Sự đa dạng về không gian và thời gian của các nguồn nước, về nhu càu sử dụng là r ấ t khác biệt, n h ất là với các yêu cầu ngày càng tăng của các miền đ ất đang dần bị khô cạn, đang chịu
Trang 1N G U Y Ê N H Ũ U P H Ú
C ơ SỎ
LÝ THUYẾT CÔNG NGHỆ
XỬLỶ
Trang 2NGUYỄN HỮU PHÚ
Cơ s ỏ LÝ THUYẾT
VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ
Giáo trình dùng cho sinh viên ngành Hóa học, Công nghệ hóa học, Môi trường, Ký thuật môi trường
các trường đại học và cao đằng
NHÀ XUẤT BẨN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT
HÀ NỘI
Trang 3- - 84-106-00 KHKT-00
Trang 4L Ò I N Ó I ĐAU
Ngày nay, ván dè xử lý nước và cung cấp nước sạch cho dàn cư là mối quan tâm lởn của nhiêu quốc gia, nhiều tổ chức xã hội và chính bản thăn của mỗi cộng đồng dân cư.
Việt N am la m ột nước mà "phần lớn dân cư ờ vùng nóng thôn còn thiêu nước sạch số người dân được hường nước sạch chì chiếm khoảng 40% dân số" ( K Do
dó, nhiệm vụ xừ lý nước và cung cấp nước sạch là một vắn đ'ê xã hội nồi bật, đang dược quan tâm dặc biệt bởi nhiêu nhà khoa học và các nhà quản lý của nước ta.
Trong hoàn cảnh như thế, chúng tôi biên soạn cuốn giảo trinh "Cờ sờ lý thuyết và công nghệ xử lý nước tự nhiên" nhằm cung cấp những kiến thức ca bản
và các thông tin khoa học công nghệ mói nhát trong lỉnh vực này với hy vọng răng, sẽ góp phần vào nhiệm vụ xử lý nước và cung cấp nước sạch ỏ nước ta
m ột cách tích cực và thiết thực hơn.
Cuốn sách trinh bầy các nội dung rất thiết thục cho các sinh viên dang học tập ỏ các khoa Môi trường của các trường dại học, cho các cán bộ nghiên cứu, các nhà công nghệ và quản lý dang lầm việc trong lỉnh vực "Bào vệ, xử
lý và khai thác môi trường nước".
Tác giả xin chân thành cảm ơn các dộc giả vẽ sự ủng hộ và dóng góp ý kiến cho nội dung và hình thức của giáo trinh với mong muốn rằng, trong lần xuất bản sau chất lượng sẽ dược hoàn hảo hơn.
Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn!
Tác g iả (*)
(*) Phạm Song và cộng sự Côim nehệ cung cấp nước sạch và vệ sinh môi truừng, Nhà xuíít bàn KII và K ì
Hà NỘI, 1996.
Trang 5CÁC CHỮ VIẾT TẮT
BET Bề m ặ t riêng theo phương pháp BET
(B runauer - E m m ett - Teller)
CHCKSH Cacbon hữu cơ không phân huỷ sinh họcCHCR Các bon hữu cơ dạng h ạ t
CHCHT Cachón hữu cơ h o à ta n
DPD N, N- 1,4- dietyl phenylen diam in
H C -C lo-T H ữu cơ - clo tổng
HC- Halo- HP H ữu cơ - halogen hấp phụ
H G -H alo -T H ữu cơ - halogen tổng
HCHTSH H ữu cơ hoà ta n sinh học
Ox K M n0 4 Độ oxy hoá theo K M n 04
VONHC Vi ô nhiễm hữu cơ
VONVC Vi ồ nhiễm vô cơ
WHO Tổ chức Y tế th ế giới
Trang 6CÖ SỎ LÝ THUYỂT VÀ CÔNG NGHỆ x ử LÝ NƯỎC Tự NHIÊN 5
MỤC LỰC
Trang
Chương 1, Đ ại cư ơng v ề n gu ồn nước
1.1 Tình trạng nguồn nưỏc hiện nay và tình hình sử (lụng nưỏc 7
2.5 Điều chinh thành phân khoáng và xác lập trạng thái cân bàng của nưóc 652.5.1 Một vài cơ sỏ lý thuyết về cân bàng canxi - cacbonat 65
Trang 73.3.1 Nguồn gổc của các chất VONHC và các phương pháp phân tích 943.3.2 Loại bỏ và chuyển hóa các chất VONHC bjằng các biện pháp xử lý
3.3.3 Loại bỏ và chuyên hóa các chất VONHC bàng các biện pháp tiên tiến 100
Trang 8ĐẠI CƯƠNG VỀ NGUỒN Nưỏc
1.1 TÌNH TRẠNG NGUÒN NƯÔC HIỆN NAY VÀ TÌNH HÌNH s ử DỤNG NƯỒC
Nước là nguồn gốc của sự sống, cần thiết không những đối với con người, súc vật m à còn đối với cây cỏ Ngày nay, nước được thừa nhận như một nguồn tài nguyên chiến lược của mỗi quốc gia, và đo' là một trong các nguồn tài nguyên chủ chốt nhất của T rái Đất, bảo đảm sự an toàn thực phẩm, duy trì sự cân bằng của các hệ sinh thái, và đảm bảo sự hoạt động của con người trong một th ế giới đầy những biến động nhanh chóng về địa lý,
xã hội và môi trường
Theo các số liệu gần đây(*), lượng nước ngọt có thể sử dụng được trê n hành tinh chúng ta (không kể nước đdng băng và nguồn nước ngầm rấ t sâu) chỉ chiếm 0,26% lượng nước toàn thể, hoặc có khoảng 50.000 km 3/năm trong đo' chỉ 1/3 là cđ khả n ăn g sử dụng vào việc sản xuất nước sạch
Sự đa dạng về không gian và thời gian của các nguồn nước, về nhu càu sử dụng là
r ấ t khác biệt, n h ất là với các yêu cầu ngày càng tăng của các miền đ ất đang dần bị khô cạn, đang chịu một áp lực nặng nề về dân số và đang bị đe doạ bởi sự ô nhiễm trà m trọng do phát triển công nghiệp, nông nghiệp
Hình 1-1 trình bày sự phấn bố nguồn nước ngọt trên hành tinh và tình trạn g sử dụng nước ngọt của các miền dân cư trên th ế giới
Xét trong phạm vi toàn càu, tình trạn g cung cấp nước sạch hiện nay là không đáp ứng: cứ 5 người thì có 1 người thiếu nước uống, cứ 2 người thì có một người không được
sử dụng,hệ thống nước được xử lý hợp vệ sinh và 5 triệu người chết hàng năm vỉ dùng nước bị ồ nhiễm
Trong tương lai, tình trạn g khan hiếm về nguồn nước ngọt và sự cung cấp nước sạch lại càng tồi tệ hơn, do:
• Sự biến đổi của khí hậu, xuất hiện nhiều vùng thiếu nước do khô cạn, hạn hán
• Do phát triển dân số: người ta dự đoán rằng, hai mươi năm sau, hơn m ột nửa dân
số trên hành tinh sẽ sống ở các thành phố lớn và rấ t lớn Hơn 50 thành phố sẽ vượt quá
9 triệu người, số thành phố hơn 1 triệu dân sẽ tăng tìl 280 hiện nay đến hơn 600
Assessment of water Resource and water Availability in the world; State Hydrological Institute St Petersbourg Russie, Shiklomanov et al 1996.
Trang 98 ĐẠI CƯỒNG VÈ NGUỒN NƯỐC
TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NƯỒC NGỌT TRÊN THẾ GIỐI
Nirớc mặn: 97,5% Nl,'ó'c nS9t: 2>24%
(đại diro-ng) Vùns c9'c (Antarclique, Greenland)
N ừức ngọt cổ the đạt được: chỉ bằng 0,26%
H ồ tự nhiên
H ồ nhân tạo Nước chảy
Nguồn tài liệu: Assessment of Water Resource and Witer Availability in the W)rld ; State Hydrological Institute, St Peterbourg, Russie; Prof,
f A Shiklomanov, et, al, 1996
Tý tệ $ nhiêm (% tha» nguSn ô nhỉôm)
Khỏ nána s ’ứ dung ihiỊO đẩu ngtJdì(nghĩn
nghiệp nSng nghióp khuân
□ - ,
Thâm th a u /n ứ d c m ứ a
Hình 1-1: Tình hình phân bố và sử dụng nước ngpt trên thế giới.
• Sự ô nhiễm nặng n ề eủa các nguồn nước vì các hoá c h ất độc hại được sử dụng tro n g nông nghiệp và công nghiệp Ví dụ, ở m ột số nước Châu Âu, các tầ n g đ ấ t co' rễ
Trang 100 0 SỎ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ x ử LÝ N ư ó c Tự NHIÊN 9
âníSâu đều có, hàm lượng n itra t vượt quá tiêu chuẩn cho phép 20%, thuốc bảo vệ thực vậtcvưởt 70%
J Dò đđ, nếu không có m ột chính sách, chiến lược đúng đắn về khai thác, bảo vệ và sử đựng nguồn nưóc thhcon người, ngày càng phải tiến dần đến một sự khủng hoảng nghiêm trọng về nước
1.2 CÁC NGUÒN NƯỎC Tự NHIÊN
Có ba giai đoạn cơ bản tạo nên một chu trình luân chuyển của nước trên m ật đất: bay hơi, mưa - tuyết và dòng chảy Nước rấ t phong phú trong thiên nhiên và che phủ 4/5 bề m ặt Trái Đất Co' bốn nguồn nước tự nhiên chủ yếu:
• Nước mưa: có chất lượng tốt, bão hoà C 0 2 Tuy nhiên, nước mưa sẽ hoà ta n các chất vô cơ và hữu cơ khác nhau trong không khí và trong quá trình thấm qua đất Nguồn nước m ưa được sử dụng không nhiều lắm, chỉ giới hạn trong các trường hợp khó khăn
về nước
• Nước be mặt: đó là nước của các sông, suối, ao hồ (tự nhiên hoặc nhân tạo) Chất
lượng nước của sông phụ thuộc vào môi trường xung quanh, nghĩa là phụ thuộc vào nguồn ô nhiễm (nông nghiệp, công nghiệp, dân cư ) Ngoài ra, trong nước sông còn co'
sự p h át triển sinh sôi của vi khuẩn, biến đổi theo mùa Các hồ cũng nằm trong tình trạn g như thế Chúng có thể được xém như là các bể lắng co' những tính chất tương đối ổn định
• Nước ngầm: nước ngầm là nước ở dưới m ặt đất Cho đến những năm gần đây, nước
ngầm vẫn chưa bị xâm hại bỏi các nguồn ô nhiễm, vì được lọc qua đất Nước ngầm có ít
vi khuẩn và chứa m ột nồng độ đáng kể các muối hoà tan (Fe, Mn )
• Nước biển : nước chứa tới 33 đến 37 g/1 muối hoà tan
Chỉ có nguồn nước ngầm, nước bề m ặt thường được sử dụng với quy mô công nghiệp
để sản xuất nước sạch đáp ứng cho nhu cầu sinh hoạt con người
Nừớc Có những tính chất đặc biệt, do đo' nước trở thành một sản phẩm không th ể thiếu được trong nhiều ứng dụrig khác nhau
• Do tính phân cực mạnh, nước là nguồn dung môi tốt đối với các phần tử phân cực
• Do khả năng ion hoá, các phản ứng ion luôn được tiến hành dễ dàng trong môi trường nước
• Do các tính chất vật lý, nước được sử dụng để làm chất tải nhiệt (nhiệt dung lốn, nhiệt độ bay hơi, Thl, cao, nhiệt hđa hơi lớn)
1.3 THÀNH PHẦN CỦA NƯÔC
Tuỳ thuộc vào bản chất và xuất xứ của nguồn nước mà thành phần của nước (các chất chứa trong nước) khác nhau Tuy nhiên, chúng ta có th ể phân chia các chất trong nước thành các nhóm tuỳ thuộc vào kích thước và đặc điểm cấu tạo (hoá học, sinh học ) của chúng (hình 1-2)
Ị.3.1 CÁC CHẤT HUYỆN PHÙ (HP)
Gác chất H P thường co' nhiều trong nước bề mật Đo' là các h ạt rắn có kích thước
Trang 11ĐẠI CƯONG VỀ NGUỒN NƯỚC
10
nhỏ, nổi lơ lửng tro n g nước Kích thứớc của các h ạ t H P th ay đổi từ 1 ¡um đến lm m CIO-6
- 10'3m) Chúng cđ th ể bị lắng gạn hoặc lọc trê n các m àng lọc có các đường k ín h lỗ cỡ l^ m Các chất H P được tạo ra bởị.,các c h ấ t vô cơ (oxit kim loại, khoáng sé t .) và các sinh vật (vi khuẩn, tảo ) Người ta co' th ể loại bỏ H P bằng các kỹ th u ậ t cổ điển như làm tro n g (gạn, lọc đơn giản) hoặc bằng các kỹ th u ậ t hiện đại như kỹ th u ậ t vi lọc
Vi'do, COC sét eâ cd _ _ _
Hình 1-2 Các tạp chất trong môi trường nước tự nhiên
Các h ạ t H P nhỏ trê n 1 ụ m (hoặc nhỏ hơn vài m icrom et) và lớn hơn m ộ t vài nanom et
được gọi là các h ạ t H P dạng keo Các khoáng sét, các oxit kim loại, các cacbonat, cũng như các ax it humic, các protein có khối lượng p h ân tử lớn và các vi r ú t tạo ra loại H P ở trạ n g th á i phân tá n keo Chúng được keo tụ - tủ a bông (coagulation - flocculation) để
có th ể gạn lọc được bằn g kỹ th u ậ t cổ điển P h ần lớn các H P ở trạ n g thái keo có th ể bị
loại bỏ bằng phương pháp siêu lọc
Sự có m ặ t của các h ạ t H P gây ra sự cản trộ án h sán g truyền q u a lốp nước do hiệu
ứng khuếch tản Tynđan (Tyndall) và tạo r a độ đục của nước.
Việc xác định lượng ch ất H P được thực hiện bằng cách lọc Sau đó sấy (nung) ở
105°c và 55 0 °c cho phép phân biệt được v ật liệu H P ở dạn g bay hơi v à dạng vô cơ.
1.3.2 CẤC CHÁT HOÀ TAN
• Các chất khí: Các khí tron g khí quyển dễ dàng hoà ta n vào nước (độ ta n ở 10°c
dưới 1 b a r là 23; 54 và 2318 mg/1 tương ứng với 0 2; N 2 và C 0 2 Nồng độ của chúng trong
nước tu â n theo đ ịn h lu ậ t Henry:
P o 2 = * v ° 2]bh ’
tro n g đó : Hq2 : h ằn g số H enry của 0 2;
[P2]bh ; nồng độ của 0 2 bão hoà;
P-0 : áp su ấ t riêng phần của oxy
Độ ta n của khí giảm khi nhiệt độ tăng N ồng độ oxy tro n g nước l à m ột th a m số quan trọ n g đối với mọi hệ sinh th á i dưới nước Nồng độ đo' r ấ t nhạy với các ô nhiễm hữu cơ, Thực vậy, tro n g m ột hồ nưốc, lượng oxy nh ận được là do kết quả đồng thời của oxy khí quyển hoà ta n và oxy sinh r a từ tổ ng hợp quang hoá (quang hợp) Ngược lại, oxy bị tiêu hao do sinh khối, trước h ết do các sinh khối vi sinh vật, do các ô nhiễm hữu cơ bị phân huỷ do vi sinh Tuỳ thuộc vào n h iệ t độ (giảm về b an đêm ) hoặc vào lượng ô n h iễm du
Trang 12c o SỎ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ x ử LÝ N ư ố c Tự NHIÊN 11
nhập m à lượng oxy tổng cộng cố th ể thiếu "hoặc thìía cho các hoạt động của m ột hệ sinh thái dưới nước
• Các chất hữu cơ hoà tan
Trong nước chứa nhiều chất hữu cơ Nguyên nhản cđ th ể là, nước ngấm qua đất, hoà
ta n các chất hữu cơ cđ trong đất, hoặc do sự phân huỷ của xác thực vật, động vật, hoặc
do tác động của con người Các chất hữu cơ hoà tan trong nước r ấ t đa dạng và r ấ t khác nhau về các nhóm chức Một đặc điểm của chất hữu cơ hoà tan là nồng độ của nđ thường nhỏ (ng/1 - /íg/1) trừ các trường hợp bị ô nhiễm nghiêm trọng
• Các muối vô cơ hoà tan
Các muối vô cờ là phần quan trọng n hất của các hợp chất hoà tá n trong nước tự nhiên H àm lượng của nó thay đổi (30 - 500 mg/1) Các nguyên tố chủ yếu là kim loại kiềm (K+, N a+) và kiềm thổ (Ca2+, Mg2+ ) Độ muối cation bằng độ muối của các anion (OH-, C 02~ SO2- )
Fe và Mn cđ r ấ t nhiều trong vỏ Trái Đ ất và chúng ta n nhiều trong nước, với nồng
độ từ 1 đến 10 mg Fe/1 và 0,1 - 3 mg Mn/1 Mặc dù không độc ở các nồng độ đó, song chúng cần được loại bỏ trước khi sử dụng (liên quan đến độ đục, m àu sắc, sự kết lắng các oxit trong đưòng ống, phát triển vi khuẩn ưa sắt )
*
Như vậy, nước tự nhiên là m ột hệ bao gồm nhiều hợp chất phức tạp: vô cơ, hữu cơ
và sinh vật Tuỳ thuộc vào nguồn nước và tình trạng ô nhiễm m à th ành phần (nồng độ
và chủng loại) các hợp chất sẽ thay đổi Chất lượng của nguồn nước nguyên khai và tiêu chuẩn chất lượng nước sạch cần được sản xuất (cho mục đích ăn uống, sử dụng trong công nghiệp, nông nghiệp ) sẽ quyết định hạng mục quá trình, tính chất và quy mô của dây chuyền xử lý nước thích hợp
Trang 13Đ ể sản x u ất nưốc sạch người ta phải tiến hàn h nhiều công đoạn (quá trìn h ) xử lý Gần th iết <Sầe đầy chuyền xử lỵ cũng sẽ thay đổi';tu ỳ th u ệ e vào nguồn nước, mức độ ô
n h ith i và chỂỄt liíông đổi hỏi cửa nước sạch
N oi chung, người ta thường tiế n hàn h các cặng đoạn xử Iỹ quan trọ n g sau đây:
2.1 KEO TỤ - TỦA BÔNG
Ken tụ - tủ a bông là m ệt công đoạn quan trọ n g tro n g xử lý nước (n h ất là nước bề
m ặt) (Bâng đoạn này luôn xẩy r a trước công đoạn làm tro n g (lắng gạn hoặc lọc nổi, tiếp
dtftfe'fyec q p a lôp lọc cố định)
Biặe d& keo tụ - tủ a bống là hai quá trìn h riêng rẽ (về lý thu y ết cũng như công
W lpfo sa n g chổng thư bn g in hai q u á trìn h không tách rời< nhau tro n g rấ t nhiều trường
hự|*
Z1.L v m s ồ LÝ TMLHíÉT
2 1 Î.B l i e » t ụ
Keo tu*1 ‘■■■MênatvtỊỊBg-phái vỡ, trạiq* th ái ổn định của các h ạ t keo huyền phù để tạo ra
các cụm h ạ t kM có sự tiếp xác giữa các h ạ t keo
2.IUL LL Phé bềto càa các kạí keo huyền phù ỊgBK).
Noi chung, các ch ất ở- tr ạ n g th á i huyền phù cố kích thước khác nhau Một số có kích
th uốc v à m ậ t đ ệ đủ lớn ầ§ cổ th ế đễ ầ&ng bậ-:sa lắng Một số có kích thước đủ nhỏ (10‘8
Trang 14- 10"5 m), được gọi là huyền phù keo, trong những điều kiện thuận lợi, chúng có th ể kết
tụ lại với nhau thành các tổ hợp (cụm) h ạt lớn hơn, co' thể lắng gạn được Sự tổ hợp đo'
rấ t ít khi tự xẩy ra một cách tự nhiên trong nước vl hiệu ứng tương tác đẩy tĩnh điện giữa chúng (bề m ặt hạt keo mang điện), các điện tích cùng dấu cản trở sự tiếp xúc giữa các hạt
Thực vậy, tấ t cả các chất rắn ở dạng huyền phù đều co' thể tích điện khi tiếp xúc với nước Các hạt keo, cũng như các hạt huyền phù khác là các hợp chất vô cơ (oxit kim loại, cacbonat, silicat, phosphat ) hoặc các chất hữu cơ (humic, protein, tảo, vi khuẩn ) đều
cố các nhóm chức ion khi tiếp xúc với nước Chẳng hạn, một oxit kim loại được cấu tạo
từ các nguyên tử kim loại và các oxy theo hệ số tỷ lượng nhất định Khi tiếp xúc với nước, trên bề m ặt của chúng có các nhóm hydroxyl (4 - 10 nho'm/nm2) Trên bề m ặt oxit kim loại, các nho'm OH tham gia phản ứng như là một áxit hoặc một bazơ tùy thuộc vào môi trường tiếp xúc:
=Me- OH2 ^ sM e- OH + H + K ị (hằng số cân bằng)
=M e-O H = = M e -0 - + H + K 2 (hằng số cân bằng)
Ví dụ:
CÖ Sỏ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ x ử LÝ N ư ố c Tự NHIÊN
y-Al20 3 p^i = 7,2 p K 2 = 9,50 (25°c, 0,1M NaC104) (*)
d-Al20 3 V k \ = 7,4 VK 2 = 10,0 (25°c, 0,1M NaClCỤ
a- A120 3 vk \ = 6,4 p k 2 = 9,25 (25°c, 0,1M NaC104)
Tuỳ thuộc vào pH của môi trường và các giá trị của các hằng số cân bằng K ị và K 2,
oxit kim loại sẽ tích điện âm hoặc dương hoặc không tích điện Trong trường hợp bề m ặt không tích điện, pH tương ứng được gọi là pH của điểm đẳng điện (pH0) Một sự giải thích tương tự đối với tấ t cả các h ạt keo được cấu tạo bởi các axit amin (ví dụ: vi khuẩn, tảo) hoặc các axit cacboxylic (ví dụ: axit humic) Điện tích được tạo ra do pH của môi trư òng được gọi là điện tích sơ cấp củà hạt keo Trong nứớc tự nhiên, hầu hết các h ạt keo đều co' điện tích sơ cấp âm T ất cả các điện tích sơ cấp của h ạt keo được tru n g hoà bởi các ion trá i dấu trong một th ể tích nước cực kỳ nhỏ báo quanh hạt Trong trường hợp điện tích sơ cấp là âm (hình 2-1), độ dày của nước bao quanh h ạt gồm:
(i) Lớp thứ nhất rấ t mỏng, nằm sát ngáy bề m ặt phân cách lỏng-rắn được tạo nên
bởỉ các cation, do đó m áng điện tích dương, đo' là láp Stern;
(II) Lớp thứ hai dày hơn, được tạo ra bởi đa phần là các cation, đố là lớp
Oovy-Chapman (hay còn gọí là lớp khuếch tán).
Tập hợp của hai lớp đó mang tên "lớp kép", điện tích chung của no' là dương, như đã
chỉ ra ở trên hình 2-1 Điện tích đo' trung hoà điện tích sơ cấp bề m ặt h ạ t để sao cho toàn thể hệ có điện tích bằng 0, như trong lòng chất lỏng (phía bề ngoài của lớp kép), tại đo' nồng độ cation và anion bằng nhau Lưu ý rằng, nếu điện tích sơ cấp là dương thì dấu của các điện tích trên hình 2-1, sẽ ngược lại, và điện tích của lớp kép là âm
Bên trong lớp kép tồn tại một m ặt trượt mà nhiều tác giả đã cho rằng nó là bề m ặt
phân cách giữa hai lớp (lớp Stern và lớp khuếch tán) Do đó, nó là một cái ngưỡng m à
'lheo quy uức : pX =-lgX
Trang 1514 CẤC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ N ư ó c
Hình 2-1 Lớp điện tích kép và minh hoạ về thế zeta cùa hạt keo có điện tích sơ cấp âm.
'Lóp điện tích kép" và minh họa ý nghĩa của thề zeta của một hạt keo có điện tích sơ cấp âm (theo Techniques
de lĩngérứeur: Feuilet A 5350),
I hạt có điện tích sơ cấp ân; n lóp Stem; m lổp khuếch tán Gouy-Chapman; IV dung dịch cân tòng lon;
A bề mặt hạt rắn; B bề mặt trượt; W0 : điện thế Nemst; Ệ : điện thế zeta.
từ đó các điện tách của lớp khuếch tá n không "dính" (không liên k ết c h ặ t chẽ) với bề m ặt
h ạ t keo khi h ạ t chuyển động, Chính vì vậy, giữa bề m ặt trư ợ t và phía bên tro n g lòng
c h ấ t lỏng x u ấ t hiện m ột điện th ố zeta (£) Giá tr ị của zeta'càn g lớn chứng tỏ lớp kép càng dày và lượng điện tích tro n g lớp đó càng lớn Do đo, dấu của điện th ố zeta cho phép xác định điện tích sd cấp v à cấu trú c lớp điện tích kép của h ạ t keo
N hư đ ã ntíi ở trên , các nhóm chức bề m ặ t quyết định dấu của điện tích bề m ặt Các nhóm đó là nguyên nh ăn tạo ra các lực tương tác bệ m ặt Giữa hai h ạ t keo luôn luôn tồn
tạ i hai loại lực tương tác
(ỉ) Lực đẩy cd bản chất tĩnh điện (hoặc lực Coulomb) xảy ra giữa hai lớp kép có điện
tích cùng dấu
(ii) Lực h ú t (London - van d er Waals) cd bản ch ất v ật lý, tác động tro n g m ột khoảng cách r ấ t ngấn
H ình 2 -2 là sơ đồ biểu diễn các loại lực:
VĐ: lực đẩy, với quy ước là dương;
VH: lực hút, với quy ước là âm;
VT là hợp lực của Fđ và VH
N ếu VT dương, nghĩa là lực đẩy th ắ n g lực h ú t và do đtí h ạ t keo b ền vững, không xảy
Trang 16c ỏ SỎ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ x ử LÝ NƯỐC Tự NHIÊN 15
Hình 2-2 Sự biến đồi cùa lực đầy (V q ), lực hút (VH) và lực tồng cộng (K.p) phụ thuộc vào khoảng cách giữa
các hạt:
cs, C’s : nồng độ hạt keo.
ra sự kết hợp (keo tụ) Nếu VT dương ít, bằng không hoặc âm thì có thể xảy ra sự keo
tụ, bởi vì không co' một "hàng rào năng lượng" nào ngăn cách sự xích lại gần nhau của các h ạt ứng với khoảng cách m à lực hút khá mạnh Bấy giờ, các h ạt huyền phù dạng keo trở nên không ổn định, dễ dàng kết hợp với nhau tạo ra hiện tượng keo tụ
Thay đổi pH của môi trường có thể làm m ất điện tích sơ cấp (ứng với pH bề m ặt
h ạt keo là đẳng điện), do đó, làm giảm hoặc vô hiệu hoá các lực đẩy Tuy nhiên, pH của nhiều loại hạt thường thấp (ví dụ pH 0 của sét montmorillonit = 2, của S i0 2 = 2, của tảo
= 3) nên cũng không th ể ứng dụng biện pháp này để keo tụ xử lý nước
c ‘Đưa vào hệ một muối kim loại hoá trị III
Đưa vào hệ huyền phù dạng keo một muối kim loại hoá trị III, có th ể thuỷ phân, ví
dụ như muối sắt ferit hoặc muối nhôm, tạo ra nhiều cách keo tụ
♦
Trang 1716 CÁC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỐC
Thực vậy, việc đưa thêm các muối này, trước hết, gây ra m ột sự tă n g nhẹ lực ion (làm giảm điện tích và độ dày lớp kép), đồng thòi cũng làm biến đổi pH vì xảy ra sự axit hoá của môi trường M ặt khác, cũng xảy ra sự hình thành các phức monome và oligome hoà ta n (chủ yếu bởi sự thuỷ phân), chúng m ang điện tích dương và có th ể bị hấp phụ trê n bề m ặt các h ạ t keo, làm tru n g hoà các điện tích sơ cấp m ang điện tích âm Dồng thời, tro n g m ột số điều kiện n h ất định (pH, nồng độ ) sự thuỷ phân hoàn toàn của các ion kim loại sẽ dẫn đến việc kết tủ a các 0 X 0 - hỹdroxit kim loại v ô định hình và tủ a bông Các "cụm bông" đó có th ể "bẫy" hoặc "bắt" các h ạ t keo để rồi có th ể lắng gạn chúng Sử dụng m ột kim loại hoá trị ba là m ột biện pháp thường hay được ứng dụng n h ấ t trong việc xử lý nước
d Đưa vào hệ một polyme lự nhiên hoặc polyme tổng hợp
D ưa vào hệ m ột polyme tự nhiên hoặc tổ n g hợp, thường là các polyme hữu cơ (amidon, alginat, polyelectrolyt tổng hợp), đôi khi polyme vô cơ (soi oxit silic) có th ể làm tru n g hoà điện tích các h ạ t keo, vì các polyme m ang điện tích Polyme tạo ra m ột càu nối giữa các h ạ t với một khoảng cách lớn hơn khoảng cách hiệu dụng của các lực đẩy Với cách keo tụ này, nếu dùng quá ngưỡng keo tụ thì lại dẫn đến sự tái xác lập trạ n g
th á i bền của keo
2 1.1.2 K eo tụ bởi Al(III) v à Fe(III)
2.1.1.2.1 Phân ứng thuỷ phân
Các tác dụng của sẳ t và nhôm tro n g keo tụ là do sự co' m ậ t các sản phẩm thuỷ phân các muối của chúng Đó là các phức hydroxit kim loại đa n h ân (polyme ta n hoặc không tan ), chúng có khả năn g tích điện cao Các phản ứng chủ yếu để tạo ra các phức đó, cũng như các phản ứng của các monome được trìn h bày trong bảng 2-1
Trang 18c ỡ sỏ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ x ử LÝ N ư ố c Tự NHIÊN 17Các polyme được biết nhiều nhất là trihydroxit sắt và nhôm (các hằng số tính tan đã cho trong bảng 2-1), chúng kết tủa trong môi trường dưới dạng các nụ bông (vô định hình).
Bảng 2-1. Các hằng số cân bằng trong phàn líng thủy phân cùa các oxit và hyclroxit cùa Al3+ và Fe3+ (*)
Phàn ứng Hằng số cân bằng logK (25°C)
Hình thành monome
Al3+ + H20 = Al(OH)2+ + H+ *1 - 4,97 (/ = 0) Al3+ + 2H20 = Al(OH)2 + 2H+ h -9,3 (7 = 0 ) Al3+ + 3H20 = AI(OH)3 + 3H+ (h - 15,0 (/ = 0) Al3+ + 4H20 = AI(OH)J + 4H+ h - 23,0 (/ = 0) Fe3+ + H20 = Fe(OH)2+ + Pl+ K x - 2,19 (7 = 0) Fe3+ + 2H20 = Fe(OH)2 + 2H+ - 5,67 (7 = 0) Fe3+ + 3H20 = Fe(OH)3 + 3H+ ^3 - 12,0 (7 = 0) Fe3+ + 4H20 = Fe(OH)4 + 4H+ >4 -21,6 (7 = 0 )
Hình thành poỉyme
2A13+ + 2PI20 = Al2(O H )|+ + 2H+
3A13+ + 4FI20 = Al3(OH)4 + 4II+
$22
$4J>
- 7,7 (7 = 0)
- 13,9 (7 = 0) 13A13+ + 28H20 = Al3(OH)24 + 32H+
2Fe3+ + 2H20 = Fe2(OH)2 + 2H+
$22 - 2,95 (7 = 0)Chất rắn
«-Al(OH)3 + 3PI+ = Al3+ + 3FI20 K &0 - 4,97 (7 = 0)
«-Al(OH)3 ( v ô định hình) + 3H+ = Al3+ + 3FI2Ớ K s0 -9,3 (/ = 0 )
«-FeOOH (rắn) + 3P1+ = Fe3+ + 3HLO
«-FeOOH (vô định hình) +3FI+ = F e + + 3 H 2Ũ
K *0 1,6 (3M NaC104)
x ,n 3,55 (3M NaCl04)
Fe(OFI)3 (vô định hình) = Fe3+ + 30PF K \o - 38,7 (3M NaC!04) Fe(OH)3 (vô định hỉnh) = FeOH2+ + 20H~ - 27,5 (3M N aQ 04) Fe(OH)3 (vô định hình) = Fe(OH)2 + OH’ * S 2 - 16,6 (3M NaC104) Fe(OFI)3 (vô định hình) + OH’ = Fe(OH)4 K s 4 - 45 (3M NaC104) 2Fe(OII)3 (vô định hình) = F e 2(OH)2+ + 40H" K
s 2 2 - 51,9 (3M NaC104)
I lực ion
2.1.1.2.2 Biểu đ'ô lính tan
Các biểu đồ tính tan của nhôm và sắt trong nước tinh khiết co' th ể xây dựng xuất
p hát từ các giá trị hằng số cân bằng trong bảng 2-1 Hai ví dụ của biểu đồ được giới thiệu trong hình 2- 3 Trong đó, các đường nồng độ phụ thuộc pH co' dạng chữ V m à đỉnh của no' là nồng độ hoà tan tối thiểu của kim loại trong nước tinh khiết
Các hình chữ nhật "gạch gạch" trên hình 2- 3 là các miền (pH và nồng độ) được sử dụng thưòng xuyên của sắt và nhôm để keo tụ nước Như vậy, dạng chủ yếu của hydroxit
(*) V/ STƯMM and J J MORGAN Aquatic chemistry, 2nd edittion John Wiley & Sons editor New York (1981)
Trang 1918 CAC QUA TRINH XI/ LY NUOC
kim loại tồn tại tro n g môi trường sau khi keo tụ luôn luồn là trihydroxit vô định hình.Lưu ý rằn g, tro n g q u á trìn h h ình th à n h các polyme vô cơ của Al3+ và F e3+ luôn kèm theo sự giải phóng các p roton (axit) nên cần phải tiế n hàn h tru n g hoà hoặc với ion cacbonat v à bicacbonat, hoặc với m ột bazơ m ạnh để ổn định pH tro n g q u á trìn h keo tụ
2.ỉ 1.2.3 Cữ chề keo tụ bởi ion kim loại hoá trị III
Co' hai cơ chế chủ yếu về keo tụ các keo hydroxit kim loại Với nhôm (là trư ờ n g hợp nghiên cứụ nhiều nhất), biểu đồ keo tụ(*) có hai miền tối ưu (hình 2-4)
M iên th ứ n h ấ t nằm tro n g vùng pH gần tru n g tính, cơ chế chủ yếu là "bẫy" các h ạ t
keo tro n g các k ết tủa Điện th ế zêta (ệ) sau khi keo tụ không n h ấ t th iết bằng 0 (hoặc
âm ), và liều lượng chất keo tụ đưa vào hệ không tỷ lệ với nồng độ của h ạ t keo
V ùng thứ hai tương ứng với các môi trư ờng axit nhẹ (xung quanh pH = 5), ồ đđ, cơ chế chủ yếu là sự tru n g hoà điện tích âm của h ạ t keo bỏi các polyme hoà ta n tích điện dương Đối với vùng này, th ế zêta phải gần bằng 0, nồng độ chất phản ứng (gây keo tụ)
tỷ lệ với nồng độ của keo và hiện tượng tái bền cd th ể xẩy ra trong trư ờ ng hợp dùng quá liều ch ất gây keo tụ (làm cho lớp điện tích kép thay đổi dấu, th ế zêta ngày càng trở nên
100 30
Hình 2-4: Hai vùng keo tụ tối ưu đối với nhôm.
( ’ )AWWA Water quality and treatment a handbook of community watersupplied,4th edition, Me Graw Hill, USA (1990).
Trang 20C ồ SỎ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ x ử LÝ N ư ố c T ự NHIÊN 19
dương hơn) Vùng keo tụ này kho' ứng dụng với nhôm vì tính tan của nhôm vượt tiêu chuẩn cho phép đối với nước cho mục đích ăn uống (0,2 mgl/l) khác với trường hợp của sắt
Nguyên tắc loại bỏ các vật liệu hữu cơ hoà tan đều dựa cả trên hai cơ chế Ớ vùng
pH axit nhẹ (pH = 5 -ỉ- 6) các chất hữu cơ phản ứng với kim loại để tạo phức Phức này kết tủ a với điều kiện pH không th ậ t thấp và lượng chất keo tụ không th ậ t đủ Nếu điều kiện đđ không đáp ứng thì nguy cơ xuất hiện dư lượng chất keo tụ (ngay cả khi nước đã lọc qua cát) vối một hàm lượng cao hơn nhiều so với hàm lượng dự tính theo các hằng
số cân bằng
Lưu ý rằng, liều lượng tối ưu của sắt và nhôm tương ứng là 2 và 1 m g trên mg cacbon hữu cơ hoà tan (CHCHT), với pH axit nhẹ Cơ chế thứ 2 ở pH tru ng tính ctí th ể
là sự hấp phụ (do sự tạo phức) của các chất hữu cơ ở bề mật chất kết tủa Hiệu su ất loại
bỏ các tạp chất hữu cơ rõ ràng là nhỏ trong trường hợp này
2.1.1.3 T ủ a b ô n g
Tủa bông là sự tô’ hợp các hạt keo đã bị keo tụ Quá trình này chỉ co' th ể xẩy ra sau quá trìn h keo tụ Về phương diện lý thuyết, đó là vấn đề nghiên cứu vận tốc kết tụ của các hạt
Theo Sm oluchowski(*\ tốc độ kết tụ của các hạt keo đã keo tụ phụ thuộc chủ yếu
vào tầ n sô' va chạm có hiệu quả, vào đặc điểm của các hạt và vào thuỷ động học của môi trường
XJ l ý nude vã lãm sạch ( tình khìêt) nưác đ ã SỪ dung
0ầ
ị
ỉ
Gradient »ăn tóc 6
Hình 2-5 Cắc biến số động học quyết định quá trình xử lý nước tự nhiên.
(*)R O MELIA (1972), Coagulation-Flocculation in "Physico-chemical processes for water quality control", W.
J WEBER, John Wiley & Sons Editor, New York, 1972.
Trang 21t, thời gian khuấy trộn.
Nói m ột cách khác, đối với m ột thời gian t đã cho, tích số a 0.Q.G càng lớn th ì tỉ số
N J N càng lớn, nghĩa là, sự tủ a bông càng hiệu quả.
H ìn h 2- 5 cho các khoảng g iá tr ị của các biến số động học phương trìn h
Sm oluchouiski đối với quá trìn h xử lý nước tự nhiên.
Đ ể có m ột giai đoạn tủ a bông tố t thì cần phải co' sự kết tụ tố t (a gần bằn g 1), có
nồng độ keo càng cao càng tố t (Q cao), phải khuấy trộ n nhanh và đủ lâu (không đập vỡ các cụm vừa được tạo thành bởi quá dư công suất) Điều kiện tối ưu của sự tủ a bông được xác định bằng thực nghiệm ở trong phòng thí nghiệm và với sự giúp đỡ của các số liệu lý thuyết T ăng nồng độ h ạt keo bằng cách kết tủ a các hydroxit nhôm hoặc hyđroxit sát, khi một tro n g hai chất đtí được sử dụng như m ột chất tạo keo tụ Cũng co' thể bổ
su n g thêm các keo bentonit hoặc các loại cát cực mịn K huấy trộ n n h an h và lâu có th ể tạo r a m ột vài bất lợi, làm phá VÖ các cụm vừa được hình thành
2.1.2 THỰC HÀNH KEO TỤ - TỦA BÔNG
2.1.2.1 Định n g h ía
Trong thực tế xử lý nước (ở phòng thí nghiệm hoặc n h à máy), keo tụ tương ứng với
việc bổ sung các chất (tác nhân) gây keo tụ và khuấy trộ n nh an h tro ng m ột thòi gian
ng án (10 giây đến một vài phút) Trong giai đoạn đó, xẩy ra sự khuếch tá n các chất keo
tụ, ph ản ứng giữa các h ạt keơ huyền phù, tạo r a các kết tủ a (keo tụ đơn th uần ) và khởi
đ ầu sự kết tụ (sự lớn lên của các cụm) Sự tủa bông tương ứng với giai đoạn lớn lên của
các cụm với sự khuấy chậm trong m ột thời gian dài hơn Trong giai đoạn đầu của sự tủ a bông, m ột tác nhân thứ hai có th ể được thêm vào (chất trợ tủ a bông) để co' th ể thích
ứ ng vối sự khuấy trộn
2.1.2.2 C ác tá c n h â n h o á h ọc
2.1.2.2.1 Danh pháp
Về lý thuyết, tấ t cả các hoá chất đều là chất keo tụ, vì rằn g tác động đầu tiên của
chúng là phá bền của hệ keo Tuy nhiên, tro n g xử lý nước, người ta gọi chát keo tụ là các muối của s ắ t và của nhôm và gọi chất tủa bông là các chất polyme tự nhiên hay tổng
hợp, vô cơ hoặc hữu cơ N hững chất này, đúng hơn là, đóng vai trò hỗ trợ cho sự tủ a bông, bởi vì chúng được thêm vào sau chất keo tụ Cách gọi tên chất "trợ tủ a bông” là
ám chỉ dành cho các khoáng sét, vì khi thêm chúng vào sẽ làm tă n g vận tốc tủ a bông,
Trang 22GO SỎ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ x ử LÝ NƯỐC Tự NHIÊN 21
mặc dàu nhiệm vụ chính của chúng là làm nặng thêm các cụm bông, để lọc sơ bộ trước khi đến thiết bị gạn
Cũng tương tự như th ế đối với than hoạt tính dạng bột được thêm vào
2.1.2.2.2 Phản úng với kiềm
Như đã nđi ở trên, các chất keo tụ kim loại (các muối nhôm và sắt) bị thuỷ phân trong nước để tạo ra oxo-hydroxit tan và không tan, và các proton ở các giá trị pH thưòng ứng dụng trong thực tế keo tụ, thì phản ứng tổng quát co' th ể xem như phản ứng chủ yếu tạo ra các hydroxit kim loại Vì trong nưốc tự nhiên luôn chứa một lượng kiềm
n h ất định nên axit dư (proton được tạo ra) sẽ phản ứng với bicacbonat canxi
2 FeCl3 + 3 Ca(H C03)2 + 6 H20 -» 2 Fe(OH)3 (vô định hình)
+ 3 CaCl2 + 6 H 2C 0 3A12(S 04)3 + 3 Ca(H C 03)2 + 6 H 2Ơ -» 2 Al<OH)3 (vô định hình)
+ 3 CaS04 + 6 H 2C 0 3
Do đo' pH của môi trường, sẽ giảm khi đưa một chất keo tụ kim loại vào hệ và sẽ co'
m ột nguy cơ keo tụ ở một giá trị pH thấp (sự keo tụ không tốt, cụm h ạt nhỏ và nồng độ
dư của chất keo tụ cao) Khi nưởc cố độ kiềm yếu, càn phải điều chỉnh pH trước, trong
và sau khi keo tụ bằng một bazơ m ạnh (NaOH hoặc vôi) Giá trị pH của nước được xử
lý sau khi keo tụ - tủa bông bởi muối kim loại co' thể tính toán được Xin lưú ý ràng, các polyclorua của nhôm làm giảm rấ t ít độ kiềm của nước, vl chất này giải pho'ng ít axit tự
do hơn so với các chất keo tụ kim loại truyền thống
• Các tác nhãn phản ứng khác
Các chất keo tụ được ứng dụng nhiều nhất là các muối nhôm, Sulfat nhôm và polyclórua nhôm (PAC) và cả muối Sắt cloruaferic Các chất tủa bông là các polyme tự nhiên (amindin, oxit silic ) và một số chất đa điện ly anion và cation (tuỳ theo quy chế hiện hành) Bảng 2-2 giới thiệu các chất keo tụ chủ yếu đứợc sử dụng xử lý nước sinh hoạt
Bảng 2-2. Các chất keo tụ chủ yếu được sử dụng đề xử lý nước
Các chất keo tụ Đặc điềm Hàm lượng
(% khối lượng)
Lượng chất keo tụ g/cm3 ứng với mg/1 CaCỌj Sulfat nhôm
AI2(S04)3.18H20
(Khối lượng phân tứ =
666,4g)
Bột trắng (Độ tan = 660 g/1) Dung dịch (Tỷ trọng -1,45)
-15% Al20 3 7,5 - 8% A12Ọ j
- 0 ,4 5 _ 0,22 - 0,24
Polyclorua nhồm
Al11(ÓH)m(Cl)x(S04)y
Chất lỏng màu vàng nhạt (Tỷ trọng = 1,15 -ỉ- ự ) 8 - 10% A120 3
41% FeCl3 (1 g hoặc 0,69 ml chứa
410 mg FeCl3)
037
Trang 2322 CÁC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỐC 2.1.2.3 P h ư ơ n g p h á p Ja-T ext (Jar-Test)
Phương pháp này được dùng tro ng phòng th í nghiệm để xác định các điều kiện tối
ưu của sự keo tụ - tủ a bông
Nông đ ậ cùa c h ế t keo iu hoăc ch ă t tua bõng
Hình 2-7 Sơ đồ thứ tự thao tác cùa thí nghiệm Jar-Test.
Trang 24Cồ s ỏ LÝ THUYẾT VÀ CÒNG NGHỆ x ử LÝ NƯỐC Tự NHIÊN 23
1) Cho chất keo tụ vào bình đồng thời khuấy mạnh (100 - 200 v/phút) trong 2 - 3
phút (đôi khi có thể dài hơn) và điều chỉnh pH (việc này có th ể làm tníớc khi đưa chất keo tụ vào) Đây là giai đoạn keo tụ
2) Khuấy chậm (20 - 40 v/phút) trong 5 - 10 phút Đây là giai đoạn tủ a bông: làm
to các cụm keo tụ
3) Gạn lọc kết tủ a trong thời gian 20 đến 60 phút Hình 2- 7 trình bày dưới dạng sơ
đồ cách tiến hành đó.
Xin lưu ý rằng, đôi khi cần thêm hai thao tác phụ:
(i) Đưa một chất tủa bông (hoặc than hoạt tính dạng bột) ở cuối giai đoạn keo tu và đồng thời khuấy nhanh
(ii) Lọc cát hoặc lọc màng sau khi lắng gạn, đồng thời xác định ảnh hưởng của sự keo tụ - tủa bông đến chất lượng nước đã lọc (sau gạn và sau lọc)
Lấy mẫu nước đã láng gạn phải thực hiện cùng một độ sâu như nhau trong mọi binh bằng một ống chữ s mà đầu của ống (trong nước) hướng lên trên phía bề m ặt nước, sao cho không m ang theo bùn lắng gạn
Các phép phân tích sau đây cần được tiến hành:
- Độ đục (hoặc khối lượng chất huyền phù),
- Chất hữu cơ (lượng cacbon hữu cơ tổng hoặc độ oxy hoá theo K M n04),
- Lượng kim loại dư (Fe và Al) trong nước
h Mục tiêu của phép thử Jar-Test
Co' hai mục tiêu là xác định liều lượng tối ưu của chất keo tụ (và cả chất tủ a bông)
và xác định vùng tối ưu của pH keo tụ
Nói chung, người ta tiến hành thí nghiệm với các vùng pH khác nhau (giữa pH 5,5
và 7,5 đối với AI và pH 4,5 và 8 đối với Fe) ở một liều lượng không đổi chất keo tụ (2
mg Fe/mg cacbon hữu cơ hoà tan và lm g Al/mg caebon hữu cơ hoà tan) Sau phép thử này, cần tiến hành thêm một phép thử ở pH (tối ưu) với sự thay đổi liều lượng chất keo
tụ để tìm được lượng chất keo tụ tối ưu tại một pH tối ưu
Đối với các loại nước giàu chất vô cơ (độ kiềm > 200 - 280 mg C aC 03/l) thì chỉ cần tiến hành về phép thử xác định liều lượng chất keo tụ vỉ không cần phải quan tâm đến việc điều chỉnh pH nữa trong quá trình keo tụ
2.1.2.4 M ột v à i sô' liệ u v ề th ự c h à n h k e o t ụ - t ủ a b ô n g
2.L2.4.1 Khái niệm vê khuấy trộn
Keo tụ và tủ a bông là hai giai đoạn buộc phải khuấy trộn hiệu quả Dặc trư n g của
Trang 25Cuối cùng, có phương pháp được gọi là tủ a bông "nhanh", phương pháp này mới được
p h át triể n nhữ ng năm gần đây, tro n g các công nghệ gạn lọc mới Nội dung của phương pháp là thêm vào m ột lượng cát cực m ịn vào vùng tủ a bông Cát m ịn có ba vai trò: tăn g nồng độ th ể tích h ạ t (Í2 tro n g phương trìn h Smoluchowski) làm nặn g thêm các cụm tủ a bông đ ể tă n g vận tốc lắng gạn và lọc sơ bộ nước chảy vào th iết bị gạn lọc Các nghiên
cứu gần đây đ ã chứng m inh rằ n g gradient vận tốc G tro n g trư ò n g hợp này cao hơn trong
trư ờ n g hợp tủ a bông cổ điển
tro n g đó: IV: vận tốc khuấy v/phút;
T: ngẫu lực pháp tuyến quay cánh khuấy, N.m.
T rong hệ trộ n tĩn h (rãnh ziczac, lốp bùn cặn ):
p = 9810 Q.Ah
tro n g đó: Q: lưu lượng nước tro n g th iết bị trộn tĩnh, m 3/s;
Ah: tổ n th ấ t n ă n g lượng tro n g th iế t bị trộ n tĩnh, m (cột nước).
2.1.2.4.3 Sử dụng các tác nhân phản ứng
Các tác nh ân phản ứng thường được sử dụng ở d ạn g chất lỏng (dung dịch su líat
nhôm, clorua s ắ t > polyclorua nhôm) và, sau đó, được bơm vẩy trự c tiếp vào nước nhờ
m ột bơm định lượng thể tích, hoạt động của nd được khống chế bởi lưu lượng nước được
xử lý Khi các tác nhân xử lý đó ở dạng bột (thường đối với sulfat nhôm), việc hoà ta n phải được thực hiện tro ng m ột th ù n g hoà trộ n thao tác bằng tay hoặc bằng m ột dụng cụ
• R OMELIA (1972), Coagulation-Floculatlon in "Physico-chemical processes for water quality control", w J
WEBER, John Wiley & Sons Editors, New York.
Trang 26CÖ SỎ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ x ử LÝ NƯỐC Tư NHIÊN 25
định lượng th ể tích Trong* trường hợp của Sulfat nhôm và của clorua sắt , nòng độ dung dịch gốc khoảng 100 - 200 g/1, của polyme (polyacrylamit) khoảng 2 - 5 g/1
C ác k é t lu ậ n c h ín h v ề k eo tụ - tủ a b ô n g
• Keo tụ - tủa bông là một công đoạn quan trọng trong xử lý nước bè mặt Mặc dù, keo tụ và tủa bông là hai giai đoạn khác nhau (về lý thuyết cũng như thục hành), nhưng chúng luôn luôn gần liền nhau trong da số trường hợp xử lý nước.
• Vè lý thuyết, keo tụ được định nghỉa nhu một quá trình giảm bót hoặc loại bỏ các diện tích bề m ặt hạt keo (loại bỏ th ế zeia Ệ) dề sao cho dẫn đến sự kết hợp giữa các hạt keo khi chúng tiếp xúc với nhau Dưa thêm một muối sắt hoặc nhôm là biện pháp thường hay dược sử dụng để xử lý nước Việc đó đã tạo ra sự kết lảng của trihydroxit kim loại dưới dạng vô dịnh hình và bông xốp, nhờ đó các trihydroxỉt "bát giữ" và "thu gom" các hạt keo dể lắng gạn chúng.
• Ánh hưởng của sắt và nhôm trong quá trinh keo tụ là do phản ứng thuỷ ph â n các muối của chúng Lưu ý rằng, các phản ứng thuỷ phân dó luôn kem theo sự giải phóng các proton (tạo ra độ axít), do (ịó cần phải trung hoà băng các ion cacbonat và bicacbonat hoặc bằng một baza mạnh dể oh định p H trong quá trình keo tụ.
• Tủa bông là sự kết họp của các hạt keo không bèn Giai đoạn xử lý này chỉ có thề xảy ra sau giai đoạn keo tụ Lý thuyết chỉ ra rằng, dề nhận dược m ột sự tủa bông tốt, thì phải keo tụ tốt, phải có m ột nòng độ cao của hạt keo và phải được khuấy trộn thích họp
d ể p h á t triển các cụm bông, không làm võ cụm khi dã liinh thành.
• Ti'ong thực hành xử lý nước, keo tụ tương ứng với giai doạn khuấy trộn nhanh khi thèm chát keo tụ, trong m ột khoảng thời gian ngấn, còn tủa bông tương ứng với giai đoạn lán lên của các cụm bông nhờ khuấy nhẹ trong một thời gian dài Các tác nhân hoá học thường dược sử dụng là các muối nhôm, Sulfat nhôm và polyclorua nhôm (PAC), các muối sẫt, clorua sắt Các polyme dùng để keo tụ - tủa bông chỉ dược phép sử dụng cảc polyme
tụ nhiên và m ột số polyelectrolyt anion.
• Lý thuyết ve keo tụ - tủa bông chi là cơ sờ định tính Do dó, luôn luôn cần phải tiến hành các thí nghiêm thực t ế" Jar-Test" ả tại phòng thi nghiệm Mục đích của các thục nghiệm nay là: (i) xác dịnh liều lượng tối ưu của chất keo tụ và (ii) xác dinh vùng p H tối
ưu cho sự keo tụ Nói chung, người ta tiến hành các thực nghiệm với các p H khác nhau với m ột liều lượng chát keo tụ không đổi Sau dó, tlêh hành ỏ p H không đổi (tói ưu) với các lieu lượng chát keo tụ khác nhau.
2.2 LÀM TRONG
Trong m ột nhà máy xử lý nước bề mặt, giai đoạn làm trong xẩy ra tiếp theo sau giai
đoạn keo tụ tủa bông Nói chung, làm trong thường bao gồm hai giai đoạn: lắng gạn và
lọc băng lớp cố dinh Dôi khi sự lắng gạn được thay thế bởi cách lọc nổi
2.2.1 LẮNG GẠN
2.2.1.1 Cơ sở lý th u y ế t
Nghiên cứu sự lắng gạn (sự sa láng) là xem xét sự chuyền chỗ của m ột hạt hay m ột
Trang 2726 CÁC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯÓC
tập hợp h ạ t trong m ột hệ lỏng tỉnh hoặc chuyển động Khi xem xét m ột h ạ t cô lập, có
bản ch ất xác định, sa lắng trong m ột hệ chất lỏng tỉnh, th ì các khái niệm cơ bản cùa sự lán g gạn là tương đối đơn giản Còn, ngược lại, tro n g trường hợp của m ột tổ hợp các h ạ t (cụm bông) bị sa láng trong m ột hệ lỏng chuyển động ngang thì lý thuyết của nó là r ấ t phức tạp
Biểu th ứ c vận tố c lắng
Gọi V (m/s) là vận tốc láng của m ột h ạ t càu trong nước ở trạ n g th ái tĩnh, th ì v s được
biểu diễn bởi phương trìn h Stokes:
d 2 g ( p s - Pl)
tro ng đó: d: đường kính tru n g bình của các h ạ t (m);
g: gia tốc trọn g trư ờng (9,81 m/s2);
p s : khối lượng riêng của h ạ t (kg/m3) hoặc 1000 X tỷ trọng;
yOL: khối lượng riêng của nưồc ('■' 1000 kg/m3);
p: độ nhớt động lực của nước ở n h iệt độ khảo sá t [poa (poisseuille) = 0,1
N m s'2]
Biểu thức đtí là r ấ t quan trọng, nđ cho phép tính toán thời gian cần th iết để sa láng
m ột h ạ t đã biết từ một độ cao đã cho Ví dụ, láng gạn một h ạt cát 10 jụm tro ng nước
10°c, với độ cao 1 m càn phải m ất 10 phút, còri nếu một h ạt keo cỡ 0,1 ¡um thì phải m ấ t
15 n ăm , lắng gạn m ột cụm hydroxit nhôm có kích thước 500 ¡um, m ất khoảng 40 phút.
Trong khi xử lý nhốc dùng cho sinh hoạt, thường người ta phải tiến hành lắng gạn tro n g m ột dòng liên tục, nghĩa là, trong m ột dòng lỏng chuyển động Co' r ấ t nhiều kiểu dòng lỏng chuyển động thường gặp tron g kỹ th u ậ t láng gạn:-
(1) láng gạn theo dòng thẳn g đứng, thưòng được sử dụng trong các thiết bị Ìắng hình
cô n -trụ , vùng láng gạn nàm ở phần hình trụ;
(2) láng gạn theo kiểu dòng chảy ngang, thường được sử dụng tro n g th iế t bị lắng dạng hình hộp, nghĩa là, có các bề m ặt chữ nhật, và đôi khi, cũng áp dụng cho th iết bị lắng gạn hình trụ;
(3) lắng gạn kiểu dòng nghiêng, xảy ra tro n g th iết bị ctí các tấ m mong, dòng chảy
th u ậ n chiều hoặc ngược chiều
Bảng 2-3: Biều thức của vận tốc nồi lên hoặc vận tấc Hazen (Vj.|) đối với ba kiều lắng gạn
Kiều lắng gạn Bicu thức V ị f Dòng lòng thẳng đựng y H = ^ S lg
Dòng lỏng chảy ngang VH = <?'s gQua tấm mỏng nghiêng (dòng lên
và dòng xuống)
VH = QKN - l ) S ’lg.c o sa
Trong tấ t cả các trư ờng hợp, các hạt bị lắng gạn là các h ạ t có vận tốc lắng vs cao
Trang 28c ỏ s ỏ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ x ử LÝ NƯÓC Tự NHIÊN 27
hơn vận tốc nổi lên hoặc vận tốc Hazen Bảng 2- 3 cho biết các biểu thức vận tốc H azen
đối với ba kiểu lắng gạn, với Q = lưu lượng, = bề m ặt lắng gạn, S’!, = bề m ặ t của
một tấm mỏng, N = số tấm mỏng, a — gốc nghiêng của tấm mỏng, = vận tốc Hazen
Mặc dù phương trình Stokes cho phép tính toán v$, nhưng người ta cần phải biết kích
thước, khối lượng thể tích của từng hạt, đo' là điều thực tế không th ể làm được Ngoài
ra, đối với các thiết bị lắng gạn dòng chảy ngang và tấm mỏng nghiêng, m ột số h ạt có
0« thấp hơn càng được loại bỏ tốt hơn khi càng đi sâu vào bên trong th iết bị Cuối cùng, các h ạ t cố th ể tiếp tục tủa bông trong quá trình sa lắng Do đo' lý thuyết về láng gạn sẽ trở nên rấ t phức tạp, vì th ế cần phải xác định thực nghiệm (nhờ một tháp lắng gạn) về sự phân bố vận tốc của các hạt trong nước cần lắng gạn
2.2.1.2 M ột v à i sô' liệ u v ề ký th u ậ t lá n g g ạn
Lý thuyết trình bày ở trên không xét đến các yếu tố thực tế về thuỷ lực, nghĩa là, các yếu tố như sự tháo bỏ bùn lắng, chế độ chảy xoáy cục bộ Các công thức tính toán luôn luôn phải được bô’ sung các hệ số điều chỉnh lý thuyết (đặc biệt trong trường hợp lắng gạn kiểu tấm mỏng) và các hệ số thực nghiệm hoặc hệ số an toàn Trong mục này, chúng tôi chỉ xin đưa ra các sổ liệu thực tế về vận tốc Hazen (bảng 2- 4) và mô tả m ột cách ngắn gọn về sự hoạt động của các thiết bị lắng gạn •
Báng 2-4: Giá trị vận tốc llazen cùa một số thiết bị lắng gạn chủ yếu được sử dụng
đề làm trong các nguồn nước bề mặt
Kiều thiết bị lắng gạn Ví dụ , Giá trị cùa V| ] (m/h)
Cư điền, hình côn-trụ dòng chày thẳng đứng Lưu lưọ-ng nhò
0,5 - 1
Cồ điền, hình hộp dòng chảy ngang Lưu lưcmg lớn 1- 15
Loại tấm mỏng hẹp, dòng ngược Multillo 5 - 6
Lớp bùn cồ điền PuLsator 2 - 4
Ló-p bùn và tấm mỏng trong vùng lắng gạn (và vùng bùn) Super pulsator 4 - 8
'tuần hoàn bùn Cỉrculator 2,5 (max)
Tuần hoàn bùn vói cát siêu mịn Pluorapld, Cycloíloc 8 - 9
Công nghệ tiên liến Densadcg 30
Công nghệ tiến tiến với tuần hoàn bùn và cát mịn Actưio 30
• Các thiết bị lắng gạn cổ điển với dòng thẳng đứng chỉ ứng dụng cho các lưu lượng nhỏ
của nước càn xử lý, trong đó vận tốc nổi h ạt (vận tốc Hazen) khoảng 0,5 - 1 m/h
Trang 2928 CÁC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC
• Các thiết bị lắng gạn cổ điển với dòng
chảy ngang thường được thiết kế chồng xếp
lên nhau V ận tóc H azen nằm trong khoảng
1 và 1,5 m /h' Trình 2 -8 trìn h bày sơ đồ
chung của m ột hệ thống bao gồm sự keo tụ,
tủ a bồng và lắng gạn theo kiểu nằm ngang
và nhiều tầng
• Thiết bị lắng gạn có lớp bùn (hoặc tiếp
xúc với bùn) cớ nguyên tắc hoạt động là tủ a
bông trong m ột vùng của bùn Bùn được giữ
ở m ột mức n h ấ t định (không đổi) đối với
dòng chảy từ trên xuống tro ng -thiết bị lắng
gạn hình trụ hoặc hình hộp Do đđ, thời gian
khuấy trộn chậm, nghĩa là, sự tủ a bông, trỏ
nên rấ t quan trọng so với thiết bị tủ a bông
cổ điển Nồng độ th ể tích của các h ạ t rắn
trong vùng tủ a bông có giá trị quan trọng
không kém Vận tốc tủ a bông, do đó, tăng
lên đ án g kể (xét về lý thuyết), mặc dù
grad ient vận tốc nhỏ Vì thế, các cụm bông
to hơn và vận tốc H azen tro ng vùng lắng
gạn lớn hơn Vận tốc đó có th ể được cải
th iện hơn nữ a nếu người ta cho thêm các
tiếp xúc tố t giữa nước đã keo tụ, bùn lưu Và
cát siêu m ịn (tuỳ điều kiện) Sự khác biệt với
th iết bị gạn lọc ctí lớp bùn tĩn h là: gradient
vận tốc tro n g vùng bùn lớn hơn nhờ sự
khuấy trộ n thuỷ lực hoặc cơ học được lắp đ ặt
ở đáy thiết bị gạn ìọc Ngoài ra, tron g m ột
vài trường hợp, m ột loại cát m ịn có kích
thước cỡ 20 - 100 fim được thêm vào lớp bùn
(nồng độ cùa cát khoảng 1 - 2 g/1) Loại cát
m ịn này có nhiều chức năng: một là làm tốt
thêm sự tủ a bông, thứ hai là làm nặng các
cụm bông và làm tăng vận tốc sa lắng của
chúng, thứ ba là lọc sơ bộ nước, trước khi
chảy vào vùng xử lý tiếp theo Cát mịn này
sẽ được tách khỏi bùn bằng xyclon thuỷ lực, i lại tu ầ n hoàn, quay lại vùng bùn H ình
Trang 30Hình 2-9 Sơ đồ Ihiết bị gạn lọc Pulsator
L nước nguồn (nguyên khai) đến; 2 nước đã lắng gạn; 3 tách bùn; 4 khu vục ồn định; 5 nước tren cùa k'rp
bùn; 6 không gian (chuông) chân không; 7, bơm chân không; 8 van tự động; 9 các ống có đục lỗ; 10 hệ thống
tập trung bùn; 1L vị trí đua chất phàn ứntỉ vào hệ.
Hình 2-10 Sơ đồ hoạt động cùa Cycloíloc:
L đưa nước vào xừ lý; 2 phân phối nước; 3 vùng phàn ứng; 4 vùng lắng gan; 5 rãnh thoát; 6 nước ra đã xử lý- 7 bộ phận nạo bùn; 8 bề tách bùn; 9 bơm tuần hoàn; 10 xyclon thuỷ lực hoàn nguyên cát mịn; 11 hút bùn.
Trang 312 -1 0 giới thiệu m ột th iết bị gạn lọc sủ dụng cát siêu m ịn kiểu Cyclofloc.
• Thiết bị lắng gạn tiên tiến Bây giờ cđ các thiết bị láng gạn, chúng cho phép lắng gạn
nước cđ tốc độ H azen r ấ t cao Nguyên tác hoạt động cơ bản là: ghép vùng keo tụ và tủ a bông vào cùng m ột bộ phận (gradient tố % ||ậ 4ựợc chọn tối ưu cho keo tụ và tủ a bông),
sử dụng thêm các ch ất đa điện ly, tu ẳ n hoàn Bùn và/hoặc cát mịn, cũng như có thêm vùng lắng gạn kiểu tấm mỏng Vận tọc H azện ẹó th ể đ ạ t đến giá tr ị 30 m/h
• N guyên tắ c cơ bản của lọc nổi là tạo ra các bđng khí để các bóng khí "bám" vàocác h ạ t rắ n ở dạng huyền phù, làm cho các h ạ t đó nổi lên Lý thuyết và thực nghiệm đều
chứng tỏ rằn g dường, kính tốỉ ưụ của bóng khí phải nằm giữa 50 và 70 ịẮn\ Để tạo ra
các đường kính' đó ẹủa bổng khí, ngưòi ta phải hén nước ở áp su ất tương đối khoảng 4 -
5 bar, sau đó giảm áp đột ngột ị
• Tương tự với vận tốc nổi lên (hoặc vận tốc Hazen) trong lắng gạn; tro n g lọc nổi
người ta sử dụng th u ậ t ngữ vận tốc lăng xuống Dù th iết bị lọc nổi với dòng chảy th ẳn g
đứ ng hoặc dòng chảy ngang, thì biểu thức vận tốc láng xuống đều là tỷ sô của lưu lượng nước và bề m ặ t tiếp xúc vởi lỏng tro n g vùng lọc nổi N hư trong trư òng hợp lắng gạn dòng chảy đứng, các h ạ t co' vận tốc lọc nổi nhỏ hơn tốc độ láng xuống thì sẽ bị chìm xuống theo dòng nước
Lọc nổi là m ột giai đoạn xử lý nước bề m ặ t tương đối ít được sử dụng so với lắng gạn Tuy nhiên, quá trìn h đó r ấ t có ưu điểm để làm tro n g các loại nước bề m ặt chứa nhiều tảo và có độ đục thấp
Cũng như tro n g trư ờng hợp láng gạn, cũng có m ột th iết bị phòng thí nghiệm để khảo
s á t sự lọc nổi sau khi keo tụ - tủ a bông Đó là thiết bị Flotatest, nó gồm m ột bình hình
Hình 2-11 Sơ đồ nguyên tắc của một thiết bị lọc nồi bằng không khí hoà tan (hoặc nước bị nén).
Trang 32CO SO LÝ THUYẾT VÀ CỠNG NGHỆ x ử LÝ N ư ố c Tự NHIÊN
Hình 2-12 Sơ đồ nguyên tắc lọc nồi bằng ơzon.
côn-trụ, ở đáy có th ề thoát những lượng nước khác nhau bị nén dưới các áp suất khác nhau, Các kết quả nhận được thường được biểu diễn dưới dạng độ đục (hoặc hàm lượng huyền phù) hoặc vận tốc lọc nổi tuỳ thuộc vào tỷ số thể tích không khí trên khối lượng huyền phù rán phải lọc nổi (as, m 3/kg hoặc cm3/g)
.Trong thực tẽ, người ta thường xử lý trực tiếp nưóc nguyên khai dưới áp suất, chứ không phải nước đã bị keo tụ - tủa bông, vì các cụm bông thường không bền dễ bị phá
vỡ Hình 2-11 trình bày một sơ đò nguyên tác về lọc nổi bằng không khí hoà tan và có
tu ầ n hoàn Đối với không khí, ngư ôi ta thường sử dụng một hệ số tuần hoàn 10% (rj = 0,1), áp suất nén cỡ từ 3 đến 8 bar (kích thước bo'ng khí 50 đến 70 fim), và các giá trị
a s bằng 6 đến 12 cm3 không khí/mg huyền phù Vận tốc lắng chìm khoảng 5 - 8 m/h đối với cảc thiết bị tuần hoàn hoặc hình hộp
Lọc nổi bằng ozon là một kiểu lọc nổi tiên tiến được sử dụng kết hợp giữa lọc nổi và oxý hoá và khử trù n g bằng ozon Thiết bị phản ứng (hình 2-12) là tổ hợp của hai bộ phận, một để ozon hoá, tại đo' tạo ra các bọt khí ozon (200 - 500 //m) bằng dòng nước chảy qua các ống xốp (dẫn ozon đến), một bộ phận khác hoàn toàn dành cho lọc nổi, ở đo' vận tốc nổi bọt khí cỡ 2 đến 6 cm/s Công đoạn này được đặt sau giai đoạn keo tụ -
tủ a bông (nói chung bằng muối clorua sắt) và trước giai đoạn lọc Liều lượng ozon thường được sử dụng từ 1 - 3 ppm Thiết bị này được sử dụng đặc biệt cho nưốc phì dưỡng để loại bỏ các rong tảo và các chất làm bít tắc lớp lọc
2.2.3 LỌC LỎP CỐ ĐỊNH
Đây thường là công đoạn cuổi cùng của quá trình làm trong, trừ phi người ta còn muốn lọc thêm qua cột than hoạt tính (để hấp phụ một số chất cần thiết, sẽ no'i sau ở
Trang 33m àng tổng hợp), tròng trư ờ ng hợp này chứng ta có sự lọc "bề mặt" Trong th ự c tế, lớp lọc thường bao gồm khối h ạt sít nhau (một lớp hoặc hai láp) Do đó, người ta no'i: lọc
"theo chỉều sâu* hoặc lộc "khối" Q «ầ trìn h lọc này thưòng h ạ y được sử đụng đê’ làm trong nước bề nùỊd sau khi đã dược keo tụ - tủ a bông và láng gạn (lọc nổi)
• Tẩn thất năng l*tc tạc cùa ỉáp ểọc: ngay khi CÒỊỊ mới, sự tổn th á t xảy ra là do trở lực
đi qua lớp lọc của nước Đối vối m ột mồi trự ò n g xốp đồng nhất, khi lớp lọc còn mới nguyên, biếu thức chung về tổrì th ấ t nẳn g lực Ịẹc dược xác định bồi phương trìn h sau
L g.d2.e*sì>2
tro n g đó: AH: tổn th ấ t n ăn g lực lọc của lớp, m cột nứớc;
L: chiều cao của lớp lọc, m;
v: độ nhớt động lực của nước, m2/s;
U: vận tốe lọc (m/s) hay còn là tỷ số giữa lưu lượng vào và tiết diện của lớp
lọc;
é: độ xốp hoậc % độ rỗng trong lớp lọc;
d: đường kính tru n g bình của các h ạ t lọc, m;
<h: h ệ số hỉnh dáng tru n g bình (hoặc độ tròn) của h ạ t lọc (không đơn vị);
g: gia tốc (9,81 m 2/s);
k: hàng số Kozeny (k = 200).
- Dọ đó, đối với m ột lớp lọc dày L = lm của các h ạ t đường kính tru n g bình lm m ,
độ rỗng 0,5, hệ số hình dáng là 0,7, khi lọc nước sạch với vận tốc 6 m/h, ở n h iệt độ 1QHC
(v = 1,31,1Q"6 m?/s) tổn th ấ t n ăn g lực lọc là 18 cm cột H 20 (chiều cao tối th iểụ của nước
trê n bè m ậ t lớp lọc
- Rõ rặn g là, nước đưa đến lớp lọc là nước không sạch và lớp lọc sẽ bị b ít tắ c khi lọc các loại nước đã được lắng gạn hoặc lọc nổi Do đá, giá trị về độ xốp (sẽ giảm dần (e3 sẽ
càng giậm n h an h ) và (1 - e)2 sỗ tăng Như vậy, tổ n th ấ t nâng lực lọc AH sẽ tàng Trong
các tậ i liệu th am khảo có nhiều ví dụ mô hình hoá về độ tổn th ấ t năn g lực lọc trong quá trìn h lọc nước chda các h ạ t huyền phù
2.2.3.2 X ét đ oán v à th e o dói sự h o ạ t d ộ n g củ a lớ p lọc
Chính tại các nhà máy sản x u ất nước, người ta tiến hành phân tích kiểm tr a quá trìn h lọc dưới hai tham số: tổn th ấ t năng lực lọc và c h ất lượng nước đã lọc Dó là hai
th am số r ấ t thực tế và rấ t có lợi Cụ thể, người ta tiến hành ba việc sau đây:
• Phân tích độ hạt theo phương pháp tiêu chuẩn Xác định kích thước tru n g binh (mm)
Trang 34bằng các lỗ rây ứng với 50% lượng vật liệu được lọt qua; kích thước hiệu dụng (mm) ứng với lỗ rây cho qua 10% vật liệu (còn lại trên rây 90%), hệ số hình dạng được xác định bằng tỷ số của kích thước lỗ rây cho lọt qua 60% vật liệu trên kích thước hiệu dụng
Vì phải thau rửa thường xuyên, nên chiều cao của lớp lọc bị giảm đáng kể sau một thời gian hoạt động Để xác định độ hạt của lớp lọc người ta phải lấy mẫu ở tâm của lớp
Sự thau rử a kéo theo các h ạt co' kích thước nhỏ, do đo' vật liệu lọc sau một thời gian chứa
nhiều dạng h ạt có kích thước khá lớn, nên khi đo các đại lượng về hạt (kích thước hiệu
dụng, kích thước tru n g bình) như tiêu chuẩn ở trên thường cần phải xem xét, hiệu chỉnh
CO SỎ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ x ử LÝ NƯỎC T ự NHIÊN
các ông đo
áp su ất
Hình 2-13 Dáng của các đường cong áp suất tĩnh trong một khối vật liệu lọc đồng nhất
• Khảo sát các đường cong biểu diễn áp suất bên trong lớp lọc để xác định độ dày của
lớp lọc hiệu quả trong tần g lọc Để làm việc đd, cần phải lắp đặt các dụng cụ đo áp su ất tĩnh ở các điểm có chiều cao khác nhau trong tầng lọc Dạng của các đường cong nhận được như trên hình 2-13
Lúc ban đầu, khi lớp lọc còn sạch, đưòng cong áp suất bên trong khối lọc là m ột đường thẳng Trong quá trình lọc, lớp lọc bị bẩn và độ xốp của lớp lọc giảm Nếu sự bám bẩn tương tự như nhau trong toàn khối lọc, thì các đường cong biểu diễn áp su ất sẽ là
các đường thẳng co' góc nghiêng cao hơn trưòng hợp của lớp lọc sạch Co' th ể hình dung
rằng, phần trên của lớp lọc bị bám bẩn, còn phần dưới vẫn còn sạch, phần này sẽ giảm đần trong quá trình lọc Do đó, đường cong áp suất lọc co' thể được chia th àn h hai phần, phần đầu lõm xuống (so với đường AC) vì ở đó sự tổn th ấ t năng lực lọc khá lớn, sau đó, giảm dần và trở nên ổn định (không thay đổi) trong phần thứ hai Khi phần thứ hai song song với đường của lớp lọc sạch thì có th ể kết luận ràng, vẫn còn một số vật liệu sạch ở đáy khối lọc Lưu ý rằng, sự bít tắc của vật liệu lọc rấ t đáng kể ở phần trên của lớp lọc
Nó có thể tạo ra một vùng giảm áp (vùng chân không), tại đđ, khồng khí hoà tan sẽ th o át
Trang 3534 CÁC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỎC
r a và gây ra hiện tượng gọi là “nghẽn khí" tro ng lớp lọc
Điều quan trọng cần chú ý là: đường cong áp su ất của lớp lọc phía trên bị uốn cong, càng bị uốn cong thỉ chứng tỏ lớp lọc càng bị bít bẩn và do đó, cần phải thường xuyên
th au rửa
• Theo dôi chất lượng nước đong thời với sự suy giảm năng lực lọc: Sự theo dõi này tron g
m ột hoặc nhiều chu trìn h lọc cho phép kiểm tr a sự hoạt động bình thường của lớp lọc
Hình 2-14 Sự biến đồi chất lượng nước theo thời gian lục.
D áng của đường cong độ đục của nước được lọc phụ thuộc vào thời gian lọc thường bao gồm ba ph ần (hỉnh 2-14): thòi kỳ khỏi động, tro ng thời kỳ này chất lượng nước chưa tốt lắm; thời kỳ ổn định: độ đục của nước nhỏ và ổn định (const.), là thời kỳ hoạt động bình thư ờng của lớp lọc; và m ột thời kỳ cuối cùng tron g đo' độ đục của nưốc khồng ngừng tăn g lên (tạo r a các rãn h chảy thoắt tro n g lớp lọc)
Dường cong biểu diễn sự tổn th ấ t năng lực lọc ta n g d ần theo m ột độ nghiêng không đổi cho đến giá tr ị cực đại cho phép (quyết định bởi kiểu lớp lọc) Một chất lọc hoạt động bình thường phải đ ạt được năng lực lọc bình thường đến thời gian ¿2 (hình 2-14), thấp hon m ột ít 80 với thòi gian íj - thòi gian lớp lọc bị thủng, lúc đó, nước ra sau lớp lọc có
độ đục rấ t lớn
2.2,3.3 M ộ t v à i s ố liệ u v ậ n d ụ n g c h o s ự lọ c lớ p c ố đ ịn h
Khi xử lý nước bề m ặt, kỹ th u ậ t lọc lớp cô' định chủ yếu là dựa vào trọ n g lực Người
ta phân biệt hai kiểu lọc căn cứ vào giá trị vận tốc lọc: lọc chậm có vận tốc lọc từ 2 đến
10 m3/m 2.ngày (2 đến 10 m/ngày hoặc 0,08 đến 0,4 m/h), lọc nhanh co' vận tốc từ 5 đến
10m3/m 2.h (5 đốn 10 m/h) Dù lọc nhanh hay lọc chậm, bể lọc hở thường gồm m ột ngăn hình hộp (bêtông cốt thép), chia th àn h hai tầ n g nhờ các tâm vật liệu xốp hoặc các vật liệu ngăn thích hợp, trên đo', người ta đổ chất lọc (ví dụ, cát ) và độ dày co' th ể thay đổi
Trang 36c o s ỏ LÝ THUYẾT VÀ CỒNG NGHỆ x ử LÝ N ư ó c Tự NHIÊN 35
Hình 2-15 Mặt cắt của một bề iọc trọng lực cồ điền:
L nước đến; 2 lóp lọc; 3 kênh nước đã lọc; 4 máng rửa; 5 van thài nước rửa.
từ 0,5 đến 2m Nước đã lắng gạn được chảy vào phía trên (hỉnh 2-15) và bị chảy thấm qua vật liệu lọc, tấm ngăn ở phía dưới
Một số thiết bị, đôi khi khá phức tạp, đảm bảo cho lớp lọc một lưu lượng không đổi
m à không cần phải nâng cao mực nước phía trên lớp lọc ơ các bể lọc, luôn luôn có các
th iết bị rửa, thông dụng n hất là rửa ngược nhờ một hỗn hợp không khí - nước, tiếp đến
rử a'ch ỉ bàng nước
Lọc chậm xẩy ra qua hai giai đoạn (lọc sơ bộ từ 3 - 6 m/h, sau đo' lọc với vận tốc 1
- 2 m/h), trên cát có độ hạt 0,8 - 1 mm Loại bỏ sự bít tắc bẩn vật liệu lọc được thực hiện tuỳ thuộc vào sự tổn th ấ t nâng lực lọc, còn sự thau rử a toàn bộ đôi khi tiến hành sau hàng năm Kỹ th u ậ t lọc chậm này vẫn còn được sử dụng trong nhiều dây chuyền xử
lý nước cũ vì nó co' một số ưu điểm, ví dụ như, no' n itrat hoá nitơ dạng amoniac rấ t hiệu quả vì có khả năng phân huỷ một phần các chất hữu cơ bằng sinh học Tuy nhiên, cần
có một m ặt bằng khá lớn (khoảng 50 lần lớn hơn so với lọc nhanh)
Lọc nhanh qua một lớp cát là eách rấ t hay sử dụng để xử lý nước bề m ặt .Tuỹ theo kiểu lọc, chiều cao của cãt cỡ từ 0,8 đến 1,5 m, kích thước hạt khoảng 0,8 đến 1,3 mm
và hệ số hình dạng là 1,3 Chiều cao của nước bề m ặt thay đổi tuỳ theo kỹ th u ậ t lọc, nằm giữa 0,5 và 1 m, tổn th ấ t năng lực lọc có th ể đạt đốn 2,5 m cột nước Việc rửa được tiến hành qua hai giai đoạn: giai đoạn đầu nhàm làm rung động lớp lọc bằng hỗn hợp không khí - nước (50 - 60 m/h đối với không khí, 5 - 1 0 m/h đối với nước) trong thời gian 5 -
10 phút Tiếp đó, là giai đoạn rử a chỉ bằng nước (20 m/h) cho đến khi nước rử a trong suốt (thời gian thường lâu hơn 10 phút)
Phương pháp lọc kiểu "hai lớp" thường được sử dụng để xử lý nước dễ gây bít bẩn Phương pháp này nhằm tăng khả năng của lớp lọc, nghĩa là, tăng thêm thời gian lọc giữa hai lần rửa Nguyên tắc của phương pháp là lọc sơ bộ nước bằng một lớp lọc thứ n h ất (ở phía trên) có kích thước các hạt vật liệu lớn, tiếp đến làm sạch thêm bằng một lớp lọc
Trang 3736 CÁC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯÓC
th ứ hai (phía dưới) CÓ kích thước h ạ t nhỏ hơn Bằng cách này, người ta cđ th ể lọc với độ dày của lớp lọc dày hơn nhiều so với phương pháp lọc kiểu "đơn lớp" Cùng một lượng huyền phù bị giữ lại trong một th ể tích lớn hơn của lớp lọc và do vậy, sự tổ n th ấ t năn g lực lọc xảy ra chậm hơn Nhược điểm chính của phương pháp lọc "hai lớp" là nguy cơ trộ n
lẫn các lớp trong quá trìn h thau rửa Để hạn chế điều đó, cần phải sử dụng vật liệu ở
lớp trê n (dày khoảng 0,4 m) có m ậ t độ (khối lượng riêng) nhỏ hơn nhiều so với cát, ví
dụ như, a n tra x it hoặc đá bọt (kích thước hiệu dụng 1,6 - 2 mni, hệ số hình dạng 1,5), hoặc th an hoạt tín h (kích thước hiệu dụng 1,2 mm, hệ số hình dạng 1,2 - 1,3) sau đo' mới đến lớp cát (ở dưới) (dày độ 0,6 - 1 m, kích thước h ạt hiệu dụng 0,7 - 1 mm, hệ số hình dạng 1,2 - 1,3)
C ác k ế t lu ậ n c h ín h v ề k ý t h u ậ t làm tr o n g b ằ n g lá n g g ạ n
• K hi xử lý nước dùng cho sinli hoạt, biện pháp lảng gạn dược thực hiện trong dòng
liên tục Có rát nhiều kiểu dòng liên tục: (1) lắng gạn trong dòng thằng dứng (trên xuống) thường dược sử dụng trong thiết bị lẳng gạn hình côn-trụ, uừng lằng gạn nằm ở ph a n
h ìn h trụ, (2) lâng gạn trong dòng chảy ngang, thường dược sử dụng trong thiết bị hình hộp (các m ặ t chữ nhật), và dồi khi trong thiêt bị lìinh trụ; (3) lảng gạn trong dòng nghiêng, trong các thiết bị tăm m òng có dòng chày ngược chiêu hoặc thuận chiều.
m T)X>ng mọi trường hợp, các hạt rán có vận tốc làng, us, cao hơn giá trị vận tốc nổi lên (thăng thiên) hay còn gọi là vận tốc Hazen, V H thì chúng mói có thề bị loại bỏ bại lảng gạn.
• Các thiết bị lắng gạn cổ điển bàng dòng chảy thảng đứng chi dược sử d ụ n g khi
lưu lượng nước xử lý không lớn, vận tốc Hazen của hạt cỡ khoảng 0,5 đến 1 mịh Các thiết
bị lảng gạn dòng chảy ngang thường dược bố trí nhiều tang, vận tốc Hazen khoảng 1 - 1,5 rnlli Các thiết bị lắng gạn có lóp bùn tỉnh (hoặc tiếp xúc với bùn) và cát m ịn có thể tủa bông trong vùng bùn Do dó, thời gian khuấy trộn cliậm, nghỉa là thời gian tủa bông dài hon nhiêu so vói trong thiết bị tủa bông binh thường, các cụm bông thu dược to hon
và vận tốc Hazen có th ể rát lớn ( 2 - 4 m /h), thậm chí, rát cao khi có m ặ t của cát m ịn hoặc
có các tăm m ỏng (4 - 30 mỊh).
Lọc n ồ i
• Lọc nổi là m ột biện pháp xử lý nước bầ m ặ t dược sử dụng không p h ổ biến lẫm Tuy
nhiên, giai đoạn làm trong này khá hiệu quả dối vói niỉác chứa nhiêu rong; tậo vàịhoặc
• Lọc nổi bàng không k h í hoà tan dược vận hành với hiệu suất tuân hoàn cỡ 10%; và
áp suất nén k h í 3 - 8 bar (kích thước bóng k h í 50 - 70 pm) Vận tốc làng chìm của hạt nằm giữa 5 - 8 m lh dổi với các thiết bị tuền hoàn hoặc hình hộp.
Lọc lớp cố định
Lọc lớp cố đ ịn h là biện pháp tách các hạt rắn (huyền phù) của m ột chất lỏng nhờ m ột môi trường (lóp) lọc Lớp lọc thường bao gôm m ột khối vật liệu hạt (một lóp hoặc hai lóp) Lọc như vậy dược gọi là lọc "lóp cố đ ịn h ” hoặc "lọc khối".
• C hính tại các nhà m áy nước, người ta kiềm tra chất lượng lọc bằng các tham số:
11) d.ộ hạt của vật liệu lọc, (2) xác địn h dường cong áp suất lọc, (3) theo dõi dồng thời sự
Trang 38c o s ò LÝ THUYỂT VÀ CÔNG NGHỆ x ử LÝ NƯỐC Tự NHIÊN 37
tổn thát năng lực lọc và chát lượng nước đã lọc phụ thuộc vào thòi gian.
• K hi xử lý nước bề mật, biện pháp lọc lóp cố định dựa trên nguyên tấc trọng lực, người ta phân biệt hai kiểu lọc dựa theo vận tốc lọc: lọc chậm với vận tốc lọc từ 2 đến 10
m 3/m 2.ngàỵ (2 dến 10 m/ngày hoặc 0,08 đêh 0,4 mỉh), và lọc nhanh với vận tóc từ 5 đêh
10 m 3/m 2.h (5 - 10 m!h).
• Lọc chậm dược tiến hành qua hai bước (sơ bộ, từ 3 - 6 m/h, tiếp dến lọc trong từ 1
- 2 m/h) trẽn một lóp cát có dộ hạt 0,8 - Im m Lọc nhanh qua m ột lóp cát là biện pháp
hay dược dùng nhát dề xử lý nước bề mặt Tuỳ theo kiều lọc, chiều cao của lớp cát khoảng 0,8 - l,5m , kích thước hạt hiệu dụng giữa 0,8 và 1,3 m m và hệ số hình dạng cỡ 1,3 Chièu cao cột nước trên b'ê m ặt lóp lọc, tuỳ thuộc kỹ thuật lọc, thay dổi từ 0,5 dén lm , tổn thá t năng lực lọc cực đại có thề đạt đêh 2,5 m cột nước.
• Việc thau rửa vật liệu lọc dược thực hiện theo hai bước Bước thứ nhất nhằm làm
rung dộng lớp lọc bằng m ột hỗn hợp không khí - nước (50 - 60 mịh dối với không khỉ, 5
- 10 mỊh đối với nước) trong khoảng 10 phút Bước tiếp theo là bước rủa chỉ bầng nước (20 m/h).
• Kỹ thuật lọc "hai lớp" dược sủ dụng dối vói nước dễ bị bít bân Kỹ thuật này cô thề
làm tăng dung lượng lọc, nghía là tăng thời gian hoạt dộng của các lóp lọc giữa hai lần thau rửa Nguyên tấc của kỹ thuật này là sủ dụng hai lóp lọc: lớp trên có hạt lọc vói kích thước hiệu dụng lớn, lớp dưới có kích thước hiệu dụng của hạt lọc nhỏ hon so vói lóp trên.
2.3 XỬ LÝ BẰNG THAN HOẠT TÍNH
Trong các nhà máy nước sản xuất nước uống, than hoạt tính được sử dụng dưới dạng bột (THB) trong các thiết bị gạn lọc, hoặc ở dạng hạt (THH) ở giai đoạn lọc, đặc biệt, sau giai đoạn ozon hoá (sẽ trình bày sau)
2.3.1 ĐẶC TÍNH CHƯNG CỦA THAN HOẠT TÍNH
Than hoạt tính là một th u ậ t ngữ chung để gọi tên một dãy các vật liệu cacbon co' độ xốp lớn và do đó, có một bề m ật riêng rấ t lớn (500 đến 1.500 m2/g)
2.3.1.1 S ả n x u ấ t
Trước đây cũng như hiện nay phương pháp vật lý để sản xuất th an hoạt tính thường hay được sử dụng nhất No' gồm ba giai đoạn nối tiếp: (1) sấy ngụyên liệu (gỗ, than bùn,
th an đá, gáo dừa), than hoá ở 500 - 6Ơ0°C, trong 5 * 6 giờ, (3) hoạt hoá ở 800 - 1.000°c,
trong khoảng từ 24 đến 72 giờ, để làm tăng bề m ặt bên trong của vật liệu Hiệu su ất sản phẩm no'i chung là thấp: khoảng 100 tấn nguyên liệu, người ta mới nhận được khoảng 8 tấ n than hoạt tính
Gần đây, người ta cđ sử dụng phương pháp hoá học để điều chế th an hoạt tính
Phương pháp này gồm chỉ một giai đoạn vừa than hoá vừa hoạt hoá ở 400 - 600°c trong
5 đến 24 giờ với sự có m ặt chất xúc tác Hiệu suất sản phẩm cỡ 30% (8% đối với phương pháp vật lý) Dộ bền cơ học của sản phẩm không tố t lắm
2 3 Ỉ.2 C ác đ ặ c t r ư n g c h ín h c ủ a th a n h o ạ t tín h
Trong bảng 2- 5, trình bày các số liệu chính về các loại than hoạt tính của các hãng
Trang 3938 CÁC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỐC sản x uất khác nhau, để cho chúng ta hình dung các đặc trư n g cơ bản của th a n hoạt tính.
Bảng 2-5. Các đặc trưng chính cùn một vài loại than hoạt tính dụng hạt ( T llll)
Háng sàn xuất CH EM VI RON NOR1T CECA HI CA
Nguồn gốc Khoáng sàn Than bùn Gáo dừa Gáo dừa
•Kích thước hiệu dụng (mm) 0,55 - 0,65 0,79 0,53 0,59
Hệ số hình dạng < 1,9 1(24 Ị93 1,68 Mật độ bicu kiến (lóp than lèn chặt) 0,43 0,38 0 51 0,5 Mật độ biều kiến (lóp than không lèn chặt) 0,4 0,36 0,52 0,45
• Người ta cho rằng, các ph ân tử bị giữ lại trê n bề m ặt th a n hoạt tín h là- do hai
» nguyên nhân: (1) hấp phụ vật lý (chủ yếu n h ất) được thự c,hiện bởi các tương tác yếu và
th u ận nghịch giữa các phân tử (chất hữu cơ ) và các tâm hấp phụ trê n bề m ậ t th an hoạt tính, (2) hấp phụ hoá học Sự hấp phụ kiểu này tậo ra các liên k ết hoá học bện
• Mối qu an hệ định lượng giữạ nồng <Jô chặt bị hấp phụ tro n g pha lỏng (C.) và nồng
độ của nó tro n g pha bề m ặ t (ạe), ở tạ i một nhiệt độ n h ất định, tron g trạ n g th ái cân bằng,
được gọi là dằng n hiệt hấp p hụ Các phương trìn h đẳng nhiệt cần th iết cho việc xác định
hiệu su ất xử lý, sự lựa chọn th a n hoạt tính, tính toán kích thước lớp lọc v à 'đ ể nghiên cứu vặ mộ hình hpá tr o n g các bình phản ứng liên tục
• -Trong rổ t.n h iề ụ bộ thức thự c nghiệm hoặc bán thự c nghiệm được sử dụng để mô
tả các đường đẳng n h iệ t hấp phụ, th ì phương trình Freundlich được ứng dụng rộng rãi
m: khối lượng chất hấp phụ (than hoạt tính);
Cc: nồng độ của chất ta n trong pha lỏng ở trạ n g thái cân bằng;
K và h : các hằng số Freundlich.
Trang 40C ỏ Sỏ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ x ử LÝ NƯỐC T ự NHIÊN
Phương trình trên có thể biểu diễn ở dạng tuyến tính:
Biết các giá trị thực nghiệm tga và OA, chúng ta sẽ xác định được n và K.
Các tham số ảnh hưởng đến cân bằng hấp phụ là bản chất của chất tan (độ tan, độ phân cực), nhiệt độ, pH và sự hiện diện của các chất tan khác
2.3.3 ỨNG DỤNG THAN HOẠT TÍNH
2.3.3.1 T h a n h o ạ t tín h d ạ n g b ộ t (THB)
Người ta đưa than hoạt tính dạng bột (độ hạt 10 - 50 /mi) vào giai đoạn đầu của dây chuyền xử lý sau keo tụ - tủa bông nhàm giảm bớt các ô nhiễm tạm thời hoặc b ất thường (các chất vi ô nhiễm, chất hữu cơ, các hợp chất co' vị lạ ) Mặt khác, điều đó cho phép giảm bãt liều lượng ozon trong giai đoạn ozon hoá trung gian và tăng thời gian làm việc của lớp lọc th an hoạt tính dạng hạt (THH) trong dây chuyền xử lý nước
• ,Xác định liều lượng THB: liều lượng THB được xác định như phương pháp thử nghiệm liều lượng hoá chất dùng cho phép keo tụ - tủa bông (phương pháp Ja r-T e st, xem phần Keo tụ - tủa bông) Bằng cách đưa vào nước các lượng THB tăng dàn và sau khi khuấy trộn, láng gặn và lọc, ngưòi ta xác định hông độ còn lại của chất ô nhiễm đối vối các liều lượng THB khác nhau và ở các thời điểm tương ứng với thời gian xử lý thực tế trong dây chuyền xử lý nước Chất hấp phụ hiệu quả nhất và liều lượng tối ưu của nó
