KEO TỤ - TẠO BÔNG

Coagulation - Flocculation

Giới thiệu chungĐể loại bỏ chất rắn lơ lửng (SS – Suspended Solid) trong nước/nước thải

Lắng (Sedimentation)

– ρS- khối lượng riêng của hạt (kg/m3)

– ρL- khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m3)

– d - kích thước của hạt (m)

– μ - độ nhớt động lực học (kg/ms)

vg

dS S L 18

2

( )

Sự liên hệ giữa kích thước hạt và thời gian lắng

Kích thước hạt (mm)

Loại hạt Thời gian lắng (độ sâu 1m)

10 Sỏi 1giây

1 Cát 10 giây

10-1 Cát mịn 2 phút

10-2 Đất sét 2 giờ

10-3 Vi khuẩn 8 ngày

10-4 Hạt keo 2 năm

10-5 Hạt keo 20 năm

Giới thiệu chung (tt)

Tuyển nổi (Flotation)

– Bọt khí được thêm vào

– Các chất rắn lơ lửng sẽ bám vào bề mặt của bọt khí và nổi lên

Lọc (Filtration)

– Chỉ hiệu quả khi kích thước hạt > 1μm

– Phải giảm hàm lượng SS để tránh nghẽn cột lọc

Keo tụ tạo bông (Coagulation – Flocculation)

Keo tụ tạo bông Mục đích: tách các hạt cặn có kích thước

0,001µm < Φ < 1µm, khó tách loại được bằng các quá trình lý học thông thường như lắng, lọc, tuyển nổi.

Hạt keo: 2 dạng chính– Keo kỵ nước: đất sét, oxit kim loại,…

• Không có ái lực với mt nước• Dễ keo tụ• Đa số là những hạt keo vô cơ

– Keo ưa nước: proteins, polymers,…• Thể hiện ái lực với nước• Hấp thụ nước và làm chậm qt keo tụ• Đa số là những hạt keo hữu cơ

Đặc tính của hạt keo Khả năng lắng rất chậm (chuyển động Brown

gây cản trở qt lắng do trọng lực)

Là tác nhân gây ô nhiễm nước e.g tăng độ đục (turbidity)

Đặc tính bề mặt (điện thế ζ,…) là yếu tố quan trọng (surface properties)

– Có xu hướng kết hợp với các chất từ môi trường xung quanh (tỉ lệ diện tích bề mặt:khối lượng cao hơn)

– Có xu hướng tăng điện tích

Cấu tạo hạt keo

Lực tương tác giữa các hạt

Hệ keo Khi các hạt keo tiếp xúc với nhau, chúng tạo

thành các hạt có kích thước lớn hơn, tạo bông và kết tủa

Lực giữa các hạt keo: lực hút và lực đẩy tĩnh điện hoặc lực Van der Waals

Độ lớn: tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa các hạt

Khả năng ổn định hạt keo là kết quả tổng hợp Fh và Fđ

Điện thế zêta < 0,03V → Fh thắng Fđ. Khi ζ → 0 thì quá trình keo tụ càng đạt hiệu quả

Sự ổn định hệ keo và giá trị ζ

Năng lượng tương tác của hệ keo

Cơ chế qt keo tụ tạo bông Qt nén lớp điện tích kép, giảm thế điện động

zêta nhờ ion trái dấu

Quá trình keo tụ do hấp phụ ion trái dấu trên bề mặt, trung hòa điện tích tạo ra điểm đẳng điện ζ = 0

Cơ chế hấp phụ - tạo cầu nối

Các polymer có thể ion hóa, nhờ cấu trúc mạch dài chúng tạo cầu nối giữa các hạt keo qua các bước:– Phân tán polymer

– Vận chuyển polymer đến bề mặt hạt

– Hấp phụ polymer lên bề mặt hạt

– Lk giữa các hạt đã hấp phụ polymer với nhau hoặc với các hạt khác

Qt keo tụ hấp phụ cùng lắng trong qt lắng

Cơ chế (tt) Trung hòa điện tích

– Sự hấp phụ các chất mang điện tích trái dấu với các

hạt keo

– Giảm thế điện thế bề mặt và làm mất ổn định hệ

keo

– Hàm lượng chất keo tụ tăng → nồng độ hạt keo tăng

– Quá nhiều chất keo tụ → tái ổn định hệ keo

Qt keo tụ - hấp phụ cùng lắng trong qt lắng

Phèn nhômPhèn sắt

pH Al(OH)3

Fe(OH)3 ↓

Cơ chế tạo cầu nối Phản ứng 1: phân tử polymer kết dính với hạt keo

(tích điện trái dấu)

Phản ứng 2: phần còn lại của polymer ở trên liên kết với những vị trí hoạt tính trên bề mặt các hạt keo khác

Cơ chế tạo cầu nối (tt) Phản ứng 3: hiện tượng tái bền hạt keo

Phản ứng 4: nếu quá thừa polymer

Cơ chế tạo cầu nối (tt)

Phản ứng 5: nếu khuấy trộn quá mạnh hoặc quá lâu, lk giữa hạt keo và polymer sẽ bị phá vỡ

Phản ứng 6: tái bền hạt keo

Chất keo tụ (Coagulant)

Thường sử dụng trong xử lý nước và nước

thải: Fe(III) và Al(III) chủ yếu do khả năng

gây keo tụ lớn

Hóa học của chất keo tụ

Cả Al3+ và Fe3+ đều p/ư mạnh với nước →

các hydroxide kết tủa

Al3+ + 3H2O → Al(OH)3↓ + 3H+

Fe3+ + 3H2O → Fe(OH)3↓ + 3H+

Ở pH cao:

Al(OH)3↓ + OH- → Al(OH)4-

Fe(OH)3↓ + OH- → Fe(OH)4-

Chất keo tụ - Alum Tạo thành từ quặng Bauxit hòa tan trong

H2SO4

Dung dịch tạo thành được loại bỏ tạp chất,

trung hòa, cho bay hơi để tạo thành các miếng

Nhôm Sulfate

Có màu xám hoặc trắng vàng (tùy vào hàm

lượng tạp chất)

Công thức: Al2(SO4)3(H2O)n (n = 0,6,10,16,18

và 27)

Alum (tt)Alum hòa tan và p/ư với kiềm trong nước

Al2(SO4)3(H2O)n↓ + HCO3- → Al(OH)3↓ + CO2↑

+ SO42- + H2O

– Kết tủa Al(OH)3 màu trắng

– CO2 tạo thành dạng bọt khí trong nước và bám

trên thành cốc thí nghiệm Jar Test

Lưu ý:

- pH tối ưu: 5,5 – 7,5

- Nhiệt độ thích hợp: 20 – 400C

- Hàm lượng ion, CHC trong nước, liều lượng phèn,

đk khuấy trộn, mt phản ứng…

Alum (tt)

pH < 4

pH = 4,5 → 5

AlOH2+, Al8(OH)204+

pH > 9,5: Al(OH)4-

pH = 5 → 9: nhiều dạng kết tủa, chủ yếu Al(OH)3

Alum (tt)Nếu sự keo tụ (bằng Alum) ở trong vùng tái ổn định (restabilization):

Tăng hàm lượng Alum sử dụng → thoát khỏi miền đảo ngược điện tích → Tăng nồng độ SO4

2-

Thêm dd vôi → tăng pH, chuyển sang phía bên phải vùng tái ổn định

Thêm chất tạo bông để kết bông các keo mang điện dương

Thêm chất keo tụ mang điện âm (bentonite, silica hoạt tính) → giảm điện tích dương của hạt keo → tạo bông

→ trọng lượng hạt keo tăng → tăng vận tốc lắng

Phèn nhôm sunfat: Al2(SO4)3.18H2O

Tên chỉ tiêu Mức chất lượng1. Ngoại quan Dạng bột, màu hơi

trắng ngà hoặc hơi vàng.

2. Hàm lượng nhôm oxyt Al2O3, %, không nhỏ hơn

16

3. Hàm lượng Acid Sunfuaric H2SO4, %, không lớn hơn

0,001

4. Hàm lượng chất không tan trong nước, %, không lớn hơn

0,3

Phèn nhôm

Ưu điểm

Ít độc, sẵn có trên thị trường, khá rẻ

Keo tụ bằng phèn nhôm: công nghệ đơn giản, dễ kiểm soát, phổ biến

Nhược điểm

Làm giảm đáng kể pH, chi phí hóa chất cao

Quá liều cần thiết, hiện tượng keo tụ bị phá vỡ

Lượng bùn sinh ra cần xử lý lớn

Nước bị nhiễm Al3+ - tác nhân gây bệnhAlzmeyer

Hợp chất Fe

3 dạng muối sắt chủ yếu thường gặp trong xử lý nước:

FeCl3.6H2O : Ferric chloride

Fe2(SO4)3(H2O)9 : Ferric sulfate

FeSO4(H2O)7 : Ferrous sulfate

Fe2+ thường kết tủa dưới dạng Fe(OH)2 và FeCO3

Độ kiềm nước tự nhiên: chủ yếu HCO3- →

thêm vôi vào

Fe2+ + HCO3- + OH- → FeCO3 + H2O

Hợp chất Fe (III)

Fe2(SO4)3.nH2O ← OXH FeSO4 bằng HNO3

n: 0, 3, 6, 7, 10 và 12

FeCl3.nH2O ← cho HCl p/ư với Fe, Fe2(CO3)2

hoặc Fe2O3.

n: 6 (chủ yếu); 2; 2,5 và 3,5

Các dạng khác

Fe(OH)2+

Fe(OH)4-

Phèn sắtƯu điểm

Ít bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ

Giới hạn pH rộng hơn

Bông cặn bền hơn, nặng hơn → lắng tốt hơn

Lượng phèn sắt (III) sử dụng = (1/3 – 1/2) lượng

phèn nhôm → lượng sắt dư thấp hơn

Nhược điểm

Ăn mòn đường ống mạnh hơn phèn nhôm

→ Sử dụng phèn sắt : phèn nhôm = 1:1 hoặc 2:1

Các sản phẩm polymer vô cơ

PAC – PolyAliminium Chloride

PASS – PolyAluminiumSilicateSulphate

PFC - PolyFerric Chloride)

PFS - PolyFerric Sulphate

PAFS Poly-Alumino-Ferric Sulphate

PAC

Công thức tổng quát: [Al2(OH)nCl6.nxH2O]m (trong đó m ≤ 10, n ≤ 5)

Hiệu quả keo tụ và lắng trong > 4-5 lần

Tan nhanh và tốt trong nước, ít làm biến động pH

Không làm đục nước khi dùng thừa hoặc thiếu

[Al] dư trong nước ít hơn khi dùng phèn nhôm

Khả năng loại bỏ chất hữu cơ tan, không tan và kim loại nặng tốt hơn

Không làm phát sinh SO42- trong nước sau xử lý

(độc cho sinh vật)

Cơ chế tác dụng của PAC

Phân li và thuỷ phân trong nước:

Al3+, Al(OH)2+, Al(OH) phân tử và Al(OH)4

-,

ba hạt polime: Al2(OH)24+, Al3(OH)4

5+, Al13O4(OH)247+ và

Al(OH)3rắn.

Trong đó Al13O4(OH)247+ gọi tắt là Al13 là tác nhân gây

keo tụ chính và tốt nhất.

Điện tích: +7 → trung hòa điện tích hạt keo và gâykeo tụ rất mạnh

Kích thước hạt polime lớn (2nm, so với 0,1nm củaAl3+) → bông cặn to và chắc hơn

PAFC - [ Al2(OH)nCl6-n]m.[Fe2(OH)nCl6-n]m

Chỉ tiêu Kết quả

1. Ngoại quan Dung dịch màu nâu đỏ

2. pH 4

3. Tỷ trọng dung dịch 1,3 ( Bomex = 320)

4. Hàm lượng Al2O3 ≥ 30 %

5. Hàm lượng Fe2O3 ≥ 20 %

6. Hàm lượng chất không tan trong nước

≤ 0,01 %

PAFC

Là chất keo tụ cao phân tử, có hiệu quả sử dụng cao trong xử lý nước sạch, nước thải.

Tan nhanh hoàn toàn trong nước.

Khả năng keo tụ nhanh, lắng nhanh, làm trong nước nhanh, chất lượng nước tốt hơn dùng PAC.

Xử lý màu, diệt khuẩn, khử mùi, khử tảo. Đặc biệt có tác dụng khử COD, BOD và các ion kim loại nặng trong nước.

Mô hình Jar Test

Jar Test (tt) Mục đích: xác định hàm lượng chất keo tụ thích hợp

Tiến trình thí nghiệm

– Lấy thể tích mẫu xác định

– Thêm vào chất keo tụ với hàm lượng tăng dần

– Khuấy trộn nhanh trong (3 phút), sau đó khuấy chậm trong (12 phút), để lắng

– Đo độ đục của mẫu

Để đánh giá hiệu suất của quá trình keo tụ tạo bông

– Vận tốc lắng

– Độ đục

– Thể tích phần cặn lắng

Jar Test (tt)Nếu không xảy ra keo tụ, hoặc bông cặn tạo thành

không thích hợp

Sử dụng hàm lượng chất keo tụ lớn hơn

Kiểm tra độ kiềm của nước thải đầu vào (thêm Soda)

Nhiệt độ của nước thấp → p/ư keo tụ không xảy ra

Jar Test:

Đánh giá hiệu quả của các chất keo tụ khác nhau

Khả năng xử lý màu, mùi và sản phẩm phụ của quá trình khử trùng

Jar Test

Động học qt keo tụ tạo bông

Qt keo tụ: phá vỡ trạng thái bền của hạt keo

Qt tạo bông: sự tiếp xúc giữa các hạt keo đã bị phá bền, theo các cơ chế sau

– Tiếp xúc do chuyển động nhiệt

• Chuyển động Brown/sự khuyếch tán, tạo thành các hạt Φ → 1µm

• Perikinetic flocculation

– Tiếp xúc từ sự chuyển động của lưu chất

• Gây ra bởi qt khuấy trộn lưu chất

• Orthokinetic flocculation

– Tiếp xúc do quá trình lắng của các hạt

Động học qt keo tụ tạo bông (tt)

Hạt có kích thước nhỏ: chủ yếu là perikinetic

flocculation

Nếu Φ=1µm và G=10s-1 thì Jok=Jpk

Các hạt có xu hướng kết hợp tạo thành hạt

có kích thước 1µm bằng chuyển động Brown

(perikinetic flocculation) → khuấy trộn để duy

trì tiếp tục sự keo tụ tạo bông (orthokinetic

flocculation)

Độ đục tăng → giá trị G tối ưu giảm

Perikinetic flocculation

– Jpk - tốc độ thay đổi nồng độ các hạt keo theo thời gian do Perikinetic flocculation

– N0 - nồng độ các hạt lơ lửng tại thời điểm t

– η - hệ số hiệu quả của sự va chạm (tiếp xúc)

– k - hằng số Boltzman

– T – nhiệt độ tuyệt đối

– µ- độ nhớt của chất lỏng

Tốc độ quá trình Perikinetic flocculation không phụ thuộc kích thước hạt

Jpk tỉ lệ thuận với nồng độ các hạt lơ lửng

JdNdt

k TNpk 0

024

3. . ..

.( )

Orthokinetic flocculation

d - đường kính của hạt

G - gradient vận tốc, phụ thuộc vào

– Thành phần hóa học của nước

– Bản chất và nồng độ keo trong nước

20

30 ).(

3

...2N

dG

dt

dNJOK

Giá trị G và t G và t tối ưu phụ thuộc vào

– Thành phần hóa học của nước

– Bản chất và nồng độ của bông cặn

G tối ưu giảm khi độ đục tăng

G quá cao → cặn bị vỡ

t quá cao → cặn bị ăn mòn

Quá trình tạo bông:

– Ban đầu, bông cặn được tạo thành với giá trị G cao

– Khi bông cặn lớn dần, giảm dần G để tránh làm vỡ bông cặn

Giá trị G và t

Chất tạo bông – Chất trợ keo tụ (Flocculant) Nồng độ cặn thấp:

Cần sử dụng chất keo tụ với hàm lượng cao

Bông cặn tạo thành nhẹ, dễ vỡ và lắng chậm

Chất tạo bông

Sử dụng để tăng đặc tính của bông cặn (tính bền,

khả năng lắng,…)

Silica hoạt tính

Bentonite

Vôi

polymers

Chất tạo bông – vai trò

Thay đổi pH → thay đổi điện tích bề mặt hạt keo

Tạo độ kiềm thích hợp cho qt keo tụ

Giảm điện tích bề mặt (bằng cách hấp phụ trên bề mặt hạt keo) → thoát khỏi vùng tái ổn định hạt keo

Tạo cầu nối giữa các hạt keo → tạo bông cặn

Tăng độ bền của bông cặn

Tăng nồng độ các phần tử trong dung dịch

Tăng trọng lượng của bông cặn

Polymers

Polymer hữu cơ

Khối lượng phân tử lớn, mạch dài

Polymer tự nhiên: hiệu quả thấp

Polymer tổng hợp: hiệu quả cao hơn

Polymer tổng hợp

Có thể chứa các nhóm mang điện

Thường sử dụng trong các nhà máy xử lý nước,

nước thải

Thiết bị của quá trình keo tụ

Trung hòa, làm mất ôn định các hạt keo

Chất phản ứng được khuếch tán vào dung dịch càng nhanh càng tốt

Thể tích chất phản ứng được thêm vào rất nhỏ so với thể tích dung dịch cần xử lý

Thiết bị khuấy trộn phải đảm bảo:

– Gây độ xáo trộn thích hợp

– Phân tán nhanh các chất phản ứng vào dung dịch

Máy trộn tĩnh (Static Mixers)

Máy trộn tĩnh (tt) Không có các phần linh động → dễ bảo dưỡng

và sữa chữa

Màng chắn, lưới,…được lắp phía trong đường ống → tạo sự xáo trộn cần thiết để khuếch tán chất keo tụ

Nhược điểm

– Tổn thất cột áp lớn

– Không phù hợp khi lưu lượng dòng chảy giảm

Máy trộn khí nén (Pneumatic Mixers) Khí nén được sử dụng như 1 thiết

bị khuấy trộn, được đưa vào thông qua máy khuếch tán

Khi bọt khí nổi lên → gây sự xáo trộn

Mức độ xáo trộn được điều chỉnh bởi loại máy khuếch tán và áp suất

Nhược điểm

– Các bông cặn có thể bám vào bọt khí → gây cản trở quá trình lắng của bông cặn

Máy trộn cơ học (Mechanical Mixers)

Sự xáo trộn được tạo ra do động cơ turbin/chân vịt/mái chèo,…quay

Tiêu hao nhiều năng lượng → chi phí vận hành và bảo dưỡng cao

Liên tục hoặc gián đoạn

Quy trình công nghệ xử lý nước thải KCN Lê Minh Xuân

Đốt

Screenings

Ép bùn

Tạo bông Bể keo tụ Bể chỉnh pH

Treated water

Hố thu

Bể điều hòa

Song chắn rác

Bể lắng 1

Bể trung hòa AerotankBể lắng 2

Bể khử trùng

NaOHPACAnionic polymer

HCl

Cationic polymer

Nước Javel

PAC

Anionic polymer

NaOH

HCl