KEO TỤ - TẠO BÔNG
Coagulation - Flocculation

Giới thiệu chung
Để loại bỏ chất rắn lơ lửng (SS – Suspended
Solid) trong nước/nước thải
ƒ Lắng (Sedimentation)

vS =

g
( ρS − ρL)d 2
18μ

– ρS- khối lượng riêng của hạt (kg/m3)
– ρL- khối lượng riêng của chất lỏng (kg/m3)
– d - kích thước của hạt (m)
– μ - độ nhớt động lực học (kg/ms)

1


Sự liên hệ giữa kích thước hạt và thời gian lắng
Kích thước hạt
(mm)

Loại hạt

Thời gian lắng
(độ sâu 1m)

10

Sỏi

1giây

1

Cát

10 giây

10-1

Cát mịn

2 phút

10-2

Đất sét

2 giờ

10-3

Vi khuẩn

8 ngày


10-4

Hạt keo

2 năm

10-5

Hạt keo

20 năm

Giới thiệu chung (tt)
ƒ Tuyển nổi (Flotation)
– Bọt khí được thêm vào
– Các chất rắn lơ lửng sẽ bám vào bề mặt
của bọt khí và nổi lên
ƒ Lọc (Filtration)
– Chỉ hiệu quả khi kích thước hạt > 1μm
– Phải giảm hàm lượng SS để tránh nghẽn
cột lọc
ƒ Keo tụ tạo bông (Coagulation – Flocculation)

2


Keo tụ tạo bông
ƒ Mục đích: tách các hạt cặn có kích thước
0,001µm < Φ < 1µm, khó tách loại được bằng
các quá trình lý học thông thường như lắng,

lọc, tuyển nổi.
ƒ Hạt keo: 2 dạng chính
– Keo kỵ nước: đất sét, oxit kim loại,…
• Không có ái lực với mt nước
• Dễ keo tụ
• Đa số là những hạt keo vô cơ
– Keo ưa nước: proteins, polymers,…
• Thể hiện ái lực với nước
• Hấp thụ nước và làm chậm qt keo tụ
• Đa số là những hạt keo hữu cơ

Đặc tính của hạt keo
ƒ Khả năng lắng rất chậm (chuyển động Brown
gây cản trở qt lắng do trọng lực)
ƒ Là tác nhân gây ô nhiễm nước e.g tăng độ
đục (turbidity)
ƒ Đặc tính bề mặt (điện thế ζ,…) là yếu tố quan
trọng (surface properties)
– Có xu hướng kết hợp với các chất từ môi trường
xung quanh (tỉ lệ diện tích bề mặt:khối lượng cao
hơn)
– Có xu hướng tăng điện tích

3


Cấu tạo hạt keo

Lực tương tác giữa các hạt


4


Hệ keo
ƒ Khi các hạt keo tiếp xúc với nhau, chúng tạo
thành các hạt có kích thước lớn hơn, tạo bông
và kết tủa
ƒ Lực giữa các hạt keo: lực hút và lực đẩy tĩnh
điện hoặc lực Van der Waals
ƒ Độ lớn: tỉ lệ nghịch với khoảng cách giữa các
hạt
ƒ Khả năng ổn định hạt keo là kết quả tổng hợp
Fh và Fđ
ƒ Điện thế zêta < 0,03V → Fh thắng Fđ. Khi ζ → 0
thì quá trình keo tụ càng đạt hiệu quả

Sự ổn định hệ keo và giá trị ζ

5


Năng lượng tương tác của hệ keo

Cơ chế qt keo tụ tạo bông
ƒ Qt nén lớp điện tích kép, giảm thế điện động
zêta nhờ ion trái dấu
ƒ Quá trình keo tụ do hấp phụ ion trái dấu trên
bề mặt, trung hòa điện tích tạo ra điểm đẳng
điện ζ = 0
ƒ Cơ chế hấp phụ - tạo cầu nối

Các polymer có thể ion hóa, nhờ cấu trúc
mạch dài chúng tạo cầu nối giữa các hạt keo
qua các bước:
–
–
–
–

Phân tán polymer
Vận chuyển polymer đến bề mặt hạt
Hấp phụ polymer lên bề mặt hạt
Lk giữa các hạt đã hấp phụ polymer với nhau hoặc với các hạt khác

ƒ Qt keo tụ hấp phụ cùng lắng trong qt lắng

6


Cơ chế (tt)
ƒ Trung hòa điện tích
– Sự hấp phụ các chất mang điện tích trái dấu với các
hạt keo
– Giảm thế điện thế bề mặt và làm mất ổn định hệ
keo
– Hàm lượng chất keo tụ tăng → nồng độ hạt keo tăng
– Quá nhiều chất keo tụ → tái ổn định hệ keo

ƒ Qt keo tụ - hấp phụ cùng lắng trong qt lắng
Phèn nhôm
Phèn sắt


pH

Al(OH)3
Fe(OH)3 ↓

Cơ chế tạo cầu nối
ƒ Phản ứng 1: phân tử polymer kết dính với hạt keo
(tích điện trái dấu)

ƒ Phản ứng 2: phần còn lại của polymer ở trên liên
kết với những vị trí hoạt tính trên bề mặt các hạt
keo khác

7


Cơ chế tạo cầu nối (tt)
ƒ Phản ứng 3: hiện tượng tái bền hạt keo

ƒ Phản ứng 4: nếu quá thừa polymer

Cơ chế tạo cầu nối (tt)
ƒ Phản ứng 5: nếu khuấy trộn quá mạnh
hoặc quá lâu, lk giữa hạt keo và polymer
sẽ bị phá vỡ

ƒ Phản ứng 6: tái bền hạt keo

8



Chất keo tụ (Coagulant)
Thường sử dụng trong xử lý nước và nước
thải: Fe(III) và Al(III)
– FeCl3
– Alum
– Rẻ, phụ thuộc lớn vào pH

Hóa học của chất keo tụ
ƒ Cả Al3+ và Fe3+ đều p/ư mạnh với nước →
các hydroxide kết tủa
Al3+ + 3H2O → Al(OH)3↓ + 3H+
Fe3+ + 3H2O → Fe(OH)3↓ + 3H+

ƒ Ở pH cao:
Al(OH)3↓ + OH- → Al(OH)4Fe(OH)3↓ + OH- → Fe(OH)4-

9


Chất keo tụ - Alum
ƒ Tạo thành từ quặng Bauxit hòa tan trong
H2SO4
ƒ Dung dịch tạo thành được loại bỏ tạp chất,
trung hòa, cho bay hơi để tạo thành các miếng
Nhôm Sulfate
ƒ Có màu xám hoặc trắng vàng (tùy vào hàm
lượng tạp chất)
ƒ Công thức: Al2(SO4)3(H2O)n (n = 0,6,10,16,18

và 27)

Alum (tt)
Alum hòa tan và p/ư với kiềm trong nước
Al2(SO4)3(H2O)n↓ + HCO3- → Al(OH)3↓ + CO2↑
+ SO42- + H2O
– Kết tủa Al(OH)3 màu trắng
– CO2 tạo thành dạng bọt khí trong nước và bám
trên thành cốc thí nghiệm Jar Test
– SO42- tồn tại trong nước
– 1g Alum tiêu thụ hết 0,5g độ kiềm

10


Alum (tt)

pH > 9,5: Al(OH)4-

pH < 4

pH = 5 → 9: nhiều dạng kết
tủa, chủ yếu Al(OH)3

pH = 4,5 → 5
AlOH2+, Al8(OH)204+

Alum (tt)
Nếu sự keo tụ (bằng Alum) ở trong vùng tái ổn định
(restabilization):

ƒ Tăng hàm lượng Alum sử dụng → thoát khỏi miền
đảo ngược điện tích
→ Tăng nồng độ SO42-

ƒ Thêm dd vôi → tăng pH, chuyển sang phía bên phải
vùng tái ổn định
ƒ Thêm chất tạo bông để kết bông các keo mang điện
dương
ƒ Thêm chất keo tụ mang điện âm (bentonite, silica
hoạt tính) → giảm điện tích dương của hạt keo →
tạo bông
→ trọng lượng hạt keo tăng → tăng vận tốc lắng

11


Hợp chất Fe
ƒ 3 dạng muối sắt chủ yếu thường gặp trong
xử lý nước:
ƒ FeCl3.6H2O

: Ferric chloride

ƒ Fe2(SO4)3(H2O)9

: Ferric sulfate

ƒ FeSO4(H2O)7

: Ferrous sulfate


ƒ Fe2+ thường kết tủa dưới dạng Fe(OH)2 và
FeCO3
ƒ Độ kiềm nước tự nhiên: chủ yếu HCO3- →
thêm vôi vào
Fe2+ + HCO3- + OH- → FeCO3 + H2O

Hợp chất Fe (III)
ƒ Fe2(SO4)3.nH2O ← OXH FeSO4 bằng HNO3
ƒ n: 0, 3, 6, 7, 10 và 12

ƒ FeCl3.nH2O ← cho HCl p/ư với Fe, Fe2(CO3)2
hoặc Fe2O3.
ƒ n: 6 (chủ yếu); 2; 2,5 và 3,5

ƒ Các dạng khác
ƒ Fe(OH)2+
ƒ Fe(OH)4-

12


Mô hình Jar Test

13


Jar Test (tt)
ƒ Mục đích: xác định hàm lượng chất keo tụ thích hợp
ƒ Tiến trình thí nghiệm

– Lấy thể tích mẫu xác định
– Thêm vào chất keo tụ với hàm lượng tăng dần
– Khuấy trộn nhanh trong (3 phút), sau đó khuấy
chậm trong (12 phút), để lắng
– Đo độ đục của mẫu
ƒ Để đánh giá hiệu suất của quá trình keo tụ tạo bông
– Vận tốc lắng
– Độ đục
– Thể tích phần cặn lắng

Jar Test (tt)
Nếu không xảy ra keo tụ, hoặc bông cặn tạo thành
không thích hợp
ƒ Sử dụng hàm lượng chất keo tụ lớn hơn
ƒ Kiểm tra độ kiềm của nước thải đầu vào (thêm Soda)
ƒ Nhiệt độ của nước thấp → p/ư keo tụ không xảy ra

Jar Test:
ƒ Đánh giá hiệu quả của các chất keo tụ khác
nhau
ƒ Khả năng xử lý màu, mùi và sản phẩm phụ
của quá trình khử trùng

14


Jar Test

Một số chất keo tụ vô cơ


15


Động học qt keo tụ tạo bông
ƒ Qt keo tụ: lý thuyết về sự phá bền hạt keo
ƒ Qt tạo bông: sự tiếp xúc giữa các hạt keo đã bị
phá bền, theo các cơ chế sau
– Tiếp xúc do chuyển động nhiệt
• Chuyển động Brown/sự khuyếch tán, tạo thành các hạt Φ →
1µm
• Perikinetic flocculation

– Tiếp xúc từ sự chuyển động của lưu chất
• Gây ra bởi qt khuấy trộn lưu chất
• Orthokinetic flocculation

– Tiếp xúc do quá trình lắng của các hạt

Động học qt keo tụ tạo bông (tt)
ƒ Hạt có kích thước nhỏ: chủ yếu là perikinetic
flocculation
ƒ Nếu Φ=1µm và G=10s-1 thì Jok=Jpk
ƒ Các hạt có xu hướng kết hợp tạo thành hạt
có kích thước 1µm bằng chuyển động Brown
(perikinetic flocculation) → khuấy trộn để duy
trì tiếp tục sự keo tụ tạo bông (orthokinetic
flocculation)
ƒ Độ đục tăng → giá trị G tối ưu giảm

16



Perikinetic flocculation
J =
pk

dN − 4.η. k . T
=
.( N )
dt
3. μ
0

2

0

– Jpk - tốc độ thay đổi nồng độ các hạt keo theo thời gian do
Perikinetic flocculation
– N0 - nồng độ các hạt lơ lửng tại thời điểm t
– η - hệ số hiệu quả của sự va chạm (tiếp xúc)
– k - hằng số Boltzman
– T – nhiệt độ tuyệt đối
– µ- độ nhớt của chất lỏng

ƒ Tốc độ quá trình Perikinetic flocculation không phụ thuộc
kích thước hạt
ƒ Jpk tỉ lệ thuận với nồng độ các hạt lơ lửng

Orthokinetic flocculation

J OK

dN 0 2.η .G.d 3
=
=
.( N 0 ) 2
dt
3
Jpk=

=.
P
G
Jdtok=

ƒ d - đường kính của hạt
ƒ G - gradient vận tốc, phụ thuộc vào
– Thành phần hóa học của nước
– Bản chất và nồng độ keo trong nước

17


Giá trị G và t
ƒ G và t tối ưu phụ thuộc vào
– Thành phần hóa học của nước
– Bản chất và nồng độ của bông cặn

ƒ G tối ưu giảm khi độ đục tăng
ƒ G quá cao → cặn bị vỡ

ƒ t quá cao → cặn bị ăn mòn
ƒ Quá trình tạo bông:
– Ban đầu, bông cặn được tạo thành với giá trị G
cao
– Khi bông cặn lớn dần, giảm dần G để tránh làm
vỡ bông cặn

Giá trị G và t

18


Chất tạo bông (Flocculant)
ƒ Nồng độ cặn thấp:
¾

Cần sử dụng chất keo tụ với hàm lượng cao

¾

Bông cặn tạo thành nhẹ, dễ vỡ và lắng chậm

ƒ Chất tạo bông
¾

Sử dụng để tăng đặc tính của bông cặn (tính bền,
khả năng lắng,…)

¾


Silica hoạt tính

¾

Bentonite

¾

Vôi

¾

polymers

Chất tạo bông – vai trò
ƒ Thay đổi pH → thay đổi điện tích bề mặt hạt
keo
ƒ Tạo độ kiềm thích hợp cho qt keo tụ
ƒ Giảm điện tích bề mặt (bằng cách hấp phụ
trên bề mặt hạt keo) → thoát khỏi vùng tái
ổn định hạt keo
ƒ Tạo cầu nối giữa các hạt keo → tạo bông
cặn
ƒ Tăng độ bền của bông cặn
ƒ Tăng nồng độ các phần tử trong dung dịch
ƒ Tăng trọng lượng của bông cặn

19



Polymers
Polymer hữu cơ
ƒ Khối lượng phân tử lớn, mạch dài
ƒ Polymer tự nhiên: hiệu quả thấp
ƒ Polymer tổng hợp: hiệu quả cao hơn

Polymer tổng hợp
ƒ Có thể chứa các nhóm mang điện
ƒ Thường sử dụng trong các nhà máy xử lý nước,
nước thải

Thiết bị của quá trình keo tụ
ƒ Trung hòa, làm mất ôn định các hạt keo
ƒ Chất phản ứng được khuếch tán vào dung
dịch càng nhanh càng tốt
ƒ Thể tích chất phản ứng được thêm vào rất
nhỏ so với thể tích dung dịch cần xử lý
ƒ Thiết bị khuấy trộn phải đảm bảo:
– Gây độ xáo trộn thích hợp
– Phân tán nhanh các chất phản ứng vào dung dịch

20


Máy trộn tĩnh (Static Mixers)

Máy trộn tĩnh (tt)
ƒ Không có các phần linh động → dễ bảo dưỡng
và sữa chữa
ƒ Màng chắn, lưới,…được lắp phía trong đường

ống → tạo sự xáo trộn cần thiết để khuếch tán
chất keo tụ
ƒ Nhược điểm
– Tổn thất cột áp lớn
– Không phù hợp khi lưu lượng dòng chảy giảm

21


Máy trộn khí nén (Pneumatic Mixers)
ƒ Khí nén được sử dụng như 1 thiết
bị khuấy trộn, được đưa vào thông
qua máy khuếch tán
ƒ Khi bọt khí nổi lên → gây sự xáo
trộn
ƒ Mức độ xáo trộn được điều chỉnh
bởi loại máy khuếch tán và áp suất

ƒ Nhược điểm
– Các bông cặn có thể bám vào bọt khí → gây
cản trở quá trình lắng của bông cặn

Máy trộn cơ học (Mechanical Mixers)

ƒ Sự xáo trộn được tạo ra do động cơ turbin/chân vịt/mái
chèo,…quay
ƒ Tiêu hao nhiều năng lượng → chi phí vận hành và bảo
dưỡng cao
ƒ Liên tục hoặc gián đoạn


22


Quy trình công nghệ xử lý nước thải
KCN Lê Minh Xuân
Song chắn rác
Hố thu
Bể điều hòa
Screenings

Anionic polymer

Bể lắng 1

Tạo bông

NaOH

PAC

Bể keo tụ

Bể chỉnh
pH
Nước Javel

HCl
Bể khử trùng
Bể trung hòa
Cationic

polymer

Aerotank

Bể lắng 2

Ép bùn
Treated water
Đốt

NaOH
PAC

Anionic polymer

HCl

23