Đông tụ hóa học trong xử lý nước: Quy trình, chất đông tụ & Vai trò của PAM

Đông tụ hóa học là một quá trình xử lý nước và nước thải sử dụng các tác nhân hóa học để làm mất ổn định các hạt lơ lửng, chất keo và chất hữu cơ hòa tan để chúng có thể được tổng hợp và loại bỏ khỏi dung dịch. Đây là một trong những bước lâu đời nhất và được áp dụng rộng rãi nhất trong cả lọc nước uống và xử lý nước thải công nghiệp, tạo thành nền tảng của chuỗi xử lý đông tụ-kết bông-lắng lắng rộng hơn.

Để hiểu tại sao quá trình đông tụ là cần thiết, cần hiểu tại sao các hạt mịn lại không tự lắng xuống. Hầu hết các hạt lơ lửng và chất keo trong nước đều mang điện tích bề mặt âm. Điện tích này tạo ra lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt lân cận, giữ cho chúng phân tán ở trạng thái lơ lửng ổn định - đôi khi là vô tận. Chỉ riêng trọng lực không thể vượt qua lực đẩy này đối với các hạt nhỏ hơn khoảng 10 µm, bao gồm chất rắn keo, đất sét mịn, đại phân tử hữu cơ và tế bào vi sinh vật tạo thành phần có vấn đề nhất của nước đục.

Sự đông tụ hóa học hoạt động bằng cách đưa các chất tích điện dương vào nước để trung hòa các điện tích bề mặt này. Một khi lực đẩy giảm đi hoặc bị loại bỏ, lực hút van der Waals giữa các hạt chiếm ưu thế và các hạt bắt đầu va chạm và dính vào nhau - một quá trình gọi là mất ổn định. Các hạt micro-floc thu được vẫn còn nhỏ ở giai đoạn này, nhưng giờ đây chúng có thể được trộn nhẹ nhàng và kết nối polyme ở bước keo tụ tiếp theo, giúp tạo thành các khối tổng hợp lớn, dày đặc, có thể lắng được.

► Đông tụ và keo tụ: Tìm hiểu sự khác biệt

Sự đông tụ và keo tụ thường được sử dụng thay thế cho nhau, nhưng chúng mô tả hai cơ chế riêng biệt và tuần tự. Việc nhầm lẫn chúng sẽ dẫn đến trình tự định lượng được thiết kế kém, cường độ trộn không chính xác và hiệu suất xử lý dưới mức tối ưu.

đông máu là một quá trình hóa học Nó xảy ra trong vòng vài giây sau khi bổ sung chất keo tụ dưới sự trộn nhanh, năng lượng cao. Chất keo tụ – thường là muối kim loại vô cơ hoặc polyme hữu cơ tổng hợp – trung hòa điện tích bề mặt của các hạt lơ lửng và bắt đầu hình thành các hạt vi mô sơ cấp. Không có sự thay đổi về kích thước hạt rõ ràng bằng mắt thường. Biến vận hành chính ở giai đoạn này là độ pH, nó kiểm soát sự hình thành và hiệu quả của chất keo tụ.

Keo tụ là một quá trình vật lý xảy ra sau quá trình đông máu. Trong quá trình trộn chậm, nhẹ nhàng, các vi hạt không ổn định va chạm và được kết nối với nhau bằng các polyme keo tụ có trọng lượng phân tử cao - phổ biến nhất là polyacrylamide - thành các khối tổng hợp lớn hơn và dày đặc hơn dần dần được gọi là khối. Những bông bùn này có thể nhìn thấy được, thường có đường kính vài mm và đủ nặng để lắng xuống dưới tác dụng của trọng lực hoặc bị giữ lại bởi vật liệu lọc. Biến số vận hành chính ở giai đoạn này là cường độ trộn: quá mạnh và các bông cặn bị tách rời; quá nhẹ nhàng và tần số va chạm không đủ cho sự tăng trưởng.

Trong thực tế, hai giai đoạn này được thực hiện tuần tự trong cùng một bình xử lý hoặc trong các buồng trộn nhanh và trộn chậm chuyên dụng. Không có giai đoạn nào có hiệu quả nếu không có giai đoạn kia — quá trình đông tụ mà không kết tụ khiến các hạt micro-floc quá nhỏ để lắng xuống, trong khi quá trình keo tụ không kết tụ không thành công vì các hạt không tích điện không thể kết nối được.

▶ Các chất đông tụ hóa học thông thường và cách thức hoạt động của chúng

Chất đông tụ hóa học được chia thành hai loại chính: muối kim loại vô cơ và polyme hữu cơ. Hầu hết các hệ thống xử lý công nghiệp và đô thị đều sử dụng chất keo tụ vô cơ làm tác nhân trung hòa điện tích chính, thường kết hợp với chất trợ keo tụ hữu cơ như polyacrylamide để hoàn thành bước hình thành bông bùn.

Trong số này, poly-nhôm clorua (PAC) đã trở thành chất keo tụ chiếm ưu thế trong xử lý công nghiệp hiện đại do cấu trúc tiền thủy phân của nó, cung cấp trực tiếp các loại nhôm hydroxit hoạt tính mà không cần khả năng đệm của nước để thúc đẩy quá trình thủy phân. PAC hoạt động hiệu quả trên phạm vi pH rộng hơn so với phèn thông thường và thường yêu cầu liều lượng thấp hơn để đạt được độ đục tương đương, tạo ra lượng bùn ít hơn trong quy trình. Chất keo tụ gốc sắt được ưu tiên sử dụng khi mục tiêu xử lý là loại bỏ phốt pho hoặc khi độ pH đầu vào thấp tự nhiên.

▶ Quy trình đông tụ-kết bông từng bước

Một hệ thống đông tụ-kết bông được thiết kế tốt sẽ di chuyển nước qua bốn giai đoạn riêng biệt, mỗi giai đoạn có điều kiện pha trộn, thời gian lưu trú và điểm bổ sung hóa chất cụ thể. Hiểu mục đích của từng giai đoạn là điều cần thiết để chẩn đoán các vấn đề về hiệu suất và tối ưu hóa việc sử dụng hóa chất.

Giai đoạn 1 - Trộn nhanh (Flash Mix)

Chất keo tụ được bơm vào dòng nước đến và phân tán đồng đều trong vòng vài giây bằng cách trộn cường độ cao (giá trị G thường là 300–1000 s⁻¹). Mục tiêu là hoàn thành việc phân phối tức thời chất keo tụ trong toàn bộ thể tích nước. Trộn không đủ ở giai đoạn này dẫn đến vùng quá liều cục bộ và lượng nước lớn chưa được xử lý. Thời gian lưu trú ngắn - thường là 30 giây đến 2 phút.

Giai đoạn 2 - Trộn chậm (Kết bông)

Sau khi trộn nhanh, nước đi vào bể keo tụ nơi cường độ trộn giảm mạnh (giá trị G là 10–75 s⁻¹). Chất keo tụ — polyacrylamide trong hầu hết các hệ thống công nghiệp — được thêm vào khi bắt đầu giai đoạn này. Trộn nhẹ nhàng, giảm dần trong vòng 15–45 phút cho phép các hạt vi mô va chạm và phát triển dần dần mà không bị vỡ do lực cắt gây ra. Độ dốc trộn thường được thiết kế để giảm dần theo từng giai đoạn trong lưu vực, tạo ra các bông bùn lớn hơn và mạnh hơn về phía đầu ra.

Giai đoạn 3 - Lắng đọng (Làm rõ)

Nước keo tụ đi vào bể lắng hoặc bể lắng nơi tốc độ dòng chảy giảm xuống gần bằng 0, cho phép các hạt keo lắng xuống dưới trọng lực. Các thiết bị làm sạch hình chữ nhật hoặc hình tròn thông thường có mục tiêu đạt tốc độ tràn bề mặt là 0,5–2,5 m/h cho hầu hết các ứng dụng công nghiệp và đô thị. Bùn lắng được thu gom ở đáy và loại bỏ liên tục hoặc theo mẻ để khử nước ở hạ lưu.

Giai đoạn 4 - Lọc (Đánh bóng)

Ngay cả sau khi lắng, một phần hạt bông mịn vẫn còn trong nước thải đã được làm sạch. Phương tiện lọc dạng hạt - cát, than antraxit hoặc lớp phương tiện kép - thu giữ các chất rắn còn sót lại này và mang lại độ đục cho các tiêu chuẩn xả thải cuối cùng hoặc tái sử dụng. Trong các hệ thống có giới hạn quy định nghiêm ngặt, màng lọc có thể thay thế hoặc bổ sung môi trường dạng hạt ở giai đoạn này.

▶ Polyacrylamide tăng cường đông máu hóa học như thế nào

Chỉ riêng các chất keo tụ vô cơ có khả năng làm mất ổn định các hạt và hình thành các hạt vi mô, nhưng chúng hiếm khi đủ để tạo ra các hạt keo tụ lớn, đậm đặc, lắng nhanh cần thiết để làm trong hiệu quả. Đây là nơi xử lý nước polyacrylamide (PAM) đóng vai trò quan trọng trong quá trình đông tụ-keo tụ.

Cơ chế bắc cầu

Polyacrylamide là một loại polymer có trọng lượng phân tử cao - thường dao động từ 5 đến 25 triệu Dalton - có cấu trúc chuỗi mở rộng cho phép một phân tử đơn lẻ hấp phụ đồng thời lên nhiều hạt. Cơ chế cầu nối polyme này liên kết vật lý các hạt vi mô thành các tập hợp lớn hơn hiệu quả hơn nhiều so với việc chỉ trung hòa điện tích. Kết quả là các khối bông không chỉ lớn hơn mà còn có cấu trúc bền hơn và có khả năng chống cắt tốt hơn trong quá trình bơm và khử nước. Độ bền của bông và khả năng lắng là hai thông số hiệu suất được cải thiện trực tiếp nhất bằng cách bổ sung PAM.

Chọn đúng loại PAM

PAM có sẵn ở dạng anion, cation và không ion, và việc chọn đúng loại ion cũng quan trọng như chọn đúng chất keo tụ. Quyết định này phụ thuộc chủ yếu vào điện tích bề mặt của các hạt micro-floc được tạo ra sau khi bổ sung chất keo tụ:

• PAM anion hoạt động tốt nhất sau khi chất keo tụ vô cơ như PAC hoặc phèn đã tạo ra bề mặt bông tích điện dương. Chuỗi PAM tích điện âm là cầu nối giữa các vị trí tích cực này. Chất keo tụ polyacrylamide anion là lựa chọn tiêu chuẩn trong xử lý nước uống, làm sạch chất thải khai thác mỏ và hầu hết các quy trình làm trong công nghiệp trong đó chất keo tụ vô cơ được sử dụng ở thượng nguồn;
• PAM cation được ưu tiên khi chất rắn lơ lửng mang điện tích âm mạnh, khi tải lượng chất hữu cơ cao hoặc khi ứng dụng chủ yếu là khử nước bùn và tuyển nổi không khí hòa tan. các chất keo tụ polyacrylamide cation có thể thực hiện đồng thời cả quá trình trung hòa điện tích và bắc cầu, giảm hoặc loại bỏ sự cần thiết của chất keo tụ vô cơ riêng biệt trong một số ứng dụng;
• PAM không ion được sử dụng trong các vùng nước có cường độ ion thấp hoặc nơi độ pH cực cao làm cho các polyme tích điện kém hiệu quả hơn, chẳng hạn như trong một số ứng dụng khai thác mỏ và mỏ dầu.

Trình tự định lượng và các thông số thực tế

Trình tự bổ sung chính xác là rất quan trọng: chất keo tụ vô cơ phải được thêm vào trước và được phép trung hòa điện tích hoàn toàn bằng cách trộn nhanh trước khi đưa PAM vào. Thêm PAM quá sớm - trước khi hình thành microfloc - sẽ gây lãng phí polymer và thực sự có thể ổn định các hạt bằng cách bão hòa bề mặt của chúng trước khi hình thành các vị trí cầu nối. Các thông số chuẩn bị chính cho PAM trong hệ thống đông máu:

• Hòa tan PAM thành dung dịch 0,1–0,3% w/v trong nước sạch trước khi dùng thuốc;
• Cho phép thời gian hydrat hóa tối thiểu 45 phút trước khi sử dụng;
• Giữ tốc độ đầu máy khuấy dưới 3 m/s để ngăn chặn sự suy giảm lực cắt của chuỗi polyme;
• Liều lượng PAM ở đầu vào giai đoạn keo tụ trộn chậm, không phải ở điểm trộn nhanh;
• Phạm vi liều hiệu quả điển hình: 0,1–5 mg/L, được xác nhận bằng thử nghiệm trong bình trên vùng nước thực tế.

▶ Lựa chọn chất keo tụ: Kết hợp hóa học với nước của bạn

Quá trình lựa chọn phải được thúc đẩy bởi tính chất hóa học cụ thể của nước thải, chất lượng nước thải mục tiêu và các bước xử lý tiếp theo có sẵn. Khung dưới đây cung cấp điểm khởi đầu để kết hợp hóa học đông tụ với các kịch bản xử lý công nghiệp và đô thị thông thường. Đối với các ứng dụng dành riêng cho từng trang web, hãy xem toàn bộ phạm vi của ứng dụng lĩnh vực xử lý nước .

Thử nghiệm bình - tiến hành các thử nghiệm đông tụ quy mô nhỏ với nước thực tế tại chỗ với nhiều liều lượng chất đông tụ và cấp độ PAM - vẫn là phương pháp đáng tin cậy nhất để xác nhận lựa chọn trước khi cam kết mua sắm hóa chất trên quy mô đầy đủ. Kết quả từ các thử nghiệm trong bình phải bao gồm các phép đo độ đục lắng, kích thước khối keo tụ, tốc độ lắng và độ trong của lớp nổi ở mỗi điều kiện thử nghiệm.

▶ Các vấn đề đông máu thường gặp và cách khắc phục

Ngay cả các hệ thống đông máu được thiết kế tốt cũng gặp phải các vấn đề về hiệu suất. Hầu hết các vấn đề đều bắt nguồn từ một trong bốn nguyên nhân gốc rễ: liều lượng chất keo tụ không chính xác, độ pH không phù hợp, điều kiện trộn kém hoặc loại PAM sai. Khung chẩn đoán bên dưới bao gồm các lỗi thường gặp nhất.

a) Floc yếu hoặc chốt sẽ không lắng

Các khối nhỏ, khuếch tán không chịu lắng thường là dấu hiệu của PAM dưới liều lượng, thời gian keo tụ không đủ hoặc cường độ trộn quá cao trong giai đoạn trộn chậm. Trước tiên, hãy kiểm tra nồng độ tạo thành PAM và thời gian hydrat hóa - polyme hòa tan một phần tạo thành các tập hợp gel "mắt cá" không có hoạt tính bắc cầu. Nếu việc phân bổ được xác nhận là phù hợp, hãy tăng liều PAM đồng thời theo dõi kích thước khối keo tụ và xác minh rằng giá trị G trộn chậm nằm trong phạm vi 10–75 s⁻¹.

b) Sự vỡ bông và chất nổi đục sau khi làm trong ban đầu

Khối bông hình thành tốt nhưng bị vỡ ra trong quá trình chuyển sang bể lắng cho thấy hư hỏng do cắt ở cánh bơm hoặc đường ống bị uốn cong. Khối bông dễ vỡ cũng có thể là kết quả của việc sử dụng quá liều PAM, tạo ra lớp không gian đẩy xung quanh các hạt quá bão hòa. Giảm liều PAM và đánh giá xem liệu khối bông có tái phát triển khi trộn nhẹ nhàng hay không. Nếu nguyên nhân là do cắt, hãy di chuyển phần bổ sung PAM đến một điểm ở phía hạ lưu của máy bơm, nơi có dòng chảy tầng.

c) Nhôm hoặc sắt dư lượng cao trong nước thải đã được làm sạch

Các ion kim loại keo tụ còn sót lại trong nước đã xử lý cho thấy hoạt động pH nằm ngoài cửa sổ kết tủa hydroxit tối ưu. Độ hòa tan của nhôm tăng mạnh dưới độ pH 6 và trên độ pH 8 - cả hai điều kiện đều tạo ra các loại nhôm hòa tan đi qua quá trình lắng và lọc. Thắt chặt kiểm soát độ pH để duy trì nước thải trong phạm vi 6,5–7,5 đối với chất keo tụ gốc nhôm và 5,5–8,5 đối với hệ thống gốc sắt.

d) Khối lượng bùn quá mức

Quá liều chất keo tụ là nguyên nhân phổ biến gây ra việc sản xuất bùn không cần thiết và tăng chi phí xử lý. Nhiều chất keo tụ hơn không phải lúc nào cũng có nghĩa là làm rõ tốt hơn — vượt quá liều lượng tối ưu, chất keo tụ dư thừa sẽ trở thành bùn. Chạy lại các thử nghiệm trong bình để thiết lập liều lượng hiệu quả tối thiểu và kiểm tra việc lựa chọn loại PAM: PAM có trọng lượng phân tử cao hơn tạo ra các khối mạnh hơn ở liều lượng chất keo tụ thấp hơn thường là giải pháp tiết kiệm chi phí nhất cho lượng bùn cao.

▶ Kết luận

Đông tụ hóa học là nền tảng của xử lý nước và nước thải trên các ứng dụng đô thị, công nghiệp và khai thác mỏ. Hiệu quả của nó phụ thuộc nhiều hơn vào việc chỉ thêm chất keo tụ - hiệu suất tối ưu đòi hỏi phải lựa chọn chất keo tụ chính xác, kiểm soát độ pH chính xác, bổ sung hóa chất theo trình tự hợp lý và chất trợ keo tụ polyacrylamide phù hợp để hoàn thành quá trình tạo bông. Khi các yếu tố này được căn chỉnh, các hệ thống keo tụ-keo tụ luôn đạt được khả năng loại bỏ độ đục cao, tách chất gây ô nhiễm hiệu quả và quản lý được lượng bùn với chi phí vận hành cạnh tranh.

Polyacrylamide vẫn là chất hỗ trợ keo tụ linh hoạt và được sử dụng rộng rãi nhất trong các hệ thống đông tụ hóa học trên toàn thế giới. Việc chọn đúng loại ion, trọng lượng phân tử và mật độ điện tích cho ma trận nước cụ thể — cũng như chuẩn bị và định lượng chính xác — là những gì tạo nên sự khác biệt giữa một hệ thống hoạt động tốt với một hệ thống tiêu thụ quá nhiều hóa chất và gặp khó khăn trong việc đáp ứng các giới hạn xả thải.

Jiangsu Hengfeng Fine Chemical Co., Ltd. sản xuất nhiều loại polyacrylamide anion, cation và không ion được thiết kế cho các ứng dụng đông tụ-keo tụ trong xử lý nước, nước thải công nghiệp và khử nước bùn. Với sự hỗ trợ của phòng thí nghiệm nội bộ, đội ngũ kỹ thuật của Hengfeng có thể hỗ trợ lựa chọn cấp độ, quy trình kiểm tra bình và tối ưu hóa liều lượng cho hệ thống xử lý cụ thể của bạn. Liên hệ với chúng tôi để thảo luận về các mục tiêu xử lý và hóa học nước của bạn.