Đại học quốc gia Hà Nội Trường Đại học khoa học tự nhiên
Khoa Môi trưòng
Tiểu luận Xử lý nước mặt làm nước cấp sinh hoạt
Giảo viên hướng dẫn : PGS.TS TRỊNH THỊ THANH
Sinh viên thực hiện : Nhóm 3 Nguyễn Thị Lý Nguyễn Quang
Nam Đinh Thị Nga Phan Thị Quỳnh Nga Nguyễn Thị Hồng
Nhung Phạm Thị Nhung Lê Thị Phương
Lớp\ K49 Công nghệ Môi trường
Hà Nội -2007
Tổng quan
I. Nhu cũu SŨ dũng nũũc ũ Viũt Nam
Nước là nhu cầu thiết yếu cho mọi sinh vật, đóng vai trò đặc biệt trong việc
điều hoà khí hậu và cho sự sống trên trái đất. Hàng ngày cơ thể con người cần 3 - 101 nuớc
cho các hoạt động sống, luợng nước này đi vào cơ thể qua con đường thức ăn, nước uống để
thực hiện các quá trình trao đổi chất và trao đổi năng lượng, sau đó thải ra ngoài theo con
đường bài tiết. Ngoài ra con người còn sử dụng nuớc cho các hoạt động khác như tắm,
rửa,...
Nước ta hiện nay nhu cầu sử dụng nước ngày càng tăng do sự phát triển dân số và
mức sống ngày càng tăng. Tuỳ thuộc vào mức sống của người dân và tuỳ từng vùng mà nhu
cầu sử dụng nước là khác nhau, định mức cấp nước cho dân đô thị là 150 L/người.ngày, cho
khu vực nông thôn là 40 - 70 L/người.ngày.
Nguồn nước cung cấp cho nước sinh hoạt ở nước ta chủ yếu là nguồn nước mặt, được
lấy từ các sông hồ, sau khi qua xử lý sẽ dẫn đến các hộ dân. Hiện nay, hơn 60 % tổng công
suất các trạm cấp nước tại các đô thị và khu công nghiệp trên cả nước dùng nguồn nước
mặt với tổng lượng nước khoảng 3 triệu m3/ ngày.đêm, con số này còn tăng lên nhiều trong
những năm tới nhằm cung cấp cho các đô thị và khu công nghiệp ngày càng mở rộng và
phát triển.
Dự kiến 50 năm nữa nuớc ta sẽ rơi vào tình trạng thiếu nước trầm trọng. Sự biến đổi
của khí hậu toàn cầu sẽ dẫn đến sự suy giảm của nguồn nuớc. Các kết quả nghiên cứu gần
đây ở việt Nam cho thấy tổng lượng nuớc mặt của nuớc ta vao năm 2025 chỉ bằng khảng 96
%, đến năm 2070 xuống còn khoảng 90 % và năm 2100 con khoảng 86 % so với hiện nay.
Với tốc độ phát triến dân số như hiện nay thì dên 2025 lượng nước mặt tính bình quân đầu
nguời ở nứơc ta chí đạt khoảng 2.830 m3/người.năm. Tính cả luợng nuớc từ bên ngoài chảy
vào thì bình quân đạt 7.6Ố0 m3 người.năm.
Tài nguyên nước tại Việt Nam phân bố không đều giữa các vùng. Trên 60% nguồn
nước tập trụng ở đồng bằng sông Hồng (lưu vực sông Mê Kông) trong khi
1
toàn phần lãnh thổ còn lại chỉ có gần 40% lượng nuớc nhưng lại chiếm 80% dân số cả nước
và trên 90% khối lượng hoạt động sản xuất kinh doanh, dịch vụ. Đặc biệt các địa phương
vùng miền Đông Nam Bộ và lưư vực Đồng Nai - Sài Gòn, lượng nứơc bình quân đầu người
chỉ đạt khoảng 2.900 m3/người.năm, bàng 28% so với mức trung bình của cả nước.
Bên cạnh đó, tài nguyên nước của Việt Nam cũng phân bố không đều theo thời gian
trong năm và giữa các năm. Lượng nước trung bình trong 4 đến 5 tháng mùa mưa chiếm
khoảng 75 - 85% trong khi những tháng mùa khô (kéo dài đến 7 - 8 tháng) lại chỉ có khoảng
15 - 25% lượng nuớc của cả năm.
Theo đánh giá của các nhà nghiên cứu, tốc độ tăng trưởng kinh tế cao không đi đôi
với việc làm tốt công tác bảo vệ môi trường đã gây ra những ảnh hưởng tiêu cực tới tài
nguyên nước ở nứơc ta. Tình trạng ô nhiễm nguồn nước mặt ngày càng tăng về múc độ và
quy mô, một số khu vực đồng bằng đã có biểu hiện ô nhiễm do các chất hữu cơ khó phân
huỷ và hàm lượng vi khuẩn cao. Các biểu hiện suy thoái, cạn kiệt nguồn nước đang trở lên
rõ rệt và phổ biến ở nuớc ta.
Với những đặc điểm về tính không bền vững của tài nguyên nước của nuớc ta, công
tác quản lý nhà nước với tài nguyên quý báu này cần phải đựơc tăng cường ở tất cả các cấp
ngay từ bây giờ trước khi quá muộn.
II. ũỏnh giỏ nguũn nũũc mũt cũa Viũt Nam
Nước ta có mạng lưới sông ngòi khá dày đặc, trong đó phải kể tới các sông
lớn, trong đó có hệ thống sông Mê Kông, tiếp theo là hệ thống sông Hồng, Đồng Nai, sông
Mã, sông Cả, sông Hương, sông Thái Bình, sông Thu Bồn, .ệ., với diện tích lun vực mỗi sông
trên 10.00 km2, lưu lượng các sông chính vào khoảng 880 Km3/năm.
Lượng mưa trung bình hàng năm 1960 mm, tạo ra nước tái tạo được khoảng 324
Km3/năm.
Mật độ sông phân bố không đêu, phụ thuộc vào điều kiện địa hình, khí hậu của từng
địa phương.
2
Nhìn chung, các sông ở nước ta có trữ lượng lớn có khả năng cung cấp cho các đối
tượng dùng nứơc trước mắt và cho tương lai. Tuy nhiên để đảm bảo sử dụng nguồn nước
mặt đựơc lâu dài cần phải có chiến lược sử dụng hợp lý và bảo vệ nguồn nước mặt do các
tác động của con người gây ra.
Ngoài nguồn nứơc mặt là các sông, hồ thì ở miền núi nguồn nước suối cũng đong vai
trò quan trọng trong việc cung cấp cho người dan vùng cao.Nguồn nứoc suối áo trứ lượng
nước và chất luợng nước thay đổi theo mùa. Mùa mưa nước có độ đục lớn, hàm luợng cậnco
và cũng chứa nhiều chất hữu cơ. Tuy vậy nhưng tính chất của cặn khác nước sông. Cặn ở
đây là cặn thô, dễ lắng đọng, thời gian lắng nhanh hơn nuớc sông.
Đặc điểm của các nguồn nước mặt ở nước ta có thể tóm tắt như sau:
a.
Nước sông:
Chất lượng nước sông ở Việ Nam thay đổi theo mùa và theo vùng địa lý. Do dòng
chảy bào mòn bề mặt khu vực tạo lên các chất trôi theo dòng chảy gồm cát, bùn, phù sa,...
Nước sông có hàm luợng cặn cao vào mùa mưa. Tổng lượng cặn do các sông đổ ra
biển trung bình hằng năm khoảng 200 - 250 triệu tấn, trong đó 90% đựơc tạo ra vào mùa lũ.
Vào mùa lũ, độ đục cao, hàm lượng cặn lớn và thay đổi theo từng thời kỳ. Độ đục cao nhất
xuất hiện trong tất cả các tháng của mùa lũế Các tháng mùa cạn, khi các sông có vận tốc
dòng chảy nhỏ nhất thì nước có độ đục nhỏ nhất, đôi khi độ đục gần đạt tiêu chuẩn nước
sinh hoạt và ăn uống theo tiêu chuẩn cấp nước cho các đô thị.
Thành phần chính của nước sông:
- Khoáng chất: Hàm lượng khoáng chất của cá sông ở Việ Nam còn thấp ( 200 500 mg/L
- Độ pH: Nước ở các sông chính có đọ kiếm trung tính (7 - 8)
- Độ cứng: Nước thuộc nước mềm
3
- Hàm lượng các ion chính: Chủ yếu là các ion Ca2+, Mg2+, K+, SƠ42', CL', HC03',...
b. Nước hồ:
Nước ta có nhiều hồ tự nhiên như hồ Ba Be, hồ Núi Cốc, và một số hồ nhân tạo để
phục vụ việc tưới tiêu cho nông nghiệp. Đặc biệt một số hồ có dung tich trữ nước lớn của các
công trình thuỷ điên Thác Bà, Hoà Bình, ...
Nhìn chung các hồ tự nhiên có trữ lượng nhỏ, chỉ một vài hồ lớn có khẳ năng cung
cấp nước cho các đối tượng vừa và nhỏ. Các hồ thuỷ điện có kha năng cung cấp cho các đối
tượng lớn.
Nước hồ có hàm lưọng cặn nhỏ hơn nước sông vì đã đựoc lắng tự nhiên và khá ổn
đinh. Tuy nhiên hàm lượng cặn cũng dao động theo mùa, mùa mưa có hàm lượng cặn lớn,
mùa khô hàm lượng cặn nhỏ, có hồ độ trong gần đảm bảo tiêu chuẩn độ trong của nước sinh
hoạt và ăn uống. Sự dao động về chất lượng nước thường xảy ra ở các vùng ven bờ và phụ
thuộc vào địa hình của vùng ven bờ. Vùng xa bờ và giữa hồ có chất lượng nước ổn định hơn.
Nước hồ có độ màu cao do rong, rêu, tảo. Hàm lưọng chất hữu cơ trong hồ thường
cao do xác động thực vật ở quanh hồ gây nên.
Nhìn chung chất lượng nước hồ tốt, dây chuyền công nghệ xử lý nước có thể đơn giản
hơn công nghệ xử lý nước sông, lượng hoá chất dùng để keo tụ ít, do vậy giá thành xử lý
nuớc hồ thường rẻ hơn nước sông.
Sơ đồ công nghệ xử lý nước bề mặt
4
MỤC ĐÍCH
Nước thô (sông
hô...)
- Tách các mảnh vụn vật thô, vật
nổi
- Diệt khuẩn gây bệnh
- Hạn chế mùi vị
H/C keo tụ,
chỉnh pH
Phá vỡ thế ổn địnhhệ keo
Tạo bông nhỏ
- Kết dính các bông cặn
nhỏ thành bông cặn lớn
- Lắng tách bôngcặn
- Lọc các bông cặn
còn lại
Họp chất sát
trùng Cl2, O3,
CIO2...
- Tiêu diệt loại bỏ vi
sinh vật
Tiũn xũ lý
Xử lí sơ bộ nước bề mặt rất quan trọng. Trước khi dẫn nước vào dây chuyền xử lí,
người ta lưu nước một thời gian dài với mục đích:
5
- Tạo qúa trình lắng tự do của các hạt bụi và các kim loại nặng có nồng độ cao trong
nước thô không tách được bằng quá trình keo tụ như côban, niken, xyanua (CN‘),
chì,cađimi và các kim loại độc hại khác cũng lắng xuống đáy.
- Xúc tiến làm sạch tự nhiên để tách được phần lớn các chất hữu cơ nhỏ và các tạp
chất vô cơ.
- Cps thể dùng các biện pháp trao đổi khí nhân tạo để tăng hàm lượng oxy hòa tan
trong nước.
-Xử lý sơ bộ với dịch vôi để duy trì độ cứng của nước từ 8.5-9.0° D.
Tóm lại, nhờ các quá trình hóa, lý, sinh học tự nhiên xảy ra trong hồ nên chất lượng
nước trong hồ tốt hơn nguồn nước đã đưa vào hồ. Nhờ bổ sung quá trình nhân tạo nên nồng
độ tảo thấp, độ cứng và nồng độ kim loại độc hại giảm đi, kết quả là giảm đi rất nhiều chi
phí cho giai đoạn tiếp theo.
I. ỉ Khử VỈỄ khuẩn vỉrut nhờ các quả trình tự nhiên trong hồ chứa nước
Các quá trình tự nhiên xảy ra trong hồ chứa nước có thể giảm đáng kế lượng vi sinh
vật gây bệnh có mặt trong nước , bởi vì:
- Nồng độ chất dinh dưỡng cần thiết cho vi khuẩn trong nước rất thấp.
- Nhiệt độ của nước nhỏ hơn
37°c
nên tốc độ sinh snar của vi khuẩn vi rút rất
chậm.
- Các động vật nguyên sinh, nấm trong nước thường là kẻ thù của vi khuẩn vi
- Các động vật nguyên sinh, nấm trong nước thường là kẻ thù của vi khuẩn,
vi rút.
- Tia cực tím của ánh sáng mặt trời tiêu diệt vi khuẩn ở lớp bề mặt.
- Vi khuẩn, vi rut thường bị lắng cùng với các hạt cẳntong nước
- Cá chất vô cơ, các chất độc trong nước có thể hủy hoại vi khuẩn, độ pH không
thích hợp cho vi khuẩn.
1.2 Ngăn ngừa sự phát triển của tảo
6
Để ngăn ngừa sự phát triển của tảo trong cá nguồn nước có thể sử dụng các phương
pháp sau đây:
a.
Sử dụng hóa chất để diệt tảo
Người ta dùng các hóa chất như C11SO4 nồng độ từ 0.1-10mg/l, những hợp chất của
clo nông độ từ 0.3 đến 1.0 mg/1, natri sunfat, chất diệt cỏ 2.4 D.ế.Tuy nhiên, đưa hóa chất
đặc biệt là các hóa chất bảo vệ thực vật vào các hồ chứa không phải là biện pháp tối ưu.
b.
Giảm chất dinh dưỡng cho tảo trong nước
Các chất dinh dưỡng như nitơ, photphat trong nước có thể được giảm bớt bằng cách
ngăn ngừa việc thải nước thải sinh hoạt, chất thải của con người và động vật cũng như các
chất thải có chứa NĨỈ4+, NO3", PO4 3 ' vào nguồn nước...Hoặc có thể áp dụng các phương
pháp tách chất dinh dưỡng ra nguồn thải như sau:
-Xử lý sinh hóa kết hợp với khử NO3’ trong điều kiện yếm khí.
Clo hóa nâng pH hoặc là làm thoáng khí
- Tách photphat ra khỏi nước bàng cách kết tủa với Fe3+, Al3+ hoặcCa(OH)2.
c. Giảm cường độ ánh sảng tới hồ chứa
cường độ ánh sáng xuyên qua nưốc theo phương trình
I = I„. E'lế
Trong đó:
Io-cường độ ánh sáng ở bề mặt nước;
I- cường độ ánh sáng ở dộ sau d, z- hệ
số hấp phụ ánh sáng của nước.
Như vậy, muốn giảm được lượng ánh sáng hấp phụ vào nước cần tăng độ sau hoặc
giảm hệ số hấp phụ của nước bằng cách giảm độ đục của nước.
II.
Keo tU- tUo bụng
Dung dịch keo là hệ bền (khó lắng) nhờ cấu trúc đặc biệt của các hạt keo.
Trong nhóm này phải kể đến virus, các chất có phân tử lượng lớn có nguồn gốc tự
7
nhiên như axit humic. Hạt keo có kích thước nhỏ (< 0,5 |j,m) nên bằng mắt và hiển vi thông
thường không thế nhìn thấy.
Hạt keo kị nước có độ bền nhờ lớp điện kép tích điện cùng dấu. Hạt keo ưa nước có
độ bền nhờ tương tác hạt-nước thông qua các chóm chức ưa nước trên các phân tử hạt keo,
II. 1 . c uu TUO HU T KEO vu TỚN H BUN CUA HU KEO Theo Atkins
hệ keo là tên gọi cổ điển của các hệ phân tản dị thể của các hạt
có kích thước nhỏ hơn 500 nm trong môi trường khác về chất so với chất hạt (ở đây
ta chỉ đề cập đến môi trường lỏng).
Tuy nhiên kích thước không phải là yếu tố quyết định mà cấu tạo hạt keo
mới là yếu tố quyết định đến tính bền của các hệ keo.
Tuỳ vào cấu tạo hạt và nguyên nhân gây ra độ bền ta có hai loại hạt keo: loại
ưa dung môi cụ thế là ưa nước (hydrophilic) và loại kị dung môi hay &zẳ nước
(hydrophobic).
Loại ưa nước là các dung dịch cao phân tủ’ với các phân tử chất hữu cơ hoà tan có
kích thước lớn và chứa nhiều nhóm chức phân cực, có ái lực cao với các phân tử nước.
Loại kị nước là các loại keo có gốc ôxit hoặc hyđroxit kim loại. Do kích thước hạt rất
nhỏ hệ keo có bề mặt cực lớn, vì vậy về mặt nhiệt động chúng không bền và có xu thế co
cụm để giảm năng lượng bề mặt. Mặt khác do hạt keo có cấu tạo đặc biệt của lớp điện kép
tạo nên lực đẩy tĩnh điện hạt-hạt nên chúng khó tiếp cận gần nhau, hút nhau và co cụm
thành hạt lớn hơn đủ nặng để có thể lắng được nên hệ này có tỉnh bền.
Cấu tạo đặc biệt của hạt keo có thể được làm rõ trên cơ sở ví dụ keo Fe(III): Khi hoà
tan FeCl3 trong nước sẽ xảy ra phản ứng thủy phân:
FeCl3 + 3H20 -> Fe(OH)3 + 3HC1
(1)
Kết tủa Fe(OH)3 co cụm dưới dạng tập hợp hạt [mFe(OH)3] rất nhỏ, được gọi là hạt nhân,
nó có khả năng hấp phụ những ion giống các thành phần tạo ra nó, ví
dụ hấp phụ các ion Fe3+, tạo thành lớp ion Fe3+ trên bề mặt hạt được gọi là ỉớp hấp
phụ hay là ỉởp ion quyết định dấu:
[mFe(OH)3] + nFe3+ ->■ [mFe(OH)3]nFe3n+
(2)
Như vậy, ta có một hạt mới mang điện tích 3n+, nó có xu thế hút 3n các ion trái dấu
(CF) trong dung dịch để trung hoà điện tích 3n+. Trong thực tế không phải tất cả 3n hạt cr
cr bám vào, lớp ion cr bám vào này được gọi là
lớp điện tích trái dấu. Cùng với lớp n ion Fe3+ đã hấp phụ cố định ta có 3(n-x) ion cr bám
bám chặt vào nhân mà chỉ có 3(n-x) hạt
theo hạt [mFe(OH)3] tạo thành lớp điện kép gồm 3n điện tích dương và 3(n-x) điện tích âm,
kết quả là hạt keo (phần giữa dấu {}) mang điện tích 3x+:
[m Fe(OH)3]nFe3n+ + 3(n-x) cr -> {[mFe(OH)3]nFe3"+3(n-x)Cr}3x+
(3)
Phần còn lại 3x hạt cr “trôi nối” trong dung dịch ở khoảng không gian gần hạt, tạo
nên ỉớp khuyết tán. Như vậy, nếu viết dưới dạng công thức hoá học hạt keo có cấu tạo tổng
thể như sau:
{[mFe(OH)3]nFe3n+3(n-x)Cr}3x+3xCr
lớp hấp phụ (1 ýp ion quyết định dấu)
l
ớ
p
Hạt keo
Trong không gian, hạt keo có dạng như một quả cầu tích điện (hình 2.1).
đ
Theo hình 2ễ 1 hạt nhân là quả cầu gồm tập hợp các phân tử Fe(OH)3(r) nằm ở tâm. i
Các ion quyết định dấu gắn chặt vào quả cầuề Các điện tích trái dấu ở lớp gần nhất tạo ệ
thành lớp ion nghịch và mặt biên A-A, các điện tích trái dấu - phần
n
t
9
í
c
h
t
r
còn lại nằm ở lớp khuếch tán khá linh động, vây quanh hạt keo tích điện như đám mây
quanh trái đất.
Lớp ion trái dấu
Lớp ion quyết định
dấu hay lớp hấp phụ
Hình 2.1- Cấu tạo hạt keo và sự thay đổi thế ệ theo khoảng cách từ bề mặt hạt keo
Tóm lại, đế hạt keo trung hoà về điện hạt keo phải có hai lớp điện tích trái dấu có
cùng lượng điện tích: lóp hấp phụ (ví dụ, nFe3+) nằm trên bề mặt hạt nhân tích điện dương
hoặc âm (trong trường hợp nFe3+ là dương), điện thế tương ứng của nó là thế nhiệt động hay
là thế Nemst, (po\ tiếp theo là lóp ion trái dấu tích điện ngược lại (âm hoặc dương). Hai lớp
điện tích này tạo nên một cấu trúc tương tự như hai bản cực song song của một tụ điện,
trong đó một bản cực tích điện dương (hoặc âm) gắn chặt với hạt nhân là lớp ion quyết định
dấu, còn bản cực kia tích
10
điện trái dấu và tạo nên lớp điện kép. Đây là cấu tạo thông thường của tụ điện phăng.
Kĩ thuật xử lí nước cấp từ nước tự nhiên, và kể cả một số công đoạn trong dây
chuyền xử lí nước thải thông thường là kĩ thuật lắng - lọc. Đe hình dung tốc độ lắng của
những hạt không tích điện dưới tác dụng của trọng trường và đánh giá khả năng sử dụng bể
lắng để xử lí làm trong nước xem bảng 2.1.
Ta thấy các kỹ thuật lắng - lọc thông thường trong ngành nước chỉ có hiệu quả nhất
định đối với hạt có kích thước cỡ ịam, trong trường hợp lọc tốt nhất là lớn hơn 0,1
ỊLim. Đối
với những hạt cỡ 0,1 ịim trở xuống rất khó lắng và không thể lọc được bằng lọc cát thông
thường. Đe có thể lọc chúng bằng lọc cát thông thường phải biến chúng thành những hạt
lớn hơn. Phương pháp phổ biến để thực hiện việc này là phương pháp keo tụ nghĩa là xử lí
nước bằng những chất keo tụ trước khi lắng - lọc.
Bảng 2.1 - Kích thước hạt và thời gian lắng do trọng lực
Loại hạt
Đường kính,
mm
Diện tích b
23
m /m
ê mặty Thời gian
lắng 1 m nước
Sỏi đệm
10
6.102
Cát lọc
1
6 103
Cát đen
0,1
6.10"
120 s
Bùn
0,01
6.ĨÕ5
2h
Vi khuân
0,001
6.1(1"
8 ngày
Hạt keo
0,0001
6.10'
2 năm
Hạt keo
0,00001
6JÕ8
20 năm
Hạt keo
0,000001
<Ũ0r
200 năm
1s
10 s
Ghi chủ: Tính theo phương trình Stoke
II.
2. CU CHU KEO TU - TUO BỤNG Đối với hệ phân tán có
diện tích bề mặt riêng lớn (bụi trong không khí, bùn,
phù sa trong nước...) các hạt luôn có xu hướng co cụm lại tạo hạt lớn hơn để giảm
năng lượng bề mặt (tương tự hiện tượng giọt nước, giọt thủy ngân luôn tự vo tròn để giảm
diện tích bề mặt).
Hiện tượng các hạt keo cùng loại có thể hút nhau tạo thành những tập hợp hạt có
kích thước và khối lượng đủ lớn để có thể lắng xuống do trọng lực trong thời gian đủ ngắn
được gọi là hiện tượng keo tụ. Hiện tượng này xảy ra khi thế £, được triệt tiêu. Hiện tượng
keo tụ có tính thuận nghịch nghĩa là hạt keo đã keo tụ lại có thể tích điện trở lại và trở nên
bền (xem phần tiếp theo). Các hoá chất gây keo tụ thường là các loại muối vô cơ và được gọi
là chất keo ft/ệ
Một cách khác làm các hạt keo co cụm thành bông cặn lớn dễ lắng là dùng các tác
nhân thích họp “khâu” chúng lại thành các hạt lớn hơn đủ lớn, nặng để lắng. Hiện tượng
này được gọi là hiện tượng tạo bông được thực hiện nhờ những phân tử các chất cao phân
tử tan trong nước và có ái lực tốt với các hạt keo hoặc các hạt cặn nhỏ. Khác với keo tụ có
tính thuận nghịch, các chất có khả năng tạo bông được gọi là các chất tạo bông hay trợ keo
tụ, quá trình tạo bông là bất thuận nghịch.
Như vậy, để kết tủa hệ keo có thể sử dụng các cách sau đây:
1. Phá tính bền của hệ keo (do lực đẩy tĩnh điện) bằng cách thu hẹp lớp điện kép tới
mức thế ị = 0, khi đó lực đẩy tĩnh điện hạt - hạt bàng không, tạo điều kiện cho các hạt keo
hút nhau bằng các lực bề mặt tạo hạt lớn hơn dễ kết tủa. Cách này có thể thực hiện khi cho
hạt keo hấp phụ đủ điện tích trái dấu để trung hoà điện tích hạt keo. Điện tích trái dấu này
thường là các ion kim loại đa hoá trị.
2. Tạo điều kiện cho các hạt keo va chạm với các bông kết tủa của chính chất keo tụ
nhờ hiện tượng hấp phụ - bám dính (ếhiệu ứng quét).
3ằ Dùng những chất cao phân tử - trợ keo tụ để hấp phụ “khâu” các hạt nhỏ lại với
nhau tạo hạt kích thước lớn (gọi là bông hay bông cặn) dễ lắng.
Việc xử lý nước bằng phèn nhôm, FeCỈ3 và PAA nhằm thực hiện đồng thời một, hai
hay cả ba giải pháp trên.
12
10-e
10-6
10-4
10-2
10o
Nống độ keo tụ - tạo bông (mol/L)
Hình2- Các đường keo tụ đối với bốn loại chất keo tụ
Lôi kẻo hạt keo bằng bông cặn
- 'r
(a)
©&
©©
y—V +
0 +■ y—N+ +
G8-HO'.
%;+;+ « ■*
(b)
-l
(c)
Hình 2.3- Mô hình quá trình keo tụ - tạo bông
13
(a) Sự đây giữa các hạt keo củng dấu; (b) Hiện tượng co lớp điện kép và sự hút nhan
giữa các hạt keo bị trung hoà về điện; (c) Hiện tượng tạo bông nhờ PAA. ậ các hạt keo âm &/ẽ
phân tử PAA “khâu lại” thành bông lón. ii.3 Chất keo tụ và các yếu tố ảnh hưởng ỈU. ĩ Phèn
nhôm Al2(S04)3.nH20 (n = 14+ 18)
Đây là chất keo tụ phổ biến nhất, đặc biệt là ở Việt Nam. Khi dùng phèn nhôm làm
chất keo tụ sẽ xảy ra phản ứng thuỷ phân:
A12(S04)3 + 6H2O -> 2AI(OH)3ị + 6H+ + 3S042“
(5)
Hình 2 4- ảnh hưởng của pH và liều lượng đến khả năng gây keo tụ của phèn nhôm
Neu trong nước thiếu độ kiềm (ĐK), pH sẽ giảm; nếu đủ ĐK sẽ có phản ứng:
A12(S04)3 + 3Ca(HC03)2 -> 2Al(OH)3ị + 3CaS04 + 6CO2
(6)
Theo phương trình (6) cứ 342 mg A12(S04)3 khan, hàm lượng 100% cần 6 mdl ĐK
(HCO3-). Neu ĐK trong nước không đủ thì cần bổ sung vôi hoặc sôđa để bù, nếu không pH
sẽ hạ. Lượng kiềm cần (K) tính theo công thức:
K = F—— ĐK + 1 = 0,0175F - ĐK + 1
(7)
324 Trong
đó:
K = lượng kiềm cần thêm, mđl/L ;
F = lượng phèn, mg/L;
ĐK = độ kiềm của nước, mđl/L.
Đe chuyển đổi ra đơn vị g/L, đối với vôi K sau khi tính theo pt. (7) cần nhân với 37;
đối với sôđa nhân với 58.
Khi sử dụng phèn nhôm hay bất kì chất keo tụ nào khác cần lưu ý nồng độ và vùng
pH tối ưu (hình 4), pH hiệu quả tốt nhất với muối nhôm là khoảng 5,5 -T- 7,0.
Có thể dùng phèn kép KA1(S04)2.12H20 để thay phèn nhôm, mọi quy luật tương tự
phèn nhôm song giá đắt hơn nhiều. Không dùng NH4A1(SƠ4)2 trong xử lí nước cấp vì gây
nhiễm amôni.
ở các nước công nghiệp người ta có đòi hỏi rất cao về độ trong của nước lọc. Neu đo
bằng độ đục kế thì độ đục nước lọc phải nhỏ hơn hoặc bằng 0,1 đến 3 NTU (AWWA Task
Group 225 M).
Thậm chí khi nước có độ đục rất thấp 0,1 NTƯ vẫn có rất nhiều cặn không thể thấy
bằng mắt thường. Nó có thể là những hạt cặn rất tinh chưa bị tác động của chất keo tụ hoặc
bản thân những mảnh vỡ nhỏ của các bông kết tủa chất keo tụ không thể lắng - lọc được.
Người ta đã xác định được ứng với ss = 0,1 mg/L có thể có tới 200 triệu hạt cỡ 0,1 ỊLim là các
mảnh của bông cặn Al(OH)3 có p = 1,01. Tuy nhiên đây là đại lượng không nguy hiểm vì chỉ
ứng với hàm lượng Al3+ bằng
0,
06 mg/L (theo QĐ BYT 1329/2002, hàm lượng AI < 0,2 mg/L).
15
Ở Việt Nam phèn nhôm được sản xuất ở các nhà máy hoá chất Việt Trì, Tân Bình ...
và có hàm lượng nhôm quy về AI2O3 là khoảng 14% (đối với hoá chất tinh khiết là 15,1%).
Do độ ngậm nước rất thay đổi nên cần định lượng hàm lượng nhôm khi sử dụng.
II.3.2 Muối sắt Fe2(S04)s.H20 hoặc FeCl3.nH20 (n = 1 +6)
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 đế giữ pH không đổi.
Fe2(S04)3 + 3Ca(HC03)2 -> 2Fe(OH)3ị + 3CaS04 + 6CO2
(8)
So với phèn nhôm muối sắt có ưu thế là vùng pH tối ưu rộng hơn, từ 5 đến 9, bông
cặn bền hơn và nặng hơn nên lắng tốt hơn, lượng sắt dư thấp hơn.
II.
3.3 Các polime nhôm, săt
Sự hình thành các hạt polyme nhôm trong dung dịch được làm rõ từ những năm
1980. Đây là cơ sở khoa học để sản xuất PAC cũng như ứng dụng PAC.
Hoả học của quả 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: Al3+, Al(OH)2+,
Al(OH)2+, Al(OH) phân tử và Al(OH)4', ba hạt polime: Al2(OH)24+, Al3(OH)45+ và
A11304(0H)247+ và Al(OH)3 rắn. Trong đó A11304(0H)247+ gọi tắt là Ali3 là tác nhân gây keo
tụ chính và tốt nhất.
Với Fe(III) ta có các hạt: Fe3+, Fe(OH)2+, Fe(OH)2+, Fe(OH) phân tử và Fe(OH)4',
polime: Fe2(OH)24+, Fe3(OH)45+ và Fe(OH)3 rắn. Các dạng polime Fex(OH)y(3x-y)+ hoặc
FexOy(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.
16
Khi sử dụng PAC quá trình hoà tan sẽ tạo các hạt polime AI 13, 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.
II.3.4
Chất trợ keo tụ - tạo bông
Có bốn nhóm chất trợ keo tụ: các chất hiệu chỉnh pH, dung dịch axit silixic hoạt tính,
bột đất sét và polime.
1. Các chất hiệu chỉnh pH
Như đã nêu quá trình keo tụ thường kèm theo sự tiêu thụ ĐK, nếu độ kiềm của nước
nguồn thấp gây giảm pH. Chất hiệu chỉnh pH thường là vôi. Vôi sống là CaO, khi dùng phải
tôi nghĩa là hoà vào nước để tạo Ca(OH)2. Do độ tan của vôi thấp (trong khoảng 2CM-30
°c,
độ tan của Ca(OH)2 bằng 1,65-5-1,53 g/L) vôi thường được sử dụng dưới dạng huyền
phù Ca(OH)2.
Sử dụng vôi ngoài khả năng ổn định pH tăng hiệu quả keo tụ bằng phèn còn tăng
cường xử lí các axit humic, độ cứng.
2. Axit silixic hoạt tính (AS)
AS thường được điều chế tại chỗ bàng cách trung hoà thuỷ tinh lỏng Na2SiƠ3 bằng
axit ở những điều kiện cụ thể. Axit silixic tạo thành thực chất là polime vô cơ, mang điện
tích âm. Khi vào nước các phân tử AS âm điện nhanh chóng hút các hạt bông cặn nhỏ mang
điện dương của kết tủa hyđroxit nhôm hoặc sẳt tạo bông lớn.
3. Bột đất sét
Bột sét tác dụng tương tự AS do chúng mang điện tích âm, hơn nữa chúng còn có khả
năng, tuy yếu, hấp phụ một phần các chất hữu cơ gây màu, bông cặn tạo
17
thành cũng nặng hơn. Cũng như AS, bột sét ở liều lượng thích hợp dùng tốt khi phối hợp với
phèn nhôm và muối sắt.
4. Các chất tạo bông hữu CO’ - cao phân tử
Đây là nhóm chất có tác dụng tạo bông tốt nhất. Các polyme dùng làm chất tạo bông
cho quá trình xử lý nước phải đáp ứng các yêu cầu sau:
- Tan tốt trong nước;
- Không độc;
- Có khả năng tạo bông tốt nhờ ái lực cao đối với hạt keo và bông cặn nhỏ trong
nước xử lí.
Tùy vào bản chất nhóm chức mà người ta phân ra làm 3 loại:
- Loại không phân ly (nhóm chức amid -CONH2).
- Loại tạo anion (nhóm chức axit -COCT)
- Loại tạo cation (nhóm chức amin bậc cao =N1 cr)
Tạo bông hữu cơ bao gồm các hợp chất tự nhiên và các hợp chất tổng hợp.
Các hợp chất tự nhiên chủ yếu có cấu trúc đuờng, bao gồm:
- gôm thực vật
- pectin
- xantan (sản phẩm lên men yếm khí đường mía) ...
Các hợp chất tổng hợp:
Thường chúng là các hợp chất cao phân tử, có phân tử khối ở mức 104-105. Chúng có
thể được sử dụng riêng, nhưng thường phối hợp với chất keo tụ vô cơ. Khi sử dụng chúng
liều lượng muối vô cơ giảm mạnh, bùn sinh ra sẽ ít hơn nhiều so với sử dụng keo tụ vô cơ.
Thường gặp bốn nhóm hợp chất:
- Sản phẩm trùng ngưng melaminphoocmaldehit:
18
N
—CH2—NH
N
V"
NH—CH2—
N
NH2
n
- sản phẩm trùng ngưng của epiclohyđrin và dimetylamin:
n
- poly(dialyl-dimetyl amôni clorua):
CH2 CH2
N Cl0
/ \T
CH3 CH3
n
- Nhóm phô biên nhât hiện nay là các polyacrylamit (PAA) tan trong nước, hiện
nhập ngoại. Liều dùng trong xử lí nước cấp của chúng là 5-S-15 phần triệu. Tốt nhất là dùng
PAA kết hợp với phèn. Khi dùng PAA, dung dịch PAA thường được đưa vào sau khi khuấy
trộn phèn khoảng 1+2 phút. Điểm khác cơ bản của quá trình tạo bông là tốc độ tạo bông lớn
(trong vòng 2 phút so với phèn cần 20 phút) và kích thước bông cặn cũng như độ bền bông
cặn hơn hẳn bông cặn phèn.
PAA còn được sử dụng phổ biến trong xử lí nước thải, xử lí bùn và nhiều ngành công
nghiệp với liều dùng lên tới 5-50 g/m3.
Nhược điểm chính của PAA là sản phẩm nhập, đắt và phải lựa chọn chủng loại PAA
và liều lượng cho phù hợp với từng loại nước bằng thực nghiệm.
19
- Xem thêm -