Đề tài Điều tra hiện trạng thu gom và xử lý nước thải của khu liên hợp xử lý chất thải rắn Nam Sơn. Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng tới phương pháp đông - Keo tụ xử lý nước rích

ứu cho thấy nước rò rỉ chứa nhiều chất ô nhiễm khác nhau. Mỗi thành phần đòi hỏi phải có một hoặc vài phương pháp xử lý khác nhau và theo tính chất các phương pháp xử lý được chia ra làm các loại sau: phương pháp xử lý lý học phương pháp xử lý hóa học phương pháp xử lý sinh học II.4.1.1. Phương pháp xử lý lý học Trong phương pháp này, các lực vật lý như trọng trường, ly tâm được áp dụng để tách các chất không hòa tan ra khỏi nước thải. Phương pháp xử lý lý học thường đơn giản, rẻ tiền, có hiệu quả xử lý chất lơ lửng cao. Nhiều khi để tách các chất lơ lửng không tan và dầu mỡ người ta còn dùng bể tuyển nổi. Các công trình được áp dụng rộng rãi trong xử lý nước thải là: Thiết bị đo lưu lượng Lưới chắn rác Thiết bị nghiền rác Bể điều hòa Khuấy trộn Lắng Lắng cao tốc Tuyển nổi Lọc Hòa tan khí Bay hơi và tách khí. Việc ứng dụng các công trình xử lý lý học được tóm tắt trong bảng sau: [2] Bảng2.8 : Việc áp dụng các công trình cơ học trong xử lý nước thải. Công trình áp dụng Đo lưu lượng Lưới chắn rác Nghiền rác Bể điều hòa Khuấy trộn Tạo bông Lắng Tuyển nổi Lọc Vi lọc Vận chuyển khí Bay hơi và bay khí Kiểm soát quá trình, giám sát quá trình và báo cáo Tách các chất thô và có thể lắng Nghiền các chất rắn thô đến kích thước nhỏ hơn, đồng nhất Điều hòa lưu lượng và tải trọng BOD, SS Khuấy trộn hóa chất và chất khí với nước thải, giữ cặn ở trạng thái lơ Lửng Giúp cho việc tập hợp của các hạt cặn nhỏ thành các hạt cặn lớn hơn để có thể tách ra bằng lắng trọng lực Tách các cặn lắng và nén bùn Tách các cặn lắng lơ lửng nhỏ và các hạt cặn có tỷ trọng gần với tỷ trọng của nước. Cũng sử dụng để nén bùn sinh học Tách các hạt cặn lơ lửng còn lại sau xử lý sinh học hoặc hóa học Tương tự như quá trình lọc. Tách tảo từ nước thải sau hồ ổn định Bổ sung và tách khí Bay hơi các hợp chất hữu cơ bay hơi từ nước thải. Trong đó quá trình lắng được quan tâm và nghiên cứu cụ thể cho từng loại nước thải do tính chất của các hạt cặn lắng thay đổi từ nơi này đến nơi khác. II.4.1.2. Phương pháp xử lý hoá học: Sử dụng các phản ứng hoá học để xử lý nước thải. Các công trình xử lý hoá học thường kết hợp với công trình xử lý hoá học. Mặc dù có hiệu quả cao, nhưng phương pháp xử lý hoá học thường đắt tiền và đặc biệt thường tạo ra các sản phẩm phụ độc hại. Việc ứng dụng các công trình xử lý hoá học được tóm tắt trong bảng sau:[2] Bảng 2.9 : Việc áp dụng các công trình hoá học trong xử lý nước thải. Quá trìng áp dụng Kết tủa Hấp phụ Khử trùng Khử trùng bằng chlorine Khử chlorine Khử trùng bằng ClO2 Khử trùng bằng BrCl Khử trùng bằng tia UV Tách photspho và nâng cao hiệu quả của việc tách cặn lơ lửng ở bể lắng bậc 1 Tách các chất hữu cơ không được xử lý bằng phương pháp hóa học thông thường hoặc bằng phương pháp sinh học. Nó cũng được sử dụng để khử chlorine của nước thải trước khi xả vào nguồn. Phá hủy chọn lọc các vi sinh vật gây bệnh Phá hủy chọn lọc các vi sinh vật gây bệnh. Chlorine là loại hóa chất được sử dụng rộng rãi nhất Tách lượng clo dư còn lại sau quá trình clo hóa Phá hủy chọn lọc các vi sinh vật gây bệnh Phá hủy chọn lọc các vi sinh vật gây bệnh Phá hủy chọn lọc các vi sinh vật gây bệnh II.4.1.3 Phương pháp xử lý sinh học : Với việc phân tích và kiểm soát môi trường thích hợp, hầu hết các loại nước thải đều có thể được xử lý bằng phương pháp sinh học. Mục đích của phương pháp này là keo tụ và tách các hạt keo không lắng và ổn định (phân huỷ) các chất hữu cơ nhờ sự hoạt động của vi sinh vật hiếu khí hoặc kỵ khí nhằm giảm nồng độ các chất hữu cơ, giảm chất dinh dưỡng như nitơ và phốt pho. Có 5 nhóm chính : Quá trình hiếu khí , quá trình anoxic, quá trình kỵ khí, quá trình hiếu khí –anoxic-kỵ khí kết hợp, quá trình hồ sinh vật. Mỗi quá trình riêng biệt còn có thể phân chia thành chi tiết hơn, phụ thuộc vào việc xử lý được thực hiện trong hệ tang trưởng lơ lửng(suspended growth system) hệ thống tăng trưởng dính bám(attached growth system), hoặc hệ thống kết hợp. Ưu điểm của phương pháp này là rẻ tiền và có khả năng tận dụng các sản phẩm phụ làm phân bón (bùn hoạt hoá) hoặc tái sinh năng lượng (khí metan). Bảng 2.10 : Các qúa trình sinh học chính xử lý nước thải Loại Tên Sử dụng Quá trình hiếu khí Dạng lơ lửng Dạng dính bám Quá trình sinh trưởng lơ lửng kết hợp với tiếp xúc Quá trình thiếu khí Dạng lơ lửng Dạng dính bám Quá trình kỵ khí Dạng lơ lửng Dạng dính bám Quá trình kết hợp cả hiếu khí, thiếu khí và kỵ khí Dạng lơ lửng Kết hợp dạng lơ lửng và dạng dính bám Bể xử lý Quá trình bùn hoạt tính - Dòng chảy tầng - Xáo trộn hoàn toàn - Khuấy trộn từng phần - Thiết bị gián đoạn - Tiếp xúc ổn định - Mương oxy hoá Quá trình nitrat hoá -Bể thổi khí -Thiết bị thuỷ phân hiếu khí không khí ôxy nguyên chất Bể lọc nhỏ giọt Tốc độ thấp Tốc độ cao Thiết bị sinh học tiếp xúc xoay tròn Quá trình lọc sinh học hoạt tính Khử nitrat trong bể bùn lơ lửng Khử nitrat trong lớp phim cố định Thiết bị thuỷ phân kỵ khí Tốc độ chuẩn, một giai doạn Tốc độ cao, một giai doạn Tốcđộ cao, hai giai đoạn Quá trình tiếp xúc kỵ khí Kỵ khí dòng chảy ngược Lớp bùn Quá trình lọc kỵ khí Tầng mở rộng Quá trình một giai đoạn hoặc nhiều giai đoạn, các quá trình độc lập Quá trình một giai đoạn hoặc nhiều giai đoạn Bể hiếu khí Bể tuỳ tiện Bể kỵ khí Khử BOD(Nitrat hoá) Nitrat hoá Khử BOD(Nitrat hoá) Khử BOD Khử BOD(Nitrat hoá) Khử BOD(Nitrat hoá) Khử BOD(Nitrat hoá) Khử nitrat Khử nitrat Khử BOD Khử BOD Khử BOD Khử BOD Khử BOD Khử BOD Khử BOD Khử BOD Khử BOD, nitrat hoá, khử nitrat và khử phospho Khử BOD, nitrat hoá, khử nitrat và khử phospho Khử BOD Khử BOD Khử BOD II.5. Công nghệ xử lý đã được áp dụng: II.4.1.Nguyên tắc lựa chọn công nghệ xử lý nước rò rỉ Trong điều kiện thực tế của Hà Nội, việc lựa chọn công nghệ xử lý nước rò rỉ phải theo các nguyên tắc sau: Công nghệ xử lý phải đảm bảo chất lượng nước rò rỉ sau xử lý đạt tiêu chuẩn xả vào nguồn loại B. Nước sau khi xử lý có thể xả vào hồ Phú Thịnh hoặc sử dụng cho trồng trọt. Công nghệ xử lý phải đảm bảo mức độ an toàn cao trong trường hợp có sự thay đổi lớn về lưu lượng và nồng độ nước rò rỉ giữa mùa khô và mùa mưa. Công nghệ xử lý phải đơn giản, dễ vận hành, có tính ổn định cao, vốn đầu tư và chi phí quản lý phải là thấp nhất. Công nghệ xử lý phải phù hợpvới điều kiện của Việt Nam, đặc biệt là điều kiện của Hà Nội, nhưng phải mang tính hiện đại à có khả năng sử dụng trong một thời gian dài. Việc lựa chọn công nghệ xử lý nước rò rỉ dựa trên các yếu tố sau: Lưu lượng và thành phần nước rò rỉ. Tiêu chuẩn thải nước rò rỉ sau khi xử lý vào nguồn. Điều kiện thực tế về quy hoạch, xây dựng và vận hành của bãi chôn lấp. Điều kiện về địa chất công trình và địa chất thuỷ văn. Điều kiện về kỹ thuật (xây dựng, lắp ráp và vận hành). Khả năng về vốn đầu tư. Công nghêk xử lý phải có khả năng thay đổi dễ dàng khi áp dụng các quá trình xử lý mới có hiệu quả cao. Công nghệ xử lý phải có khả năng tái sử dụng các nguồn chất thải (năng lượng, phân bón,). Nước rác Bể điều hoà Keo tụ, lắng UASB AS Hố thu Hệ xử lý RO Hồ sinh học Suối Lai Sơn Dinh dưỡng Bể điều hoà: Thu gom nước rác để cung cấp lưu lượng ổn định cho trạm xử lý. Keo tụ, lắng: Tách các hợp chất lơ lửng có trong nước rác. Bể UASB: Xử lý các hợp chất hưu cơ. thời gian lưu nước trong thiết bị không dài, cho phép giảm thể tích thiêt bị nhỏ gọn và xử lý được một khối lượng chất gây ô nhiễm. AS: Xử lý nốt BOD và các hợp chất nitơ. RO: Dùng để xử lý các hợp chất có màu trong nước thải và một phần chất hữu cơ khó xử lý bằng vi sinh. Hồ sinh học: Nhằm xử lý các hợp chất amôni và nitrat còn lại trong nước thải sau hệ xử lý sinh học. II.5.2 Hiện trạng của hệ thống xử lý nước rác Dây chuyền xử lý nước rác bằng phương pháp sinh học hiện tại đang ngừng hoạt động do quá trình vận hành cho kết quả không như mong muốn Những nguyên nhân gây ra việc xử lý không hiệu quả: - Nguyên nhân khách quan + Đây là một công nghệ mới và khó lần đầu tiên được áp dụng tại Việt Nam nên còn nhiều vướng mắc. + Các nước trên thế giới hiện đang vận hành bãi chôn lấp chất thải hợp vệ sinh phần lớn chỉ xử lý sơ bộ nước rác bằng công nghệ sinh học như trên rồi trộn và pha loãng với nước thải sinh hoạt để xử lý tiếp trong các nhà máy xử lý nước thải đô thị, do vậy thông tin từ các nước phát triển về vấn đề này thường giới hạn ở các kết quả nghiên cứu. + Tính đồng bộ trong hoạt động chôn lấp rác: Trạm xử lý nước rác phải coi là một công đoạn trong toàn bộ hệ thống hoạt động chôn lấp rác để đảm baỏ nước rác đầu vào có tỷ lệ BOD/COD thích hợp cho công nghệ vi sinh. + Chất lượng nước rác đầu vào là nước rác cũ có tỷ lệ BOD/COD thấp không phù hợp với hệ thống được thiết kế cho nước rác mới. + Rác thải của Hà Nội chưa được phân loại nên thành phần nước rác rất phức tạp và điều kiện thời tiết thay đổi nên khó tiên lượng cả về mặt chất lượngvà lưu lượng. - Nguyên nhân chủ quan từ Viện Cơ Học Thiết kế hệ thống chưa tính đến : + Khả năng của hệ thống phải vận hành với chế độ nước rác cũ, nghèo BOD (tỷ lệ BOD5/COD = 0,1- 0,2) vì vậy lượng bùn hoạt tính bị “đói” phát triển kém, dẫn đến khó tạo bông và khó lắng, lượng bùn giảm dần trong quá trình vận hành. + Khả năng xử lý nitơ - amoni của hệ thấp dẫn đến tăng tải cho hệ hồ sinh học tiếp theo. + Khả năng Ca+ kết tủa mạnh trong hệ thống UASB và hệ thống hiếu khí. Trong quá trình vận hành thử lượng canxi đã đóng thành mảng trong bể UASB và thành lớp trong bể Aerotank . + Nồng độ chất rắn hoà tan cao sẽ làm ức chế hoạt động của hệ xử lý sinh học và hệ ao hồ sinh học. + Khả năng xử lý COD dư và màu của nước rác, thiết kế từng đơn vị xử lý còn thiếu. + Hệ UASB thiếu các van lấy mẫu để có thể kiểm soát được chất lượng và diễn biến chất lượng bùn hoạt tính hàng ngày để có các giải pháp hiệu chỉnh công nghệ thích hợp. + Hệ UASB còn thiếu cơ cấu tách pha khí-lỏng-rắn thích hợp chống nổi bùn và mất sinh khối. + Hệ UASB còn thiếu cơ cấu vận hành ở chế độ chống tắc cho hệ phân phối đáy. + Hệ aerotank đã có các cơ cấu bám vi sinh vật, cơ cấu này không đủ hiệu quả đối với các hệ có thời gian lưu nước thấp như ở đây. + Hệ bùn lắng bố trí ở cao trình không thích hợp cho chế độ tuần hoàn bùn. + Thiếu kết qủa phân tích kiểm soát công nghệ đầy đủ hàng ngày nên khó điều chỉnh các thông số công nghệ để đạt được chế độ vận hành tối ưu. Chương III: Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng tới quá trình đông-keo tụ trong xử lý nước rích bãi rác. III.1.Cơ sở lựa chọn của phương pháp Thường có ba cách để lọa bỏ các chất rắn lơ lửng là lắng, lọc và tuyển nổi. Phương pháp lắng bằng trọng lực thông thường không cho kết quả cao vì không thể lắng được các phân tử nhỏ bé lơ lửng như các hạt keo trong nước. Phương pháp tuyển nổi đối với nước rác không cho hiệu quả cao vì không tạo được bọt (qua thực tế đã diển ra tại dây chuyền xử lý nước rác tại bãi chôn lấp Nam Sơn), không có khả năng loại bỏ các hợp chất hưu cơ hòa tan, không loại bỏ được các tạp chất khác nặng và lắng ở dưới đáy. Với tính chất của nước rác ta lựa chọn phương pháp đông keo tụ để xử lý vì nó có một số ưu điểm sau: - Keo tụ có khả năng loại bỏ các tạp chất lơ lửng có kích thước nhỏ nhờ phá vỡ tính bền của các hạt keo. Công nghệ đơn giản, không yêu cầu cao về trình độ vận hành. Chi phi hóa chất và chi phĩây lắp không cao. Không đòi hỏi nhiều diện tích xây dựng. Ngoài ra xử lý bằng keo tụ có thể giảm được các hợp chất hữu cơ hòa tan nhờ khả năng hấp phụ của các hiđroxit nhổm trong quá trình keo tụ. III.2. Phương pháp đông keo tụ [8] III.2.1 Cơ sở lý thuyết của phương pháp 1. Trước hết ta cần xem các khái niệm về huyền phù và chất keo Chất huyền phù lơ lửng (MES) Các chất này có nguồn gốc vô cơ (cát, đất sét, bùn phù sa) hay hữu cơ (các sản phẩm của sự phân huỷcác chất của động vật hay thực vật, axit humic hoặc fulvic). ơ các hợp chất này có thêm các vi sinh như vi khuẩn, thực vật nổi, tảo và virus. Cácchất này tạo nên độ đục và màu cho nước. Hạt keo: Các hạt keo trong nước là các phần tử có kích thước nằm trong khoảng từ 0,1á1nm. Những phần tử này không tự lắng được và do đó không thể được loại bỏ bằng lắng tự nhiên hay lắng trọng lực. Trong tự nhiên, theo nguồn gốc xuất xứ cũng như bản chất hóa học, các hạt cặn lơ lửng đều mang điện tích âm hoặc dương. Các hạt rắn có nguồn gốc Silic, các hợp chất hữu cơ đều có điện tích âm, ngược lại, các hiđroxit sắt và nhôm mang điện tích dương. Khi thế cân bằng điện động của nước bị phá vỡ,các thành phần mang điện tích sẽ kết hợp hoặc dính kết với nhau bằng lực liên kết phân tử và điệ từ, tạo thành một tổ hợp các phân tử, nguyên tử hoặc các ing tự do. Các tổ hợp trên được gọi là các hạt “bông keo” (flocs). Theo thành phần cấu tạo, người ta chia các hạt keo thành hai loại: keo kỵ nước (hydrôpholic) là loại chống lại các phân tử nước và keo háo nước (hydrophilic) là loại hấp thụ các phân tử nước như vi khuẩn, vi rút, trong đó keo kỵ nước đóng vai tròchủ yếu trong công nghệ xử lý nước và nước thải. Chất hoà tan (kích thước nhỏ hơn vài nanomet) Nói chung chúng là các cation hoặc là anion. Một bộ phận các chât hưũ cơ cũng có dạng hoà tan, người ta cũng thấy cả khí như O2, CO2, H2S 2.Vai trò của đông tụ và kết bông Phương pháp đông tụ và kết bông dễ dàng loại bỏ huyền phù và chất keo. Quá trình nàythực hiện trước khi tách pha rắn – lỏng : lắng gạn, tuyển nổi hay lọc. Loại bỏ các chất hoà tan đối với mỗi chất cần có cách xử lý riêng, cần hoặc không cần đông tụ kết bông, thậm chí cả việc tách pha rắn – lỏng. 3. Tính ổn định của huyền phù dạng keo – Tính cần thiết của đông tụ trong bảng sau đưa ra danh mục một số chất với kích thước và thời gian cần thiết để cho các hạt rưi thẳng đứng dưới tác dụng của trọng lực ở 200C và áp suất 1m cột nước. Bảng3.1 : Thời gian lắng của các hạt khác nhau Đuờng kính hạt Loại hạt Thời gian lắng cho 1m nước Diện tích riêng (m2/m3) mm mm ồ 10 1 10-1 10-2 10-3 10-4 10-5 10-6 104 103 102 101 1 10-1 10-2 10-3 108 107 106 105 104 103 102 101 Sỏi Cát Cát mịn Đất sét Vi khuẩn Chất keo Chất keo Chất keo 1 s 10 s 2 phút 2 h 8 ngày 2 năm 20 năm 200 năm 6.102 6.103 6.104 6.105 6.106 6.107 6.108 6.109 Từ bảng này cho ta thấy chất keo là các hạt không có khả năng lắng tự nhiên, đối với chúng hiệu ứng bề mặt chiếm ưu thế. Hiệu ứng này ghi nhận tính ổn định của chất huyền phùdạng keo. Thực vậy, chất keo chịu tác dụng của hai lực lớn : Lực hấp dẫn Van der waal liên kết cấu trúc và dạng keo cũng như bản chất môi trường EA Lực đẩy tĩnh điện liên kết các điện tích riêng của chất keo EB. Độ ổn định của chất huyền phù dạng keo phụ thuộc vào tổng của lực hấp dẫn và lực đẩy mà mức năng lượng được xác định bằng : E = EA + EB. Quan hệ này được biểu diễn trên hình sau: ES E Khoảng cách EA EB EA: Năng lượng Van der Waal EB: Năng lượng tĩnh điện E: Năng lượng tổng ES: Hàng rào năng lượng Hình 3.1 : Tính ổn định của hạt keo lơ lửng Quá trình lắng chỉ có thể tách được các hạt rắn huyền phù nhưng không thể tách được các chất gây nhiễm bẩn ở dạng keo và hoà tan vì chúng là các hạt rắn có kích thước quá nhỏ. Để tách các hạt răn đó một cách hiệu quả bằng phương pháp lắng, cần tăng kích thước của chúng nhờ sự tác động tương hỗ giữa các hạt phân tán liên kết thành tập hợp các hạt, nhằm làm tăng vận tốc lắng của chúng. Việc khử các hạt keo rắn bằng lắng trọng lượng đòi hỏi trước hết cần trung hoà điện tích của chúng, thứ đến là liên kết chúng với nhau. Quá trình trung hoà điện tích thường được gọi là quá trình đông tụ (coagulation) còn quá trình tào thành các bông lớn hơn từ các hạt nhỏ gọi là quá trình keo tụ (flocculation). 4.Bản chất các hạt keo- thuyết lớp điện tích kép: [1] Các hạt rắn lơ lửng trong tự nhiên thường mang điện tích âm. Để trung hòa điiện tích bề mặt của mình, chúng sẽ hút các ion trái dấu sẵn có ở trong nước tạo thành một lớp ion bao bọc xung quanh hạt keo. Đã có nhiều thuyết được đưa ra để miêu tả về lớp ion này: Thuyết Helzholtz : Hạt keo được bao phủ toàn bộ bề mặt của mình bởi một lớp ion trái dấu (mang điện tích dương) đảm bảo trung hòa toàn bộ điện tích hạt keo (lớp biên giới). Thuyết Goy- Châpman: Lớp ion trái dấu bao quanh hạt keo một cách không đều, sự trung hòa đạt được ở một khoảng cách xa hạt keo (lớp klhuếch tán). Thuyết Stern : Là sự kết hợp của hai thuyết trên, đưa ra một ý tưởng về mô hình lớp điện tích kép. Theo đó, một số ion trái dấu bị hút chặt vào các hạt rắn đến mức chúng chuyển động cùng hạt rắn, tạo nên lớp thứ nhất, làm giảm mạnh thế của hạt keo. Xung quanh lớp ion trái dấu bên trong này cũng là hầu hết các ion trái dấu nhưng chúng bị hút vào một cách lỏng lẻo và có thể dễ dàng bị trượt ra,tạo nên lớp thứ hai, lớp này làm thế của hạt keo giảm đi chậm hơn. Biên giới giửa hai lớp tạo nên một mặt trượt. Cơ chế của quá trình đông tụ hoàn toàn có thể giải thích đơn giản bằng mô hình hai lớp, như hình sau: Hình3.2 : Điện tích trên hạt lơ lửng khi giải thích bằng lý thuyết hai lớp Những hạt rắn lơ lửng mang điện tích âm trong nước sẽ hút các ion trái dấu. Một số các ion trái dấu đó bị hút chặt vào hạt rắn đến mức chúng chuyển động cùng hạt rắn, do đó tạo thành một mặt trượt. Xung quanh lớp ion trái dấu bên trong này là lớp ion bên ngoài mà hầu hết là các ion trái dấu, nhưng chúng bị hút bám vào một cách lỏng lẻo và có thể dễ dàng bị trượt ra. Khi các hạt rắn mang diện tích âm chuyển động qua chất lỏng thì điện tích âm đó bị giảm bởi các ddiện tích dương ở lớp bên trong. Hiệu số điện năng giữa các lớp cố định và lớp chuyển động gọi là thế zeta (z) hay thế điện động. Khác với thế điện động E (là hiệu số điện thế giữa bề mặt và chất lỏng). Thế zeta phụ thuộc vào E và chiều dày hai lớp, giá trị của nó sẽ xác định lực tĩnh điện đẩy của các hạt là lực cản trở việc dính kết giữa các hạt rắn với nhau. Nếu như điện tích âm thực là điện tích đẩy(1)và thêm vào đó tất cả các hạt còn có lực tĩnh điện – lực Van der Waals – do cấu trúc phân tử của các hạt. Tổng của hai loại điện tích này là điện tích đẩy thực hay là một hàng rào năng lượng cản trở các hạt rắn liên kết với nhau. Như vậy mục tiêu của đông tụ là giảm thế zeta – tức là giảm chiều cao hàng rào năng lượng này tới giá trị giới hạn, sao cho các hạt rắn không đẩy lẫn nhau bằng cách thêm vào các ion có điện tích dương. Như vậy trong đông tụ diễn ra quá trình phá vỡ ổn định trạng thái keo của các hạt nhờ trung hoà điện tích. Hiệu quả đông tụ phụ thuộc vào hoá trị của ion, chất đông tụ mang điện tích trái dấu với điện tích của hạt. Hoá trị của ion càng lớn thì hiệu quả đông tụ càng cao. Quá trình thuỷ phân các chất đông tụ và tạo thành các bông keo xảy ra theo các giai đoạn sa Me3+ + HOH Me(OH)2+ + H+ Me(OH)2+ + HOH Me(OH)2++ H+ Me(OH)+ + HOH Me(OH)3++ H+ Đẩy Hút Mặt trượt Thế zeta Lực đẩy R R-A Lực hút A Barie năng lượng Hút Đẩy R-A Lực hút A Thế zeta Mặt trượt Me3+ + 3HOH Me(OH)3++3 H+ Lực đẩy R Barie năng lượng Hình 3.3 : Giảm điện tích thực trên hạt rắn bằng thêm các ion trái dấu hoá trị 3 5. Các giai đoạn đông tụ Quá trình lắng có thể tách được các hạt rắn huyền phù nhưng không thể tách được các chất gây nhiễm bẩn ở dạng keo và hòa tan vì chúng la những hạt rắn có kích thước quá nhỏ. Để tách các hạt rắn đó một cách hiệu quả bằng phương pháp lắng, cần tăng kích thước của chúng nhờ sự tác động tương hỗ giữa các hạt phân tánliên kết thành tập hợp các hạt, nhằm làm tăng tốc độ lắng của chúng. Việc khử các hạt keo rắn bằng lắng trọng lượng đòi hỏi trước hết cần trung hòa điện tích của chúng, thứ đến là liên kết chúng với nhau, được chia ra hai quá trình : Đông tụ (coagulation): Là quá trình phá vỡ tính ổn định của các hạt keo được thực hiện bằng cách thêm vào các chất hóa học gọi là chất đông tụ. Thường xảy ra quá trình trung hòa điện tích hạt keo, trong đó thế Zeta được giảm bởi các ion này hay các keo mang điện tích trái dấu tới mức lực đẩy tĩnh điện ở dưới lực hấp dẫn Van der Waals. Keo tụ (flocculation) : Là sự dính kết các hạtkhông ổn định thành các bông keo nhỏ (microfloc), sau đó là các cụm bông lớn có thể lắng. Các tác nhân hóa học của quá trình này gọi là các chất keo tụ hay là các chất trợ keo tụ – các chất có khả năng thúc đẩy quá trình hình thành các bông keo. Có hai giai đoạn chuyển đổi quan trọng quyết định sự keo tụ: Keo tụ điện động: Liên quan đến chuyển động Brown. Giai đoạn đông tụ này chỉ xảy ra trong trường hợp các hạt có kích thước nhỏ hơn 1 . Nó thúc đẩy quá trình tạo thành các “microfloc”. Keo tụ động : Liên quan tới sự suy giảm năng lượng. Trong trường hợp này sẽ có sự hình thành các bông keo lớn, riêng rẽ từ các “microfloc”. Xử lý cặn lơ lửng bằng chất keo tụ Mục tiêu của đông keo tụ là giảm thế Zeta, tức là giảm chiều cao hàng rào năng lượng tới giá trị tới hạn sao cho các hạt keo không đẩy nhau. Việc phá vỡ tính bền của hệ keo có thể được thực hiện bằng những cách sau đây: Thu hẹp lớp điện tích kép tới mức thế Zeta bằng không(loại bỏ lực đẩy tĩnh điện) Hấp thụ điện tích trái dấu để trung hòa điện tích hạt keo. Va chạm với mạng lưới bông két tủa của chất keo tụ hoặc chất tạo bông được đưa vào để gây hiện tượng hấp phụ , bám dính. Hấp phụ những chất cao phân tử để khâu các hạt lại với nhau. Việc xử lý bằng phèn và PAA nhằm thực hiện đồng thời một vài hay cả bốn giải pháp trên: Hiện tượng co lớp điện tích kép: Khi cho các muối có điện tích cation khác nhau vào keo đất (âm), ví dụ các muối Na+, Ca2+, Al3+ người tathays lượng muối gây keo tụ giảm nếu điện tích cation tăng, đối với hệ trên ta có tỷ lệ nồng độ : Na+: Ca2+: Al3+ = 1:10-2: 10-3 Đây chính là quy tắc Schulze – Hardy nói lên khả năng gây keo tụ của các ion trái dấu. Như vậy các ion trái dấu trung hòa bớt điện tích hạt keo, lớp điện tích kép bị ép lại tới mức Zeta =0, lực hút Van Der Waals sẽ thắng lực đẩy tĩnh điện, các hạt nhỏ sẽ hút nhâutọ hạt lớn hơn lắng được. Ta thấy điều này rất rõ qua sự bồi đắp nhanh chóng của các cựa sông khi nước phù sa gặp nước mặn và phù sa nhanh chóng bị lắng. Sự hấp phụ điện tích trái dấu để trung hòa điện tích hạt keo: Khác với các chất điện ly thông dụng (ví dụ : NaCl phân ly thành Na+ gây keo tụ do điện tích trái dấu) có thể cho vào hệ quá đại lượng gây keo tụ cần thiết (ví dụ với NaCl là 10-1M) thì đối với chất keo tụ hữu cơ hoặc cao phân tử tan trong nước, sự “quá tay” sẽ gây hiệu ứng ngược. Nếu cho “quá tay” chất keo tụ, ví dụ đối với C12H25NH3 quá 4.10-4M sẽ xảy ra hiện tượng đổi dấu điện tích bề mặt, thay vì điện tích âm lúc đầu, hạt keo sẽ tính điện dương của chất cho thêm và trở nên bền hơn. Điều này không xảy ra đối với các ion Na+ vì tính hấp phụ yếu của Na+. Đây là hiệu ứng đảo dấu hạt keo, cản trở quá trình keo tụ. Đối với muối Al3+ sẽ có hai ngưỡng: ngưỡng thứ nhất ở nồng độ thấp(10-5mol/l) bản chất tương tự như đối với C12H25NH3, hiện tượng đảo dấu hạt keo cũng xảy ra tương tự: khi tăng nồng độ nhưng sau đó dung dịch lại trở nên trong hơn nhờ hiện tượng bông cặn Al(OH)3 kéo theo hạt keo roi xuống kết tủa. Đây là cơ sở để sử dụng phèn nhôm như chất keo tụ phổ biến hiện nay. Lôi kéo bằng bông cặn Các chất keo tụ [Al2(SO4)3 và FeCl3] tạo bông kết tủa có thể tích lớn, khi sa lắng kéo theo các hạt keo, làm thúc đẩy quá trình lắng. Tạo điều kiện “khâu” các hạt cặn lơ lửng bằng phân tử polime: Một số polime tan trong nước, ví dụ PAA có khả năng “khâu” các hạt lại với nhau nhờ tương tác giữa các hạt keo vói các nhóm chức khác dấu hoặc bằng lực hấp phụ, nhờ quá trình này mà bông cặn trở nên to hơn, nặng hơn và dễ lắng. Bảng 3.2 : Các giai đoạn đông tụ Giai đoạn Hiện tượng Thuật ngữ Cho thêm chất đông tụ Phản ứng với nước, ion hoá, thuỷ phân, polyme hoá Thuỷ phân Phá huỷ tính bền Nén lớp kép Đông tụ Đặc tính hút ion làm đông lạnh bề mặt các phân tử Đặc tính liên quan đến ion hoặc trường hợp bề mặt của phân tử Bao gồm cả chất keo kết tủa Liên quan đến bên trong các phân tử, trường hợp trùng hợp đông hợp chất Vận chuyển Chuyển động Brao Kết bông ngoại vi Năng lượng tiêu tán (građian tốc độ) Kết bông trực giao *Kết bông động học: liên quan đến sự khuếch tán Brao (chuyển động nhiệt hỗn loạn). Tốc độ kết bông hay sự thay đổi số lượng hạt theo thời gian được tính bằng: Trong đó: n- Số lượng hạt trong một đơn vị thể tích - Là hệ số va chạm hiệu dụng k – Hằng số Bôzơman T – Nhiệt độ tuyệt đối - Độ nhớt động lực d - Đường kính hạt cơ bản Kết bông chỉ có tác dụng với các hạt nhỏ, kích thước nhỏ hơn 1micro. Nó dễ dàng tạo thành khối đông tụ nhỏ. Hiệu quả quá trình kết bông cho phép thu được khối đông tụ lớn hơn có thể tách ra được : Chế độ chảy tầng Chế độ chảy rối - Gradien tốc độ G0 chỉ có thể xác định được ở chế độ chảy tầng, vì có sự chenh lệch tốc độ giữa hai dòng chất lỏng kề nhau trong mặt phẳng vuông góc với chiều dịch chuyển: G0 = Trong thực tế, ta dùng Gradien tốc độ G tương ứng với chế độ chảy rối. *Tầm quan trọng của Gradien tốc độ Gradien tốc độ được xác định bằng công thức: G = =K Trong đó : G- Gradien tốc độ trung bình (1/s) P- Công suất tiêu tán thực (m2/kg.s3) - Độ nhớt động lực (kg/m.s) V- Thể tích choán chỗ bởi chất lỏng (m3) Định nghĩa này có thể áp dụng mở rộng cho tất cả các chế độ thủy lực. G phụ thuộc đặc biệt vào nhiệt độ Bảng 3.3: Sự phụ thuộc của K vào nhiệt độ 0C K 0C K 0C K 0C K 0 5 23,6 25,6 10 15 27,6 29,6 20 30 31,5 35,4 40 38,9 Gradien nhiệt độ là một thông số quan trọng tác động đến khả năng va chạm của các hạt. Nó không có khả năng tăng quá mức. Với giá trị quá cao của G, các đông tụ tạo ra chịu một sự trượt cơ học dẫn đến phá hủy cấu trúc. Nói chung giá trị chấp nhận của G như sau: Đối với đông tụ: tới 400, thậm chí 1000/s Đối với kết bông khoảng 100/s *Liều lượng của các chất đông tụ tuỳ thuộc vào nồng độ tạp chất rắn trong nước thải: Bảng 3.4: Sự phụ thuộc của liều lượng các chất keo tụ vào nồng độ tạp chất rắn trong nước thải: Nồng độ tạp chất trong nước, mg/l Liều lượng chất đông tụ khan, mg/l Từ 1-100 101-200 201-400 401-600 601-800 801-1000 1001-1400 1401-1800 1801-2200 2201á2500 25-35 30-45 40-60 45-70 55-80 60-90 65-105 75-115 80-125 90-330 III.2.2. Các chất đông tụ thường dùng: [1] Các chất đông tụ thường dùng là các muối nhôm, sắt hoặc hỗn hợp của chúng. Việc lựa chọn chất đông tụ phụ thuộc vào tính chất hoá lý, chi phí, nồng độ tạp chất trong nước, pH và thành phàn muối trong nước. Trong thực tế người ta thường dùngcác chất đông tụ sau: Al2(SO4)3.18H2O; NaAlO2; Al2(OH)5Cl; KAl(SO4)5.12H2O; NH4Al(SO4)2.12H2O. Trong đó được dùng rộng rãi nhất là Al2(SO4)3 bởi vì Al2(SO4)3 hoà tan tốt trong nước, chi phí thấp và hoạt động có hiệu quả cao trong khoảng pH = 5á7,5. Trong quá trình đông tụ, Al2(SO4)3 tác dụng với canxi bicacbonat trong nước theo phản ứng sau: Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 Û Al(OH)3¯ +3CaSO4 +6CO2 Trong phần lớn các trường hợp người ta sử dụng hỗn hợp NaAlO2 và Al2(SO4)3 theo tỷ lệ (10:1) á(20:1). Phản ứng xảy ra như sau: NaAlO2 + Al2(SO4)3 + 12H2O Û 8Al(OH)3¯ + 3Na2SO4 Việc sử dụng hỗn hợp muối trên cho phép tăng hiệu quả quá trình làm trong nước, tăng khối lượng và tốc độ lắng của các bông keo tụ, mở rộng khoảng pH tối ưu của môi trường. Al2(OH)5Cl có độ axit thấp nên rất phù hợp để dùng làm sạch nước có độ kiềm yếu và quá trình được thực hiện nhờ phanr ứng sau: Al2(OH)5Cl + Ca(HCO3)2đ 4Al(OH)3¯ + CaCl2 +2CO2 Các muối sắt: Fe2(SO4)3.2H2O; Fe2(SO4)3.3H2O; FeSO4.7H2O và FeCl3 cũng thường được dùng làm chất đông tụ. Việc tạo thành bông keo diễn ra theo các phản ứng sau: FeCl3 + 3H2O đ Fe(OH)3¯ + HCl Fe2(SO4)3 + 6H2O đ Fe(OH)3¯ + 3H2SO4 Trong điều kiện kiềm hoá xảy ra các phản ứng sau: 2 FeCl3 + 3Ca(OH)2 đ 2Fe(OH)3¯+ CaCl2 FeSO4 + 3Ca(OH)2 đ 2Fe(OH)3¯+ CaSO4 Các muối sắt được sử dụng làm chất đông tụ có nhiều ưu điểm hơn so với các muối nhôm, do: Tác dụng ýt ở nhiệt độ thấp Có khoảng giá trị pH tối ưu của môi trường rộng hơn Độ bền lớn và kích thước bông keo có khoảng giới hạn rộngcủa thành phần muối Có thể khử được mùi khi có H2S Tuy nhiên các muối sắt cũng có những nhược điểm, chúng tạo thành các phức hoá tan nhuộm màu qua phản ứng của các cation sắt với một số hợp chất hữu cơ. Để tăng cường quá trình tạo thành bông keo,tăng tốc độ lắng, người ta cho thêm vào nước thải các hợp chất cao phân tử gọi là chất trợ đông tụ (flocculant). Việc sử dụng các chất trợ đông tụ cho phép hạ thấp liều lượng chất đông tụ, giảm thời gian quá trình đông tụ và nâng cao tốc độ lắng của các bông keo. ở nồng độ Cation đa hoá trị nhỏ chỉ đủ để tạo chùm hạt ta thêm vào một chất đa điện ly (Polyelectrolite) thì hiện tượng kết tách nhưng theo kiểu bắc cầu qua phân tử polime. Ưu việt của sự kết tách qua polime bắc cầu là liều lượng sử dụng đủ nhỏ để làm trong nước, làm khô bùn và polime đi theo bùn bã không nằm lại phần nước trong nên chất lượng nước sau xử lý rất cao. Cơ chế của sự kết tách dùng polime bắc cầu là sự tương tác giữa hạt keo lơ lửng và polime đa điện ly. Chất kết tách đa điện ly thường là các hợp chất cao phân tử có trong tự nhiên như : tinh bột, tinh bột biến tính, polysacarit, nhưng mang lại hiệu quả cao cho quá trình làm trong nước cho đến nay vẫn là poliacrylamit và copolime của nó. Monome acrylamit CH2 = CH – CONH2 khi được trùng hợp có xúc tác sẽ tạo ra polyacrylamit : n: gọi là độ trùng hợp. Polime loại nàykhi hoà tan trong nước không mang điện hoặc chỉ bị phân cực lưỡng điện. Người ta gọi loại này là polime N(nonionic). Khi acrylamit được đồng trùng hợp với acrylat hoặc metylacrylat sẽ tạo ra colipolime A (anionic), khi đồng trùng hợp acrylamit với acryloyl oxyetyl N-triankyl clorua sẽ tạo ra polime C (cationoc): 1. Độ trùnghợp n hay phân tử lượng M: Độ trùng hợp n của phân tử pôlyme càng lớn thì liều lượng sử dụng càng nhỏ, hiệu quả kết tách càng cao. Đồ thị bên cho thấy: để nước thành phẩm có cùng độ trong , liều lượng tiêu tốn là rất khác nhau phụ thuộc vào độ trùng hợp của phân tử pôlyme với cùng liều lượng sử dụng như nhau, độ trong của nước thành phẩm rất khác nhau, thậm chí khi độ trùng hợp chỉ đạt dưới 104, pôlyme không còn đảm đương chức năng làm trong nước mà trở thành chất làm đục nước- chất phân tán các chất không tan trong nước. Bảng3.5. Lĩnh vực sử dụng của pôlyacrylamit theo phân tử lượng Phân tử lượng pôlyacrylamit 500-5000 5000-5.104 5.104- 25.104 25.104- 20. 105 5.106- 7.106 107-2.107 Lĩnh vực sử dụng Chất ngừa cáu cặn Chất phân tán Chất keo tụ Chất cô đặc Chất trợ lọc Chất kết tách 2. Đương lượng ion : là số điện tích có trong một đơn vị khối lượng (g) pôlyme. Giá trị này được xác định bởi tỷ lệ của các mônôme trong phân tử copôlyme . Trong đó : x là số mônôme acrylamit trong đại phân tử copolyme. y là số lượng monome acrylat trong đại phân tử copolyme loại A hoặc là lượng monome amoniankyl clorua bậc 4 trong đại phân tử copolyme loại C. Dựa vào chỉ số đương lượng ion người ta phân chia polyme C và A thành 3 dạng điện tính: Hạng cao hay mạnh Hạng trung bình Hạng thấp hay yếu 3. Độ nhớt của dung dịch polyme Đối với copolyme độ nhớt của dung dịch không chỉ phụ thuộc vào phân tử lượng (hay độ trùng hợp n) mà còn phụ thuộc vào tình trạng luân phiên của các monome trong phân tử copolyme bởi vì cấu tạo của phân tử côpolyme trong dung dịch sẽ khác nhau khi trình tự luân phiên các monome không giống nhau. Ví dụ với tỷ lệ các monome trong đại phân tử copolyme A =1. Ký hiệu monome acrylat là A. Ký hiệu monome acrylamit là B Có thể có nhiều cách sắp xếp luân phiên khi đồng trùng hợp theo các trình tự rất khác nhau: ABABABAB ... AABBAABB... AAABBB... Các đại phân tử côpolyme này tuy có phân tử lượng như nhau, tỷ lệ mônome trong đại phân tử như nhau nhưng độ nhớt trong dung dịch nước của chúng khác nhau và do đó tính chất kết tách của chúng khác nhau. 4. Bản chất của nhóm thế trong monome Có 3 loại monome , mỗi loại monome có thể có các nhóm thế: - Acrylamit: H2C = C – CONH2 R1 R1= H ta có acrylamit R1 = CH3 ta có mêtyl acrylamit R1 có thể là (CH2)nSO3Na. H2C = C – COO- Na+ R2 - Acrylat: R2 = H ta có natri acryla R2 = CH3 ta có mêtyl natri acrylat R2 có thể là các nhóm chức khác. Acryloyl oxyetyl triankyl amoniclorua: CO – OCH2CH2- N+ - R5Cl- CH2 = CH R3 R4 R3, R4, R5 có thể là metyl, etyl, benzyl Bản chất hóa học các nhóm thế R1, R2, R3, R4, R5 có ảnh hưởng đến hoạt lực hút bám các hạt keo lơ lửng và hấp phụ cả các chất tan trong nước và do đó ảnh hưởng đến không chỉ tính chất kết tách chọn lọc của chúng mà còn ảnh hưởng các chỉ số COD, BOD, mầu sắc và mùi vị của thành phẩm. Các yếu tố ảnh hưởng đến khả năng làm trong nước Nồng độ hòa tan khi sử dụng : Để có liều lượng sử dụng nhỏ (1- 5 ppm), các copolyme thường được trùng hợp đạt đến khối lượng phân tử 107-108 . Do đó độ nhớt của dung dịch polyme sẽ rất cao. Hoạt lực kết tách của phân tử polyme sẽ là cao nhất khi đại phân tử của nó trong dung dịch ở trạng thái năng lượng nhỏ nhất. Điều đó đạt được chỉ sau khi dung dịch đã vượt qua được quá trình trước, thể hiện ở chỗ độ nhớt của dung dịch đồng đều và ổn định. ở nồng độ loãng, sự phân hủy của polyme xảy ra rất nhanh (phân hủy sinh học, phản ứng thủy phân). thời gian sử dụng có hiệu quả cao nhất chỉ là 24 giờ sau khi hòa tan. ở nồng độ đặc (8-10%) sự phân hủy xảy ra rất chậm, thực tế là không đáng kể. ảnh hưởng của pH: pH có ảnh hưởng lớn và rất khác nhau đến tốc độ lắng tách. Các polyme n khá trơ với sự thay đổi của pH, đặc biệt là ở các polyme N có nhóm sunphô trong mỗi monome. Các polyme A có năng lực kết tách ở pH càng cao khi độ anionic càng lớn và ngược lại đối với các polyme C. Mỗi polyme đều có một giá trị pH kết tách tối ưu riêng và thường được xác định bằng thực nghiệm. Khi ở pH không tối ưu, liều lượng kết tách sẽ lớn gấp nhiều lần. pH Tốc độ lắng (cm/mm) Anionic cao Anionic thấp Nonionic Cationic 5 10 15 20 8 7 6 5 4 Hình 3.3: ảnh hưởng của pH tới tốc độ lắng của các chất trợ keo Hiệu quả cộng tách: Cộng tách là hiện tượng làm tăng hiệu quả kết tách khi phối hợp đồng thời 2 hoặc nhiều polyme với nhau. Hiệu quả cộng tách rất cao thường xảy ra khi làm trong các đối tượng nước có các hạt lơ lửng đa dạng về bản chất hóa học. Có thể phối hợp polyme A và N, C và N cùng trong một dung dịch. Muốn phối hợp A và C, người ta pha riêng rẽ các dung dịch rồi nạp kế tiếp nhau vào nước nguyên liệu. Khi phối hợp có kết quả polyme A với C hoặc C với N , chất lượng nước thành phẩm cao hơn nhiều so với việc sử dụng từng dung dịch polyme riêng lẻ. III.3. Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu một số yếu tố ảnh hưởng đến quá trình đông keo tụ xử lý nước rác Trên cơ sở đó xác định một số thông số tối ưu nhằm đạt được hiệu quả xử lý cao mà vẫn phù hợp với khả năng kinh tế. Hóa chất và dụng cụ thí nghiệm III.3.1. Hóa chất Xử lý nước rác bằng phương pháp đông keo tụ được nghiên cứu với các hóa chất sau: Chất keo tụ là phèn nhôm, phèn sắt có công thức hóa học Al2(SO4)3.18H2O, Fe2(SO4)3.nH2O nồng độ 1% Hòa tan 19,5g Al2(SO4)3.18H2O trong bình định mức 1lít với khoảng 700á800ml nước cất. Đun nóng để làm tan tinh thể, để nguội và định mức thành 1lít bằng nước cất được dung dịch phèn nhôm nồng độ 1%. Các chất trợ đông tụ là các polime tạo bông, bao gồm: A101, C502 , . các dung dịch này được pha với nồng độ 0,1%. Cách pha chế : Với mỗi loại polime trên, cân chính xác 0,1g bằng cân phân tích rồi pha trong 100ml nước cất. Vừa khuấy vừa gia nhiệt cho đến khi dung dịch có độ nhớt đều nhau, không có hiện tượng vón cục các polime. Ta thu được dung dịch polime có nồng độ 0,1%. Các hóa chất dùng cho việc phân tích COD Điều chỉnh pH bằng H2SO4 25% III.3.2. Mô hình và dụng cụ thí nghiệm Thiết bị Jar – test, gồm một bộ máy khuấy, có trang bị bộ biến đổi tốc độ. Mỗi cánh khuấy ứng với một bình (beaker) có thể tích 1 lít. Hình3.2: Mô hình Jartest Hình 3.3. Hình nón Imhoff dùng để xác định bùn lắng của quá trình keo tụ pH mét. Cân phân tích với độ chính xác 0,0001g. Giấy lọc để xác định SS. Các dụng cụ thí nghiệm để xác định COD Máy đo độ đục. Pipet, các dụng cụ thủy tinh. III.4. Phương pháp phân tích mẫu nước Các chỉ tiêu chính cần phân tích mẫu nước trong quá trình làm thí nghiệm bao gồm: pH : Được đo bằng pH kế. Nhu cầu ôxy hóa học COD (Chemical Oxygen Demand): COD được xác định bằng phương pháp hồi lưu kín với dung dịch K2Cr2O7 trong môi trường axit, lượng dư được xác định bằng dung dịch FAS. Hàm lượng chất rắn lơ lửng SS (Suspended Solid): Xác định như sau: Sấy giấy lọc ở nhiệt độ 103 á 1050C trong 4 giờ Làm nguội trong bình hút ẩm đến nhiệt độ cân bằng Cân giấy (m1 - mg) Lọc mẫu có thể tích xác định V1 ml (đã khuấy trộn đều) qua giấy lọc đã cân Sấy giấy lọc đến khối lượng không đổi Làm nguội trng bình hút ẩm Cân giấy (m2 - mg) Hàm lượng chất rắn lơ lửng SS được tính theo công thức: SS =.1000 (mg/l) Độ đục III.4.1. Quy trình thực nghiệm Thí nghiệm nghiên cứu để xác định các yếu tố ảnh hưởng và điều kiện tối ưu của sự keo tụ, tạo bông được thực hiện bằng thiết bị Jar – test. Quy trình keo tụ Quy trình keo tụ tiến hành như sau: Mỗi bình được đổ vào 1lít nước mẫu cần phân tích và điều chỉnh pH (nếu cần) Cho chất keo tụ vào các bình đồng thời khuấy mạnh ở tốc độ khoảng 200 vòng/phút. Đây là giai đoạn keo tụ. Nếu sử dụng PAA thì cho thêm PAA Vào các bình với hàm lượng xác định và khuấy mạnh trong vòng 1 á 2 phút. Khuấy chậm trong vòng 10 phút với tốc độ 15 á 20 vòng/phút. Đây là giai đoạn tạo bông: làm to các cụm keo tụ. Tắt máy khuấy và để lắng trong khoảng thời gian 15 á60 phút. Lấy ở cùng một độ sâu như nhau trong mọi bình bằng pipet (hút sao cho không mang theo bùn lắng). Nước thải trước và sau xử lý cần phân tích các thông số: + Hàm lượng chất rắn lơ lửng SS (mg/l) + Nhu cầu ôxy hóa học COD (mg/l) + Độ đục 2. Lựa chọn chất keo tụ Do tính chất của nước rác (COD cao, SS lớn, pH thay đổi). Lấy mẫu nước ở hồ H3 thì COD không còn cao lắm nhưng rất khó xử lý, pH khá cao. Nếu dùng phèn sắt để xử lý thì không cần điều chỉnh pH nhưng nước sau xử lý sẽ có màu phải xử lý, với phèn nhôm chỉ cần điều chỉnh pH lúc đầu sau không phải xử lý màu nữa. Trong đồ án này chọn phèn nhôm Al2(SO4)3.18H2O nồng độ 1% cho quá trình nghiên cứu. Thí nghiệm được tiến hành ở các nồng độ phèn giao động từ 50 á300mg/l tại giá trị pH thích hợp (pH =7) Làm thí nghiệm với quy trình như trên cho các bình thể tích 1lít, hàm lượng phèn thay đổi như trong bảng sau: Thể tích phèn 1% cần lấy để có hàm lượng phèn tương ứng là: V=x.(ml) Trong đó : x- hàm lượng phèn cần pha (mg/l) Hàm lượng phèn(mg/l) 50 100 150 200 250 300 Lượng cho(ml) 5 10 15 20 25 30 Thí nghiệm lựa chọn chất trợ keo Mục đích thí nghiệm là thử các chất trợ keo – tụ tạo bông (Các polime A, C, N) để tìm được một loại polime thích hợp làm tăng kích thước các bông keo, giảm thời gian quá trình đông tụ và nâng cao tốc độ lắng của các bông keo, do đó nâng cao hiệu quả xử lý. Các polime được pha với nồng độ 0,1%, được đưa vào xử lý sau khi đã đánh phèn ở nồng độ tối ưu mà ta lựa chọn trong thí nghiệm trên. Nồng độ các chất trợ đông tụ đưa vào mỗi bình xử lý đều bằng nhau và bằng 3mg/l. Lượng polime 0,1% cần lấy (tương tự như phèn) Loại polime A101 A104 N208 C325 C502 Lượng cho (ml) 3 3 3 3 3 Sau khi thí nghiệm, phân tích các mẫu nước rút ra kết luận về so sánh hiệu quả xử lý với phèn nhôm có và không có polime cũng như tìm ra loại polime thích hợp để tiến hành thí nghiệm khảo sát hàm lượng tối ưu của nó. Khảo sát ảnh hưởng của nồng độ chất trợ keo tụ – tạo bông lên hiệu quả xử lý Thí nghiệm tiến hành với phèn nhôm ở hàm lượng tối ưu và polime dã dược lựa chọn ở trên. Ta thay đổi hàm lượng polime nhằm xem xét ảnh hưởng cũng như tìm ra giá trị tối ưu của nồng độ chất trợ đông tụcho quá trình xử lý. Khoảng nồng độ giao động từ 1 á 5mg/l. quy trình thực hiện như sau: Hàm lượng polime (mg/l) 1 2 3 4 5 Lượng cho(ml) 1 2 3 4 5 Thí nghiệm lắng Thí nghiệm lắng được thực hiện trên hình nón Imhoff nhằm xác định thời gian lắng tối ưu và lượng cặn lắng hình thành. Nội dung các bước như sau: Với mỗi thí nghiệm cần xác định thể tích bùn lắng, Cho vào bình nón Imhoff, theo dõi bông cặn hình thành, xác định thời điểm t=0 Đọc thể tích cặn lắng tại các thời điểm t= 15, 30, 45, 60, 90, 120phút III.5. Kết quả nghiên cứu và thảo luận III.5.1. Đặc tính nước thải nghiên cứu Nước thải được sử dụng trong thí nghiệm là nước rác lấy ở hồ H3 , có pH khá cao (pH ằ 8,2) nên nếu dùng phèn nhôm cho quá trình xử lý cần phải điều chỉnh pH nằm trong khoảng pH tối ưu của phèn (6,5 á 8). Hàm lượng rắn lơ lửng cao và dao động trong khoảng (100 á700 mg/l) Bảng 3.6: Đặc tính các mẫu nước thải Ký hiệu mẫu Ngày lấy mẫu pH COD (mg/l) SS (mg/l) M1 24-03-2003 8,35 1488 406 M2 01-04-2003 8,25 1426 380 M3 08- 04-2003 8,35 1397 480 Các mẫu nước được bảo quản lạnh ở nhiệt độ 40C, đước xử lý kịp thời để tránh quá trình phân hủy mẫu nước. III.5.2. Khảo sát hàm lượng phèn nhôm tối ưu cho quá trình keo tụ Tất cả các thí nghiệm đều điều chỉnh pH =7 Quy trình keo tụ được thực hiện với chất keo tụ phèn nhôm, hàm lượng lần lượt là: 50, 100, 150, 200, 300 (mg/l), xử lý mẫu nước M1, đã thu được kết quả sau: Bảng3.7: ảnh hưởng của hàm lượng phèn nhôm trong xử lý SS, COD, độ đục Hàm lượng phèn (mg/l) SS (mg/l) Hiệu suất xử lý theo SS (%) COD (mg/l) Hiệu suất xử lý theo COD (%) Độ đục (NTU) Hiệu suất xử lý theo NTU (%) 0 406 1605 698 100 65 83,99 1512 5,79 56,2 91,95 150 53 86,94 1512 5,79 54,7 92,16 200 24 94,09 1505 6,23 28,3 95,95 250 22 94,58 1496 6,79 26.4 96,22 Từ số liệu trong bảng 3.6 ta thấy khi xử lý với hàm lượng phèn ở mức 100á250 mg/l, SS giảm xuống dưới 70 mg/l, hiệu suất xử lý SS là 83,99á94,58%, chứng tỏ phèn nhôm có khả năng xử lý tốt chất rắn lơ lửng trong nước rác. Từ số liệu thực nghiệm bảng 3.6, ta có đồ thị biểu diễn sau: Nhìn vào độ thị ta thấy khi hàm lượng phèn nhôm tăng thì hiệu quả tách SS cũng tăng lên. Tuy nhiên SS chỉ giảm mạnh khi lượng phèn nhôm tăng từ 150đ200mg/l và khi lượng phèn nhôm tiếp tục tăng thì SS sau xử lý giảm không đáng kể. Như vậy, có thể coi giá trị 200 mg/l là con số thấp nhất của hàm lượng phèn nhôm mà cho hiệu quả xử lý tốt (hiệu quả xử lý SS 94,09%) Bảng 3.8: ảnh hưởng của phèn nhôm và SS đầu vào đến SS sau xử lý Hàm lượng phèn (mg/l) M1 M2 M3 SS (mg/l) Hiệu suất xử lý (%) SS (mg/l) Hiệu suất xử lý (%) SS (mg/l) Hiệu suất xử lý (%) 0 406 380 480 100 65 83,99 59 84,47 72 85.00 150 53 86,94 46 87,89 56 88,33 200 24 94,09 18 92,26 28 94,17 250 22 94,58 18 92,26 25 94,79 Ta thấy với nước rác thì SS thay đổi không lớn, tuy nhiên với SS đầu vào khác nhau thì hình dạng đồ thị giống nhau,SS không ảnh hưởng tới hiệu suất xử lý (SS đều giảm mạnh khi hàm lượng phèn tăng tới 200mg/l và giảm chậm dần khi tăng lượng phèn nhôm ), điều này một lần nữa khẳng định hàm lượng phèn nhôm tối ưu là 200mg/l. Qua thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng phèn nhôm cho thấy có thể chọn hàm lượng phèn nhôm tối ưu là 200mg/l. Tuy nhiên để tăng hiệu quả xử lý cần phải nghiên cứu thêm về việc sử dụng thêm chất trợ keo. III.5.3. Lựa chọn các hóa chất trợ keo tụ [6] Xử lý nước rác, một số nghiên cứu chỉ ra có thể xử lý hiệu quả với các poliacrylamit sau: A-101, A-104, C-310, C-508, N-208 Bảng3.9. Đặc tính một số loại polime PAA Đặc tính ion Dạng sản phẩm Tỷ trọng đống (g/cm3) Nồng độ khi hòa tan (%) Phân tử lượng (x.104) Độ nhớt Brôkfield A-101 A trung bình Bột trắng 0,65±0,1 0,05á0,2 1300 350 A-104 A cao Bột trắng 0,65±0,1 0,05á0,2 1200 450 C-310 C thấp Bột trắng 0,65±0,1 0,1á0,3 600 650 C-508 C cao Bột trắng 0,65±0,1 0,1á0,3 800 1100 N-208 Không ion Bột trắng 0,65±0,1 0,05á0,2 1300 200 Hoá chất trợ keo tụ được dùng là các polime A-101, A-104, C-310, C-508, N-208. Thí nghiệm được tiến hành với hàm lượng phèn nhôm tối ưu lựa chọn ở trên là 200 mg/l và hàm lượng các polime là 3 mg/l . Ta có kết quả xử lý với mẫu nước M3 như sau: Bảng3.10: ảnh hưởng của các loại polime khác nhau lên khả năng xử lý SS (M3) Loại polime Hàm lượng phèn (mg/l) Hàm lượng polime (mg/l) SS sau xử lý (mg/l) Hiệu suất xử lý (%) Không dùng polime 200 0 28 94,09 C508 200 3 19 96,04 C310 200 3 22 95,42 N208 200 3 23 95,21 A101 200 3 20 95,83 A104 200 3 22 95,42 Nhận xét hiện tượng : - Với mẫu chỉ xử lý bằng phèn nhôm không dùng thêm polime, bông tạo tạo thành nhỏ và không chắc, lắng rất chậm, chậm hơn nhiều so với các mẫu xử lý khác . C-310 và C-508: Bông tạo thành nhanh và to, bông có xu hướng cụm to thành một khối chắc do đó lắng nhanh trong khoảng 5 phút sau khi xử lý mẫu . A-101 và A-104: Bông hình thành khá chậm, kích thước nhỏ đều tuy nhiên vẫn lắng nhanh hơn mẫu xử lý bằng phèn rất nhiều. Từ quan sát hiện tượng và kết quả thể hiện trên biểu đồ hình 3.4, ta rút ra nhận xét : Để xư lý nước rác , một số loại polime dạng C và A tỏ ra có hiệu quả hơn hẳn các loại polime khác trong việc tăng cường quá trình keo tụ, thông qua khả năng tăng hiệu quả xử lý SS lên rất nhiều và khả năng tạo bông to nhờ các cầu nối trong phân tử polime làm giảm thời gian quá trình đông tụ và nâng cao tốc độ lắng của các bông keo . Kết quả khảo sát các loại polime cho thấy xử lý nước nên chọn các chất trợ đông tụ là các polime loại A và C . Có thể lựa chọn loại A-101, A-104 hoặc C310, C308. Thí nghiệm lựa chọn trên mới chỉ khảo sát các polime ở môt hàm lượng nhất định . Để có thể đánh giá kỹ hơn về khả năng xử lý và khả năng kinh tế , cần phải tiến hành thí nghiệm khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng polime đến hiệu quả xử lý để cho hàm lượng tối ưu cáo chất trợ keo tụ này . III.5.4. Khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng chất trợ keo tụ Thí nghiêm được tiến hành với các mẫu nước thải M3 hàm lượng phèn nhôm tối ưu 200mg/l nhằm khảo sát ảnh hưởng của hàm lượng một số polime đến khả năng xử lý SS. Bảng 3.11: ảnh hưởng của hàm lượng polime đến hiệu quả xử lý SS Hàm lượng phèn (mg/l) Hàm lượng polime (mg/l) Hàm lượng chất rắn lơ lửng (mg/l) M-31 M-32 M-33 200 0 28 28 28 200 0,5 26 27 26,5 200 1 26 27 26 200 1,5 25,5 26 25 200 2 22 24 21 200 3 21 23 21 200 4 21 23 21 Chú thích: M-31: Dùng chất trợ keo tụ C508 M-32: Dùng chất trợ keo tụ N208 M-33: Dùng chất trợ keo tụ A101 Hình 3.5: Quan hệ giữa hàm lượng polime và SS sau xử lý Nhìn vào đồ thị hình 3.5, ta thấy khi tăng hàm lượng các polime từ 1,5á2 mg/l thì hàm lượng chất rắn lơ lửng đều giảm đáng kể . Khi tiếp tục tăng hàm lương polime thì SS có giảm nhưng không nhiều. Kết quả thí nghiệm cho thấy cả về mặt kinh tế và về mặt kỹ thuật thì hàm lượng polime có thể chọn là 1,5-2 mg/l. Chọn polime C308 hoặc A101 cho hiệu quả tốt nhất. III.3.5. ảnh hưởng của nồng độ phèn tới thể tích bùn lắng Thí nghiệm với 1lít mẫu nước thải ở các nồng độ phèn khác nhau sau 30 phút có kết quả sau: Bảng3.12. ảnh hưởng của nồng độ phèn tới thể tích bùn lắng Hàm lượng phèn (mg/l) Thể tích bùn lắng (ml) 100 12 150 23 200 51 250 80 Sơ đồ dây chuyền công nghệ Bể điều hòa Bể tạo bông Bể xử lý bùn Bể lắng Phèn nhôm Polime Đi xử lý sinh học Nước dư Bùn thải Nước rác Kết luận. Từ nghiên cứu lý thuyết và qua quá trình thực nghiệm em rút ra được một số kết luận sau: Vấn đề nước rác hiện nay đang là một vấn đề cấp bách không chỉ riêng ở Việt Nam mà còn là vấn đề khó giải quyết trên thế giới. Tuy nhiên đây không phải là không giải quyết được khi có đủ các nghiên cứu về nước rác và tìm hiểu kỹ về công nghệ xử lý. Nghiên cứu thực nghiệm xử lý chất rắn lơ lửng bằng phương pháp keo tụ nước rác được tiến hành với các mẫu nước thải tại hồ H3 : pH =8,23 và hàm lượng chất rắn lơ lửng khá ổn định cho kết quả tốt . Cụ thể: Hoá chất keo tụ là phèn nhôm là thích hợp và hàm lượng tối ưu là 200 mg/l. Tuy nhiên, chỉ mỗi phèn nhôm thì hiệu quả xử lý chưa cao và thời gian keo tụ còn lâu. Việc sử dụng thêm các chất trợ keo tụ cho hiệu quả rõ rệt trong xử lý nước rác, trong đó A101, C208 cho hiệu quả tốt hơn hẳn một số các polime khác . Các kết quả thí nghiệm cho thấy nên dùng các polime này ở hàm lượng 1,5-2 mg/l . Sử dụng hoá trợ keo tụ không những có tác dụng tăng hiệu quả xử lý SS mà còn giảm đáng kể thời gian bùn lắng , thúc đẩy quá trình đông keo tụ . Sử dụng các hoá chất với hàm lượng như trên , thời gian cần thiết để lăng khoảng 15-30 phút. Kết quả thí nghiệm cho thấy khả năng xử lý chất rắn lơ lửng , đông keo tụ còn giảm đáng kể độ đục và COD. Các thông số đặc tính mẫu nước đã được xử lý với hàm lượng phèn 200mg/l và polime hàm lượng 2mg/l Mẫu nước COD (mg/l) SS(mg/l) Trước xử lý 1397 480 Sau xử lý 1193 21 Phương pháp này xử lý hiệu quả SS đối với nước rác nhưng xử lý COD không hiệu quả do đó đòi hỏi phải tiếp tục xử lý sinh học để đạt tiêu chuẩn thải cho phép. Các yếu tố ảnh hưởng tới phương pháp ảnh hưởng của pH : pH có ảnh hưởng khá lớn tới quá trình đông keo tụ, pH phải nằm trong vùng tối ưu của phèn nhôm thì mới hiệu quả. ảnh hưởng của nồng độ phèn và các chất trợ keo: + Đối với PAA: Khi cho lượng chất trợ keo lớn hơn lượng tối ưu (2 mg/l) sẽ gây hiệu ứng ngược. Đó là vì hiện tượng đổi dấu điện tích bề mặt, thay vì điện tích âm lúc đầu hạt keo sẽ tích điện dương của chất cho thêm vào và trở nên bền hơn. + Đối với phèn nhôm : Hiện tượng đảo dấu hạt keo cũng xảy ra tương tự nhưng sau đó dung dịch lại trở nên trong hơn nhờ hiện tượng bông cặn Al(OH)3 kéo theo hạt keo rơi xuống kết tủa. ảnh hưởng của tốc độ khuấy: trong thời gian đầu (30s) khuấy với tốc độ cao (300-400 vòng/ph), sau đó khuấy với tốc độ chậm (30-40 vòng/ph) bởi vì thời gian đầu là quá trình đông tụ cần phải tăng cường độ tiếp xúc giữa chất keo tụ và các hạt keo. Sau đó không thể khuấy với tốc độ cao vì xảy ra hiện tượng kết bông để lắng. Nếu khuấy với tốc độ cao sẽ làm phá vỡ các bông keo mới tạo thành . Do kiến thức thực tế và trình độ còn nhiều hạn chế, nển trong bản đồ án này không thể tránh khỏi những thiếu sót em rất mong nhận được sự góp ý chỉ bảo của thầy cô và các bạn. Em xin chân thành cảm ơn! Sinh viên Đặng Quốc Dũng