Tóm tắt dịch quyển sách "Coagulation and Flocculation in Water and Wastewater Treatment" của John Bratby năm 2016

Quá trình đông tụ và keo tụ trong xử lý nước và nước thải
Ấn bản thứ ba dày 537 trang của John Bratby
Xuất bản bởi IWA Publishing Alliance House, 12 Caxton Street, London SW1H 0QS, Vương quốc Anh. Điện thoại: +44 (0)20 7654 5500. Fax: +44 (0)20 7654 5555. Email: publications@iwap.co.uk. Web: www.iwapublishing.com
Xuất bản lần đầu năm 2016 © 2016 IWA Publishing.
1. Tổng quan về Đông tụ và Keo tụ

Đông tụ và keo tụ là các quá trình cơ bản trong nhiều lĩnh vực đa dạng, bao gồm hóa sinh, sản xuất phô mai, sản xuất cao su, và đặc biệt là trong xử lý nước và nước thải. Mục đích chính của chúng là loại bỏ các vật liệu lơ lửng, keo và hòa tan khỏi dung dịch.

• Đông tụ (Coagulation): "Đông tụ là quá trình làm mất ổn định một hệ huyền phù hoặc dung dịch đã cho. Nghĩa là, chức năng của đông tụ là khắc phục các yếu tố thúc đẩy sự ổn định của một hệ thống nhất định."
• Keo tụ (Flocculation): "Keo tụ là quá trình mà các hạt đã bị mất ổn định, hoặc các hạt được hình thành do mất ổn định, được kích thích để kết hợp lại, tiếp xúc và từ đó tạo thành các tập hợp lớn hơn."

Các hạt trong môi trường lỏng, đặc biệt là các hạt keo, có khả năng duy trì trạng thái phân tán do các đặc tính cố hữu thúc đẩy sự ổn định của chúng, chủ yếu là điện tích bề mặt và mức độ hydrat hóa. Kích thước nhỏ của các hạt keo (thường dưới 10^-6 mm) khiến chúng có tỷ lệ diện tích bề mặt trên khối lượng khổng lồ, làm cho các hiện tượng bề mặt trở nên nổi bật và làm giảm ảnh hưởng của trọng lực. Do đó, các hạt keo có thể duy trì trạng thái lơ lửng vĩnh viễn mà không lắng xuống.

Có hai loại keo chính:

• Hydrophobic (kỵ nước): "kỵ nước ám chỉ tính kỵ nước" và "bao gồm các hạt keo vàng, halogen bạc và oxit kim loại không hydrat hóa."
• Hydrophilic (ái nước): "ái nước ám chỉ ái lực mạnh với các phân tử nước trong các lớp bề mặt của keo." "Các keo ái nước bao gồm gelatin, tinh bột, gôm, protein và tất cả các keo sinh học, ví dụ: virus và vi khuẩn." Các hạt này có thể liên kết một lượng nước gấp ba đến mười lần khối lượng khô của chúng.

Các phương pháp loại bỏ vật liệu keo khác như hấp phụ và lọc vật lý nói chung không kinh tế ở quy mô xử lý nước và nước thải, mặc dù có thể có trường hợp ngoại lệ. Do đó, đông tụ và keo tụ trở thành các quá trình không thể thiếu để chuyển đổi vật liệu mịn, keo hoặc hòa tan thành dạng có thể tách ra khỏi môi trường phân tán.

2. Cơ chế làm mất ổn định

Các phản ứng làm mất ổn định của keo trong môi trường phân tán nước rất phức tạp và phát sinh từ nhiều cơ chế. Cơ chế chủ yếu phụ thuộc vào:

1. Bản chất của phân tán keo: Liệu các hạt kỵ nước hay ái nước chiếm ưu thế, bản chất bề mặt của keo (ví dụ, các nhóm chức có mặt trên các hạt ái nước) và cường độ điện tích bề mặt của keo.
2. Loại chất đông tụ được thêm vào: Liệu các loài chất đông tụ không tích điện hay tích điện; cường độ điện tích trong trường hợp sau; khả năng hấp phụ của loài; và khả năng tạo cầu nối giữa các keo liền kề.

Các cơ chế chính của sự mất ổn định bao gồm:

• Nén lớp kép khuếch tán: Sự bổ sung các ion điện giải làm giảm điện tích bề mặt của hạt và làm cho các lớp kép điện gần đó bị nén lại. Điều này cho phép các lực hấp dẫn London-Van der Waals, có phạm vi ngắn, chiếm ưu thế và liên kết các hạt lại với nhau.
• Hấp phụ: Các phân tử hoặc ion chất đông tụ hấp phụ lên bề mặt hạt, làm giảm điện tích bề mặt hoặc gây ra đảo ngược điện tích. Điều này có thể xảy ra thông qua hấp phụ hóa học (liên kết ion, cộng hóa trị, hydro hoặc lưỡng cực) hoặc hấp phụ vật lý (lực London-van der Waals). Năng lượng tự do hấp phụ tổng thể (∆G°) bao gồm cả thành phần liên kết hóa học (φ) và thành phần tương tác tĩnh điện (zeψδ).
• Quy tắc Schulze-Hardy: Đối với các keo kỵ nước, nồng độ tối ưu của các chất điện giải trung tính để làm mất ổn định tuân theo một tỷ lệ nhất định dựa trên hóa trị của các ion đối kháng (ví dụ: 1/16 : 1/26 : 1/36 hoặc khoảng 800 : 12 : 1 cho hóa trị 1, 2 và 3).
• Tạo cầu nối: Các loài polime bị thủy phân hoặc polyelectrolytes hấp phụ lên nhiều hạt, tạo thành cầu nối giữa chúng, kéo chúng lại gần nhau và thúc đẩy sự kết tập. Cơ chế này đặc biệt quan trọng với các polyelectrolytes có trọng lượng phân tử cao.
• Tạo kết tủa (Sweep Flocculation): Với liều lượng chất đông tụ cao, các kết tủa hydroxit kim loại (ví dụ: Al(OH)3 hoặc Fe(OH)3) được hình thành và bẫy các hạt keo và chất hòa tan vào cấu trúc của chúng.

Điện tích bề mặt của hạt ảnh hưởng đến sự phân bố của các ion gần đó trong chất lỏng, dẫn đến sự hình thành một lớp kép điện. Lý thuyết lớp kép điện (Stern's Model) mô tả sự phân bố các ion này và độ lớn của các điện thế điện xảy ra ở vùng lân cận của bề mặt tích điện.

3. Chất đông tụ

Các chất đông tụ được sử dụng rộng rãi nhất trong xử lý nước và nước thải thuộc hai loại chính: kim loại và polime.

3.1. Chất đông tụ kim loại

Chất đông tụ kim loại chủ yếu là muối nhôm và sắt, tạo thành các sản phẩm phản ứng hydrat hóa và thủy phân khi hòa tan trong nước. Các loài thủy phân này có thể tích điện dương, trung hòa điện hoặc tích điện âm, tùy thuộc vào pH.

• Nhôm sulfat (Alum): Chất đông tụ được sử dụng rộng rãi nhất, có công thức Al2(SO4)3 ⋅ 14H2O. Nó tạo ra các loài thủy phân phức tạp và là "work-horse" trong nhiều sơ đồ xử lý.
• Nhôm sulfat axit hóa (Acid alum): Được điều chế từ nhôm sulfat và axit sulfuric, có pH thấp (1.7 đến 2.3).
• Natri aluminat (NaAlO2): Một chất lỏng nhớt, kiềm mạnh và ăn mòn, thường được cung cấp ở dạng lỏng. Có thể sử dụng kết hợp với phèn để đông tụ theo giai đoạn.
• Sắt(III) sulfat (Ferric sulfate): Thường được sử dụng trong phạm vi pH rộng (4.0 đến 11.0), đặc biệt hiệu quả để loại bỏ màu ở pH thấp và sắt, mangan ở pH cao. Tính không hòa tan của hydroxit sắt ở pH cao làm cho nó thường được ưu tiên hơn phèn trong một số ứng dụng.
• Sắt(II) sulfat (Ferrous sulfate, Copperas): Phản ứng để tạo thành hydroxit sắt(II), cần được oxy hóa thành hydroxit sắt(III) để có tác dụng. Thường được sử dụng ở pH cao (trên 8.5), ví dụ trong quá trình làm mềm vôi-soda và loại bỏ sắt, mangan.
• Sắt(II) sulfat clo hóa (Chlorinated ferrous sulfate): Được tạo thành bằng cách thêm clo vào sắt(II) sulfat, tạo ra sắt(III) sulfat và sắt(III) clorua. Hiệu quả trong phạm vi pH rộng (4.0 đến 11.0) và hữu ích khi cần tiền clo hóa.
• Sắt(III) clorua (Ferric chloride): Dạng lỏng là phổ biến nhất, có tính ăn mòn cao với pH 1.0. Phản ứng với độ kiềm tự nhiên hoặc bổ sung để tạo thành hydroxit sắt(III).
• Chất đông tụ vô cơ polyme hóa (Polymerized inorganic coagulants): Bao gồm polyaluminum chloride (PACl), polyaluminum silicate sulfate (PASS), và polyferric sulfate. Các sản phẩm này chứa các loài polyme thủy phân được hình thành trước, giúp cải thiện hiệu quả và giảm lượng tiêu thụ kiềm. "Độ kiềm tương đối" là một thông số quan trọng mô tả cấu tạo của chúng.
• PACl có độ kiềm tương đối từ 30% đến 80%.
• PASS có thể hiệu quả trong xử lý nước thải và nước mặt, mặc dù "chúng có thể kém hiệu quả hơn trong kết tủa phốt pho."
• Polyferric sulfate có cấu trúc hóa học là [Fe2(OH)n(SO4)(6–n)/2]m.

Hóa học của chất đông tụ kim loại:

• Phản ứng thủy phân và thay thế từng bước: Muối nhôm và sắt tạo thành các hợp chất phối hợp với các phân tử nước. Mức độ liên kết các ion OH- với phức kim loại phụ thuộc chủ yếu vào pH.
• Tiêu thụ độ kiềm: Hầu hết các phản ứng thủy phân chất đông tụ kim loại đều tiêu thụ độ kiềm. Việc bổ sung độ kiềm phụ có thể cần thiết để duy trì pH tối ưu cho quá trình đông tụ. Ví dụ, 1.0 mg/L phèn tiêu thụ 0.51 mg/L độ kiềm (tính theo CaCO3).
• Sự ổn định của các loài thủy phân ion kim loại: Sự hình thành các loài thủy phân ion kim loại có thể được mô tả bằng một tập hợp các hằng số ổn định. Biểu đồ miền đông tụ (coagulation domain diagrams) như của Amirtharajah và Mills (1982) cho phèn và sắt (III) mô tả các điều kiện xử lý khác nhau và các loài chất đông tụ chiếm ưu thế.

3.2. Polime

Polime là các polyelectrolytes được sử dụng làm chất đông tụ chính hoặc chất trợ keo tụ.

• Silic hoạt tính (Activated silica): Một polyelectrolyte anion, được điều chế bằng cách trung hòa dung dịch natri silicat. Nó thúc đẩy quá trình loại bỏ chất hữu cơ tự nhiên (NOM) thông qua cơ chế hấp phụ-cầu nối hoặc bẫy kết tủa.
• Polyelectrolytes tự nhiên: Đã được sử dụng từ lâu làm chất keo tụ, ví dụ như chiết xuất từ hạt cây Nirmali (Nirmali tree, Strychnos potatorum Linn), hạt Moringa oleifera, nhựa cây xương rồng (Opuntia species), tinh bột, gôm guar, tannin và chitosan.
• Ưu điểm: Hầu như không độc hại, có khả năng phân hủy sinh học và nguyên liệu thô thường có sẵn tại địa phương.
• Moringa: Hiệu quả trong việc loại bỏ độ đục cao nhưng có thể không phù hợp cho nước độ đục thấp do trọng lượng phân tử thấp và cơ chế "miếng vá" trung hòa điện tích. Chứa các loại dầu kháng khuẩn nhưng không đủ để khử trùng nước.
• Chitosan: Một polime cation tự nhiên, hiệu quả trong việc loại bỏ chất hữu cơ mùn và có thể tăng cường khả năng thu hồi ion kim loại.
• Polyelectrolytes tổng hợp: Phổ biến hơn do khả năng kiểm soát các đặc tính như số lượng và loại đơn vị tích điện, cũng như trọng lượng phân tử. Nhiều loại dựa trên polyacrylamide và các copolyme của nó.
• Polyacrylamides: Có sẵn các dẫn xuất anion, cation và không ion. Polyacrylamides cation và các polime Mannich (được điều chế bằng phản ứng với formaldehyde và dimethylamine) thường được sử dụng.
• Polyethylenimine (PEI) và Epichlorohydrin-dimethylamine: Các loại polyamine phổ biến.
• Trọng lượng phân tử và mật độ điện tích: Cả hai đều ảnh hưởng đến cơ chế làm mất ổn định và hình thành bông cặn. Trọng lượng phân tử cao thường dẫn đến keo tụ hiệu quả hơn, nhưng khó hòa tan hơn.
• Độc tính: Mặc dù các loài polyme hóa không độc hại cao, nhưng các loài monome chưa phản ứng (ví dụ: acrylamide, ethylenimine) có thể rất độc hại và gây ung thư. Nồng độ acrylamide trong nước uống thường được quy định dưới 0.05% trọng lượng polime.
• Sự hình thành N-nitrosodimethylamine (NDMA): Một chất gây ung thư ở người, có thể hình thành do clo hóa nước được xử lý bằng polime, đặc biệt là với các sản phẩm polime có dư lượng dimethylamine (DMA) cao như polime Mannich.

4. Ứng dụng trong xử lý nước và nước thải

4.1. Loại bỏ chất hữu cơ tự nhiên (NOM) và màu

Màu hữu cơ thường liên quan đến nước mặt mềm, có độ kiềm thấp, phát sinh từ quá trình chiết xuất từ vật liệu gỗ sống hoặc phân hủy, và vật chất hữu cơ trong đất. Các hợp chất gây màu hữu cơ thường là các keo ái nước tích điện âm.

• Phân loại màu hữu cơ: Chất mùn bao gồm axit fulvic, axit hymatomelanic và axit humic. Axit fulvic thường chiếm ưu thế và có trọng lượng phân tử thấp nhất, trong khi axit humic có trọng lượng phân tử cao nhất (lên đến 50,000).
• Tầm quan trọng của việc loại bỏ màu hữu cơ: Ảnh hưởng đến thẩm mỹ, có thể tạo vị, tăng nhu cầu khử trùng (và hình thành sản phẩm phụ khử trùng - DBP), tác dụng dinh dưỡng đối với vi sinh vật, làm bẩn nhựa trao đổi ion, cản trở phân tích nước, giảm năng suất nước (do hạn chế ánh sáng cho quang hợp), kết hợp với kim loại (sắt, mangan, chì) và hoạt động như phương tiện vận chuyển các chất độc hại.
• Cơ chế loại bỏ NOM bằng chất đông tụ kim loại: Hai cơ chế chính là:

1. Hấp phụ lên bông cặn hydroxit kim loại [Me(OH)3].
2. Hình thành các phức chất không hòa tan (humate hoặc fulvate nhôm/sắt) tương tự như trung hòa điện tích.

• Đông tụ tăng cường (Enhanced Coagulation): Một kỹ thuật xử lý để loại bỏ NOM (đo bằng tổng cacbon hữu cơ - TOC) nhằm giảm sự hình thành các sản phẩm phụ khử trùng (DBP) tiềm năng gây ung thư, chẳng hạn như trihalomethane (THM) và haloacetic acid (HAA). EPA Hoa Kỳ đã đưa ra các yêu cầu về tỷ lệ loại bỏ TOC dựa trên TOC và độ kiềm của nước nguồn.
• Tầm quan trọng của kiểm tra bể khuấy (jar tests): Cần thiết để xác định sự kết hợp tốt nhất của hóa chất, pH và liều lượng để giảm TOC/DOC và độ đục, và nên được thực hiện theo mùa để tính đến sự biến đổi của NOM.
• Tác động của đông tụ tăng cường: Tăng lượng bùn thải do liều lượng chất đông tụ cao hơn, đặc tính khử nước của bùn kém hơn do hàm lượng hydroxit và TOC cao hơn, và có thể tạo ra các bông cặn kém đặc và dễ vỡ hơn, dẫn đến bông cặn bị cuốn trôi. Hoạt động ở pH thấp hơn có thể gây ăn mòn cơ sở hạ tầng nhà máy.

4.2. Loại bỏ tảo và thu hoạch

Việc loại bỏ tảo rất quan trọng để nâng cấp nước thải ao oxy hóa và xử lý trước các nguồn nước uống bị phú dưỡng.

• Chất đông tụ kim loại: Sắt(III) clorua, sắt(III) sulfat và nhôm sulfat đã được chứng minh là hiệu quả. Liều lượng tối ưu có thể liên quan đến diện tích bề mặt tế bào hoặc mật độ điện tích của tảo. "Độ đục của dịch nổi rất trong với 2 đến 3 NTU."
• Ảnh hưởng của các chất mùn: Nồng độ các chất mùn cao trong nước làm giảm tổng lượng loại bỏ tế bào tảo, do ảnh hưởng của tương tác điện tích.
• Chất trợ keo tụ polime: Hỗn hợp phèn-polime (ví dụ: alum plus polydiallyldimethylammonium chloride - PDADMAC) cho hiệu suất loại bỏ tảo tốt hơn phèn đơn lẻ.
• Tiền oxy hóa: Có thể cải thiện đông tụ tảo nhưng phải tránh làm tan tế bào tảo để ngăn chặn việc giải phóng độc tố hoặc các hợp chất gây mùi vị. KMnO4 và ozone đã được sử dụng.
• "Kali permanganat đã được chứng minh là có tác dụng có lợi biên đối với quá trình đông tụ phèn của loài tảo cát Navicula sp. Tuy nhiên, tiền ozon hóa đã có tác dụng có hại rõ rệt đối với quá trình đông tụ với loài này, được suy đoán là do sự phân hủy vật liệu polime ngoại bào bởi ozone, do đó làm giảm tác dụng có lợi của vật liệu này đối với quá trình đông tụ."

4.3. Loại bỏ mầm bệnh

• Giardia và Cryptosporidium: Các quy định của EPA Hoa Kỳ yêu cầu loại bỏ Giardia 99.9% (3-log) và Cryptosporidium 99% (2-log). Các nhà máy xử lý nước được thiết kế và vận hành tốt (có đông tụ, keo tụ, lắng và lọc) được ghi nhận loại bỏ 2.5-log Giardia. Cryptosporidium đặc biệt đáng lo ngại do khả năng kháng chất khử trùng.
• "Các điều kiện đông tụ tối ưu để loại bỏ nang trùng trùng hợp với các điều kiện tối ưu để loại bỏ NOM."
• Virus: Khó loại bỏ hoàn toàn bằng đông tụ. "Việc áp dụng các chất đông tụ kim loại hoặc polyelectrolytes không làm bất hoạt hoàn toàn virus." Cần khử trùng sau xử lý để đảm bảo an toàn.

4.4. Loại bỏ phốt pho bằng hóa chất

Sự phú dưỡng là kết quả của sự tích tụ các chất dinh dưỡng trong các hồ hoặc các thủy vực khác, với phốt pho thường là chất dinh dưỡng hạn chế sự tăng trưởng trong nước ngọt.

• Mục tiêu: Chuyển đổi các loài phốt pho hòa tan thành dạng không hòa tan để dễ dàng loại bỏ. Các chất đông tụ kim loại được thêm vào để kết tủa phốt pho.
• Cơ chế:
• Kết tủa hóa học: Orthophosphates, pyrophosphates và polyphosphate anion tạo thành phức chất, chelate và muối không hòa tan với các ion kim loại.
• Hấp phụ: Phosphat hấp phụ lên bề mặt hydroxit kim loại. Mô hình của Maurer và Boller (1990) bao gồm một thành phần bề mặt riêng thay đổi và phụ thuộc vào liều lượng, giải thích rằng sự hấp phụ phosphat trở nên kém hiệu quả hơn khi liều lượng kim loại tăng.
• Các điểm thêm hóa chất: Có thể thêm vào bể lắng sơ cấp, bể phản ứng sinh học hoặc các cơ sở xử lý bậc ba. Thêm vào bể lắng sơ cấp giúp giảm tải cho các quá trình sinh học tiếp theo, nhưng cần xử lý bùn tăng lên.
• Độ pH tối ưu: Đối với phốt pho được loại bỏ bằng chất đông tụ nhôm thường nằm trong khoảng 5.5 đến 6.0.
• Hiệu ứng tái chế bùn: Bùn hydroxit kim loại tươi được tái chế ngược dòng có thể cải thiện việc loại bỏ phốt pho bằng cách cung cấp các vị trí phản ứng hoạt tính trên bề mặt. Tuy nhiên, bông cặn bùn có bổ sung polime có xu hướng đặc hơn và nhỏ gọn hơn, với ít vị trí phức hợp bề mặt hơn để hấp thụ phốt pho.
• Đồng kết tủa (Simultaneous precipitation): Thêm chất đông tụ vào các bể phản ứng bùn hoạt tính.
• "Một số nghiên cứu đã chỉ ra rằng việc kết tủa đồng thời, ngay cả với dư lượng phốt pho rất thấp, không cản trở quá trình nitrat hóa."
• "Việc kết tủa phốt pho đồng thời thể hiện một "hiệu ứng bền vững", nơi quá trình loại bỏ phốt pho tiếp tục diễn ra trong vài ngày sau khi ngừng định liều kim loại."
• Kết tủa tuần tự (Sequential precipitation): Đặc biệt có lợi khi cần dư lượng phốt pho rất thấp (dưới 0.5 mg/l), ví dụ như một phần liều lượng kim loại được thêm vào bùn hoạt tính và phần còn lại vào các bộ lọc bậc ba.
• Các phương pháp thay thế: Vôi (nâng pH lên 9.5-11.5), oxit nhôm dạng bột, bùn đỏ hoạt tính (chất thải từ quá trình Bayer), kết tinh canxi photphat trong bể phản ứng tầng sôi và vật liệu lọc phủ hydroxit nhôm/sắt.

4.5. Loại bỏ nitơ hữu cơ hòa tan (DON)

DON là một thành phần của tổng nitơ trong nước thải.

• Đặc điểm: Thường bao gồm các sản phẩm vi khuẩn hòa tan từ quá trình chuyển hóa protein và các chất mùn từ nước nguồn. Phần kỵ nước thường dễ loại bỏ hơn (ví dụ: bằng đông tụ) so với phần ái nước.
• Tác động: DON có thể bị phân hủy sinh học và quang hóa học, giải phóng nitơ có sẵn sinh học cho vi sinh vật, góp phần gây phú dưỡng.
• Đo lường: Thường được xác định bằng cách trừ tổng nitơ vô cơ từ tổng nitơ trong mẫu lọc.
• Chiến lược loại bỏ: Đông tụ tăng cường có thể hiệu quả. "Các kết quả cho thấy việc điều chỉnh pH, đặc biệt là ở liều lượng chất đông tụ cao hơn thường cần thiết để loại bỏ DON, là rất quan trọng." Các kỹ thuật khác bao gồm than hoạt tính sinh học (BAC) và bể phản ứng sinh học màng (MBR).

4.6. Xử lý nước thải bằng đông tụ và xử lý sơ cấp tăng cường bằng hóa chất (CEPT)

CEPT là việc bổ sung hóa chất đông tụ vào bể lắng sơ cấp để giảm tải cho các quá trình sinh học tiếp theo hoặc để xả trực tiếp.

• Mục tiêu và lợi ích: Giảm chi phí vốn và yêu cầu về đất, xử lý hiệu quả dòng chảy nước thải dư thừa trong các sự kiện bão, loại bỏ các kim loại độc hại, loại bỏ phốt pho hiệu quả, khởi động và dừng nhanh chóng.
• Đặc điểm nước thải: Hiệu quả của CEPT phụ thuộc vào đặc điểm nước thải, chẳng hạn như tỷ lệ vật chất dạng hạt so với vật chất hòa tan. Khí hậu ấm hơn và hệ thống thu gom lớn hơn có thể dẫn đến tỷ lệ hòa tan cao hơn, giảm hiệu quả loại bỏ tổng thể.
• Các trường hợp nghiên cứu: CEPT có thể đạt được tỷ lệ loại bỏ TSS (tổng chất rắn lơ lửng) và BOD (nhu cầu oxy sinh hóa) cao (ví dụ: TSS 80-95%, BOD 58-68%). Việc sử dụng nhiều chất đông tụ theo trình tự (ví dụ: ferric chloride, sau đó là polyaluminum chloride, sau đó là polymer anion) có thể cải thiện hiệu suất.
• Yêu cầu keo tụ: Một số nghiên cứu cho thấy thời gian phản ứng trong dòng ngắn (ví dụ: 14-30 giây) sau khi thêm chất đông tụ là đủ, trong khi những nghiên cứu khác khuyến nghị mức độ keo tụ cao hơn (thời gian lưu 20-30 phút với độ dốc vận tốc giảm dần).

4.7. Kiểm soát sự phình to và tạo bọt bùn hoạt tính và keo tụ sinh học tăng cường

Bùn hoạt tính tạo ra các bông cặn sinh học giúp keo tụ vật liệu phân tán.

• Vai trò của cation: Các cation hóa trị hai (Ca2+, Mg2+) tạo cầu nối giữa các vị trí tích điện âm trên các biopolyme anion ngoại bào, cải thiện đặc tính bông cặn, khả năng lắng và khử nước.
• Chất đông tụ kim loại: Đã được chứng minh là hiệu quả trong việc kiểm soát bùn bị phình to do sinh vật dạng sợi. Ví dụ, việc bổ sung phèn có thể làm giảm SVI (chỉ số thể tích bùn) và loại bỏ các sinh vật dạng sợi.
• Polime: Việc bổ sung polime cation vào bùn lỏng hỗn hợp trước các bể lắng thứ cấp có thể tăng đáng kể tốc độ lắng vùng và cô đặc các lớp bùn. Polime cũng có thể kiểm soát sự tạo bọt sinh học bằng cách kết hợp các sợi phân tán vào các bông cặn bùn hoạt tính.

4.8. Loại bỏ chất vô cơ

Chất đông tụ kim loại có thể loại bỏ các chất vô cơ, đôi khi là ngẫu nhiên với các mục tiêu xử lý khác.

• Asen: Chủ yếu tồn tại dưới dạng arsenit (As(III)) và arsenat (As(V)). As(V) dễ loại bỏ hơn bằng đông tụ.
• "Đối với các chất đông tụ nhôm, hiệu quả loại bỏ asen(V) theo thứ tự polyaluminum chloride > polyaluminum sulfate > aluminum chloride > aluminum sulfate."
• "Sử dụng chất đông tụ sắt trong cùng điều kiện, hiệu quả loại bỏ asen(V) theo thứ tự polyferric chloride > polyferric sulfate > ferric chloride > ferric sulfate."
• Tỷ lệ loại bỏ asen(V) gần như không nhạy cảm với nồng độ asen ban đầu, gợi ý lợi ích của việc xử lý hai giai đoạn đối với nồng độ ban đầu cao.
• Đồng: Có thể được loại bỏ thông qua hấp phụ lên các bông cặn sinh học trong xử lý sinh học. Các chất kết tủa hữu cơ gốc lưu huỳnh đã được chứng minh là có hiệu quả trong việc giảm đồng hòa tan.
• Florua: Nồng độ florua quá mức có hại cho sức khỏe. Các công nghệ loại bỏ bao gồm hấp phụ và đông tụ. "Bằng cách tối ưu hóa pH và liều lượng phèn để loại bỏ florua, chất lượng nước thành phẩm và nồng độ nhôm dư được cải thiện."
• Mangan: Mangan hòa tan thường được oxy hóa thành dạng hạt để loại bỏ. Thứ tự thêm hóa chất rất quan trọng. "Khi thêm vôi để điều chỉnh pH, có một tác dụng bổ sung từ các cation canxi được đưa vào."

4.9. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đông tụ và keo tụ

• Tiền ozon hóa: Có thể có lợi hoặc có hại, tùy thuộc vào chất đông tụ và thành phần NOM. Ozone làm tăng điện tích âm của các phân tử hữu cơ, có thể làm tăng nhu cầu chất đông tụ tổng thể.
• Nhiệt độ: Ảnh hưởng mạnh đến các phản ứng đông tụ. Nhiệt độ thấp hơn làm dịch chuyển độ hòa tan tối thiểu của các loài hydroxit nhôm sang pH cao hơn và pH hoạt động tối ưu cũng dịch chuyển sang pH cao hơn.
• Nhôm dư: Nồng độ nhôm dư trong nước đã xử lý là một vấn đề. Tối ưu hóa pH đông tụ sẽ giảm mức nhôm hòa tan. "Nồng độ nhôm dư cũng sẽ bị ảnh hưởng bởi nồng độ các chất như sulfat, silica, orthophosphat và vật liệu mùn trong nước nguồn, cũng như nhiệt độ."

5. Keo tụ

Keo tụ là giai đoạn mà các hạt đông tụ được kích thích để kết hợp và tạo thành các tập hợp lớn hơn.

• Keo tụ Perikinetic (Perikinetic Flocculation): Xảy ra do chuyển động Brown ngẫu nhiên của các hạt.
• Keo tụ Orthokinetic (Orthokinetic Flocculation): Xảy ra do sự tác động của gradient vận tốc trong chất lỏng, do khuấy trộn cơ học hoặc dòng chảy xoắn ốc.
• Gradient vận tốc trung bình (G): Một tham số thiết kế quan trọng, liên quan đến năng lượng tiêu tán trên một đơn vị thể tích. "G không phải là một tham số phổ quát."
• Sản phẩm GT: Tích của gradient vận tốc trung bình (G) và thời gian lưu (T). "Tuy nhiên, có những hạn chế với khái niệm GT cần phải được hiểu. Đặc biệt đáng chú ý trong Hình 7.4 là việc sản phẩm GT không xác định đầy đủ các điều kiện cho một hiệu suất keo tụ nhất định. Ví dụ, từ Hình 7.4, tại một hiệu suất mong muốn n0/nm = 3 sử dụng bốn bể phản ứng nối tiếp, có một thời gian lưu tối thiểu là 2.000 giây mà dưới đó hiệu suất cụ thể đó không thể đạt được bất kể độ lớn của G." Điều này là do khái niệm GT không tính đến sự phá vỡ bông cặn.
• Các loại bể và thiết bị keo tụ: Bao gồm bể có vách ngăn, tầng hạt, dòng xoắn ốc, cánh gạt quay và cánh gạt tịnh tiến.
• Ảnh hưởng của cường độ trộn và thời gian: Thời gian trộn nhanh quá lâu có thể có tác dụng bất lợi đối với quá trình keo tụ sau đó, làm chậm quá trình hình thành bông cặn hoặc gây phá vỡ bông cặn.

6. Thử nghiệm và kiểm soát đông tụ và keo tụ

6.1. Phương pháp thử nghiệm

• Thử nghiệm bể khuấy (Jar Test): Phương pháp cơ bản để đánh giá hiệu suất đông tụ. Nó bao gồm việc chuẩn bị các dung dịch hóa chất, xác định các tiêu chí hiệu suất (ví dụ: độ đục, màu, sắt dư, phốt pho), thực hiện quy trình thử nghiệm và phân tích kết quả.
• "Các hũ nhỏ hơn 600 ml không nên được sử dụng vì có thể xảy ra kết quả không thể tái tạo do khó khăn trong việc thêm chính xác chất đông tụ hoặc chất trợ đông tụ."
• Các tiêu chí hiệu suất: Bao gồm thời gian hình thành bông cặn, kích thước bông cặn, tốc độ lắng, độ đục dư, màu dư, nồng độ chất đông tụ dư và điện thế zeta.
• Ứng dụng: Xác định loại chất đông tụ, liều lượng và pH tối ưu. Thử nghiệm có thể được thực hiện để mô phỏng điều kiện trộn nhanh và keo tụ trong nhà máy.
• Ưu điểm: Thiết bị đơn giản, không tốn kém và thời gian thử nghiệm giảm.
• Đo điện thế Zeta (Zeta Potential): Đo điện thế tại mặt phẳng cắt giữa hạt chuyển động và chất lỏng xung quanh. Hữu ích khi cơ chế làm mất ổn định chủ yếu do hiệu ứng điện tích.
• "Tuy nhiên, trong nhiều trường hợp, hiệu ứng điện tích không phải là cơ chế chủ yếu, mặc dù chúng có thể đóng vai trò trong quá trình làm mất ổn định. Do đó, trong những trường hợp như vậy, việc điều chỉnh đến một giá trị điện thế zeta nhất định (ví dụ, bằng không) không nhất thiết dẫn đến mất ổn định mà mất ổn định có thể không được dự đoán bởi bất kỳ giá trị điện thế zeta cụ thể nào."
• Đo dòng điện (Streaming Current): Một kỹ thuật đo lường dòng điện được tạo ra khi chất lỏng đi qua một ống mao dẫn hoặc một vật liệu xốp, hữu ích để kiểm soát liều lượng polime. "Các điều kiện tối ưu để loại bỏ tảo bằng sắt(III) sulfat không trùng với điểm uốn – mà với các giá trị gần điểm không điện tích."
• Đo phân tán quang học (Photometric Dispersion Analyzer - PDA): Đo cường độ ánh sáng truyền qua huyền phù chảy. Tỷ lệ RMS/DC (Flocculation Index - FI) phản ánh trạng thái kết tập của các hạt.
• Hệ thống kiểm soát bông cặn (Floc Monitor System): Sử dụng một camera để theo dõi liên tục sự phát triển của bông cặn và xác định tốc độ tăng trưởng của bông cặn.

6.2. Hệ thống điều khiển dựa trên dữ liệu

• Mô hình dựa trên kiến thức (Knowledge-driven models): Cố gắng giải thích các quá trình dựa trên sự hiểu biết khoa học.
• Mô hình dựa trên dữ liệu (Data-driven models): Các mô hình "hộp đen" dựa vào dữ liệu đầu vào và đầu ra mà không cần hiểu biết khoa học nghiêm ngặt về các hiện tượng. Sử dụng kỹ thuật trí tuệ nhân tạo.
• Logic mờ (Fuzzy Logic): Mô tả các vấn đề bằng các thuật ngữ ngôn ngữ (ví dụ: "ấm", "rất ấm"). Cần kiến thức chuyên môn để thiết lập các quy tắc.
• Mạng nơ-ron nhân tạo (Artificial Neural Networks - ANN): Học hỏi từ dữ liệu để dự đoán kết quả (ví dụ: độ đục nước thải).
• "Wierenga và Yavich chỉ ra rằng phương pháp kiểm soát dòng điện là không thỏa đáng vì quá trình đông tụ nằm trong vùng quét bông cặn, nơi phản ứng và kiểm soát dòng điện kém."

7. Xử lý bùn đông tụ

Bùn thải từ các nhà máy xử lý nước thường có nồng độ thấp và khó xử lý.

• Đặc điểm bùn đông tụ: Nồng độ chất rắn thường từ 0.1% đến 3.5%. Bùn phèn đặc biệt khó khử nước so với bùn vôi từ quá trình làm mềm.
• Ước tính lượng bùn: Có thể tính toán dựa trên đặc điểm nước thô và liều lượng hóa chất đã thêm.
• "Sản lượng bùn (mg/l nước đã xử lý) = (Tổng chất rắn lơ lửng trong nước thô, mg/l) + (0.07 × màu hữu cơ, °H) + (Hydroxide chất đông tụ, mg/l Al(OH)3 hoặc mg/l Fe(OH)3) + (Các chất phụ gia khác như polyelectrolytes, carbon, v.v., mg/l)"
• Các giải pháp thay thế chất đông tụ và giảm liều lượng: Chuyển đổi từ phèn sang sắt(III) clorua có thể giảm lượng bùn. Thay thế một phần hoặc toàn bộ chất đông tụ kim loại bằng polime cũng có thể làm giảm lượng bùn.
• Điều hòa bùn (Sludge conditioning): Nâng cao khả năng khử nước của bùn.
• Polime: Polime trọng lượng phân tử cao thường cho kết quả tốt nhất. Polime cation hoạt động hiệu quả ở pH dưới 7.0; không ion và anion ở pH 6.5-8.5; anion với độ tích điện cao ở pH trên 8.5. Cường độ trộn và thời gian trộn ảnh hưởng đến liều lượng polime cần thiết.
• Đóng băng-tan băng (Freeze-thaw): Biến đổi bùn từ dạng gelatin thành dạng hạt, cải thiện đáng kể khả năng khử nước. Có thể xảy ra tự nhiên trong ao hoặc nhân tạo.
• Điều hòa nhiệt (Thermal conditioning): Áp dụng nhiệt độ và áp suất cao để phân hủy tính chất gelatin của bông cặn.
• Tái chế nước rửa lọc ngược: "Quy tắc tái chế nước rửa lọc ngược của EPA có mục tiêu chính là giảm thiểu sự xuất hiện của các mầm bệnh như Cryptosporidium, đi qua nước đã xử lý cuối cùng." Tái chế nước rửa lọc ngược lại đầu nhà máy có thể cải thiện quá trình keo tụ do tác dụng tạo nhân của chất rắn tái chế.
• Ao/bể lắng bùn (Lagooning/Drying Beds): Dùng để cô đặc và khử nước bùn. Có thể đạt nồng độ chất rắn cao hơn trong khí hậu khô và ấm.
• Cô đặc và khử nước cơ học:
• Thiết bị cô đặc trọng lực (Gravity thickeners): Đạt nồng độ chất rắn từ 0.3% đến 10% với chất đông tụ kim loại.
• Thiết bị cô đặc cánh gạt (Belt thickeners) và Thiết bị cô đặc tuyển nổi (Flotation thickeners): Đạt nồng độ cao hơn.
• Máy ly tâm (Centrifuge) và Máy ép lọc băng tải (Belt filter press): Được sử dụng phổ biến để khử nước.
• Máy ép lọc khung bản (Recessed chamber filter press): Có thể đạt nồng độ bánh bùn rất cao (thường trên 30% chất rắn khô).
• Thu hồi chất đông tụ: Có thể thu hồi phèn từ bùn phèn bằng axit hóa. "Hiệu suất thu hồi nhôm sulfat là từ 50 đến 75 phần trăm với thời gian lưu axit hóa từ 10 đến 25 phút."
• Thải bỏ bùn: Các lựa chọn bao gồm thải trực tiếp vào cống rãnh thành phố (có thể cải thiện lắng và giảm tải cho quá trình sinh học nước thải), hoặc ứng dụng vào đất (bùn nhà máy xử lý nước nói chung không gây vấn đề lớn về mầm bệnh, hợp chất hữu cơ hoặc kim loại nặng).

8. Trộn nhanh

Trộn nhanh là giai đoạn thêm hóa chất đông tụ vào dòng nước cần xử lý. Chức năng không chỉ là phân tán hóa chất hiệu quả mà còn là nơi xảy ra các phản ứng làm mất ổn định và hình thành các bông cặn sơ cấp.

• Thời gian và cường độ: Các sản phẩm thủy phân chất đông tụ kim loại được hình thành trong khoảng thời gian từ 0.01 đến 1.0 giây là quan trọng nhất. Cường độ trộn nhanh quá cao có thể làm chậm quá trình hình thành bông cặn hoặc gây phá vỡ bông cặn.
• Các loại thiết bị trộn nhanh:
• Bể phản ứng khuấy trộn ngược (Back-mix reactors): Thích hợp để hình thành kết tủa hydroxit kim loại.
• Thiết bị trộn dòng chảy cắm (Plug-flow reactors): Phù hợp khi cơ chế làm mất ổn định là hấp phụ.
• Bộ trộn tĩnh (Static mixers): Sử dụng các yếu tố hỗn hợp cố định trong đường ống để tạo ra sự khuấy trộn.
• Uốn cong đường ống (Pipe bend), Mở rộng đột ngột trong đường ống (Sudden expansion within a pipe), Tấm lỗ trong đường ống (Orifice plate within a pipe), Lưới khuếch tán (Diffuser grid) và Nhảy thủy lực trong kênh (Hydraulic jump in channel). Các thiết bị này dựa vào điều kiện thủy lực để tạo ra gradient vận tốc.
• Gradient vận tốc (G): Chỉ số G cao không tự đảm bảo hiệu quả trộn nhanh. Chất lượng trộn tại điểm thêm chất đông tụ và cách dòng chảy chất đông tụ nhỏ tiếp xúc với toàn bộ mặt cắt ngang của dòng chảy càng nhanh càng tốt có ý nghĩa quan trọng hơn.

Tóm lại, đông tụ và keo tụ là các quá trình phức tạp nhưng quan trọng trong xử lý nước và nước thải, liên quan đến hóa học bề mặt phức tạp, sự lựa chọn và liều lượng hóa chất cẩn thận, thiết kế hệ thống tối ưu và kiểm soát vận hành để đạt được chất lượng nước mong muốn và quản lý bùn hiệu quả.
Link download bản full tiếng Anh: https://drive.google.com/file/d/1lxuxmLDx0EElxxWWzkhmN_dOkeQ_wtu6/view?usp=sharing