộn cần đảm bảo đủ mạnh để tạo ra gradient vận tốc trong bể, với mức trung bình khoảng 30 đến 70 s^-1, nhưng không quá lớn để tránh làm vỡ các bông cặn Thời gian phản ứng lý tưởng dao động từ 15 đến 45 phút (Nguyễn Thị Thu Thủy, 2006).
Khi sử dụng chất điều chỉnh độ kiềm và pH cùng với các chất trợ keo tụ, cần phải trộn đều nước hoặc nước thải với phèn trong khoảng thời gian từ 15 giây đến 1 phút để quá trình tạo bông cặn diễn ra hiệu quả hơn.
15 và thời gian trộn hóa chất này có thể dài hơn từ 10 giây đến 2 phút (Trịnh Xuân Lai,
Theo nghiên cứu của Mohd et al (2009), thời gian khuấy trộn đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành và phát triển các hạt keo trong quá trình keo tụ Nếu thời gian khuấy trộn quá ngắn, sẽ không đủ va chạm giữa các bông cặn và chất keo tụ, dẫn đến hiệu quả kém trong việc giảm chất rắn lơ lửng trong nước thải Ngược lại, nếu thời gian khuấy trộn quá dài, sẽ làm phá vỡ các bông cặn, giảm tốc độ kết bông và kích thước của chúng, gây ra tình trạng nước bị đục trở lại.
Theo Desjardins (2009), khi độ đục tăng, nồng độ chất đông tụ cần được điều chỉnh, nhưng sự gia tăng này không tỷ lệ thuận với độ đục Ở mức độ đục cao, lượng chất đông tụ cần thiết lại thấp hơn do khả năng va chạm của các phần tử lớn Ngược lại, khi độ đục thấp, quá trình đông tụ - keo tụ trở nên khó khăn hơn Để khắc phục tình trạng này, có thể thêm chất trợ keo tụ hoặc hoàn lưu lượng cặn về bể keo tụ.
Các muối hòa tan trong nước có các ảnh hưởng đến sự keo tụ và kết bông như sau:
- Thay đổi vùng pH tối ưu
- Thay đổi thời gian cần thiết cho sự kết bông
- Thay đổi lượng chất đông tụ, keo tụ yêu cầu
- Thay đổi nồng độ chất đông tụ, keo tụ trong nước đầu ra f Liều lượng chất keo tụ
Henderson (2004) chỉ ra rằng liều lượng của các chất đông tụ khác nhau sẽ dẫn đến các cơ chế đông tụ - keo tụ khác nhau Ông đã xác định bốn vùng tương ứng với các liều lượng hóa chất đông tụ từ thấp đến cao.
(1) Liều lượng quá thấp không đủ để phá vỡ trạng thái ổn định của các hạt keo
(2) Liều lượng đủ để làm mất trạng thái ổn định của các hạt keo
(3) Liều lượng cao hơn mức cần thiết có thể làm tái ổn định hệ keo
Trợ keo tụ
Theo Trần Văn Nhân và Ngô Thị Nga (2002), để cải thiện quá trình tạo bông keo hydroxyl nhôm và sắt nhằm tăng tốc độ lắng, cần sử dụng chất trợ đông tụ trong xử lý nước thải Việc này giúp giảm liều lượng chất đông tụ, rút ngắn thời gian đông tụ và nâng cao tốc độ lắng Các chất keo tụ có thể là nguồn gốc thiên nhiên hoặc tổng hợp, trong đó các chất trợ đông tụ tự nhiên thường được sử dụng bao gồm tinh bột, dextrin (C6H10O5)n, các ete, xenlulo và dioxit silic hoạt tính (xSiO2.yH2O).
Chất trợ đông tụ tổng hợp phổ biến là polyacrylamit (CH2CHCONH2)n, có thể mang điện tích âm hoặc dương tùy thuộc vào nhóm ion khi phân ly, như polyacrylic axit (CH2CHCOO)n hoặc polydiallydimetyl-amon Hầu hết các chất bẩn hữu cơ và vô cơ dạng keo trong nước thải đều có điện tích âm, do đó việc sử dụng chất trợ đông tụ cation sẽ không cần đông tụ sơ bộ Việc lựa chọn hóa chất, liều lượng tối ưu và trình tự cho vào nước cần được xác định qua thực nghiệm Thông thường, liều lượng chất trợ đông tụ được sử dụng trong khoảng nhất định.
Theo Lê Hoàng Việt và Nguyễn Võ Châu Ngân (2014), trong quá trình keo tụ, cần áp dụng các biện pháp hỗ trợ để cải thiện hiệu quả keo tụ và tạo bông cặn Có bốn nhóm biện pháp chính được đề xuất để đạt được mục tiêu này.
Để tăng cường độ kiềm cho nước thải, các chất keo tụ như Al(OH)3 và Fe(OH)3 cần được tạo ra theo các phương trình đã trình bày, nhằm tham gia hiệu quả vào quá trình keo tụ.
Để quá trình tụ và tạo bông trong xử lý nước thải đạt hiệu quả cao, nước thải cần có hàm lượng alkalinity đủ để phản ứng với chất keo tụ Nếu hàm lượng alkalinity thấp, việc bổ sung vôi hoặc soda sẽ giúp tăng cường alkalinity, từ đó cải thiện hiệu quả của quá trình keo tụ.
Để điều chỉnh pH của nước thải, cần xem xét bảng 4 dưới đây, trong đó mỗi loại hóa chất keo tụ có khoảng pH hoạt động thích hợp khác nhau Do đó, việc điều chỉnh pH của nước thải phải dựa vào giá trị pH hiện tại và loại hóa chất được sử dụng để đảm bảo đạt được mức pH tối ưu.
Bảng 4 pH thích hợp cho hoạt động của các chất keo tụ
Hóa chất pH thích hợp
Để nâng cao hiệu quả của quá trình keo tụ trong nước thải có độ đục thấp và mật độ hạt thấp, người ta thường bổ sung các hạt sét bentonite hoặc silica hoạt tính Việc gia tăng mật độ hạt trong nước thải sẽ giúp cải thiện đáng kể hiệu quả xử lý.
Việc thêm polymer hữu cơ vào nước thải hiện nay đang trở thành giải pháp hiệu quả để thay thế silica hoạt tính Sử dụng polymer giúp giảm liều lượng chất keo tụ cần thiết, đồng thời tạo ra bông cặn đặc chắc và lắng nhanh hơn.
Một số hiệu quả của quá trình keo tụ
Theo Lê Hoàng Việt (2003), hiệu suất lắng phụ thuộc vào liều lượng hóa chất sử dụng và yêu cầu quản lý Nếu được tính toán chính xác, quá trình lắng hóa có thể loại bỏ tới 80-90% TSS, 40-70% BOD5, 30-60% COD và 80-90% vi khuẩn, trong khi đó, các phương pháp lắng cơ học thông thường chỉ đạt hiệu suất loại bỏ từ 50-70% TSS và 30-40% chất hữu cơ.
Bảng 5 So sánh hiệu suất loại bỏ chất ô nhiễm có và không sử dụng hóa chất
Thông số Hiệu suất của bể lắng sơ cấp
Có hóa chất (%) Không có hóa chất (%)
Bảng 6 Mức độ keo tụ của FeCl3 ở pH = 7,5, liều lượng 800 mg/L
Chỉ tiêu Nồng độ ô nhiễm ban đầu (mg/L) Hiệu suất loại bỏ (%)
Nghiên cứu của Lofrano et al (2006) về quá trình xử lý nước thải thuộc da bằng phương pháp keo tụ sử dụng PAC cho kết quả như sau
Bảng 7 Mức độ keo tụ của PAC ở pH = 8,5, liều lượng 900 mg/L
Thông số Chỉ tiêu Hiệu suất loại bỏ pH = 8,5, liều lượng PAC là 900 mg/L +
XÁC ĐỊNH HIỆU QUẢ XỬ LÝ NƯỚC THẢI THEO NỒNG ĐỘ TỐI ƯU VỚI NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM VÀ XI MẠ
Hiệu quả xử lý với nước thải dệt nhuộm
3.1.1 Kết quả phân tích mẫu nước thải dệt nhuộm
Bảng 8 Kết quả phân tích mẫu nước thải nghiên cứu
STT Thông số Đơn vị đo
3 Độ màu Pt-Co 1.200 Cơ sở mới: 20 150
Cơ sở đang hoạt động: 50
Kết quả phân tích cho thấy nước thải trong ngành dệt may bị ô nhiễm nghiêm trọng về độ màu và chỉ số chất hữu cơ (COD), vượt quá quy chuẩn quốc gia QCVN 13:2008/BTNMT về nước thải công nghiệp.
3.1.2 Kết quả lựa chọn loại dung dịch phèn sử dụng trong quá trình thí nghiệm
Bảng 9 Kết quả xác định loại phèn phù hợp cho nước thải thí nghiệm
Hình 5 Đồ thị thể hiện T %, COD và độ màu của các loại phèn nghiên cứu
Kết quả thí nghiệm từ bảng 9 và hình 5 cho thấy mẫu phèn Fe/Al 1:2 ở cốc 2 đạt hiệu quả tối ưu Do đó, hỗn hợp phèn Fe/Al 1:2 được chọn để tiến hành nghiên cứu tiếp theo.
3.1.3 Kết quả xác định pH tối ưu
Bảng 10 Xác định pH tối ưu đối với loại phèn đã lựa chọn
Hình 6 Đồ thị xác định pH tối ưu dựa vào T %, COD và độ màu
Kết quả thí nghiệm cho thấy mẫu cốc 5 với pH = 8 có khả năng xử lý COD tốt, nhưng khả năng khử màu và keo tụ kém hơn so với mẫu cốc 1 Do đó, pH tối ưu được chọn để tiến hành các thí nghiệm tiếp theo là pH = 6,5.
3.1.4 Kết quả xác định lượng phèn tối ưu
Bảng 11 Xác định lượng phèn tối ưu đối với loại phèn đã lựa chọn
Hình 7 Đồ thị xác định lượng phèn tối ưu dựa vào T %, COD và độ màu
Nhận xét: Từ bảng kết quả và đồ thị cho thấy mẫu ở cốc 6 (11ml phèn) cho kết quả tối ưu
3.1.5 Đánh giá hiệu quả xử lý mẫu nước thải dệt nhuộm tại điều kiện tối ưu
Bảng 12 Đánh giá hiệu quả xử lý mẫu nước thải tại điều kiện tối ưu
Cốc Nước mẫu ml pH H 2 SO 4 ml
Hình 8 Biểu đồ thể hiện hiệu quả xử lý COD
Biểu đồ ở hình 8 cho thấy, cốc 6 đạt hiệu quả xử lý COD cao nhất với tỷ lệ 95,2% Điều này chứng tỏ rằng hỗn hợp phèn Fe/Al theo tỷ lệ 1:2 có khả năng giảm đáng kể lượng COD trong quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp hóa lý, bao gồm keo tụ và tạo bông.
Hiệu quả xử lý với nước thải xi mạ
3.2.1 Kết quả phân tích mẫu nước thải xi mạ
Bảng 13 Các thông số đầu vào của mẫu nước
Thông số Giá trị pH 12 Độ truyền suốt (T%) 59,1 Độ hấp thụ 0,221
3.2.2 Xác định loại phèn tối ưu đạt hiệu quả xử lý
Bảng 14 Thí nghiệm xác định loại phèn tối ưu
Bước Cách tiến hành Hình ảnh Nhận xét
1 Lấy 500ml mẫu nước thải cho vào
Mẫu nước đầu vào có pH cao và có độ đục, độ màu
1:5, phèn sắt III, phèn Al, PAC) tương ứng vào từng cốc
Bắt đầu xuất hiện những bông cặn nhỏ
Cho H2SO4 (ml) vào để chỉnh pH=7
Sau đó cho mỗi cốc 4ml polymer
Sau khi cho polymer, các hạt bông cặn nhỏ bắt đầu kết dính với nhau, tao ra những bông cặn lớn, có khả năng lắng
Bảng 15 Lượng hoá chất cho vào cốc nước thải khi xác định loại phèn tối ưu
Loại phèn 1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 Fe Al PAC
Thể tích phèn,ml 12.5 pH 7
Polymer,ml 4 Độ truyền suốt, % 59,1 96,6 97,7 97,3 98,1 99,1 99,5 99,2
Bảng 16 Kết quả chuẩn độ bằng dung dịch FAS và COD
Mẫu đầu vào 1:1 1:2 1:3 1:4 1:5 Fe Al PAC
Hình 9 Hiệu quả xử lý COD khi xác định loại phèn tối ưu
Kết quả thí nghiệm xác định loại phèn tối ưu cho thấy phèn Fe có độ lắng, độ nổi, độ chắc của bùn và độ truyền suốt cao nhất, đồng thời đạt hiệu quả xử lý COD tốt nhất, do đó phèn Fe được chọn làm phèn tối ưu.
3.2.3 Xác định pH tối ưu đối với phèn Fe
Sau khi xác định được loại phèn tối ưu, từ kết quả đó xác định pH tối ưu đạt hiệu quả xử lý COD
Bảng 17 Thí nghiệm xác định pH tối ưu
Bước Cách tiến hành Hình ảnh Nhận xét
Lấy 500ml mẫu nước thải cho vào 8 cốc
Nước thải đầu vào có độ đục và độ màu
2 -Cho 12,5ml phèn sắt vào mỗi cốc
(H2SO4 nếu pH cao hơn chỉ tiêu) vào mỗi cốc chỉnh pH lần lượt 5, 6, 7, 8,
Sau khi cho phèn vao mỗi cốc, xuất hiện các bông cặn nhỏ li ti nhưng vẫn có khả năng lắng
3 -Cho 4 ml polymer vào mỗi cốc
(Khuấy nhanh 70 vòng/phút trong 2 phút Khuấy chậm
Thì các bông cặn nhỏ kết dính lại với nhau hình thành các bông cặn lớn, lắng nhanh và nước trong hơn
Bảng 18 Lượng hoá chất và kết quả khi xác định pH tối ưu
Bảng 19 Kết quả chuẩn độ bằng dung dịch FAS và COD khi xác định pH tối ưu
Polymer,ml 3 3 3 3 3 Độ truyền suốt, % 98,6 99,2 99,7 48,8 54,5
Hình 10 Hiệu quả xử lý COD khi xác định pH tối ưu
Kết quả thí nghiệm xác định pH tối ưu cho thấy cốc có pH = 7 đạt điểm cao nhất về độ lắng, độ nổi và độ chắc của bùn, đồng thời hiệu quả xử lý COD cũng tốt nhất Do đó, pH tối ưu được chọn là 7.
3.2.4 Xác định lượng phèn tối ưu
Sau khi xác định được loại phèn và pH tối ưu, từ kết quả đó xác định lượng phèn tối ưu đạt hiệu quả xử lý COD
Bảng 20 Tiến hành xác định lượng phèn tối ưu
Bước Cách tiến hành Hình ảnh Nhận xét
Lấy 500ml mẫu nước thải vào cốc
17.5 ml phèn sắt vào 5 cốc
Có những bông cặn nhỏ nhưng vẫn lắng được
3 -Cho 3 ml polymer vào mỗi cốc
(Khuấy nhanh 70 vòng/phút trong 2 phút Khuấy chậm
Hình thành các bông cặn lớn, lắng nhanh hơn, và nước ở phía trên trong
Bảng 21 Kết quả chuẩn độ bằng dung dịch FAS và COD khi xác định lượng phèn tối ưu
Hình 11 Hiệu quả xử lý COD khi xác định lượng phèn tối ưu
Kết quả thí nghiệm xác định lượng phèn tối ưu cho thấy cốc với 12,5 ml phèn đạt điểm cao nhất về độ lắng, độ nổi, độ chắc của bùn và độ truyền suốt Do đó, 12,5 ml được chọn là lượng phèn tối ưu cho hiệu quả xử lý COD.
KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
Sau thí nghiệm xử lý nước thải dệt nhuộm có thể rút ra các kết luận sau:
Nghiên cứu các đặc điểm của ba loại phèn ban đầu: phèn sắt, phèn nhôm và phèn PAC, nhóm đã tạo ra 8 mẫu khác nhau Qua quá trình thí nghiệm và đánh giá, loại phèn tối ưu được chọn là Fe/Al với tỷ lệ 1:2.
Để xác định độ pH tối ưu cho phèn Fe/Al 1:2 trong xử lý nước thải, nhóm nghiên cứu đã thực hiện các thí nghiệm và đánh giá kết quả dựa trên các chỉ tiêu đã được nêu Kết quả cho thấy độ pH tối ưu trong xử lý nước thải dệt nhuộm là 6,5, đây là điểm cao nhất được xác định.
Nhóm nghiên cứu đã xác định được độ pH và loại phèn tối ưu trong xử lý nước thải, và tiếp tục xác định lượng phèn tối ưu cần thiết Qua các thí nghiệm và đánh giá trực quan, lượng phèn tối ưu được xác định là 11ml.
Sau khi xử lý nước thải xi mạ, loại phèn tối ưu được xác định là phèn Fe, với pH tối ưu là 7 và lượng phèn tối ưu là 12,5ml, giúp đạt hiệu quả cao trong việc xử lý COD.
- Thí nghiệm với quy mô phòng thí nghiệm nên còn sai số
Nghiên cứu và thực nghiệm sâu hơn về khả năng xử lý độ màu và COD trong nước thải dệt nhuộm và xi mạ là cần thiết để nâng cao hiệu quả xử lý.
Sau khi hoàn tất quy trình xử lý nước thải, một lượng bùn lắng sẽ được hình thành Do đó, để đảm bảo xử lý môi trường một cách toàn diện và hiệu quả, cần nghiên cứu các biện pháp thu hồi hoặc xử lý bùn thải phát sinh từ quá trình này.