Cấu Tạo Và Nguyên Tắc Hoạt Động Của Bể Keo Tụ Điện Hóa

+ Chiều dày mỗi tấm điện cực: 6 - 10 mm.

2.1.1.5 Keo tụ - tạo bông

2.1.1.5.1 Khái niệm

Theo Nguyễn Thị Thu Thuỷ (2000), keo tụ là một phương pháp xử lý nước có sử dụng hoá chất, trong đó các hạt keo nhỏ lơ lửng trong nước nhờ tác dụng của chất keo tụ mà liên kết với nhau tạo thành bông keo có kích thước lớn hơn và người ta có thể tách chúng ra khỏi nước dễ dàng bằng các biện pháp lắng hay tuyển nổi.

Bằng cách sử dụng quá trình keo tụ người ta có thể tách được hoặc làm giảm đi các thành phần có trong nước như: kim loại nặng, các chất bẩn lơ lửng, các ion PO43... và có thể cải thiện được độ đục, độ màu của nước (Nguyễn Thị Thu Thuỷ, 2000).

2.1.1.5.2 Cơ chế của quá trình keo tụ

Theo Lâm Minh Triết - Nguyễn Thanh Hùng - Nguyễn Phước Dân (2006), khi chất keo tụ cho vào nước và nước thải, các hạt keo bản thân trong nước bị mất tính ổn định, tương tác với nhau, kết cụm lại hình thành các bông cặn lớn, dễ lắng. Quá trình mất tính ổn định của hạt keo là quá trình hóa lý phức tạp, có thể giải thích dựa trên các cơ chế sau:

+ Giảm điện thế zeta tới giá trị mà tại đó dưới tác dụng của lực hấp dẫn Van der Waals cùng với năng lượng khuấy trộn cung cấp thêm, các hạt keo trung hòa kết cụm và tạo thành bông cặn;

+ Các hạt kết cụm lại do sự hình thành cầu nối giữa các nhóm hoạt tính trên

hạt keo;

đạo lắng.

+ Các bông cặn đã hình thành khi lắng xuống sẽ bắt giữ các hạt keo trên quỹ

2.1.1.5.3 Các nhân tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ

Theo Nguyễn Ngọc Dung (1999), đối với ion Al3+ thì:

+ Độ pH: độ pH của nước ảnh hưởng trực tiếp đến quá trình thuỷ phân. Khi pH < 4,5 thì không xảy ra quá trình thuỷ phân. Thông thường Al3+ đạt hiệu quả keo tụ cao nhất khi nước có pH = 5,5 - 7,5.

+ Nhiệt độ: Nhiệt độ của nước cao, tốc độ keo tụ xảy ra nhanh chóng, hiệu quả keo tụ đạt được càng cao. Nhiệt độ của nước thích hợp khi dùng Al3+ vào khoảng 20 - 400C, tốt nhất là 35 - 400C.

+ Độ đục: độ đục của nước cũng ảnh hưởng đến hiệu quả keo tụ. Độ đục càng cao thì hiệu quả keo tụ càng rò rệt.

Ngoài ra, một số yếu tố khác cũng ảnh hưởng đến quá trình keo tụ như: thành phần các ion có trong nước, các hợp chất vô cơ - hữu cơ,…

Theo Nguyễn Ngọc Dung (1999), đối với ion Fe3+ thì:

+ Độ pH: phản ứng thuỷ phân xảy ra khi pH > 3,5 và quá trình kết tủa sẽ hình thành nhanh chóng khi pH = 5,5 - 6,5.

+ Nhiệt độ: ion Fe3+ khi thuỷ phân ít bị ảnh hưởng của nhiệt độ, vì vậy nhiệt

độ của nước gần bằng 00C vẫn có thể dùng ion Fe3+ làm chất keo tụ.

2.1.2 Cấu tạo và nguyên tắc hoạt động của bể keo tụ điện hóa

Bể keo tụ điện hoá có thể hoạt động trong cả hai điều kiện nạp nước là liên tục và theo mẻ. Trong đề tài này chúng tôi nghiên cứu về quá trình hoạt động cũng như hiệu suất xử lý của bể keo tụ điện hoá hoạt động theo mẻ.

2.1.2.1 Cấu tạo

Bể gồm có các phần chính: ống dẫn nước đầu vào, thân bể hình hộp chữ nhật, hệ thống các điện cực và bộ phận gạt váng bọt, bùn cặn, phao và ống thu nước đầu ra, h ố chứa b ùn và ống thu bùn.

2.1.2.2 Nguyên tắc hoạt động

Nước thải đầu vào cho vào bể một lần với thể tích đã được xác định. Nước thải phải làm ngập các hệ điện cực ở trong bể.

Nước

Phao nổi

Ống xả váng bọt

Ống thu nước ra

Hệ điện

Ống xả cặn

Hình 2.3. Sơ đồ bể keo tụ điện hóa hoạt động theo mẻ.

Theo Hold, Barton và Mitchell (2004), khi cho dòng điện một chiều đi qua các điện cực thì tại cực dương sẽ diễn ra quá trình hòa tan kim loại. Do đó, các điện cực dương được làm bằng nhôm hoặc sắt thì quá trình này sẽ giải phóng ra các cation (Fe3+ hoặc Al3+). Các cation này sẽ di chuyển vào trong môi trường nước thải.

Những cation (Fe3+ hoặc Al3+) sẽ kết hợp cùng với nhóm hidroxyl và tạo thành

các hidroxit (Al(OH)3, Fe(OH)3) là những chất keo tụ phổ biến trong xử lý nước thải. Các chất keo tụ này sẽ tác dụng vào các hạt keo nhỏ lơ lửng trong nước và liên kết với nhau tạo thành bông cặn có kích thước lớn hơn (Trần Hiếu Nhuệ, 2001).

Bên cạnh đó, việc các phản ứng điện phân đã xảy ra và tạo ra các bọt khí tại cực âm. Các bọt khí này thường là khí H2 và chúng có xu hướng đi lên mặt thoáng của bể keo tụ điện hoá. Trên đường đi của các bọt khí này chúng sẽ bám vào các bông keo đã được tạo ra ở trên và mang chúng theo lên mặt thoáng của bể.

Trong khi đó, các bông keo có kích thước lớn và nặng hơn thì sẽ lắng xuống phía dưới đáy bể. Trên quỹ đạo lắng của các bông cặn này chúng sẽ va chạm và kết cụm với các bông cặn khác, như thế quá trình lắng sẽ diễn ra tốt hơn (Lê Hoàng Việt, 2002).

Tiếp theo, các váng bọt ở phía trên và các bông cặn ở phía dưới đáy bể sẽ được thu gom bằng hệ thống các thanh gạt. Nhưng chúng không được gạt một cách liên tục như bể keo tụ điện hoá hoạt động trong điều kiện nạp nước liên tục mà sẽ được gạt một lần duy nhất vào những phút cuối của thời gian lưu (mục đích là để cô đặc bùn). Sau đó, bùn sẽ được đưa ra khỏi bể bởi những ống xả.

Nước thải đầu ra sẽ được thu bởi hệ thống phao nổi và ống thu. Sau đó, nước thải được dẫn qua các đơn vị xử lý tiếp theo.

2.1.3 Các quá trình diễn ra trong bể keo tụ điện hoá

2.1.3.1 Các phản ứng điện phân xảy ra ở các điện cực

Trong trường hợp điện cực dương làm bằng nhôm (Al) còn điện cực âm làm bằng sắt (Fe). Khi cho dòng điện một chiều đi từ cực dương sang cực âm thì dưới tác dụng của dòng điện thì ở các điện cực xảy ra các quá trình:

Cực dương: xảy ra quá trình oxi hoá Al và tạo thành ion Al3+

Al → Al3+ + 3e-

Cực âm: Cực xảy ra quá trình khử và tạo thành khí H2 2H2O + 2e- → 2OH- + H2

Các bọt khí này có xu hướng đi lên mặt thoáng của bể keo tụ điện hoá. Trên đường đi của các bọt khí này chúng sẽ bám vào các chất rắn lơ lửng, bông bùn đã được tạo ra ở trên và mang chúng theo lên mặt thoáng của bể. Quá trình này đi kèm với việc cô đặc bùn ở bể keo tụ điện hóa hoạt động theo mẻ.

2.1.3.2 Quá trình keo tụ

Các cation Al3+ và Fe3+ được giải phóng ra trong quá trình hoà tan kim loại ở điện cực dương sẽ kết hợp với nhóm hydroxyl (OH-) và tạo thành các hidroxit (Al(OH)3

, Fe(OH)3) là những chất keo tụ phổ biến trong xử lý nước thải.

+	3H2O	→	Al(OH)3	+ 3H+
+	3H2O	→	Fe(OH)3	+ 3H+

Có thể bạn quan tâm!

Xem toàn bộ 154 trang tài liệu này.

Al3+ Fe3+

Al(OH)3 không tan tạo nên bông cặn có độ nhớt cao. Al(OH)3 , Fe(OH)3 lắng xuống với vận tốc chậm sẽ mang theo các chất rắn lơ lửng (Lê Hoàng Việt, 2002).

2.1.3.3 Quá trình loại bỏ photpho trong nước thải

Theo Lâm Minh Triết - Lê Hoàng Việt (2009), một số phương pháp xử lý photpho phổ biến bao gồm:

+ Kết tủa hóa học (thực hiện bằng việc kiểm soát pH và các cation như Ca, Fe

và Al).

+ Đồng hóa photpho bởi vi khuẩn. Thúc đẩy các quá trình loại bỏ photpho

(enhance biological phosphorus removal - EBPR).

+ Vi sinh vật tham gia quá trình kết tủa photpho.

Loại bỏ photpho bằng phương pháp kết tủa hóa học

Quá trình hòa tan kim loại tại điện cực dương được làm bằng nhôm hoặc sắt khi cho dòng điện một chiều đi qua sẽ giải phóng ra các cation (Fe3+ hoặc Al3+). Các cation này sẽ di chuyển vào trong môi trường nước thải và sẽ kết hợp cùng với nhóm hidroxyl tạo thành các hidroxit (Al(OH)3 , Fe(OH)3) là những chất keo tụ phổ biến trong xử lý nước thải.

Bên cạnh đó, một phần những cation (Fe3+ hoặc Al3+) sẽ phản ứng với gốc PO3-4

trong nước thải và tạo thành chất kết tủa (AlPO4, FePO4) (Lâm Minh Triết - Lê Hoàng Việt, 2009).

Phản ứng giữa nhôm và photphat trong nước thải như sau: Al3+ + PO3-4 → AlPO4

Sắt sẽ phản ứng với photpho để tạo thành photphate sắt III: Fe3+ + PO3-4 → FePO4

Các chất kết tủa này sẽ lắng xuống đáy bể hay bị các bọt khí bám vào và mang lên mặt thoáng của nước thải trong bể. Sau cùng là chúng được loại bỏ cùng với các bông bùn và các váng bọt thông qua hệ thống các thanh gạt.

2.1.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến việc thiết kế và vận hành bể keo tụ điện hóa

Do bể keo tụ điện hoá là phương pháp giao thoa giữa ba phương pháp: keo tụ, điện hoá học, tuyển nổi điện phân nên các yếu tố ảnh hưởng đến việc thiết kế và vận hành bể keo tụ điện hóa sẽ tương đồng với các bể ở trên.

Theo Trần Hiếu Nhuệ (2001), các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình hoạt động của bể keo tụ điện hoá:

+ Thành phần hóa học của nước thải: các loại nước thải có thành phần như dầu, mỡ cao thì hiệu suất xử lý cao.

+ Vật liệu các điện cực: (tan hoặc không tan) tốt nhất là các điện cực dương bằng nhôm hay sắt, còn điện cực âm thì là kim loại khác nhôm hoặc sắt và phải đứng sau nhôm hoặc sắt trong dãy điện hóa.

+ Các thông số của dòng điện: điện thế, cường độ, điện trở suất,…Các yếu tố này nên được xác định bằng thực nghiệm.

+ Độ pH: đối với cực tan là nhôm thì khi pH < 4,5 thì không xảy ra quá trình thủy phân. Khi pH > 7,5 làm cho muối kiềm kém tan ít đi và hiệu quả keo tụ bị hạn chế. Trong trường hợp này thì hiệu quả keo tụ cao nhất khi nước có pH = 5,5 -7,5. Đối với trường hợp cực tan là sắt thì phản ứng xảy ra khi pH > 3,5 và quá trình kết tủa sẽ hình thành nhanh chóng khi pH = 5,5 - 6,5.

+ Nhiệt độ: đối với cực tan là nhôm thì nhiệt độ của nước cao, tốc độ keo tụ xảy ra nhanh chóng, hiệu quả keo tụ đạt được càng cao. Độ đục của nước càng cao, thì ảnh hưởng của nước càng rò rệt. Nhiệt độ của nước thích hợp khi dùng cực tan là nhôm vào khoảng 20 - 400C, tốt nhất là 35 - 400C . Đối với cực tan là sắt thì khi thuỷ phân ít bị ảnh hưởng của nhiệt độ, vì vậy nhiệt độ của nước gần bằng 00C vẫn có thể dùng phèn sắt làm chất keo tụ.

Theo Trần Hiếu Nhuệ ( 2001), các thông số kỹ thuật trong thiết kế và vận hành của bể keo tụ điện hoá:

+ Thời gian lưu: 0,3 - 0,75h (t)

+ Khoảng cách giữa hai tấm điện cực: 15 - 20 mm (c)

+ Chiều dày mỗi tấm điện cực: 6 - 10 mm (p)

+ Khoảng cách từ hai tấm điện cực ngoài cùng đến tường: 100 mm (d)

+ Tổng diện tích bề mặt của các điện cực (m2).

+ i: mật độ dòng điện (A/m2).

Mật độ dòng điện được tính bởi công thức:

i = I / S (A/m2)

Trong đó,

- i: mật độ dòng diện (A/m2)

- I: cường độ dòng điện (A)

- S: diện tích bảng điện cực (m2)

Tất cả các thông số trên nên được xác định bằng thực nghiệm. Bởi vì, các thông số này phụ thuộc rất nhiều vào tính chất nước thải và số lượng mẫu thử của chúng ta (thể tích của bể hay lưu lượng).

+ Theo Ramesh Babu, Bhadrinarayana, Meera Sheriffa Begum và Anantharaman (2006), điện năng tiêu thụ có thể được tính bởi công thức:

E = (U*I) / (1000*Q)

Trong đó:

- E: là điện năng tiêu thụ (Wh)

- U: là hiệu điện thế của dòng điện (V)

- I: là cường độ dòng điện (I)

- Q: lưu lượng nước thải (m3/h)

2.1.5 Ưu điểm của phương pháp keo tụ điện hóa

Theo Hold, Barton và Mitchell (2004), phương pháp keo tụ điện hoá có các ưu điểm sau:

+ Thiết bị dùng trong bể keo tụ điện hóa rất đơn giản, dễ dàng vận hành.

+ Bông cặn được hình thành dễ dàng, có khả năng cô đặc bùn tốt.

+ Có thể loại bỏ nhiều thành phần khác nhau trong nước thải như: chất rắn lơ lửng nhỏ, độ màu, độ đục, kim loại nặng… có trong nước thải.

+ Có thể loại bỏ khoảng 95-99% các kim loại nặng trong nước thải.

+ Bọt khí sinh ra trong quá trình tuyển nổi nâng theo các chất lơ lửng, bông cặn lên bề mặt bể để loại bỏ dễ dàng bằng các thiết bị gạt váng.

+ Có thể loại bỏ được các ion hòa tan trong nước thải và tạo thuận lợi cho quá trình keo tụ.

+ Không sử dụng hóa chất nên không gây dư thừa hóa chất rồi tốn hóa chất khác để trung hòa.

Ngoài ra, bể keo tụ điện hoá còn có các ưu điểm sau:

+ Tiết kiệm được chi phí mua hoá chất trong quá trình vận hành các bể xử lý hoá học cổ điển.

+ Trong quá trình vận hành việc thay thế các điện cực là không thường xuyên và rất dễ dàng, không nguy hiểm do điện. Vì có hệ thống ngắt điện rất an toàn và dòng điện sử dụng là dòng điện một chiều.

2.2 Sơ lược phương pháp xử lý sinh học

2.2.1 Giới thiệu về phương pháp xử lý sinh học

2.2.1.1 Khái niệm

Theo Lâm Minh Triết, Nguyễn Thanh Hùng, Nguyễn Phước Dân (2006), quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là quá trình nhằm phân hủy các vật chất hữu cơ ở dạng hòa tan, dạng keo và dạng phân tán nhỏ trong nước thải nhờ vào sự hoạt động của các vi sinh vật.

2.2.1.2 Cơ sở của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học:

Theo Lương Đức Phẩm (2007), cơ sở của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học là dựa trên hoạt động sống của vi sinh vật, chủ yếu là vi khuẩn dị dưỡng hoại sinh có trong nước thải. Quá trình hoạt động của vi sinh vật cho kết quả là các chất hữu cơ gây nhiễm bẩn được khoáng hóa và trở thành những chất vô cơ, các chất khí đơn giản và nước.

Bên cạnh đó, quá trình này chủ yếu là dựa vào khả năng phân huỷ các liên kết hữu cơ dạng hoà tan và không hoà tan của vi sinh vật - chúng sử dụng các liên kết đó như là nguồn thức ăn. Mức độ phân hủy và thời gian phân hủy phụ thuộc vào cấu tạo các chất hữu cơ, độ hòa tan của chúng trong nước và các yếu tố ảnh hưởng khác.

2.2.1.3 Phân loại

Theo Trịnh Thị Thanh, Trần Yêm, Đồng Kim Loan (2004), có 3 nhóm phương pháp xử lý nước thải theo nguyên tắc sinh học:

+ Phương pháp hiếu khí (aerobic process)

+ Phương pháp thiếu khí (anoxic process)

+ Phương pháp yếm khí (anaerobic process)

Dựa trên các cơ sở như: sinh trưởng lơ lửng, sinh trưởng dính bám hay hệ thống sinh trưởng kết hợp của vi sinh vật mà mỗi phương pháp riêng biệt chúng ta còn có thể phân chia thành nhiều phương pháp cụ thể và chi tiết hơn.

2.2.1.3.1 Phương pháp hiếu khí

Theo Lương Đức Phẩm (2007), phương pháp hiếu khí là quá trình xử lý sinh học sử dụng các vi sinh oxi hóa các chất hữu cơ trong điều kiện có oxi. Các phản ứng xảy ra trong quá trình này là do các vi sinh vật hoại sinh hiếu khí hoạt động cần có oxi của không khí để phân hủy các chất hữu cơ có trong nước thải. Các vi sinh vật hoại sinh có trong nước thải hầu hết là các vi khuẩn hiếu khí, kỵ khí hoặc kỵ khí tùy tiện.

Theo Lê Hoàng Việt (2002), quá trình hiếu khí gồm 2 quá trình chính:

Quá trình oxi hóa (dị hóa):

CHONS + O2 + VK hiếu khí → CO2 + NH4+ + sản phẩm khác + năng lượng

Quá trình tổng hợp (đồng hóa):

CHONS + O2 + VK hiếu khí + năng lượng → C5H7O2N (tế bào VK mới)

Khi hàm lượng chất hữu cơ thấp hơn nhu cầu của vi khuẩn, vi khuẩn sẽ trải qua quá trình hô hấp nội bào hay là tự oxi hóa sử dụng nguyên sinh chất của bản thân chúng làm nguyên liệu.

C5H7O2N + 5O2 → 5CO2 + NH4+ + 2H2O + năng lượng

Trong phương pháp hiếu khí, amôn cũng được loại bỏ bằng oxi hóa nhờ vi sinh vật dị dưỡng (quá trình nitrat hóa).