Cơ sở lý thuyết và công nghệ xử lý nước tự nhiên giáo trình dùng cho sinh viên ngành hóa học, công nghệ hóa học, môi trường

N G U Y ÊN HŨU PHÚ

C ơ SỎ
LÝ THUYẾT
CÔNG NGHỆ
XỬLỶ

Nước Tự NHIÊN


NGUYỄN HỮU PHÚ

Cơ sỏ LÝ THUYẾT
VÀ
CÔNG NGHỆ XỬ LÝ
Nưóc Tự NHIÊN
Giáo trình dùng cho sinh viên ngành Hóa học, Công
nghệ hóa học, Môi trường, Ký thuật môi trường...
các trường đại học và cao đằng

NHÀ XUẤT BẨN KHOA HỌC VÀ KỸ THUẬT
HÀ NỘI


6-6X9.3
------- ------ 84-106-00
KHKT-00


3

L Ò I N Ó I ĐAU
Ngày nay, ván dè xử lý nước và cung cấp nước sạch cho dàn cư là mối quan
tâm lởn của nhiêu quốc gia, nhiều tổ chức xã hội và chính bản thăn của mỗi
cộng đồng dân cư.
Việt N am la một nước mà "phần lớn dân cư ờ vùng nóng thôn còn thiêu nước
sạch
số người dân được hường nước sạch chì chiếm khoảng 40% dân số" ( K Do
dó, nhiệm vụ xừ lý nước và cung cấp nước sạch là một vắn đ'ê xã hội nồi bật,
đang dược quan tâm dặc biệt bởi nhiêu nhà khoa học và các nhà quản lý của
nước ta.
Trong hoàn cảnh như thế, chúng tôi biên soạn cuốn giảo trinh "Cờ sờ lý
thuyết và công nghệ xử lý nước tự nhiên" nhằm cung cấp những kiến thức ca bản
và các thông tin khoa học công nghệ mói nhát trong lỉnh vực này với hy vọng
răng, sẽ góp phần vào nhiệm vụ xử lý nước và cung cấp nước sạch ỏ nước ta
một cách tích cực và thiết thực hơn.
Cuốn sách trinh bầy các nội dung rất thiết thục cho các sinh viên dang
học tập ỏ các khoa Môi trường của các trường dại học, cho các cán bộ nghiên
cứu, các nhà công nghệ và quản lý dang lầm việc trong lỉnh vực "Bào vệ, xử
lý và khai thác môi trường nước".
Tác giả xin chân thành cảm ơn các dộc giả vẽ sự ủng hộ và dóng góp ý
kiến cho nội dung và hình thức của giáo trinh với mong muốn rằng, trong
lần xuất bản sau chất lượng sẽ dược hoàn hảo hơn.
Một lần nữa, xin chân thành cảm ơn!
Tác giả (*)

(*) Phạm Song và cộng sự. Côim nehệ cung cấp nước sạch và vệ sinh môi truừng, Nhà xuíít bàn KII và K ì.
Hà NỘI, 1996.


CÁC CHỮ VIẾT TẮT

ACVK
BCA
BET
CHCĐH
CHCKSH
CHCR
CHCHT
CHCT
CHCSH
DPD
ĐC
ĐK
ĐCTPK&CB
FI
H C-Clo-T
HC- Halo- HP
H G -H alo-T
HCHT
HCHTSH
HCTN
HP
HPA
KHP
MF
'
NF
NTK
Ox. K M n04
PAC
PCB

PCT
THB
THH
TOX
THM
VONHC
VONVC
UF
WHO

Axit alizarin violet Ñ
Bicacbonat
Bề m ặt riêng theo phương pháp BET
(B runauer - E m m ett - Teller)
Cacbon hữu cơ đồng hoá
Cacbon hữu cơ không phân huỷ sinh học
Các bon hữu cơ dạng h ạt
Cachón hữu cơ hoà tan
Cacbon hữu cơ tổng
Cacbon hữu cơ sinh học
N, N- 1,4- dietyl phenylen diamin
Dộ cứng
Dộ kiềm
Diều chỉnh thành phần khoáng và
xác lập trạn g thái cân bàng
Fouling Index
Hữu cơ - clo tổng
Hữu cơ - halogen hấp phụ
Hữu cơ - halogen tổng
H ữu cơ hoà ta n

H ữu cơ hoà ta n sinh học
H ữu cơ tự nhiên
Huyền phù
Hydrocacbon đa vòng thơm
Keo huyền phù
Vi lọc
Lọc nano
Nitơ hữu cơ (Nitơ Kjeldahl)
Độ oxy hoá theo K M n04
Polyclorua nhôm
Polyclorua biphenyl
Polyclorua terphenyl
Than hoạt tính bột
Than hoạt tính h ạt
Tổng các chất hữu cơ - halogen
Trihalogen m etan
Vi ô nhiễm hữu cơ
Vi ồ nhiễm vô cơ
Siêu lọc
Tổ chức Y tế th ế giới


CÖ SỎ LÝ THUYỂT VÀ CÔNG NGHỆ x ử LÝ NƯỎC Tự NHIÊN

5

MỤC LỰC

Lòi ntíi đầu
Các chữ viết tắ t

Trang
3
4

Chương 1, Đ ại cương v ề nguồn nước
1.1. Tình trạng nguồn nưỏc hiện nay và tình hình sử (lụng nưỏc
1.2. Các nguồn nưóc tự nhiên
1.3. Thành phàn của nưốc
1.3.1. Các chấthuyền phù
1.3.2. Các chất hoà tan

7
9
9
9
10

Chương 2. Các quá trìn h xử ỉý nước
2.1. Keo tụ - tủa bông
2.1.1. Cô sỏ lý thuyết
2.1.2. Thực hành keo tụ - tủa bông
2.2. Làm trong
2.2.1. Lắng gạn
2.2.2. Lọc nổi
2.2.3. Lọc lóp cố định
2.3. Xử lý bằng than hoạt tính
2.3.1. Đặc tính chung của than hoạt tính
2.3.2. Co sỏ lý thuyết về hấpphụ
2.3.3. ứng dụng than hoạt tính

2.4. Oxy hóa và khử trùng
2.4.1. Co sỏ lý thuyết
2.4.2. Clo hóa
2.4.3. ứng dụng dioxit clo đổ khử trùng
2.4.4. Ozon hóa
2.4.5. Oxy hóa tiên tiến bòi O3/H 2O2
2.4.6. các phương pháp oxy hóa và khử trùngkhác
2.5. Điều chinh thành phân khoáng và xác lập trạngthái cân bàng của nưóc
2.5.1. Một vài cơ sỏ lý thuyết về cân bàng canxi- cacbonat
2.5.2. Trung hoà CO2 dư
2.5.3. ĐCTPK (cacbõnat hóa)
2.5.4. Thực hành sử dụng vôi và CO2
2.6. Các quá trình màng
2.6.1. Một số cơ sò lý thuyết
2.6.2. Thực hành vè lọc màng

12
12
20
25
25
30
31
37
37
38
39
43
43
47

51
57
60
61
65
65
68
68
71
72
72
74


MỤC L ự e

6

Chương 3. C ác lo ạ i ô n h iễm tr o n g nư ớc cầ n x ử lý
3.1. Tao
3.1.1. Hiện tuọng phì dưõng và tảo
3.1.2. Các loại tảo
3.1.3. Ấnh hưỏng của tảođến việc xử lý nước
3.1.4. Ngăn ngừa và xử lý tảo
3.2. Các tạp chất hữu cổ tựnhiên
3.2.1. Phân tích các họpchất HCTÑ
3.2.2. Ấnh hưdng của các tạp chất HCTN đến chất lượng nưỏc xử lý
3.2.3. Loại bỏ và chuyền hóa các tạp chất HCTN bằng phương phập xữ'ỉýtruyèn thống
3.2.4. Loại bỏ và chuyển hóa các tạp chất HCTN bằng biện pháp xữ lý tiên
tiến

.
3.3. Các chát vi ô nhiẽm hũu cơ (VONHC)
3.3.1. Nguồn gổc của các chất VONHC và các phương pháp phân tích
3.3.2. Loại bỏ và chuyển hóa các chất VONHC bjằng các biện pháp xử lý
truyền thống
3.3.3. Loại bỏ và chuyên hóa các chất VONHC bàng các biện pháp tiên tiến
3.4. Các chất vi ô nhiẽm vô cơ
3.4.1. Nitơ vô cơ
3.4.2. Sắt và mangan
3.4.3. Nhôm
3.4.4. Chì
3.4.5. Clorit và clorat
3.4.6. Bromat
Tài liệu
tham khảo

77
37
78
79
79
81
81
83
85
90
93
94
97
100

102
102
107
112
114
117
118
122


7

Chương

1

ĐẠI CƯƠNG VỀ NGUỒN

Nưỏc

1.1. TÌNH TRẠNG NGUÒN NƯÔC HIỆN NAY VÀ TÌNH HÌNH s ử DỤNG NƯỒC
Nước là nguồn gốc của sự sống, cần thiết không những đối với con người, súc vật mà
còn đối với cây cỏ. Ngày nay, nước được thừa nhận như một nguồn tài nguyên chiến lược
của mỗi quốc gia, và đo' là một trong các nguồn tài nguyên chủ chốt nhất của Trái Đất,
bảo đảm sự an toàn thực phẩm, duy trì sự cân bằng của các hệ sinh thái, và đảm bảo sự
hoạt động của con người trong một th ế giới đầy những biến động nhanh chóng về địa lý,
xã hội và môi trường.
Theo các số liệu gần đây(*), lượng nước ngọt có thể sử dụng được trên hành tinh
chúng ta (không kể nước đdng băng và nguồn nước ngầm rất sâu) chỉ chiếm 0,26% lượng
nước toàn thể, hoặc có khoảng 50.000 km 3/năm trong đo' chỉ 1/3 là cđ khả năng sử dụng

vào việc sản xuất nước sạch.
Sự đa dạng về không gian và thời gian của các nguồn nước, về nhu càu sử dụng là
rấ t khác biệt, nhất là với các yêu cầu ngày càng tăng của các miền đất đang dần bị khô
cạn, đang chịu một áp lực nặng nề về dân số và đang bị đe doạ bởi sự ô nhiễm tràm
trọng do phát triển công nghiệp, nông nghiệp...
Hình 1-1 trình bày sự phấn bố nguồn nước ngọt trên hành tinh và tình trạn g sử
dụng nước ngọt của các miền dân cư trên thế giới.
Xét trong phạm vi toàn càu, tình trạng cung cấp nước sạch hiện nay là không đáp
ứng: cứ 5 người thì có 1 người thiếu nước uống, cứ 2 người thì có một người không được
sử dụng,hệ thống nước được xử lý hợp vệ sinh và 5 triệu người chết hàng năm vỉ dùng
nước bị ồ nhiễm.
Trong tương lai, tình trạng khan hiếm về nguồn nước ngọt và sự cung cấp nước sạch
lại càng tồi tệ hơn, do:
• Sự biến đổi của khí hậu, xuất hiện nhiều vùng thiếu nước do khô cạn, hạn hán.
• Do phát triển dân số: người ta dự đoán rằng, hai mươi năm sau, hơn m ột nửa dân
số trên hành tinh sẽ sống ở các thành phố lớn và rấ t lớn. Hơn 50 thành phố sẽ vượt quá
9 triệu người, số thành phố hơn 1 triệu dân sẽ tăng tìl 280 hiện nay đến hơn 600...
Assessment of water Resource and water Availability in the world; State Hydrological Institute St.
Petersbourg Russie, Shiklomanov et al. 1996.


ĐẠI CƯỒNG VÈ NGUỒN NƯỐC

8

TÌNH HÌNH SỬ DỤNG NƯỒC NGỌT TRÊN THẾ GIỐI
Nirớc mặn: 97,5%
(đại diro-ng)

Nl,'ó'c nS9t: 2>24%

Vùns c9'c (Antarclique, Greenland)

Nừức ngọt cổ the đạt được: chỉ
bằng 0,26%

Hồ tự nhiên
Hồ nhân tạo
Nước chảy
Nguồn tài liệu: Assessment of Water
Resource and Witer Availability in
the W)rld ; State Hydrological
Institute, St. Peterbourg, Russie; Prof,
f. A. Shiklomanov, et, al, 1996

CÁC sâiìệu vê'NƯỚC N6ỌT
'

Các nguSa nảòc trên ih ể gio’i (% )
ý N tứ cn g ọ t...

...tro n g ưó

Băng hà

I

C

Khỏ nána s ’ứ dung ihiỊO đẩu ngtJdì(nghĩn
MÚỉatình S

.... .....= n 1 õ i\ ®
*9*0
'L
- —v
ị
Éấ
y
9000
w
Z8.3
ĩ
a n p f Châu A'
Bắc My f = = ồ 37,1
VW '
a á u P h ỉ^

nhdntaẻ-^

nghiệp

nSng nghióp

ô nhiêm Jo vi

Nam Mỹ

Bắc M ỹ

□ châtihải

g ) S/3

T ®

Tý tệ $ nhiêm (% tha» nguSn ô nhỉôm)
Châu Ấti
Châu A '
Cháu Phi

Chà*thái cổng

ChăuẮu

,

.

Thâm th a u /n ứ d c m ứa

khuân

Hình 1-1: Tình hình phân bố và sử dụng nước ngpt trên thế giới.

• Sự ô nhiễm nặng nề eủa các nguồn nước vì các hoá ch ất độc hại được sử dụng
trong nông nghiệp và công nghiệp... Ví dụ, ở m ột số nước Châu Âu, các tầ n g đ ấ t co' rễ


0 0 SỎ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ x ử LÝ N ư ó c Tự NHIÊN

9

âníSâu đều có, hàm lượng n itrat vượt quá tiêu chuẩn cho phép 20%, thuốc bảo vệ thực
vậtcvưởt 70%.
J Dò đđ, nếu không có một chính sách, chiến lược đúng đắn về khai thác, bảo vệ và sử
đựng nguồn nưóc thhcon người, ngày càng phải tiến dần đến một sự khủng hoảng nghiêm
trọng về nước.
1.2. CÁC NGUÒN NƯỎC Tự NHIÊN
Có ba giai đoạn cơ bản tạo nên một chu trình luân chuyển của nước trên m ật đất:
bay hơi, mưa - tuyết và dòng chảy. Nước rấ t phong phú trong thiên nhiên và che phủ
4/5 bề m ặt Trái Đất. Co' bốn nguồn nước tự nhiên chủ yếu:
• Nước mưa: có chất lượng tốt, bão hoà C 0 2. Tuy nhiên, nước mưa sẽ hoà tan các
chất vô cơ và hữu cơ khác nhau trong không khí và trong quá trình thấm qua đất. Nguồn
nước mưa được sử dụng không nhiều lắm, chỉ giới hạn trong các trường hợp khó khăn
về nước.

• Nước be mặt: đó là nước của các sông, suối, ao hồ (tự nhiên hoặc nhân tạo).... Chất
lượng nước của sông phụ thuộc vào môi trường xung quanh, nghĩa là phụ thuộc vào
nguồn ô nhiễm (nông nghiệp, công nghiệp, dân cư...). Ngoài ra, trong nước sông còn co'
sự phát triển sinh sôi của vi khuẩn, biến đổi theo mùa. Các hồ cũng nằm trong tình trạn g
như thế. Chúng có thể được xém như là các bể lắng co' những tính chất tương đối ổn
định.
• Nước ngầm: nước ngầm là nước ở dưới mặt đất. Cho đến những năm gần đây, nước
ngầm vẫn chưa bị xâm hại bỏi các nguồn ô nhiễm, vì được lọc qua đất. Nước ngầm có ít
vi khuẩn và chứa một nồng độ đáng kể các muối hoà tan (Fe, Mn...).
• Nước biển: nước chứa tới 33 đến 37 g/1 muối hoà tan.
Chỉ có nguồn nước ngầm, nước bề m ặt thường được sử dụng với quy mô công nghiệp
để sản xuất nước sạch đáp ứng cho nhu cầu sinh hoạt con người.
Nừớc Có những tính chất đặc biệt, do đo' nước trở thành một sản phẩm không th ể
thiếu được trong nhiều ứng dụrig khác nhau.
• Do tính phân cực mạnh, nước là nguồn dung môi tốt đối với các phần tử phân cực.

• Do khả năng ion hoá, các phản ứng ion luôn được tiến hành dễ dàng trong môi
trường nước
• Do các tính chất vật lý, nước được sử dụng để làm chất tải nhiệt (nhiệt dung lốn,
nhiệt độ bay hơi, Thl, cao, nhiệt hđa hơi lớn).
1.3. THÀNH PHẦN CỦA NƯÔC
Tuỳ thuộc vào bản chất và xuất xứ của nguồn nước mà thành phần của nước (các
chất chứa trong nước) khác nhau. Tuy nhiên, chúng ta có thể phân chia các chất trong
nước thành các nhóm tuỳ thuộc vào kích thước và đặc điểm cấu tạo (hoá học, sinh học...)
của chúng (hình 1-2).
Ị.3.1 CÁC CHẤT HUYỆN PHÙ (HP)
Gác chất HP thường co' nhiều trong nước bề mật. Đo' là các hạt rắn có kích thước


ĐẠI CƯONG VỀ NGUỒN NƯỚC

10

nhỏ, nổi lơ lửng trong nước. Kích thứớc của các h ạ t H P thay đổi từ 1 ¡um đến lm m CIO-6
- 10'3m). Chúng cđ th ể bị lắng gạn hoặc lọc trê n các m àng lọc có các đường kính lỗ cỡ
l^ m . Các chất H P được tạo ra bởị.,các c h ấ t vô cơ (oxit kim loại, khoáng sét ...) và các
sinh vật (vi khuẩn, tảo...). Người ta co' th ể loại bỏ H P bằng các kỹ th u ậ t cổ điển như làm
trong (gạn, lọc đơn giản) hoặc bằng các kỹ th u ậ t hiện đại như kỹ th u ậ t vi lọc.

■Dưẽtnỹ kinh (m)
/Õt0
1Ổ9
<* Phân ứ

fO

f
to''
1jim

t0~
I

Trạng th á i keo

Vi'do, COCsét eâ cd
feOOHj SÌOỉ
CoCOj

__ _
Vikhuân
H * -—

Virút

I>
•

,T—

to

—tI!
1
<

torỉ
1mm
.

10

‘

11

H ạ t h o y e ri p h ũ

' ;

<

rJ ữ

I*

Hình 1-2. Các tạp chất trong môi trường nước tự nhiên
Các h ạ t H P nhỏ trê n 1 ụ m (hoặc nhỏ hơn vài micromet) và lớn hơn m ột vài nanom et
được gọi là các h ạ t H P dạng keo. Các khoáng sét, các oxit kim loại, các cacbonat, cũng
như các axit humic, các protein có khối lượng phân tử lớn và các vi rú t tạo ra loại H P ở
trạ n g th á i phân tá n keo. Chúng được keo tụ - tủ a bông (coagulation - flocculation) để
có th ể gạn lọc được bằng kỹ th u ậ t cổ điển. P hần lớn các H P ở trạ n g thái keo có th ể bị
loại bỏ bằng phương pháp siêu lọc.
Sự có m ặt của các h ạ t H P gây ra sự cản trộ ánh sáng truyền qua lốp nước do hiệu
ứng khuếch tản Tynđan (Tyndall) và tạo ra độ đục của nước.

Việc xác định lượng ch ất H P được thực hiện bằng cách lọc. Sau đó sấy (nung) ở
105°c và 550°c cho phép phân biệt được vật liệu H P ở dạng bay hơi v à dạng vô cơ.
1.3.2. CẤC CHÁT HOÀ TAN
• Các chất khí: Các khí trong khí quyển dễ dàng hoà tan vào nước (độ ta n ở 10°c
dưới 1 b a r là 23; 54 và 2318 mg/1 tương ứng với 0 2; N 2 và C 0 2. Nồng độ của chúng trong
nước tu â n theo đ ịn h lu ậ t Henry:
P o2 = * v ° 2]bh ’
trong đó : H q 2 : hằng số H enry của 0 2;
[P2]bh ; nồng độ của 0 2 bão hoà;
P-0 : áp su ất riêng phần của oxy.
Độ tan của khí giảm khi nhiệt độ tăng. Nồng độ oxy trong nước là m ột th a m số quan
trọng đối với mọi hệ sinh th ái dưới nước. Nồng độ đo' r ấ t nhạy với các ô nhiễm hữu cơ,
Thực vậy, trong một hồ nưốc, lượng oxy nhận được là do kết quả đồng thời của oxy khí
quyển hoà ta n và oxy sinh ra từ tổng hợp quang hoá (quang hợp). Ngược lại, oxy bị tiêu
hao do sinh khối, trước hết do các sinh khối vi sinh vật, do các ô nhiễm hữu cơ bị phân
huỷ do vi sinh. Tuỳ thuộc vào n h iệt độ (giảm về ban đêm ) hoặc vào lượng ô nhiễm du


c o SỎ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ x ử LÝ N ư ố c Tự NHIÊN

11

nhập m à lượng oxy tổng cộng cố th ể thiếu "hoặc thìía cho các hoạt động của m ột hệ sinh
thái dưới nước.
• Các chất hữu cơ hoà tan
Trong nước chứa nhiều chất hữu cơ. Nguyên nhản cđ thể là, nước ngấm qua đất, hoà
tan các chất hữu cơ cđ trong đất, hoặc do sự phân huỷ của xác thực vật, động vật, hoặc
do tác động của con người. Các chất hữu cơ hoà tan trong nước rấ t đa dạng và rấ t khác
nhau về các nhóm chức. Một đặc điểm của chất hữu cơ hoà tan là nồng độ của nđ thường
nhỏ (ng/1 - /íg/1) trừ các trường hợp bị ô nhiễm nghiêm trọng.

• Các muối vô cơ hoà tan
Các muối vô cờ là phần quan trọng nhất của các hợp chất hoà tá n trong nước tự
nhiên. Hàm lượng của nó thay đổi (30 - 500 mg/1). Các nguyên tố chủ yếu là kim loại
kiềm (K+, N a+) và kiềm thổ (Ca2+, Mg2+...). Độ muối cation bằng độ muối của các anion
(OH-, C 02~ SO2-..).
Fe và Mn cđ rấ t nhiều trong vỏ Trái Đ ất và chúng tan nhiều trong nước, với nồng
độ từ 1 đến 10 mg Fe/1 và 0,1 - 3 mg Mn/1. Mặc dù không độc ở các nồng độ đó, song
chúng cần được loại bỏ trước khi sử dụng (liên quan đến độ đục, màu sắc, sự kết lắng
các oxit trong đưòng ống, phát triển vi khuẩn ưa sắt...).
*
*

*

Như vậy, nước tự nhiên là m ột hệ bao gồm nhiều hợp chất phức tạp: vô cơ, hữu cơ
và sinh vật. Tuỳ thuộc vào nguồn nước và tình trạng ô nhiễm m à thành phần (nồng độ
và chủng loại) các hợp chất sẽ thay đổi. Chất lượng của nguồn nước nguyên khai và tiêu
chuẩn chất lượng nước sạch cần được sản xuất (cho mục đích ăn uống, sử dụng trong
công nghiệp, nông nghiệp...) sẽ quyết định hạng mục quá trình, tính chất và quy mô của
dây chuyền xử lý nước thích hợp.


Đ ể sản x u ất nưốc sạch người ta phải tiến hành nhiều công đoạn (quá trình) xử lý
Gần th iết. n h ith i và chỂỄt liíông đổi hỏi cửa nước sạch.
Noi chung, người ta thường tiến hành các cặng đoạn xử Iỹ quan trọng sau đây:
• Keo tụ - tủ a bông
* Làm trong
• H ấp phụ bàng th a n hoạt tính
•r Oxy hpá và khử trù n g

» JỌ|ềụ chinh th à n h p h ần k h p á n g
•í Gảe; q uá trìn h m àng, ị
* Mộtlrsố qũa tĩỉn h khác.
2.1. KEO TỤ - TỦA BÔNG
Ken. tụ - tủ a bông là m ệt công đoạn quan trọng trong xử lý nước (nhất là nước bề
m ặt). (Bâng đoạn này luôn xẩy r a trước công đoạn làm trong (lắng gạn hoặc lọc nổi, tiếp
dtftfe'fyec q p a lôp lọc cố định).
Biặe d& keo tụ - tủ a bống là hai quá trìn h riêng rẽ (về lý thuyết cũng như công
Wlpfo. sa n g chổng thư bng in hai q u á trìn h không tách rời< nhau trong rấ t nhiều trường
hự|*
Z1.L v m s ồ LÝ TMLHíÉT
2 .1 . Î.B. lie » t ụ
Keo tu*1 ‘■■■MênatvtỊỊBg-phái vỡ, trạiq* thái ổn định của các h ạ t keo huyền phù để tạo ra
các cụm h ạ t kM có sự. tiếp xác giữa các h ạ t keo.

2.IULLL Phé bềto càa các kạí keo huyền phù ỊgBK).
Noi chung, các chất ở- tr ạ n g th á i huyền phù cố kích thước khác nhau. Một số có kích
thuốc và m ật đ ệ đủ lớn ầ§ cổ th ế đễ ầ&ng bậ-:sa lắng. Một số có kích thước đủ nhỏ (10‘8


CÖ Sỏ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ x ử LÝ N ư ố c Tự NHIÊN

13

- 10"5 m), được gọi là huyền phù keo, trong những điều kiện thuận lợi, chúng có th ể kết
tụ lại với nhau thành các tổ hợp (cụm) hạt lớn hơn, co' thể lắng gạn được. Sự tổ hợp đo'
rất ít khi tự xẩy ra một cách tự nhiên trong nước vl hiệu ứng tương tác đẩy tĩnh điện
giữa chúng (bề m ặt hạt keo mang điện), các điện tích cùng dấu cản trở sự tiếp xúc giữa
các hạt.
Thực vậy, tấ t cả các chất rắn ở dạng huyền phù đều co' thể tích điện khi tiếp xúc với

nước. Các hạt keo, cũng như các hạt huyền phù khác là các hợp chất vô cơ (oxit kim loại,
cacbonat, silicat, phosphat...) hoặc các chất hữu cơ (humic, protein, tảo, vi khuẩn...) đều
cố các nhóm chức ion khi tiếp xúc với nước. Chẳng hạn, một oxit kim loại được cấu tạo
từ các nguyên tử kim loại và các oxy theo hệ số tỷ lượng nhất định. Khi tiếp xúc với
nước, trên bề m ặt của chúng có các nhóm hydroxyl (4 - 10 nho'm/nm2). Trên bề m ặt oxit
kim loại, các nho'm OH tham gia phản ứng như là một áxit hoặc một bazơ tùy thuộc vào
môi trường tiếp xúc:
=Me- OH2 ^

sM e- OH + H +

K ị (hằng số cân bằng)

=M e-OH =

= M e-0 - + H +

K 2 (hằng số cân bằng)

Ví dụ:
y-Al20 3
d-Al20 3
a- A120 3

p^i = 7,2
Vk \ = 7,4
vk \ = 6,4

pK 2 = 9,50 (25°c, 0,1M NaC104) (*)
VK 2 = 10,0 (25°c, 0,1M NaClCỤ

pk 2 = 9,25 (25°c, 0,1M NaC104)

Tuỳ thuộc vào pH của môi trường và các giá trị của các hằng số cân bằng K ị và K 2,
oxit kim loại sẽ tích điện âm hoặc dương hoặc không tích điện. Trong trường hợp bề m ặt
không tích điện, pH tương ứng được gọi là pH của điểm đẳng điện (pH0). Một sự giải
thích tương tự đối với tấ t cả các hạt keo được cấu tạo bởi các axit amin (ví dụ: vi khuẩn,
tảo) hoặc các axit cacboxylic (ví dụ: axit humic). Điện tích được tạo ra do pH của môi
trưòng được gọi là điện tích sơ cấp củà hạt keo. Trong nứớc tự nhiên, hầu hết các hạt
keo đều co' điện tích sơ cấp âm. Tất cả các điện tích sơ cấp của hạt keo được trung hoà
bởi các ion trá i dấu trong một th ể tích nước cực kỳ nhỏ báo quanh hạt. Trong trường
hợp điện tích sơ cấp là âm (hình 2-1), độ dày của nước bao quanh hạt gồm:
(i)
Lớp thứ nhất rấ t mỏng, nằm sát ngáy bề mặt phân cách lỏng-rắn được tạo nên
bởỉ các cation, do đó m áng điện tích dương, đo' là láp Stern;
(II) Lớp thứ hai dày hơn, được tạo ra bởi đa phần là các cation, đố là lớp
Oovy-Chapman (hay còn gọí là lớp khuếch tán).
Tập hợp của hai lớp đó mang tên "lớp kép", điện tích chung của no' là dương, như đã
chỉ ra ở trên hình 2-1. Điện tích đo' trung hoà điện tích sơ cấp bề m ặt h ạt để sao cho
toàn thể hệ có điện tích bằng 0, như trong lòng chất lỏng (phía bề ngoài của lớp kép),
tại đo' nồng độ cation và anion bằng nhau. Lưu ý rằng, nếu điện tích sơ cấp là dương thì
dấu của các điện tích trên hình 2-1, sẽ ngược lại, và điện tích của lớp kép là âm.
Bên trong lớp kép tồn tại một m ặt trượt mà nhiều tác giả đã cho rằng nó là bề m ặt
phân cách giữa hai lớp (lớp Stern và lớp khuếch tán). Do đó, nó là một cái ngưỡng mà
'lheo quy uức : pX =-lgX


CẤC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ N ư ó c

14

Hình 2-1. Lớp điện tích kép và minh hoạ về thế zeta cùa hạt keo có điện tích sơ cấp âm.
'Lóp điện tích kép" và minh họa ý nghĩa của thề zeta của một hạt keo có điện tích sơ cấp âm (theo Techniques
de lĩngérứeur: Feuilet A 5350),
I. hạt có điện tích sơ cấp ân; n. lóp Stem; m lổp khuếch tán Gouy-Chapman; IV. dung dịch cân tòng lon;
A. bề mặt hạt rắn; B. bề mặt trượt; W0 : điện thế Nemst; Ệ : điện thế zeta.
từ đó các điện tách của lớp khuếch tán không "dính" (không liên kết ch ặt chẽ) với bề m ặt
h ạ t keo khi h ạ t chuyển động, Chính vì vậy, giữa bề m ặt trư ợ t và phía bên tro n g lòng
ch ất lỏng x u ất hiện m ột điện th ố zeta (£). Giá trị của zeta'càng lớn chứng tỏ lớp kép càng
dày và lượng điện tích tro n g lớp đó càng lớn. Do đo, dấu của điện th ố zeta cho phép xác
định điện tích sd cấp và cấu trúc lớp điện tích kép của h ạt keo.
N hư đã ntíi ở trên, các nhóm chức bề m ặt quyết định dấu của điện tích bề m ặt. Các
nhóm đó là nguyên nhăn tạo ra các lực tương tác bệ m ặt. Giữa hai h ạ t keo luôn luôn tồn
tại hai loại lực tương tác.
(ỉ) Lực đẩy cd bản chất tĩnh điện (hoặc lực Coulomb) xảy ra giữa hai lớp kép có điện
tích cùng dấu.
(ii) Lực h ú t (London - van der Waals) cd bản chất vật lý, tác động trong m ột khoảng
cách r ấ t ngấn.
H ình 2-2 là sơ đồ biểu diễn các loại lực:
VĐ: lực đẩy, với quy ước là dương;
VH: lực hút, với quy ước là âm;
VT là hợp lực của F đ và VH.
N ếu VT dương, nghĩa là lực đẩy th ắn g lực h ú t và do đtí h ạ t keo bền vững, không xảy


c ỏ SỎ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ x ử LÝ NƯỐC Tự NHIÊN

15

Hình 2-2. Sự biến đồi cùa lực đầy (V q ), lực hút (VH) và lực tồng cộng (K.p) phụ thuộc vào khoảng cách giữa
các hạt:

cs, C’s : nồng độ hạt keo.

ra sự kết hợp (keo tụ). Nếu VT dương ít, bằng không hoặc âm thì có thể xảy ra sự keo
tụ, bởi vì không co' một "hàng rào năng lượng" nào ngăn cách sự xích lại gần nhau của
các hạt ứng với khoảng cách mà lực hút khá mạnh. Bấy giờ, các hạt huyền phù dạng keo
trở nên không ổn định, dễ dàng kết hợp với nhau tạo ra hiện tượng keo tụ.
2.1.1.1.2. Cức biện pháp keo tụ
Có bốn biện pháp hoá học keo tụ một hệ huyền phù dạng keo.
a. Tăng lực ion
Tăng nồng độ của chất điện ly trung tính (NaCl) dẫn đến giảm độ dày của lớp kép, và do
đo', làm giảm lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt. Tương tác tổng cộng trở nên bằng không, do đó,
sự tổ hợp các hạt keo cđ thể xảy ra khi chúng tiếp xúc với nhau. Biện pháp này, thực ra, khó
ứng dụng trong thực tế xử ỉỷ nước. Tuy nhiên, người ta co' thể quan sát hiện tượng keo tụ này
ở vùng cửa sông chảy ra biển. Tại đo', do nồng độ muối cao, các hạt keo huyền phù bị keo tụ
nhanh chóng tạo ra sự lắng đọng trầm tích bồi cạn cửa sông.
b. Thay đổi pH
Thay đổi pH của môi trường có thể làm mất điện tích sơ cấp (ứng với pH bề m ặt
hạt keo là đẳng điện), do đó, làm giảm hoặc vô hiệu hoá các lực đẩy. Tuy nhiên, pH của
nhiều loại hạt thường thấp (ví dụ pH 0 của sét montmorillonit = 2, của S i0 2 = 2, của tảo
=3) nên cũng không th ể ứng dụng biện pháp này để keo tụ xử lý nước.
c. ‘Đ ưa vào hệ một muối kim loại hoá trị III
Đưa vào hệ huyền phù dạng keo một muối kim loại hoá trị III, có th ể thuỷ phân, ví
dụ như muối sắt ferit hoặc muối nhôm, tạo ra nhiều cách keo tụ.
♦


CÁC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỐC

16

Thực vậy, việc đưa thêm các muối này, trước hết, gây ra m ột sự tăn g nhẹ lực ion
(làm giảm điện tích và độ dày lớp kép), đồng thòi cũng làm biến đổi pH vì xảy ra sự axit
hoá của môi trường. M ặt khác, cũng xảy ra sự hình thành các phức monome và oligome
hoà ta n (chủ yếu bởi sự thuỷ phân), chúng m ang điện tích dương và có th ể bị hấp phụ
trê n bề m ặt các h ạ t keo, làm tru n g hoà các điện tích sơ cấp m ang điện tích âm . Dồng
thời, trong m ột số điều kiện n h ất định (pH, nồng độ...) sự thuỷ phân hoàn toàn của các
ion kim loại sẽ dẫn đến việc kết tủ a các 0 X 0 - hỹdroxit kim loại v ô định hình và tủ a bông.
Các "cụm bông" đó có th ể "bẫy" hoặc "bắt" các h ạt keo để rồi có th ể lắng gạn chúng. Sử
dụng m ột kim loại hoá trị ba là m ột biện pháp thường hay được ứng dụng n h ất trong
việc xử lý nước.
d. Đưa vào hệ một polyme lự nhiên hoặc polyme tổng hợp
D ưa vào hệ m ột polyme tự nhiên hoặc tổ n g hợp, thường là các polyme hữu cơ
(amidon, alginat, polyelectrolyt tổng hợp), đôi khi polyme vô cơ (soi oxit silic) có th ể làm
tru n g hoà điện tích các h ạt keo, vì các polyme m ang điện tích. Polyme tạo ra m ột càu
nối giữa các h ạt với một khoảng cách lớn hơn khoảng cách hiệu dụng của các lực đẩy.
Với cách keo tụ này, nếu dùng quá ngưỡng keo tụ thì lại dẫn đến sự tái xác lập trạn g
th ái bền của keo.
2.1.1.2. K eo tụ bởi Al(III) v à Fe(III)
2.1.1.2.1. Phân ứng thuỷ phân
Các tác dụng của sẳt và nhôm trong keo tụ là do sự co' m ật các sản phẩm thuỷ phân
các muối của chúng. Đó là các phức hydroxit kim loại đa n h ân (polyme ta n hoặc không
tan), chúng có khả năng tích điện cao. Các phản ứng chủ yếu để tạo ra các phức đó, cũng
như các phản ứng của các monome được trìn h bày trong bảng 2-1.

0

0
pH
A l ( t t t ) câ n b â n g

2

4

6

to
pH
Fe (tu) căn bấhg

Hình 2-3. Tính um lý thuyết của Ai VÌ! T e trong nước ở 25°c.

6

tỉ

14


c ỡ sỏ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ x ử LÝ N ư ố c Tự NHIÊN

17

Các polyme được biết nhiều nhất là trihydroxit sắt và nhôm (các hằng số tính tan đã cho
trong bảng 2-1), chúng kết tủa trong môi trường dưới dạng các nụ bông (vô định hình).
Bảng 2-1. Các hằng số cân bằng trong phàn líng thủy phân
cùa các oxit và hyclroxit cùa Al3+ và Fe3+ (*)

Phàn ứng

Hằng số cân bằng

logK (25°C)

Hình thành monome
Al3+
Al3+
Al3+
Al3+

+ H20 = Al(OH)2+ + H+
+ 2H20 = Al(OH)2 + 2H+
+ 3H20 = AI(OH)3 + 3H+
+ 4H20 = AI(OH)J + 4H+

*1
h
(h
h

- 4,97 (/
-9,3 (7
- 15,0 (/
- 23,0 (/

= 0)
=0)
= 0)
= 0)

Fe3+
Fe3+
Fe3+
Fe3+

+ H20 = Fe(OH)2+
+ 2H20 = Fe(OH)2
+ 3H20 = Fe(OH)3
+ 4H20 = Fe(OH)4

Kx

- 2,19
- 5,67
- 12,0
-21,6

= 0)
= 0)
= 0)
=0)

+ Pl+
+ 2H+
+ 3H+
+ 4H+

^3
>4

(7
(7
(7
(7

Hình thành poỉyme
2A13+ + 2PI20 = Al2(O H )|+ + 2H+
3A13+ + 4FI20 = Al3(OH)4 + 4II+
13A13+ + 28H20 = Al3(OH)24 + 32H+
2Fe3+ + 2H20 = Fe2(OH)2 + 2H+

$22
$4J>
$22, 13
$22

- 7,7 (7 = 0)
- 13,9 (7 = 0)
- 98,7 (7 = 0)
- 2,95 (7 = 0)

K &0
K s0
K *0
x ,n

- 4,97 (7 = 0)
-9,3 (/ = 0 )
1,6 (3M NaC104)
3,55 (3M NaCl04)

- 38,7 (3M NaC!04)
- 27,5 (3M N aQ 04)
- 16,6 (3M NaC104)
- 45 (3M NaC104)
- 51,9 (3M NaC104)

Chất rắn
«-Al(OH)3 + 3PI+ = Al3+ + 3FI20
«-Al(OH)3 ( v ô định hình) + 3H+ = Al3+ + 3FI2Ớ
«-FeOOH (rắn) + 3P1+ = Fe3+ + 3HLO
«-FeOOH (vô định hình) +3FI+ = F e + + 3 H 2Ũ
Fe(OFI)3 (vô định hình) = Fe3+ + 30PF
Fe(OH)3 (vô định hỉnh) = FeOH2+ + 20H~
Fe(OH)3 (vô định hình) = Fe(OH)2 + OH’
Fe(OFI)3 (vô định hình) + OH’ = Fe(OH)4
2Fe(OII)3 (vô định hình) = F e 2(OH)2+ + 40H"

K \o
*S2

K s4
K

s2

2

I lực ion .

2.1.1.2.2. Biểu đ'ô lính tan

Các biểu đồ tính tan của nhôm và sắt trong nước tinh khiết co' th ể xây dựng xuất
phát từ các giá trị hằng số cân bằng trong bảng 2-1. Hai ví dụ của biểu đồ được giới
thiệu trong hình 2- 3. Trong đó, các đường nồng độ phụ thuộc pH co' dạng chữ V mà đỉnh
của no' là nồng độ hoà tan tối thiểu của kim loại trong nước tinh khiết.
Các hình chữ nhật "gạch gạch" trên hình 2- 3 là các miền (pH và nồng độ) được sử
dụng thưòng xuyên của sắt và nhôm để keo tụ nước. Như vậy, dạng chủ yếu của hydroxit
(*) V/ STƯMM and J J. MORGAN . Aquatic chemistry, 2nd edittion. John Wiley & Sons editor. New York.
(1981)


CAC QUA TRINH XI/ LY NUOC

18

kim loại tồn tại tro n g môi trường sau khi keo tụ luôn luồn là
Lưu ý rằng, tro n g quá trìn h hình th à n h các polyme vô
kèm theo sự giải phóng các proton (axit) nên cần phải tiến
ion cacbonat và bicacbonat, hoặc với m ột bazơ m ạnh để ổn
keo tụ.

trihydroxit vô định hình.
cơ của Al3+ và F e3+ luôn
hành tru n g hoà hoặc với
định pH tro n g quá trìn h

2.ỉ . 1.2.3. Cữ chề keo tụ bởi ion kim loại hoá trị III
Co' hai cơ chế chủ yếu về keo tụ các keo hydroxit kim loại. Với nhôm (là trư ờ ng hợp
nghiên cứụ nhiều nhất), biểu đồ keo tụ(*) có hai miền tối ưu (hình 2-4).
Miên thứ n h ấ t nằm trong vùng pH gần tru n g tính, cơ chế chủ yếu là "bẫy" các h ạt
keo trong các kết tủa. Điện th ế zêta (ệ) sau khi keo tụ không n h ất th iết bằng 0 (hoặc

âm ), và liều lượng chất keo tụ đưa vào hệ không tỷ lệ với nồng độ của h ạ t keo.
Vùng thứ hai tương ứng với các môi trường axit nhẹ (xung quanh pH = 5), ồ đđ, cơ
chế chủ yếu là sự tru n g hoà điện tích âm của h ạt keo bỏi các polyme hoà ta n tích điện
dương. Đối với vùng này, th ế zêta phải gần bằng 0, nồng độ chất phản ứng (gây keo tụ)
tỷ lệ với nồng độ của keo và hiện tượng tái bền cd th ể xẩy ra trong trường hợp dùng quá
liều chất gây keo tụ (làm cho lớp điện tích kép thay đổi dấu, th ế zêta ngày càng trở nên

100

30
10

t

o
•Ạ
1 *

3

03

*4*

<1

Hình 2-4: Hai vùng keo tụ tối ưu đối với nhôm.

( ’)AWWA. Water quality and treatment a handbook of community watersupplied,4th edition, Me. Graw. Hill,
USA (1990).

C ồ SỎ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ x ử LÝ N ư ố c T ự NHIÊN

19

dương hơn). Vùng keo tụ này kho' ứng dụng với nhôm vì tính tan của nhôm vượt tiêu chuẩn
cho phép đối với nước cho mục đích ăn uống (0,2 mgl/l) khác với trường hợp của sắt.
Nguyên tắc loại bỏ các vật liệu hữu cơ hoà tan đều dựa cả trên hai cơ chế. Ớ vùng
pH axit nhẹ (pH = 5 -ỉ- 6) các chất hữu cơ phản ứng với kim loại để tạo phức. Phức này
kết tủa với điều kiện pH không th ậ t thấp và lượng chất keo tụ không th ậ t đủ. Nếu điều
kiện đđ không đáp ứng thì nguy cơ xuất hiện dư lượng chất keo tụ (ngay cả khi nước đã
lọc qua cát) vối một hàm lượng cao hơn nhiều so với hàm lượng dự tính theo các hằng
số cân bằng.
Lưu ý rằng, liều lượng tối ưu của sắt và nhôm tương ứng là 2 và 1 mg trên mg
cacbon hữu cơ hoà tan (CHCHT), với pH axit nhẹ. Cơ chế thứ 2 ở pH trung tính ctí th ể
là sự hấp phụ (do sự tạo phức) của các chất hữu cơ ở bề mật chất kết tủa. Hiệu suất loại
bỏ các tạp chất hữu cơ rõ ràng là nhỏ trong trường hợp này.
2.1.1.3. T ủ a b ô n g
Tủa bông là sự tô’ hợp các hạt keo đã bị keo tụ. Quá trình này chỉ co' th ể xẩy ra
quá trình keo tụ. Về phương diện lý thuyết, đó là vấn đề nghiên cứu vận tốc kết tụ
các hạt. .
Theo Smoluchowski(*\ tốc độ kết tụ của các hạt keo đã keo tụ phụ thuộc chủ
vào tầ n sô' va chạm có hiệu quả, vào đặc điểm của các hạt và vào thuỷ động học của
trường.

sau
của
yếu
môi

XJ l ý nude vã
lãm sạch ( tình khìêt)
nưác đ ã SỪ dung

0
ầ
ị

ỉ
Gradient »ăn tóc 6

Hình 2-5. Cắc biến số động học quyết định quá trình xử lý nước tự nhiên.

(*)R. O MELIA (1972), Coagulation-Flocculation in "Physico-chemical processes for water quality control", W.
J. WEBER, John Wiley & Sons Editor, New York, 1972.


CÁC QUÁ TRÌNH x ử LÝ NƯỐC

20

Trong đó:
X '
_
,
v
^
^—r, tỉ Số h ạt ban đầu N 0 với số h ạ t N ở thòi điểm t trong quá trìn h tủ a bông;
a 0, hệ số va chạm có hiệu quả;

Q, nồng độ th ể tích của các h ạt huyền phù;
G, gradient vận tốc tru n g bình, G là hàm chảy rối của hệ (khuấy cơ học, tổ n th ấ t
n ăn g lượng);
t, thời gian khuấy trộn.
Nói m ột cách khác, đối với m ột thời gian t đã cho, tích số a 0.Q.G càng lớn thì tỉ số
N J N càng lớn, nghĩa là, sự tủ a bông càng hiệu quả.
H ình 2- 5 cho các khoảng giá trị của các biến số động học phương trìn h
Sm oluchouiski đối với quá trìn h xử lý nước tự nhiên.
Để có m ột giai đoạn tủ a bông tố t thì cần phải co' sự kết tụ tốt (a gần bằng 1), có
nồng độ keo càng cao càng tố t (Q cao), phải khuấy trộn nhanh và đủ lâu (không đập vỡ
các cụm vừa được tạo thành bởi quá dư công suất). Điều kiện tối ưu của sự tủ a bông
được xác định bằng thực nghiệm ở trong phòng thí nghiệm và với sự giúp đỡ của các số
liệu lý thuyết. Tăng nồng độ hạt keo bằng cách kết tủ a các hydroxit nhôm hoặc hyđroxit
sát, khi một trong hai chất đtí được sử dụng như m ột chất tạo keo tụ. Cũng co' thể bổ
sung thêm các keo bentonit hoặc các loại cát cực mịn. Khuấy trộn nhanh và lâu có th ể
tạo ra m ột vài bất lợi, làm phá VÖ các cụm vừa được hình thành.
2.1.2. THỰC HÀNH KEO TỤ - TỦA BÔNG
2.1.2.1. Định n g h ía
Trong thực tế xử lý nước (ở phòng thí nghiệm hoặc n h à máy), keo tụ tương ứng với
việc bổ sung các chất (tác nhân) gây keo tụ và khuấy trộ n nhanh trong m ột thòi gian
ngán (10 giây đến một vài phút). Trong giai đoạn đó, xẩy ra sự khuếch tán các chất keo
tụ, phản ứng giữa các h ạt keơ huyền phù, tạo ra các kết tủ a (keo tụ đơn thuần) và khởi
đầu sự kết tụ (sự lớn lên của các cụm). Sự tủa bông tương ứng với giai đoạn lớn lên của
các cụm với sự khuấy chậm trong m ột thời gian dài hơn. Trong giai đoạn đầu của sự tủ a
bông, m ột tác nhân thứ hai có th ể được thêm vào (chất trợ tủ a bông) để co' th ể thích
ứng vối sự khuấy trộn.
2.1.2.2. C ác tá c n h ân h o á h ọc
2.1.2.2.1. Danh pháp
Về lý thuyết, tấ t cả các hoá chất đều là chất keo tụ, vì rằn g tác động đầu tiên của
chúng là phá bền của hệ keo. Tuy nhiên, trong xử lý nước, người ta gọi chát keo tụ là

các muối của sắ t và của nhôm và gọi chất tủa bông là các chất polyme tự nhiên hay tổng
hợp, vô cơ hoặc hữu cơ. Những chất này, đúng hơn là, đóng vai trò hỗ trợ cho sự tủ a
bông, bởi vì chúng được thêm vào sau chất keo tụ. Cách gọi tên chất "trợ tủ a bông” là
ám chỉ dành cho các khoáng sét, vì khi thêm chúng vào sẽ làm tă n g vận tốc tủ a bông,


GO SỎ LÝ THUYẾT VÀ CÔNG NGHỆ x ử LÝ NƯỐC Tự NHIÊN

21

mặc dàu nhiệm vụ chính của chúng là làm nặng thêm các cụm bông, để lọc sơ bộ trước
khi đến thiết bị gạn.
Cũng tương tự như th ế đối với than hoạt tính dạng bột được thêm vào.
2.1.2.2.2. Phản úng với kiềm
Như đã nđi ở trên, các chất keo tụ kim loại (các muối nhôm và sắt) bị thuỷ phân
trong nước để tạo ra oxo-hydroxit tan và không tan, và các proton. ở các giá trị pH
thưòng ứng dụng trong thực tế keo tụ, thì phản ứng tổng quát co' th ể xem như phản ứng
chủ yếu tạo ra các hydroxit kim loại. Vì trong nưốc tự nhiên luôn chứa một lượng kiềm
nhất định nên axit dư (proton được tạo ra) sẽ phản ứng với bicacbonat canxi.
2 FeCl3 + 3 Ca(HC03)2 + 6 H20

-» 2 Fe(OH)3 (vô định hình)
+ 3 CaCl2 + 6 H 2C 0 3
A12(S 04)3 + 3 Ca(H C03)2 + 6 H 2Ơ -»
2 Al+ 3 CaS04 + 6 H 2C 0 3
Do đo' pH của môi trường, sẽ giảm khi đưa một chất keo tụ kim loại vào hệ và sẽ co'
một nguy cơ keo tụ ở một giá trị pH thấp (sự keo tụ không tốt, cụm hạt nhỏ và nồng độ
dư của chất keo tụ cao). Khi nưởc cố độ kiềm yếu, càn phải điều chỉnh pH trước, trong
và sau khi keo tụ bằng một bazơ m ạnh (NaOH hoặc vôi). Giá trị pH của nước được xử

lý sau khi keo tụ - tủa bông bởi muối kim loại co' thể tính toán được. Xin lưú ý ràng, các
polyclorua của nhôm làm giảm rấ t ít độ kiềm của nước, vl chất này giải pho'ng ít axit tự
do hơn so với các chất keo tụ kim loại truyền thống.
• Các tác nhãn phản ứng khác
Các chất keo tụ được ứng dụng nhiều nhất là các muối nhôm, Sulfat nhôm và polyclórua
nhôm (PAC) và cả muối Sắt cloruaferic. Các chất tủa bông là các polyme tự nhiên (amindin,
oxit silic...) và một số chất đa điện ly anion và cation (tuỳ theo quy chế hiện hành). Bảng 2-2
giới thiệu các chất keo tụ chủ yếu đứợc sử dụng xử lý nước sinh hoạt.
Bảng 2-2. Các chất keo tụ chủ yếu được sử dụng đề xử lý nước

-0 ,4 5

7,5 - 8% A12Ọ j

_ 0,22 - 0,24

Chất lỏng màu vàng nhạt
(Tỷ trọng = 1,15 -ỉ- ự )

8 - 10% A120 3

©
\

Chất lỏng màu nâu
(Tỳ trọng 25°c = 1,45)

41% FeCl3
(1 g hoặc 0,69 ml chứa
410 mg FeCl3)

Bột trắng
(Độ tan = 660 g/1)
Dung dịch
(Tỷ trọng -1,45)

Polyclorua nhồm
Al11(ÓH)m(Cl)x(S04)y
ơorua sắt
FeCl3
(Khối lượng phân tử =
162,2g)

037

ON

-15% Al20 3

Sulfat nhôm
AI2(S04)3.18H20
(Khối lượng phân tứ =
666,4g)

©
1

Lượng chất keo tụ g/cm3
ứng với mg/1 CaCỌj

Đặc điềm

ri

Hàm lượng
(% khối lượng)

Các chất keo tụ


22

CÁC QUÁ TRÌNH XỬ LÝ NƯỐC

2.1.2.3. P h ư ơ n g p h áp Ja-Text (Jar-Test)
Phương pháp này được dùng trong phòng thí nghiệm để xác định các điều kiện tối
ưu của sự keo tụ - tủ a bông.

Nông đ ậ cùa c h ế t keo iu hoăc chăt tua bõng

Hình 2-6. Thiết bị Jar-Test.

Ra

■Càn bùn
Khuấy nhanh Khuây nhauh Khuây châm Lắng qan
phQntán
phèn ỉổn iKnykich ihùdc
yã phản ưng Ỹã hăp phu
Cam hat

Hình 2-7. Sơ đồ thứ tự thao tác cùa thí nghiệm Jar-Test.


Cồ s ỏ LÝ THUYẾT VÀ CÒNG NGHỆ x ử LÝ NƯỐC Tự NHIÊN

23

a. Mô tả phương pháp
Thiết bị được sử dụng, nói chung, gồm một máy khuấy (kiểu chân vịt), có 6 cánh
khuấy, có trang bị bộ biến' đổi vận tốc. Mỗi cánh khuấy ứng với một bình có th ể tích 1
lít (cd khắc độ phân chia thể tích đến 1 lít). Hĩnh 2-6 là sơ đồ thiết bị Jar-Test đang hoạt
động.
Mỗi một bình được đổ đầy một thể tích nước nguyên khai như nhau. Sau đó, tiến
hành:
1) Cho chất keo tụ vào bình đồng thời khuấy mạnh (100 - 200 v/phút) trong 2 - 3
phút (đôi khi có thể dài hơn) và điều chỉnh pH (việc này có thể làm tníớc khi đưa chất
keo tụ vào). Đây là giai đoạn keo tụ.
2) Khuấy chậm (20 - 40 v/phút) trong 5 - 10 phút. Đây là giai đoạn tủ a bông: làm
to các cụm keo tụ.
3) Gạn lọc kết tủa trong thời gian 20 đến 60 phút. Hình 2- 7 trình bày dưới dạng sơ
đồ cách tiến hành đó.
Xin lưu ý rằng, đôi khi cần thêm hai thao tác phụ:
(i) Đưa một chất tủa bông (hoặc than hoạt tính dạng bột) ở cuối giai đoạn keo tu và
đồng thời khuấy nhanh.
(ii) Lọc cát hoặc lọc màng sau khi lắng gạn, đồng thời xác định ảnh hưởng của sự
keo tụ - tủa bông đến chất lượng nước đã lọc (sau gạn và sau lọc).
Lấy mẫu nước đã láng gạn phải thực hiện cùng một độ sâu như nhau trong mọi binh
bằng một ống chữ s mà đầu của ống (trong nước) hướng lên trên phía bề m ặt nước, sao
cho không mang theo bùn lắng gạn.

Các phép phân tích sau đây cần được tiến hành:
- Độ đục (hoặc khối lượng chất huyền phù),
- Chất hữu cơ (lượng cacbon hữu cơ tổng hoặc độ oxy hoá theo KM n04),
- Lượng kim loại dư (Fe và Al) trong nước.
h. Mục tiêu của phép thử Jar-Test
Co' hai mục tiêu là xác định liều lượng tối ưu của chất keo tụ (và cả chất tủa bông)
và xác định vùng tối ưu của pH keo tụ.
Nói chung, người ta tiến hành thí nghiệm với các vùng pH khác nhau (giữa pH 5,5
và 7,5 đối với AI và pH 4,5 và 8 đối với Fe) ở một liều lượng không đổi chất keo tụ (2
mg Fe/mg cacbon hữu cơ hoà tan và lm g Al/mg caebon hữu cơ hoà tan). Sau phép thử
này, cần tiến hành thêm một phép thử ở pH (tối ưu) với sự thay đổi liều lượng chất keo
tụ để tìm được lượng chất keo tụ tối ưu tại một pH tối ưu.
Đối với các loại nước giàu chất vô cơ (độ kiềm > 200 - 280 mg C aC03/l) thì chỉ cần
tiến hành về phép thử xác định liều lượng chất keo tụ vỉ không cần phải quan tâm đến
việc điều chỉnh pH nữa trong quá trình keo tụ.
2.1.2.4. M ột v à i sô' liệ u v ề th ự c h à n h k eo tụ - tủ a b ô n g
2.L2.4.1. Khái niệm vê khuấy trộn
Keo tụ và tủa bông là hai giai đoạn buộc phải khuấy trộn hiệu quả. Dặc trưng của


CÁC QUÁ TRÌNH X ử LÝ NƯỐC

24

sự khuấy trộn hiệu quả là gradient vận tốc trong phương trình Sm oluchow ski. Trong
trường hợp keo tụ, sự khuấy trộn phải m ạnh (G - 10 -T- 1000 s"1), và co' hiệu quả đối với
thiết bị khuấy trộn tĩnh hoàn toàn đồng n h ất (chân vịt có bước đảo, bộ phận điều chỉnh
tốc độ).
T ủa bông chỉ được thực hiện trong điều kiện khuấy chậm để trá n h hiện tượng bào
mòn, phá vỡ các cụm h ạ t « ?= 10

100 S 1), tro n g các th ù n g khuấy trộ n hoặc tro n g các
hệ thống khuấy nhẹ khác, ví như các bể có rãn h chữ chi. Một sự tủ a bông tố t có th ể thực
hiện trong th iết bị gạn lọc, ở đó thông số Q( nồng độ hạt) và thòi gian tiếp xúc t của
phương trin h Smoluehowski là r ấ t quan trọng so với trong các th iết bị keo tụ khuấy trộn,
ngay cả khi G khá nhỏ (G = 0,1 -ỉ- 1 S 1).
Cuối cùng, có phương pháp được gọi là tủ a bông "nhanh", phương pháp này mới được
phát triể n những năm gần đây, trong các công nghệ gạn lọc mới. Nội dung của phương
pháp là thêm vào m ột lượng cát cực mịn vào vùng tủ a bông. Cát mịn có ba vai trò: tăng
nồng độ th ể tích h ạ t (Í2 trong phương trìn h Smoluchowski) làm nặng thêm các cụm tủ a
bông để tă n g vận tốc lắng gạn và lọc sơ bộ nước chảy vào th iết bị gạn lọc. Các nghiên
cứu gần đây đã chứng m inh rằn g gradient vận tốc G trong trư òng hợp này cao hơn trong
trư ờng hợp tủ a bông cổ điển.
2.1.2.4.2. Tính toán G
Phương trìn h tổng q u át của G được xác định bởi biểu thức Camp-Stein(*\G = (p/v.p)°trong đđ: P: công su ất thực tế;
V: th ể tích của reactơ khuấy trộn, m3;
p: độ nhớt động học của nưốc.
Dối với hệ khuấy trộn cơ học (cánh khuấy quay):
p = 0,105 T.N ,
tro n g đó: IV: vận tốc khuấy v/phút;
T: ngẫu lực pháp tuyến quay cánh khuấy, N.m.
Trong hệ trộn tĩnh (rãnh ziczac, lốp bùn cặn...):
p = 9810 Q.Ah
trong đó: Q: lưu lượng nước trong th iết bị trộn tĩnh, m 3/s;
Ah: tổn th ấ t n ăn g lượng tro n g th iết bị trộ n tĩnh, m (cột nước).
2.1.2.4.3. Sử dụng các tác nhân phản ứng
Các tác nhân phản ứng thường được sử dụng ở d ạn g chất lỏng (dung dịch sulíat
nhôm, clorua sắ t > polyclorua nhôm) và, sau đó, được bơm vẩy trực tiếp vào nước nhờ
m ột bơm định lượng thể tích, hoạt động của nd được khống chế bởi lưu lượng nước được
xử lý. Khi các tác nhân xử lý đó ở dạng bột (thường đối với sulfat nhôm), việc hoà tan

phải được thực hiện trong m ột thùng hoà trộn thao tác bằng tay hoặc bằng một dụng cụ
•
R. OMELIA (1972), Coagulation-Floculatlon in "Physico-chemical processes for water quality control", w J.
WEBER, John Wiley & Sons Editors, New York.