Nghiên cứu khả năng loại bỏ chất hữu cơ bằng keo tụ tạo bông kết hợp lọc màng uf

Các nghiên cứu của luận văn đã thực hiện trên mô hình lọc màng UF kết hợp với keo tụ tạo bông của nhà máy nhằm vào mục tiêu tăng cường xử lý độ màu, chất hữu cơ có trong nguồn nước cấp c

NGUYỄN HÀ THANH LOAN

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG LOẠI BỎ CHẤT HỮU CƠ BẰNG KEO TỤ TẠO BÔNG KẾT HỢP

LỌC MÀNG UF

Chuyên nghành: Công Nghệ Môi Trường

LUẬN VĂN THẠC SĨ

TP HỒ CHÍ MINH, tháng 01 năm 2011

ĐẠI HỌC QUỐC GIA TP HỒ CHÍ MINH Cán bộ hướng dẫn khoa học: TS ĐẶNG VIẾT HÙNG

NHIỆM VỤ LUẬN VĂN THẠC SĨ

Họ tên học viên: NGUYỄN HÀ THANH LOAN Phái: Nữ

Ngày, tháng, năm sinh: 12/02/1982 Nơi sinh: TpHCM

Chuyên ngành: CÔNG NGHỆ MÔI TRƯỜNG MSHV: 02508608

I TÊN ĐỀ TÀI

NGHIÊN CỨU KHẢ NĂNG LOẠI BỎ CHẤT HỮU CƠ BẰNG KEO TỤ

TẠO BÔNG KẾT HỢP LỌC MÀNG UF

II NHIỆM VỤ VÀ NỘI DUNG

Nhiệm vụ: Nghiên cứu ứng dụng màng lọc UF kết hợp keo tụ trong xử lý chất

hữu cơ

Nội dung:

− Đánh giá hiệu quả xử lý chất hữu cơ bằng phương pháp keo tụ với các chất

keo tụ phèn nhôm và PAC

− Đánh giá hiệu quả xử lý chất hữu cơ bằng phương pháp lọc màng UF kết hợp

keo tụ của nhà máy Tân Hiệp

III NGÀY GIAO NHIỆM VỤ:

IV NGÀY HOÀN THÀNH NHIỆM VỤ:

LỜI CÁM ƠN

Để hoàn thành luận văn này, em xin bày tỏ lòng biết ơn sâu sắc đến toàn thể quý thầy cô khoa Môi Trường - Trường Đại Học Bách Khoa Tp.HCM đã truyền đạt kiến thức cho em trong suốt 2 năm học tại trường Đặc biệt là Thầy Đặng Viết Hùng luôn động viên, hỗ trợ, chỉ bảo tận tình trong thời gian học tập cũng như thời gian em thực hiện luận văn

Xin cảm ơn gia đình, là nguồn động viên và là điểm tựa vững chắc,

đã hỗ trợ và tạo cho con nghị lực trong suốt quá trình học tập và khó khăn trong cuộc sống

Em xin chân thành cảm ơn đến các anh chị trong NMN Tân Hiệp đã giúp đỡ, tạo điều kiện cho em được thực tập, vận hành mô hình để em hoàn thành luận văn này

Cám ơn quý thầy cô đã quan tâm dành thời gian nhận lời phản biện khoa học cho đề tài này

Và cuối cùng xin cảm ơn tất cả các bạn đã giúp đỡ tôi trong những năm học vừa qua

Trân trọng cảm ơn!

Tp Hồ Chí Minh, 01/2011 Học viên

Nguyễn Hà Thanh Loan

TÓM TẮT LUẬN VĂN Đồng hành với sự phát triển nền kinh tế của Thành Phố Hồ Chí Minh, những năm gần đây với mục đích cấp nước cho người dân thành phố ngày càng gia tăng Nhà máy nước Tân Hiệp đã lấy nước sông Sài Gòn làm nguồn nước đầu vào trong quá trình xử lý Nhưng nguồn nước này đang trong tình trạng báo động ngày càng ô nhiễm nghiêm trọng hơn bởi nước thải của các nhà máy, khu dân cư, khu công nghiệp ở ven sông Vấn đề này đã gây sức ép rất lớn với hệ thống xử lý nước cấp hiện hữu của nhà máy cấp nước Tân Hiệp

Các nghiên cứu của luận văn đã thực hiện trên mô hình lọc màng UF kết hợp với keo tụ tạo bông của nhà máy nhằm vào mục tiêu tăng cường xử lý độ màu, chất hữu cơ có trong nguồn nước cấp cho nhà máy Tân Hiệp Vì sự hiện diện của chất hữu cơ trong nguồn nước thô và đầu ra của hệ thống xử lý nước khi kết hợp với chlorine khử trùng của nhà máy sẽ hình thành những hợp chất gây ung thư

Kết quả nghiên cứu cho thấy chất lượng nước sau lọc màng UF đáp ứng được nhu cầu cho ăn uống của người dân với độ đục là 0.1 – 0.2 NTU, độ màu

2 – 3 Pt – Co và chất hữu cơ từ 1.1 – 2 mg/L rất ổn định khi nước nguồn thay đổi Cuối giai đoạn khảo sát lưu lượng dòng thấm thu được 9 – 10 L/ph với áp suất vận hành cố định là 1.5 kg/cm2 giảm so với lưu lượng dòng thấm ban đầu là

12 L/ph, sự giảm lưu lượng dòng thấm này liên quan đến các bông keo tụ trong

bể lắng tích tụ lại trên bề mặt của màng và bịt kín từ từ các lỗ của màng Nghiên cứu cũng cho thấy hiệu quả xử lý của màng UF không cao hơn lọc cát nhiều, điều này chứng tỏ màng UF chỉ có khả năng giải quyết được chất hữu cơ có kích thước đại phân tử, mà vẫn không có khả năng giải quyết được triệt để chất hữu

cơ gây độ màu thực của nước ở dạng hòa tan hoặc ở dạng keo rất nhỏ hơn so với kích thước màng lọc

Ngoài ra, nghiên cứu cũng thực hiện khảo sát quá trình tăng cường keo tụ tạo bông với PAC và phèn nhôm trên mô hình Jartest Kết quả cho thấy với pH

và liều lượng chất keo tụ tối ưu hiệu suất xử lý chất hữu cơ đạt được tốt nhất đối với PAC là 66%, phèn 64% Hiệu suất xử lý tăng cường này cao hơn hiệu suất

xử lý thực của nhà máy Tân Hiệp với chất keo tụ là PAC (hiệu suất xử lý chất hữu cơ 43.3%) Quá trình keo tụ tạo bông tốt sẽ góp phần làm cho hoạt động của màng UF được hiệu quả hơn

MỤC LỤC

TÓM TẮT LUẬN VĂN xiii  

MỤC LỤC iv

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT vii

DANH MỤC CÁC HÌNH viii

DANH MỤC CÁC BẢNG xii  

CHƯƠNG 1 .1  

1.1. Tính cấp thiết của đề tài 1 

1.2. Mục tiêu nghiên cứu 2 

1.3. Nội dung và phương pháp nghiên cứu 2 

1.3.1.Nội dung nghiên cứu 2 

1.3.2.Phương pháp nghiên cứu 2 

1.4. Tính khoa học – Tính thực tiễn của đề tài 2 

1.4.1.Tính khoa học của đề tài 2 

1.4.2.Tính thực tiễn của đề tài 3 

1.5. Tính mới của đề tài 3 

CHƯƠNG 2 .4  

2.1. Tổng quan về công nghệ xử lý của nhà máy nước Tân Hiệp 4 

2.1.1.Diễn biến chất lượng nước sông Sài Gòn là nguồn cấp nước 4 

2.1.2.Hiện trạng công nghệ xử lý của Nhà máy nước cấp Tân Hiệp 4 

2.2. Các phản ứng của NOM (chất hữu cơ tự nhiên) với các tác nhân khử trùng trong nước 7 

2.3. Tổng quan về phương pháp xử lý bằng keo tụ 7 

2.3.1.Bản chất hóa lý của quá trình keo tụ 7 

2.3.2.Các cơ chế của quá trình keo tụ 10 

2.3.3.Các chất làm keo tụ 11 

2.3.4.Hoá học của quá trình keo tụ 14 

2.3.5.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ .15 

2.4. Tổng quan về phương pháp xử lý bằng công nghệ lọc màng UF 18 

2.4.1.Một số đặc điểm về màng UF 18 

2.4.2.Cơ chế quá trình lọc màng UF 19 

2.4.3.Nguyên lý quá trình lọc màng 20 

2.4.4.Nguyên nhân giảm dòng thấm của màng UF 22 

2.4.5.Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đóng cáu cặn lên màng UF 25 

2.5. Tình hình nghiên cứu áp dụng công nghệ lọc màng UF trên thế giới 28 

CHƯƠNG 3 .32  

3.1. NỘI DUNG 1: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ CHẤT HỮU CƠ BẰNG PP KEO TỤ VỚI CÁC CHẤT KEO TỤ PHÈN NHÔM VÀ PAC .33 

3.1.1.Mụctiêu 33 

3.1.2.Đối tượng nghiên cứu 33 

3.1.3.Nội dung thí nghiệm 34 

3.1.4.Mô hình thí nghiệm 34 

3.1.5.Các bước tiến hành thí nghiệm 35 

3.1.6.Phương pháp phân tích 37 

3.2. NỘI DUNG 2: ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ CHẤT HỮU CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP LỌC MÀNG UF .37 

3.2.1.Mục tiêu 37 

3.2.2.Đối tượng nghiên cứu 37 

3.2.3.Nội dung thí nghiệm 37 

3.2.4.Mô hình thí nghiệm 38 

3.2.5.Các bước tiến hành thí nghiệm 40 

3.2.6.Phương pháp phân tích 41 

CHƯƠNG 4 .42  

4.1. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ CHC BẰNG PHƯƠNG PHÁP KEO TỤ VỚI CÁC CHẤT KEO TỤ PHÈN NHÔM VÀ PAC 42 

4.1.1.Xác định điều kiện tối ưu trong quá trình keo tụ khi sử dụng phèn nhôm 42 

4.1.2.Xác định điều kiện tối ưu trong quá trình keo tụ khi sử dụng PAC 58

4.1.3.So sánh hiệu quả xử lý của phèn nhôm, PAC 73 

4.1.4.So sánh hiệu quả xử lý keo tụ của PAC trong phòng thí nghiệm và keo tụ của nhà máy Tân Hiệp tháng 12 76 

4.2. ĐÁNH GIÁ HIỆU QUẢ XỬ LÝ CHẤT HỮU CƠ BẰNG PHƯƠNG PHÁP LỌC MÀNG UF 77 

CHƯƠNG 5 .83  

5.1. KẾT LUẬN 83 

5.2. KIẾN NGHỊ 84 

TÀI LIỆU THAM KHẢO 85 

DANH MỤC CÁC TỪ VIẾT TẮT

COD Chemical Oxygen Demand – Nhu cầu oxy hóa học

NTU Neophelometric Turbidity Unit – Đơn vị đo độ đục

PAC Poly Aluminum Chloride

DBPs Disinfection by products - Sản phẩm khử trùng trung gian HAAs Acid haloacetic

KCN Khu công nghiệp

NOM Natural organic carbon – Hợp chất hữu cơ tự nhiên

PTN Phòng thí nghiệm

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1.1: Sơ đồ khối về tổng thể hệ thống cấp nước của nhà máy Tân Hiệp 6  

Hình 2.2: Thế năng tương tác giữa các hạt keo 9  

Hình 2.3: Cấu trúc Keggin của PAC 15  

Hình 2.4: Mô tả cấp độ lọc của màng UF 18  

Hình 2.5: Cơ chế lọc màng UF 20  

Hình 2.6: Biểu đồ cáu cặn trong quá trình lọc màng 24  

Hình 3.1: Mô hình thí nghiệm Jartest 35  

Hình 3.2: Quá trình lọc nước 38  

Hình 3.3: Quá trình rửa xuôi 38  

Hình 3.4: Quá trình rửa ngược 39  

Hình 4.1: Khảo sát khả năng khử độ màu trong thí nghiệm xác định hàm lượng phèn sơ bộ tháng 7 43  

Hình 4.2: Khảo sát khả năng khử độ đục trong thí nghiệm xác định hàm lượng phèn sơ bộ tháng 7 43  

Hình 4.3: Khảo sát khả năng khử độ màu của phèn trong thí nghiệm xác định pH sơ bộ tháng 7 44  

Hình 4.4: Khảo sát khả năng khử độ đục của phèn trong thí nghiệm xác định pH sơ bộ tháng 7 45  

Hình 4.5: Khảo sát khả năng khử COD của phèn trong thí nghiệm xác định pH sơ bộ tháng 7 45  

Hình 4.6: Khảo sát khả năng khử độ màu của phèn trong thí nghiệm xác định pH tối ưu tháng 7 47  

Hình 4.7: Khảo sát khả năng khử độ đục của phèn trong thí nghiệm xác định pH tối ưu tháng 7 48  

Hình 4.8: Khảo sát khả năng khử COD cuả phèn trong thí nghiệm xác định pH tối ưu tháng 7 48  

Hình 4.9: Khảo sát khả năng khử độ màu của phèn trong thí nghiệm xác định hàm

lượng phèn tối ưu tháng 7 49  

Hình 4.10: Khảo sát khả năng khử độ đục của phèn trong thí nghiệm xác định hàm

lượng phèn tối ưu tháng 7 50  

Hình 4.11: Khảo sát khả năng khử COD của phèn trong thí nghiệm xác định hàm

lượng phèn tối ưu tháng 7 50  

Hình 4.12 : Khảo sát khả năng khử độ màu của phèn trong thí nghiệm xác định

Hình 4.20 : Khảo sát khả năng khử độ màu của phèn trong thí nghiệm xác định hàm

lượng phèn tối ưu tháng 12 57  

Hình 4.21 : Khảo sát khả năng khử độ đục của phèn trong thí nghiệm xác định hàm

lượng phèn tối ưu tháng 12 57  

Hình 4.22: Khảo sát khả năng khử COD của phèn trong thí nghiệm xác định hàm

lượng phèn tối ưu tháng 12 58  

Hình 4.23: Khảo sát khả năng khử độ màu của PAC trong thí nghiệm xác định hàm

lượng PAC sơ bộ tháng 7 59  

Hình 4.24: Khảo sát khả năng khử độ đục của PAC trong thí nghiệm xác định hàm

lượng PAC sơ bộ tháng 7 59  

Hình 4.25: Khảo sát khả năng khử độ màu của PAC trong thí nghiệm xác định pH

Hình 4.31: Khảo sát khả năng khử độ màu trong thí nghiệm xác định hàm lượng

PAC tối ưu tháng 7 64  

Hình 4.32: Khảo sát khả năng khử độ đục trong thí nghiệm xác định hàm lượng

PAC tối ưu tháng 7 65  

Hình 4.33: Khảo sát khả năng khử COD trong thí nghiệm xác định hàm lượng PAC

Hình 4.37: Khảo sát khả năng khử độ đục của PAC trong thí nghiệm xác định pH sơ

Hình 4.42: Khảo sát khả năng khử độ màu của PAC trong thí nghiệm xác định hàm

lượng PAC tối ưu tháng 12 72  

Hình 4.43: Khảo sát khả năng khử độ đục của PAC trong thí nghiệm xác định hàm

lượng PAC tối ưu tháng 12 72  

Hình 4.44: Khảo sát khả năng khử COD của PAC trong thí nghiệm xác định hàm

lượng PAC tối ưu tháng 12 73   Hình 4.45: So sánh hiệu quả xử lý của phèn nhôm và PAC tháng 7 75   Hình 4.46: So sánh hiệu quả xử lý của phèn nhôm và PAC tháng 12 75  

Hình 4.47: So sánh hiệu quả xử lý keo tụ của PAC trong phòng thí nghiệm với PAC

keo tụ của nhà máy .77  

Hình 4.48: Biểu đồ lưu lượng dòng thấm và áp suất vận hành của màng UF hoạt

động theo cơ chế lọc dead end .78  

Hình 4.49: Biểu đồ hiển thị khả năng khử độ đục theo thời gian của màng UF hoạt

động theo cơ chế lọc dead end .79  

Hình 4.50: Biểu đồ hiển thị khả năng khử độ màu theo thời gian của màng UF hoạt

động theo cơ chế lọc dead end .80  

Hình 4.51: Biểu đồ hiển thị khả năng khử COD theo thời gian của màng UF hoạt

động theo cơ chế lọc dead end .80   Hình 4.52: So sánh hiệu quả xử lý của lọc màng UF và lọc cát .82  

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 2.1: Sản phẩm phụ hình thành từ các tác nhân khử trùng 7  

Bảng 2.2: Tóm tắt giải pháp xử lý bám cáu cặn 28  

Bảng 2.3: Hiệu quả khử Cryptosporidium parvum và Giardia muris trong trường hợp điều kiện vận hành màng xấu nhất 30  

Bảng 3.1: Đặc tính kỹ thuật của PAC 33  

Bảng 3.2: Thí nghiệm đánh giá sơ bộ hiệu quả xử lý giữa phèn nhôm và PAC 35  

Bảng 3.3: Bảng phương pháp phân tích các chỉ tiêu 37  

Bảng 3.4: Đặc tính module màng UF 39  

Bảng 3.5: Bảng phương pháp phân tích các chỉ tiêu 41  

Bảng 4.1: So sánh hiệu quả xử lý của phèn nhôm và PAC 74  

Bảng 4.2: So sánh hiệu quả xử lý của PAC phòng thí nghiệm và PAC keo tụ nhà máy .76  

Bảng 4.3: Chất lượng nước bể lắng của nhà máy Tân Hiệp 78   Bảng 4.4: Chất lượng nước sông đã clorine hóa tại nhà máy Tân Hiệp 81  

Bảng 4.5: So sánh hiệu quả xử lý màng UF và lọc cát truyền thống của nhà máy

81  

Bảng B.1.1: Thí nghiệm xác định hàm lượng phèn sơ bộ 89  

Bảng B.1.2: Thí nghiệm xác định pH sơ bộ của phèn nhôm 89  

Bảng B.1.3: Thí nghiệm xác định pH tối ưu của phèn nhôm 90  

Bảng B.1.4: Thí nghiệm xác định hàm lượng phèn tối ưu 90  

Bảng B.2.1: Thí nghiệm xác định hàm lượng phèn sơ bộ 91  

Bảng B.2.2: Thí nghiệm xác định pH sơ bộ của phèn 91  

Bảng B.2.3: Thí nghiệm xác định pH tối ưu của phèn 92  

Bảng B.2.4: Thí nghiệm xác định hàm lượng phèn tối ưu 92  

Bảng B.3.1: Thí nghiệm xác định hàm lượng PAC sơ bộ 93  

Bảng B.3.2: Thí nghiệm xác định pH sơ bộ của PAC 93  

Bảng B.3.3: Thí nghiệm xác định pH tối ưu của PAC 94  

Bảng B.3.4: Thí nghiệm xác định hàm lượng PAC tối ưu 94  

Bảng B.4.1: Thí nghiệm xác định hàm lượng PAC sơ bộ 95  

Bảng B.4.2: Thí nghiệm xác định pH sơ bộ của PAC 95  

Bảng B.4.3: Thí nghiệm xác định pH tối ưu của PAC 96  

Bảng B.4.4: Thí nghiệm xác định hàm lượng PAC tối ưu 96  

Bảng B.5.1: Khảo sát quá trình lọc màng khi áp suất vận hành là 1.5 kg/cm2 97 

Bảng B.5.2: Diễn biến chất lượng nước sông Sải Gòn 99  

CHƯƠNG 1

MỞ ĐẦU

1.1 Tính cấp thiết của đề tài

Nước là tài nguyên đặc biệt quan trọng, là thành phần thiết yếu của sự sống

và môi trường, quyết định sự tồn tại, phát triển bền vững của mọi quốc gia trên thế giới Ngày nay, trong quá trình phát triển, thành phố Hồ Chí Minh, đã và đang gặp phải nhiều vấn đề về môi trường ngày càng nghiêm trọng, do các hoạt động sản xuất công nghiệp, nông nghiệp, giao thông vận tải và sinh hoạt gây ra Trong đó ảnh hưởng có thể nhìn thấy rõ nhất là sự suy giảm chất lượng nước trên các con sông, kênh, rạch do các chất hữu cơ gây ra Chất hữu cơ hiện diện trong nguồn nước ảnh hưởng đến mỹ quan về nguồn nước như gây màu, mùi và vị khó chịu, góp phần trong sự tái phát triển vi sinh trong nguồn nước sau xử lý Đặc biệt là chất hữu cơ có

thể dẫn đến sự hình thành các sản phẩm khử trùng trung gian (DBPs-disinfection

by-products) khi tác dụng với các chất khử trùng như chlorine, chorine dioxide, chloramine và ozone trong hệ thống xử lý nước uống Trong số các sản phẩm đó, có một số chất có thể hoặc khả năng gây ung thư Ví dụ như acid haloacetic (HAAs) là thành phần của DBPs, được cho là có gây hại đến sức khỏe con người và có đặc tính gây độc như làm ảnh hưởng đến tái tạo và phát triển tế bào Chất hữu cơ có thể

gây cặn bẩn trong màng xử lý; làm ăn mòn tua bin hay hệ thống động cơ Chính vì

vậy, việc nghiên cứu loại bỏ chất hữu cơ nhằm kiểm soát quá trình hình thành DBPs

là cần thiết

Hiện nay, các trạm cấp nước xử lý nước mặt ở nước ta vẫn còn áp dụng theo công nghệ xử lý kiểu truyền thống (keo tụ-tạo bông-lắng-lọc cát), công nghệ này dần dần sẽ không còn phù hợp nữa khi chất lượng nước sông ngày một xấu Chính vì thế với những tính năng vượt trội cả về công nghệ, chất lượng, chi phí đầu

tư và vận hành, ứng dụng công nghệ lọc màng hiện đại UF để tạo nguồn nước sạch cho cộng đồng, là xu hướng phát triển tất yếu của các nhà máy nước cần được

nghiên cứu trong luận văn này để áp dụng tại Việt Nam Tên đề tài: “Nghiên cứu

khả năng loại bỏ chất hữu cơ bằng keo tụ tạo bông kết hợp lọc màng UF”

1.2 Mục tiêu nghiên cứu

− Nghiên cứu và đánh giá khả năng loại bỏ chất hữu cơ bằng phương pháp keo

tụ kết hợp với lọc màng UF

1.3 Nội dung và phương pháp nghiên cứu

1.3.1 Nội dung nghiên cứu

− Đánh giá hiệu quả xử lý chất hữu cơ bằng phương pháp keo tụ với các chất keo tụ phèn nhôm và PAC

− Đánh giá hiệu quả xử lý chất hữu cơ bằng phương pháp lọc màng UF kết hợp keo tụ của nhà máy Tân Hiệp

1.3.2 Phương pháp nghiên cứu

− Phương pháp điều tra, khảo sát thực địa và tổng hợp tài liệu

− Phương pháp lấy mẫu và phân tích các chỉ tiêu chất lượng tại nhà máy nước

− Phương pháp thu thập số liệu từ trường, sở, ngành…

− Phương pháp thực nghiệm trong phòng thí nghiệm

− Phương pháp thống kê xử lý số liệu

1.4 Tính khoa học – Tính thực tiễn của đề tài

1.4.1 Tính khoa học của đề tài

Kế thừa kết quả nghiên cứu thực nghiệm từ các bài báo, tạp chí khoa học đã công bố và triển khai ứng dụng thành công mô hình keo tụ - UF trên một số quốc gia trên thế giới Chúng tôi đã tiến hành nghiên cứu áp dụng mô hình lọc này thay cho lọc cát truyền thống của Nhà máy nước Tân Hiệp để tăng cường xử lý các chất

ô nhiễm chủ yếu là chất hữu cơ trong nước

Bên cạnh đó việc nghiên cứu loại bỏ chất hữu cơ nhằm kiểm soát quá trình hình thành DBPs là cần thiết để giảm thiểu rủi ro gây ảnh hưởng đối với sức khỏe con người

1.4.2 Tính thực tiễn của đề tài

Hiện nay các nhà máy nước vẫn sử dụng các công nghệ xử lý truyền thống, những công nghệ này sẽ không thể đáp ứng được nhu cầu sử dụng nước cho người dân khi chất lượng nước sông làm nguồn nước cấp cho các nhà máy nước ngày càng diễn biến xấu đi Vì vậy, việc nghiên cứu sử dụng công nghệ màng để giải quyết các vấn đề ô nhiễm chất hữu cơ, vi sinh….cho các nhà máy nước cấp hiện nay là vấn đề cần phải được thực hiện trong tương lai

1.5 Tính mới của đề tài

Sản xuất nước uống cũng như phần lớn các loại nước sản xuất trong công nghiệp từ nước thiên nhiên luôn coi trọng việc loại bỏ huyền phù, dù chúng có nguồn gốc hay bản chất như thế nào Điều đó được đánh giá cao đặc biệt loại bỏ độ đục (làm trong) và khử trùng Ở các nước tiên tiến như Châu Âu, Bắc Mỹ…việc sử dụng công nghệ lọc màng UF để giải quyết các vấn đề trên là không còn mới nữa Nhưng ở Việt Nam, các nhà máy nước cấp của thành phố như Nhà máy cấp nước Tân Hiệp, Nhà máy cấp nước Thủ Đức…vẫn còn áp dụng phương pháp xử lý theo công nghệ truyền thống chỉ dừng lại ở mức độ keo tụ - lắng lọc cát - khử trùng, hiệu quả xử lý sẽ không đảm bảo yêu cầu khi chất lượng nguồn nước cấp vào xử lý ngày một xấu đi Do đó, hướng nghiên cứu của luận văn là áp dụng công nghệ lọc màng

UF kết hợp keo tụ thay cho lọc cát để xử lý nước cấp trong điều kiện thực tế ở Việt Nam

CHƯƠNG 2

TỔNG QUAN

2.1 Tổng quan về công nghệ xử lý của nhà máy nước Tân Hiệp

2.1.1 Diễn biến chất lượng nước sông Sài Gòn là nguồn cấp nước

Sông Sài Gòn bắt nguồn từ lưu vực hồ Dầu Tiếng đến ngã ba sông Đồng Nai có chiều dài khoảng 107km chảy qua tỉnh Tây Ninh, Bình Dương và Sài gòn Sông Sài Gòn có vai trò quan trọng trong quá trình phát triển kinh tế, xã hội của các tỉnh trên các lĩnh vực như: tưới tiêu nông nghiệp, nuôi trồng thủy sản, vận chuyển thủy, du lịch sông nước…Nhưng quan trọng hơn, sông Sài Gòn là nguồn cấp nước thô cho các nhà máy cấp nước (nhà máy nước Tân Hiệp, công suất 300.000m3 ngày đêm) phục vụ cho nhu cầu sinh hoạt và công nghiệp trên lưu vực Hiện nay nguồn này đang trong tình trạng báo động ngày càng ô nhiễm nghiêm trọng hơn bởi nước thải của các khu công nghiệp, khu dân cư:

- Nguồn thải của tỉnh Tây Ninh

- Nguồn thải của tỉnh Bình Dương

- Nguồn thải của Thành phố Hồ Chí Minh

Với sự xả thải của các KCN nói trên, mức độ ô nhiễm của nguồn nước sông Sài Gòn đang có chiều hướng gia tăng đặc biệt là các chỉ tiêu độ đục, ô nhiễm hữu

cơ, hàm lượng ammonia, hàm lượng Mn, các kim loại nặng…Điều này đã gặp rất nhiều khó khăn cho vấn đề quản lý và vận hành hệ thống xử lý nước của nhà máy

Theo số liệu đo đạc tại công trình thu nước của Nhà máy nước Tân Hiệp, diễn biến các chất ô nhiễm được trình bày trong phụ lục B

2.1.2 Hiện trạng công nghệ xử lý của Nhà máy nước cấp Tân Hiệp

9 Tại trạm bơm nước thô Hòa Phú

Nước thô từ sông Sài Gòn có pH trong khoảng 5,0 – 6,0 được châm vôi nâng pH lên 8,5 - 9,5 để oxi hóa Mn, châm clo sau song chắn để hạn chế sự phát triển của rong rêu, tảo, chất hữu cơ bảo vệ đường ống Nước thô sau đó sẽ dẫn về bể

phân chia lưu lượng đường ống Φ1.500 mm, tại đây tiến hành châm clo sau song chắn để tiếp tục thực hiện quá trình oxy hóa mangan

9 Tại nhà máy nước cấp Tân Hiệp

Tại bể phân chia lưu lượng clo được châm thêm tại vị trí ngăn thu nước trong bể trộn để nâng cao hiệu quả của quá trình lắng cặn và thực hiện quá trình oxi hóa mangan và bảo vệ các công trình sau

Nước từ bể phân chia lưu lượng được dẫn đến bể trộn bằng mương dẫn với kích thước 2x2 m

Tại bể trộn PAC được cho vào tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình keo tụ (lượng PAC châm vào được tính toán qua kết quả Jartest tại phòng thí nghiệm) Tại cuối bể trộn châm vôi vào để nâng pH lên khoảng 6.8 – 7.2 Sau quá trình xáo trộn bằng thủy lực, các hạt keo nhỏ trong nước sẽ liên kết với nhau tạo thành bông keo

có kích thước lớn hơn và có thể tách chúng bằng lắng trọng lực Nước đã được lắng trong sẽ tràn qua máng thu nước vào mương dẫn chung, dẫn đến các bể lọc

Bể lọc sẽ giữ các chất bẩn ở trong nước và tiến hành rửa lọc khi tổn thất áp lực là 2 m (tuy nhiên theo kinh nghiệm sau một thời gian vận hành thì 90 giờ sẽ rửa lọc một lần) Quy trình rửa lọc được chia làm 3 pha: pha thổi gió, thổi gió kết hợp với rửa bằng nước và cuối cùng là rửa ngược bằng nước

Nước sau lọc được châm thêm vôi nếu pH nhỏ hơn 7.0 Sau đó nước được dẫn đến bể nước sạch Clo được châm vào ở cuối bể chứa nước sạch trước khi nước được bơm vào mạng ống

Hình 1.1: Sơ đồ khối về tổng thể hệ thống cấp nước của nhà máy Tân Hiệp

Sông Sài Gòn

Bể chắn rác Công trình thu nước

Trạm bơm nước thô

Bể phân chia lưu lượng

Bể trộn

Bể lắng trong

Bể lọc nhanh Hầm chứa nước sau lọc

Bể chứa nước sạch Trạm bơm nước sạch

Châm vôi Châm clo

Châm clo

sơ cấp Châm PAC Châm vôi Châm vôi Châm clo Châm clo

Nước rửa lọc

Xả bùn

2.2 Các phản ứng của NOM (chất hữu cơ tự nhiên) với các tác nhân khử trùng trong nước

Bảng 2.1: Sản phẩm phụ hình thành từ các tác nhân khử trùng

2.3 Tổng quan về phương pháp xử lý bằng keo tụ

2.3.1 Bản chất hóa lý của quá trình keo tụ

Cặn bẩn trong nước thiên nhiên thường là hạt cát, sét, bùn, sinh vật phù du, sản phẩm phân hủy của các chất hữu cơ Các hạt cặn lớn có khả năng tự lắng trong nước, còn cặn bé ở trạng thái lơ lửng Trong kỹ thuật xử lý nước bằng các biện pháp

xử lý cơ học như lắng tĩnh, lọc chỉ có thể loại bỏ những hạt có kích thước lớn hơn

10-4mm, còn những hạt cặn có d< 10-4mm là những phần tử keo không lắng bằng trọng lực được phải áp dụng xử lý bằng phương pháp lý hóa

Trong môi trường nước chia ra 2 loại keo:

• Hệ keo kị nước:

Hệ keo kị nước phần lớn là các chất vô cơ chứa điện tích bề mặt và có khả năng chuyển động trong điện trường, tốc độ keo tụ rất nhanh khi đưa vào hệ một chất điện li và đạt tốc độ keo tụ tối đa với một nồng độ chất điện li tới hạn nào đó

Độ bền của hệ keo chủ yếu là do điện tích của bề mặt hạt keo quyết định Hệ keo có tính bền được là do hạt keo cùng loại tích điện cùng dấu, khi tiến lại gần nhau sinh ra tương tác tĩnh điện Đồng thời với lực đẩy tĩnh điện, các hạt keo cũng hút lẫn nhau do lực tương tác phân tử Valder Walls Chỉ khi lực đẩy tĩnh điện vượt trội so với lực hút phân tử thì các hạt keo không hoặc ít có điều kiện tạo thành tập hợp lớn Lực đẩy của hệ keo tăng khi khoảng cách của chúng được giảm Quá trình đẩy do lực tĩnh điện xuất hiện khi lớp khuếch tán của chúng tiếp cận lẫn nhau và xen phủ vào nhau Khi có mặt chất điện li trong dung dịch, độ dày của lớp khuếch tán bị co lại làm giảm khoảng cách giữa chúng Sự co lại của lớp khuếch tán phụ thuộc vào cường độ ion của chất điện li, hóa trị lớn, nồng độ cao có tác động làm co mạnh lớp khuếch tán

Song song với quá trình đẩy do lực tĩnh điện, khi hai hạt keo tiến sát gần nhau đến một khoảng cách nhất định chúng sẽ hút nhau do lực hấp phụ phân tử Lực tương tác Valder walls phụ thuộc vào bản chất của hạt keo, mật độ của chúng và không phụ thuộc vào thành phần hóa học của dung dịch nước

Thế năng tương tác tổng hợp (lực đẩy và lực hút) và thế năng của hệ được thể hiện:

Hình 2.2: Thế năng tương tác giữa các hạt keo

Đối với hệ có cường độ ion thấp, thế năng tương tác tổng có giá trị dương ở vùng có khoảng cách nằm giữa các hạt keo, tức là lực đẩy chiếm ưu thế Muốn tiến sát lại gần nhau và có sự xen phủ của lớp khuếch tán, các hạt keo cần phải có năng lượng lớn hơn hàng rào thế năng

Với hệ có cường độ ion cao, tương tác giữa các hạt keo dễ dàng hơn do độ dày của lớp khuếch tán thấp, giá trị cực đại của thế năng tương tác tổng có giá trị nhỏ, thậm chí bằng không

Để tạo điều kiện cho quá trình keo tụ, cần giảm giá trị của hang rào thế năng bằng cách đưa vào hệ những chất điện li có hóa trị cao (cường độ ion lớn) hoặc tăng nhiệt độ (tăng động năng) hoặc khuấy trôn tạo điều kiện cho quá trình tạo tập hợp lớn

• Hệ keo ưa nước:

Độ bền của hệ keo ưa nước không chỉ do lực tương tác tĩnh điện mà còn do

vỏ hydrat của hạt keo Lớp vỏ hydrat gồm hai lớp, lớp đầu được tạo thành do tương tác dipole định hướng của phân tử nước với bề mặt của hệ keo có lien kết khá bề, tiếp theo là lớp vỏ có tương tác thấp hơn do chịu chuyển động nhiệt

Hấp phụ các hợp chất tồn tại trong môi trường trên bề mặt hạt keo ưa nước cũng làm tăng tính bền do sự che chắn, ngăn cản chúng tiếp xúc với nhau

Khoảng cách

2.3.2 Các cơ chế của quá trình keo tụ

Đặc điểm cơ bản của hạt cặn bé là do kích thước vô cùng nhỏ nên có bề mặt tiếp xúc rất lớn trên một đơn vị thể tích, các hạt cặn này dễ dàng hấp thụ, kết bám với các chất xung quanh hoặc lẫn nhau để tạo ra bông cặn to hơn Mặt khác các hạt cặn đều mang điện tích và chúng có khả năng liên kết với nhau hoặc đẩy nhau bằng lực điện từ Tuy nhiên trong môi trường nước, do các loại lực tương tác giữa các hạt cặn bé hơn lực đẩy do chuyển động nhiệt Brown nên các hạt cặn luôn luôn tồn tại ở trạng thái lơ lửng

Bằng việc phá vỡ trạng thái cân bằng động tự nhiên của môi trường nước, sẽ tạo các điều kiện thuận lợi để các hạt cặn kết dính với nhau thành các hạt cặn lớn hơn và dễ xử lý hơn Trong công nghệ xử lý nước là cho vào nước các hóa chất làm nhân tố keo tụ các hạt cặn lơ lửng

Khi chất keo tụ cho vào nước cần xử lý, các hạt keo trong nước bị mất tính

ổn định, tương tác với nhau, kết cụm lại hình thành các bông cặn lớn, dễ lắng Quá trình mất tính ổn định của hạt keo là quá trình hóa lý phức tạp, có thể giải thích theo các cơ chế sau:

Nén ép làm giảm độ dày lớp điện kép

Cơ chế này xảy ra chủ yếu đối với hệ keo có thế năng cao, độ dày của lớp khuếch tán không lớn, cường độ ion của dung dịch nhỏ (ví dụ nước sông ở vùng đầu nguồn) Cơ chế tác dụng keo tụ hoàn toàn bán chất tĩnh điện Ion của chất điện

ly cùng dấu với điện tích bề mặt thì bị đẩy và ion đối với nó thì bị hút Khi hai tương tác hút giữa hai loại điện tích khác nhau xảy ra thì lớp khuếch tán bị co lại, độ

co lại tỉ lệ thuận với nồng độ hoá trị của ion trong lớp khuếch tán, cũng như trong dung dịch Thể tích của lớp khuếch tán cần thiết để duy trì trung hoà sẽ bị nhỏ đi và

vì vậy độ dày cũng bị giảm theo Khoảng cách để lực đẩy phát huy tác dụng bị giảm tạo điều kiện cho tương tác Van der Waals, làm giảm hàng rào thế năng giữa các hạt keo Khi hàng rào thế năng giảm, quá trình keo tụ xảy ra

Cơ chế hấp phụ và trung hoà điện tích

Tính năng phá huỷ độ bền của các chất keo tụ có liên quan chặt chẽ với tương tác tổ hợp của các cặp chất keo tụ - hạt keo, chất keo tụ - nước và hạt keo - nước, đặc biệt đối với hệ có thế năng thấp và lớp khuếch tán rộng Trong quá trình keo tụ, các ion đối sẽ được hấp phụ trong lớp khuếch tán làm giảm điện tích bề mặt, khi điện tích bề mặt giảm sẽ làm giảm tương tác đẩy giữa các hạt keo tạo điều kiện chúng tiến lại gần nhau hơn tạo thành tập hợp lớn

Cơ chế tạo kết tủa quét

Do quá trình thuỷ phân và tạo polyme khi nồng độ ở trạng thái siêu bão hoà, các polyme kết hợp lại thành tập hợp lớn và lắng Trong quá trình lắng chúng lôi cuốn các hạt keo lắng theo

Cơ chế hấp phụ tạo cầu nối giữa các hạt keo

Các polyme hình thành trong hệ hay các polyme được bổ sung vào (chất trợ keo tụ) được hấp thụ lên bề mặt hạt keo ở các đầu trên các hạt keo khác nhau tạo ra một cầu nối giữa chúng tạo điều kiện tạo thành tập hợp lớn

Lựa chọn chất keo tụ nhôm, sắt cần phải đánh giá được ảnh hưởng của pH,

độ kiềm, độ đục, nồng độ photphat, chất hữu cơ của nguồn nước Cần phải xác định được cơ chế keo tụ của quá trình hấp thụ trung hòa hay quét kết tủa để xác định các điều kiện khác nhau như có nên tăng pH hay không, hiện tượng đảo dấu điện tích hay mối quan hệ tỷ lượng là thông số cho phép xác định cơ chế Tuy nhiên đó mới chỉ là các thông số ban đầu cần thiết, muốn đạt được hiệu quả cao phải xét tới ảnh hưởng của các tạp chất khác trong nước như độ cứng, sulfat, chất hữu cơ, photphat, chúng biến động theo mùa và mỗi nguồn nước có đặc trưng duy nhất

9 Dùng phèn nhôm:

Khi cho phèn nhôm vào nước, chúng phân li tạo ion Al3+ bị thủy phân tạo thành Al(OH)3 Ngoài Al(OH)3 là nhân tố quyết định đến hiệu quả keo tụ tạo thành còn giải phóng ra các ion H+ Các ion H+ này sẽ được khử bằng độ kiềm tự nhiên của nước (được đánh giá bằng HCO3-)

Trường hợp độ kiềm tự nhiên của nước thấp, không đủ trung hòa ion H+ thì cần phải kiềm hóa nước Chất dùng để kiềm hóa thông dụng là vôi (CaO), sođa (Na2CO3) , hoặc xút (NaOH) pH hiệu quả tốt nhất với muối nhôm là khoảng 5,5 - 7,0

Al3+ + 3 H2O Æ Al(OH)3 + 3H+

9 Dùng phèn sắt:

Muối sắt chưa phổ biến ở Việt Nam nhưng rất phổ biến ở các nước công nghiệp Hoá học của muối sắt tương tự như muối nhôm nghĩa là khi thuỷ phân sẽ tạo axit, vì vậy cần đủ độ kiềm để giữ pH không đổi

Phèn sắt chia làm hai loại là phèn sắt II và phèn sắt III Phèn Fe(II) khi cho vào nước phân li thành ion Fe2+ và bị thủy phân thành Fe(OH)2

Phèn Fe(III) khi cho vào nước phân li thành ion Fe3+ và bị thủy phân thành Fe(OH)3.Phản ứng thủy phân:

Fe2+ + 2 H2O Æ Fe(OH)2 + 2H+

Fe3+ + 3 H2O Æ Fe(OH)3 + 3H+

o Ưu điểm của phèn sắt đối với phèn nhôm :

− Liều lượng phèn Fe dùng để kết tủa chỉ bằng 1/3 – 1/2 liều lượng phèn Al

− Phèn Fe ít bị ảnh hưởng của nhiệt độ và giới hạn pH rộng từ 5 đến 9, bông cặn bền hơn và nặng hơn nên lắng tốt hơn, lượng sắt dư thấp hơn

o Nhược điểm của phèn Fe đối với phèn Al: gây ăn mòn đường ống mạnh

9 Dùng Polime vô cơ (polimer aluminium chloride), thường viết tắt là PAC (hoặc PACl)

Hiện nay, ở các nước tiên tiến, người ta đã sản xuất PAC với lượng lớn và sử dụng rộng rãi để thay thế phèn nhôm sunfat trong xử lí nước sinh hoạt và đặc biệt

là xử lí nước thải PAC có nhiều ưu điểm so với phèn nhôm sunfat và các loại phèn

vô cơ khác:

− Hiệu quả keo tụ và lắng trong lớn hơn 4-5 lần Tan trong nước tốt, nhanh hơn nhiều, ít làm biến động độ pH của nước nên không phải dùng vôi để xử

lí và do đó ít ăn mòn thiết bị hơn

− Không làm đục nước khi dùng thừa hoặc thiếu

− Không cần (hoặc dùng rất ít) phụ gia trợ keo tụ và trợ lắng

− [Al] dư trong nước nhỏ so với khi dùng phèn nhôm sunfat

− Khả năng loại bỏ các chất hữu cơ tan và không tan cùng các kim loại nặng tốt hơn

− Không làm phát sinh hàm lượng SO42- trong nước sau xử lí là loại có độc tính đối với vi sinh vật

Chất keo tụ âm như các polymer: axit polyacrylic, polyacrylamid thủy phân hay polystyrene sulfonat…(đây là những chất trợ keo tụ)

Polymer âm chỉ đóng vai trò chất trợ keo tụ, sử dụng phối hợp với phèn nhôm, sắt thúc đẩy tốc độ keo tụ lên nhiều lần, giảm được dung tích thiết bị lắng, giảm được liều lượng phèn một cách đáng kể Có thể sử dụng polymer âm để keo tụ một số chất hữu cơ trong nước và không cần phối hợp với phèn nhôm, sắt theo cơ chế hấp phụ và tạo cầu, các polymer phối hợp này cần có phân tử lượng (độ dài) và mức độ nhóm chức khác nhau, để tăng hiệu quả keo tụ Khác với polymer kim loại hình thành từ quá trình thủy phân muối nhôm, sắt Polymer âm có tính đặc thù cao trong quá trình hấp phụ, tức là số tâm hấp hấp phụ trên hạt huyền phù cho nó là rất hạn chế Tìm được polymer thích hợp cho một nguồn nước rất khó, các thông số cần tối ưu cho quá trình gồm pH, Ca2+, cường độ ion của dung dịch, mức độ thủy phân, phân ly của nhóm chức, mật độ của nhóm chức, phân tử lượng của polymer

2.3.4 Hoá học của quá trình keo tụ

Thông thường khi keo tụ chúng ta hay dùng muối clorua hoặc sulphát của

Al(III) hoặc Fe(III) Khi đó, do phân li và thuỷ phân ta có các hạt trong nước: Al 3+ , Al(OH) 2+ , Al(OH) phân tử và Al(OH) 4- , ba hạt polime: Al2 (OH) 2 4+, Al3 (OH) 4 5+ và

Al 13 O 4 (OH) 2 47+ và Al(OH)3 rắn Trong đó Al13 O 4 (OH) 2 47+ gọi tắt là Al13 là tác nhân

gây keo tụ chính và tốt nhất Với Fe(III) ta có các hạt: Fe 3+ , Fe(OH) 2+ , Fe(OH) 2+ , Fe(OH) phân tử và Fe(OH) 4-, polime: Fe2(OH) 2 4+ , Fe 3 (OH) 4 5+ và Fe(OH)3 rắn Các dạng polime Fex (OH) y (3x-y) + hoặc Fex O y (OH) (x+r)(2x-2y-r) + Trong công nghệ xử lí nước thông thường, nhất là nước tự nhiên với pH xung quanh 7 quá trình thuỷ phân như đã nêu xảy ra rất nhanh, tính bằng micro giây, khi đó hạt Al3+ nhanh chóng chuyển thành các hạt polime rồi hyđroxit nhôm trong thời gian nhỏ hơn giây mà không kịp thực hiện chức năng của chất keo tụ là trung hoà điện tích trái dấu của các hạt cặn lơ lửng cần xử lí để làm chúng keo tụ

Khi cho hoá chất keo tụ vào nước để thực hiện quá trình thuỷ phân (muối nhôm) và để các hạt Al3+ tiếp xúc tốt với các hạt keo cần xử lí ta phải khấy mạnh,

đó là các bước 1, 2 Bước 3 cần khuấy chậm để tạo điều kiện cho các hạt cặn nhỏ mới hình thành va chạm, tạo bông cặn to hơn dễ lắng hơn

Nếu chất keo tụ là phèn nhôm ta có

− Thuỷ phân và hấp phụ: micro giây (1)

− Tạo thành hạt nhỏ: 1 giây (2)

− Tạo kết tủa Al : 1-7 giây (3)

Như vậy quá trình thủy phân tạo kết tủa Al(OH)3 quá nhanh, tính bằng micro giây và giây, khi đó ion Al3+ chưa kịp thực hiện chức năng của chúng (bước 1,2) đã

bị chuyển hóa thành kết tủa không có khả năng trung hòa điện tích các hạt keo, suy

ra chi phí hóa chất sẽ lớn hơn thực tế cần và lượng bùn sinh ra cũng thấp hơn Mặt khác, bản thân Al(OH)3 cũng có độ tan nhất định dẫn tới nguy cơ nước bị nhiễm Al3+ là một tác nhân gây bệnh Alzmeyer

Khi sử dụng PAC quá trình hoà tan sẽ tạo các hạt polime Al13, với điện tích vượt trội (7+), các hạt polime này trung hoà điện tích hạt keo và gây keo tụ rất

mạnh, ngoài ra tốc độ thuỷ phân của chúng cũng chậm hơn Al3+ rất nhiều, điều này tăng thời gian tồn tại của chúng trong nước nghĩa là tăng khả năng tác dụng của chúng lên các hạt keo cần xử lí, giảm thiểu chi phí hoá chất Ngoài ra, vùng pH hoạt động của PAC cũng lớn gấp hơn 2 lần so với phèn, điều này làm cho việc keo tụ bằng PAC dễ áp dụng hơn Hơn nữa, do kích thước hạt polime lớn hơn nhiều so với

Al3+ (cỡ 2 nm so với nhỏ hơn 0,1 nm) nên bông cặn hình thành cũng to và chắc hơn, thuận lợi cho quá trình lắng tiếp theo

Cơ chế hình thành Al13:Trong nước Al3+ có số phối trí 4 và 6, khi đó khả năng tồn tại dưới dạng tứ diện Al(OH)4- hay còn gọi là tế bào T4, hoặc bát diệnAl(OH)4(H2O)2-

Hình 2.3: Cấu trúc Keggin của PAC

Tế bào T4 này là mầm để hình thành cái gọi là cấu trúc Keggin với tâm là tế bào T4 và 12 bát diện bám xung quanh, khi đó ta có cấu trúc ứng với công thức Al12AlO4(OH)247+ Người ta cho rằng khi cho kiềm vào dung dịch Al3+, khi ion Al3+tiếp xúc với các giọt kiềm thì đó là lúc hình thành các tế bào T4 Tiếp theo các bát diện vây quanh T4 tạo Al13, như vậy có thể coi bước tạo T4 là bước quyết định trong công nghệ chế tạo Al13 thành phần chính của PAC

2.3.5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ

2.3.5.1 Ảnh hưởng của độ pH

Độ pH là yếu tố quan trọng nhất phải tính đến trong quá trình keo tụ Đối với mỗi một loại nước thô có một vùng pH mà trong vùng này keo tụ xảy ra nhanh

pH ảnh hưởng đến độ hòa tan của chất keo tụ, ví dụ như phèn nhôm, ở pH 5.5 hàm lượng Al3+ trong nước tăng nhiều; ở pH lớn hơn 7.5 Al(OH)3 có tác dụng như một axit làm cho gốc AlO2- xuất hiện

pH ảnh hưởng đến điện tích hạt keo Điện tích của hạt keo trong dung dịch nước có quan hệ với thành phần của ion trong nước, đặc biệt là với nồng độ ion H+

pH ảnh hưởng đến các chất hữu cơ: chất hữu cơ trong nước như các thực vật

bị thối rữa, khi pH thấp, dung dịch keo của acid humic mang điện tích âm, lúc này

dễ dàng dùng chất keo tụ khử đi Khi pH cao, nó trở thành muối axit humic dễ tan

pH ảnh hưởng đến tốc độ keo tụ dung dịch keo Tốc độ keo tụ dung dịch keo

và điện thế ξ của nó có quan hệ Trị số điện thế ξ càng nhỏ, lực đẩy giữa các hạt càng yếu, vì vậy tốc độ keo tụ của nó càng nhanh Khi điện thế bằng 0, nghĩa là đạt đến điểm đẳng điện, tốc độ keo tụ của nó là lớn nhất

2.3.5.2 Ảnh hưởng của các muối hòa tan

Các muối trong nước có các ảnh hưởng đến sự keo tụ và sự kết bông cặn như sau:

− Thay đổi vùng pH tối ưu

− Thay đổi thời gian yêu cầu cho sự kết bông

− Thay đổi lượng chất keo tụ yêu cầu

− Thay đổi lượng chất keo tụ dư trong nước đầu ra

Người ta nhận thấy, nếu thêm các ion SO42- sẽ làm mở rộng vùng pH tối ưu

về phía axit, trong khi đó nếu thêm octophotphat thì không mở rộng vùng pH về phía axit

Các anion ảnh hưởng đến sự keo tụ nhiều hơn so với các cation Khi các anion mở rộng vùng pH tối ưu về phía axit, ảnh hưởng này càng rõ nét khi hóa trị của các anion cao

2.3.5.3 Ảnh hưởng của chất keo tụ

Quá trình keo tụ không phải là phản ứng hóa học đơn thuần nên lượng chất keo tụ cần cho vào không thể căn cứ vào tính toán để xác định mà phải dựa vào thực nghiệm tìm ra

2.3.5.4 Ảnh hưởng của việc khuấy trộn

Quan hệ tốc độ của nước và chất keo tụ đến tính phân bố đồng đều của chất keo tụ và cơ hội va chạm giữa các hạt keo cũng là một nhân tố quan trọng ảnh hưởng đến quá trình keo tụ Tốc độ khuấy tốt nhất là từ nhanh chuyển sang chậm khi mới cho chất keo tụ vào nước phải khuấy nhanh, vì sự thủy phân của chất keo tụ trong nước và tốc độ hình thành keo rất nhanh Cho nên phải khuấy nhanh mới có khả năng sinh thành lượng lớn keo hạt nhỏ làm cho nó nhanh chóng khuếch tán đến các nơi trong nước, kịp thời cùng với các tạp chất trong nước tác dụng Sau khi hỗn hợp hình thành các keo bông lớn lên, không nên khuấy quá nhanh vì có thể đánh vỡ những keo bông đã hình thành

2.3.5.5 Nhiệt độ keo tụ

Khi dung muối nhôm làm chất keo tụ, nhiệt độ nước ảnh hướng đến quá trình keo tụ Khi nhiệt độ nước thấp (<50C), bông sinh ra to mà xốp, chứa phần nước nhiều, lắng xuống chậm nên hiệu quả kém Nhiệt độ tốt cho quá trình keo tụ bằng phèn nhôm là 25 – 30 0C Nếu keo bằng phèn sắt thì nhiệt độ ảnh hưởng không lớn

2.3.5.6 Ảnh hưởng của độ đục

Độ đục của nước bề mặt phần lớn là do có các phần tử đất sét với đường kính

từ 0.2 đến 5µm Vì thế các phần tử keo có kích thước lớn có thể tự lắng một cách tự nhiên Keo tụ các phần tử này khá dễ dàng khi duy trì độ pH trong vùng tối ưu Mặt khác có thể nhận thấy như sau:

Khi độ đục tăng, cần phải tăng cường chất kết tụ Tuy nhiên sự tăng lượng chất keo tụ không thay đổi tuyến tính với sự tăng độ đục

Khi độ đục rất cao thì lượng chất keo tụ cần thiết tương đối thấp vì khả năng

va chạm giữa các phần tử rất lớn Ngược lại khi độ đục bé việc keo tụ là khó khăn

Khi độ đục là do các phần tử rắn có kích thước khác nhau thì dễ thực hiện việc keo tụ hơn so với khi các phân tử có kích thước gần bằng nhau

Việc keo tụ các phần tử đất sét nồng độ thấp phụ thuộc chủ yếu vào chất keo

tụ và thành phần hóa học của nước

2.4 Tổng quan về phương pháp xử lý bằng công nghệ lọc màng UF

2.4.1 Một số đặc điểm về màng UF

UltraFiltration(UF) là một công nghệ lọc dùng màng áp suất thấp để loại bỏ những phân tử có kích thuớc lớn ra khỏi nguồn nước Dưới một áp suất không quá 2,5 bars, nước, muối khoáng và các phân tử/ ion nhỏ hơn lỗ lọc (0.1- 0.005 micron)

sẽ “chui” qua màng dễ dàng Các phân tử có kích thước lớn hơn, các loại virus, vi khuẩn sẽ bị giữ lại và thải ra ngoài

Màng lọc UltraFiltration được làm thành những ống nhỏ, đường kính ngoài 1,6mm Một bộ lọc là một bó hàng ngàn ống nhỏ nên diện tích lọc rất lớn, giúp tăng lưu lượng nước lên nhiều lần Màng lọc này cũng có thể rửa ngược được và có tuổi thọ khá cao, từ 3 – 5 năm

Chất lượng nước sau lọc UF là 0.04 – 0.1 NTU và rất ổn định khi độ đục của nước nguồn thay đổi (giá trị đối với lọc truyền thống trong điều kiện vận hành tốt nhất và có tiền xử lý nước đầu vào khi chất lượng nước kém là 0.2 – 1 NTU)

Giá trị SDI tiêu biểu cho lọc màng UF là 0.3 – 2 (giá trị đối với lọc truyền thống trong điều kiện vận hành tốt nhất và có tiền xử lý nước đầu vào khi chất lượng nước kém là 2 – 6)

Hình 2.4: Mô tả cấp độ lọc của màng UF

9 Một số đặc điểm tiêu biểu của công nghệ Ultrafiltration:

− Quá trình lọc diễn ra ở nhiệt độ bình thường và áp suất thấp nên tiêu thụ ít điện năng, cắt giảm chi phí hoạt động đáng kể

− Kích thước của hệ thống gọn nhỏ, cấu trúc đơn giản nên không tốn mặt bằng lắp đặt

− Quy trình vận hành đơn giản, không cần nhiều nhân công

− Cấu trúc và vật liệu màng lọc đồng nhất và sử dụng phương pháp lọc

cơ học nên không làm biến đổi tính chất hóa học của nguồn nước

− Vật liệu của màng lọc không xâm nhập vào nguồn nước, đảm bảo độ tinh khiết trong suốt quy trình xử lý

− Cơ chế lọc cross flow: vận hành tượng tự như trong RO, có dòng nước nguồn vào, dòng thấm và dòng đậm đặc.Phương pháp được sử dụng cho nước nguồn có hàm lượng chất lơ lửng cao (độ đục từ 10 – 100 NTU) Phương pháp cross-flow có tỉ lệ thu hồi 90 – 95%

Hình 2.5: Cơ chế lọc màng UF

2.4.3 Nguyên lý quá trình lọc màng

Lý thuyết về cơ chế dạng mao quản thuộc loại lâu đời nhất và đơn giản nhất

Lý thuyết này coi các màng như là một môi trường xốp được tạo thành từ nhiều mao quản; trong trường hợp này, độ lựa chọn và độ thấm có thể được xác định từ các bán kính của lỗ xốp, số lượng lỗ xốp và đường cong phân bố của chúng Cơ chế này áp dụng được cho trường hợp siêu lọc

a Lưu lượng nước sạch

Lưu lượng của dung môi đi qua màng dạng mao quản có thể được xác định

từ định luật Poiseuille:

P x

N R

Δ

=μ

π8

4 1

Trong đó:

J1 (cm3.s-1.cm-2): lưu lượng của dung môi trong một đơn vị diện tích

(2.1)

r (cm): bán kính của lỗ xốp

µ (Poid): độ nhớt động lực học

ΔP (dyn.cm-2): chênh lệch áp suất

Δx (cm): độ dày hiệu quả của lớp màng

N (cm-2): số lỗ xốp trong một đơn vị diện tích

Số lỗ xốp trong một đơn vị diện tích có thể tính toán liên quan đến độ xốp theo công thức:

τπ

ε

2

r

ε : độ xốp của lớp màng (độ xốp của lớp màng là tỷ lệ giữa tổng thể tích của

lỗ xốp và thể tích biểu kiến của lớp màng này) (ε = 0.3 – 0.73)

τ : hệ số ngoằn ngoèo (tỷ lệ giữa chiều dài trung bình của lỗ xốp và chiều dày của lớp màng) (τ = 1.5 – 2.53)

Thay các giá trị ε và τ vào công thức tính J ta được

x

P r J

Δ

Δ

=μτ

ε8

2

Dựa theo thuyết lọc (Bowen và Jenner (1995)), trở lực của những cake solid (giả sử những chất rắn trong lớp phân cực nồng độ không đáng kể)

b Lưu lượng chất tan:

Lưu lượng chất tan có thể biểu diễn bằng công thức sau:

0 1 2

2

μσ

Với

μ

ε8

2 1

r

2

σ là hằng số không thứ nguyên có giá trị từ 0 đến 1

Về phương diện vật lý, hằng số σ2biểu diễn phần chất lỏng đi qua các lỗ xốp đủ để không giữ các mol chất tan

(2.2)

(2.3)

(2.4)

Do J2 = J1.Cp nên

R C

2 2

Trong đó,

J là dòng thấm

C là nồng độ phân tử

D là độ khuếch tán phân tử

Xét trên toàn bộ lớp biên

Trong đó, δp là độ dày của lớp biên phâm cực

Các loại phân tích này thường liên quan đến thuyết phim Mặt dù có nhiều hạn chế đối với mô hình này, mô hình phân cực nồng độ đơn giản từng được sử dụng thường xuyên để mô tả dòng thấm giảm trong lọc màng của những phân tử hữu cơ khác nhau (Fane 1986) Phân cực nồng độ thúc đẩy quá trình đóng cáu cặn lên màng như sự hình thành của lớp cake

Quá trình đóng cáu cặn (fouling)

Quá trình fouling trong màng UF thường được định nghĩa là sự giảm từ từ lưu lượng dòng thấm tại áp suất không đổi (hoặc tăng áp suất vận chuyển qua màng khi lưu lượng dòng vào không đổi ) được gây ra bởi sự hấp phụ hay tích tụ những chất bẩn lơ lửng bên trong lỗ màng hoặc trên bề mặt màng Cơ chế fouling được phân loại bao gồm có sự hấp phụ trong lỗ màng, sự đóng khối trong lỗ màng, và sự hình thành bánh trên mặt màng Sự hấp phụ và đóng khối là hiện tượng bám cáu cặn bên trong màng, trong khi đó sự hình thành bánh xảy ra trên bề mặt của màng Dựa vào thuyết blockage filtration, dòng thấm giảm có thể do ba cơ chế này Mô hình Hấp phụ trong lỗ màng cho rằng dòng thấm giảm là do sự giảm đường kính lỗ màng

do kết quả của những phần tử tích tụ trong lỗ màng, trong khi mô hình đóng khối trong lỗ màng mô tả sự giảm dòng thấm là do sự giảm toàn bộ số lượng lỗ, nguyên nhân bởi pore blockage hoàn toàn bởi những phần tử Mô hình cake formation, tương phản với hai mô hình trước Mô tả sự giảm lưu lượng dòng thấm (hoặc tăng

áp suất vận hành) bởi sự hình thành của những lớp particle cake trên bề mặt màng

(2.8)

Hình 2.6: Biểu đồ cáu cặn trong quá trình lọc màng

ƒ Trường hợp A: Kích thước hạt rất nhỏ so với kích thước lỗ Sự hút bám là nguyên nhân của tất cả các lỗ, kết quả làm bịt kín các lỗ nhỏ nhất

ƒ Trường hợp B: Kích thước hạt bằng kích thước lỗ Trong trường hợp này, các phân tử chất bẩn có thể làm bít kín các lỗ

ƒ Trường hợp C: Kích thước hạt lớn hơn rất nhiều so với kích thước lỗ Trường hợp này thể hiện cho sự lắng đọng của một chất nào đó mà chất này thay thế cho cấu trúc của màng

ƒ Trường hợp D: Trường hợp này kích thước lỗ màng lọc nhỏ hơn kích thước các phân tử Sự tác động là làm kín các lỗ lớn, loại bỏ những hạt có kích thước nhỏ Trong trường hợp B thì ngược lại