Xử lý nước thải giặt tẩy bằng phương pháp keo tụ

Keo tụ được hiểu là quá trình hình thành các tập hợp lớn từ các hạt huyền phù có kích thước nhỏ hơn bằng cách đưa vào nước một hay nhiều hóa chất thích hợp. Trong thực tiễn người ta dùng muối nhôm (Al3+), muối sắt (Fe2+, Fe3+), polyaluminium chloride (PAC) cùng một số chất trợ keo tụ: oxit silic hoạt tính, polymer, bentonit, canxi cacbonat,…

Chất gây đục trong nước có nguồn gốc vô cơ (kỵ nước) và hữu cơ (ưa nước). Chúng có độ bền (không sa lắng) là do chuyển động nhiệt và khi lại gần thì chúng đẩy lẫn nhau do các hạt huyền phù (kỵ nước) có lớp vỏ chứa điện tích hay lớp vỏ hyđrat đối với hạt huyền phù ưa nước.

1. Cơ sở lý thuyết keo tụ

Bản chất hiện tượng keo tụ là một quá trình phức tạp. Một trong các cơ chế keo tụ hệ keo là làm giảm thế năng Zeta của hạt bằng cách tăng nồng độ của chất điện phân trong nước. Khi nồng độ của ion tăng lên, càng nhiều ion của lớp khuếch tán vào lớp điện tích kép, kết quả là làm giảm điện thế của lớp điện tích kép và chiều dày của lớp khuếch tán giảm. Khả năng làm giảm điện thế của các hạt keo bằng các ion đối tăng nhanh khi tăng hóa trị của các ion này.

2. Cơ chế quá trình keo tụ

a. Điện tích hạt huyền phù

• pH < 5,5 : hạt mang điện dương (+)
• pH > 8,5 : hạt mang điện âm (-)
• 5,5 < pH < 8,0 : hạt mang điện âm (-)

b. Dạng tồn tại của Al

Có 5 monomer : Al3+, Al(OH)2+, Al(OH)2+, Al(OH)3 , Al(OH)4-

Nhiều dạng polymer: [Al13(OH)34] 5+, [Al7(OH)17] 4+, Al2(OH)2 4+, Al3(OH) 45+, Al13O4(OH) 247+

• pH < 4 : nhôm tồn tại ở dạng Al3+ tức mang điện dương (+)
• pH > 8,5 : nhôm tồn tại ở dạng Al(OH)4- tức mang điện âm (-)
• 5,8 < pH < 8,0 : nhôm tồn tại ở dạng Al(OH)3 kết tủa – đây chính là khoảng keo tụ trong xử lý nước.

c. Cơ chế của quá trình keo tụ

• Ở 5,8 < pH < 8,0 cấu tử Al(OH)3 chiếm ưu thế tuyệt đối. Trong quá trình hình thành và kết tủa Al(OH)3 tồn tại các polymer nhôm trung gian mang điện tích dương (+) (phức chất hydroxo) có độ dài của mạch khác nhau, chúng bị hấp phụ lên bề mặt hạt huyền phù để trung hòa lớp điện tích.
• Để trung hòa lớp điện tích bề mặt cần một lượng polyme nhất định (tức là lượng keo tụ), phụ thuộc vào độ đục ban đầu (mật độ hạt huyền phù) vào mật độ điện tích. Mật độ điện tích lại phụ thuộc vào độ mịn của hạt huyền phù, hạt mịn có điện tích bề mặt lớn và mật độ điện tích của từng hạt.
• Nếu lượng keo tụ đưa vào dư so với liều lượng cần thiết để trung hòa thì do lực tương tác hóa học (không phải lực tĩnh điện) giữa hạt huyền phù và polymer mạnh dẫn đến dấu điện tích hạt keo thay đổi từ âm qua điểm không về dương, cùng dấu với điện tích của polymer (hiện tượng đảo dấu điện tích) và hệ huyền phù bền trở lại.
• Nếu tiếp tục cho thêm chất keo tụ thì hiện tượng keo tụ tiếp tục xảy ra theo cơ chế “quét” hydroxit nhôm rất mạnh (siêu bão hòa) chúng kết tủa và làm cuốn, quét các hạt huyền phù chìm theo.

d. Sự tương ứng giữa độ đục và lượng chất keo tụ

• Độ đục nhỏ: chất keo tụ cho vào phải nhiều
• Độ đục trung bình: xảy ra theo 2 cơ chế: hấp phụ – trung hoà và quét tùy thuộc vào chất keo tụ cho vào.
• Độ đục lớn: (nước xả cặn bùn của nhà máy nước) cần liều lượng chất keo tụ rất cao, thậm chí vượt mức bão hòa, nước không có khả năng đục trở lại.

e. Mối quan hệ giữa độ đục, pH và liều lượng chất keo tụ

• Độ đục cao, độ kiềm thấp: hệ này dễ xử lý, chỉ cần tối ưu lượng chất keo tụ và keo tụ xảy ra theo cơ chế hấp phụ – trung hòa (pH = 4 – 6)
• Độ đục thấp, độ kiềm cao: keo tụ xảy ra theo cơ chế quét, liều lượng chất keo tụ cao. Để giảm lượng chất keo tụ cần: thêm chất trợ keo tụ (polymer) hoặc thêm chất huyền phù (bentonit) để chuyển sang theo cơ chế hấp phụ – trung hòa.
• Độ đục cao, độ kiềm cao: keo tụ xảy ra theo cơ chế hấp phụ – trung hòa ở pH trung tính hay axit, liều lượng chất keo tụ cao.
• Độ đục thấp, độ kiềm thấp: hệ này khó xử lý vì để thực hiện cơ chế quét thì lượng chất keo tụ lớn nên giảm pH mà pH giảm khó tạo kết tủa. Cách khắc phục thêm kiềm hay chất gây đục (bentonit) hoặc thêm cả hai.