Một số kết quả bước đầu về nghiên cứu áp dụng công nghệ tuyển nổi để xử lý nước thải công nghiệp

12:00' AM - Thứ bảy, 12/04/2003

Trần Quang Chước

Summary

Some of first results in researching and applying flotation for industrial waste water treatment

Flotation is one of very efficient technique to be used for rermoving pollutants from waste waters, especially for removing suspended solids and oils form water and waste water. The nature of the technique is based on air solubility and release in water phase: when pressurized air - liquid mixture is released to atmospheric pressure, air bubbles are released and take the pollutants up and the later will be removed by skimming. This technique is researched and successfully applied in Ha lao Locomotive Factory to treat the oil contaminated waste water form the production in industrial scale. The oil concentration in the waste water is reduced from 120-150 mg/L to 0.8 mg/L.

Tuyển nổi, là phương pháp loại bỏ các chất tan hoặc một vài chất không tan nằm trong nước.

Quá trình tuyển nổi được xây dựng trên nguyên tắc cơ bản sau đây: tạo ra bọt khí sao cho nó có thể ''thu hút'' được dầu/chất rắn lơ lửng sau đó gom bọt lại để lấy dầu/chất rắn lơ lửng đó. Xây dựng lý luận thống nhất về tuyển nổi vẫn gặp khó khăn, vì quá trình tuyển nổi liên qua tới nhiều hiện tượng (lý hoá) phức tạp xảy ra ở ranh giới các pha. Động học của quá trình tuyển nổi, đặc trưng bởi các vấn đề: từ các đại lượng "góc bám dính" và "kích thước bọt", xác định "lực bám dính của bọt vào chất bẩn"; cơ chế tạo màng bọt và các yếu tố quyết định sức bền, độ ổn định của bọt; kích thước hạt lơ lửng có thể tách; sự hấp thụ khí trên bề mặt của hạt lơ lửng và tương tác hoá học của khí với hạt đó; mối quan hệ giữa giá trị góc tới hạn vào thời gian diễn biến quá trình; ảnh hưởng của các tác nhân hoá học đến góc tới hạn và sự bền vững của bọt; điều kiện sinh ra và tạo thành bọt trên giới hạn phân chia giữa vật thể lỏng-rắn và lượng khí hoà tan sẽ tách ra; cơ chế khoáng hoá bọt trong "nước bẩn" và trong lớp bọt.

Đã từ lâu tuyển nổi được sử dụng rộng rãi trong việc làm giàu khoáng sản. Tuy sự ứng dụng lý luận quá trình tuyển nổi trong thực tế làm giàu quặng vào xử lý nước thải là hoàn toàn cho phép, nhưng tìm tòi lý luận sâu sắc trong lĩnh vực này vẫn chưa tiến triển được nhiều, một trong những nguyên nhân đó là, nếu ở quá trình làm giàu quặng, cần phải giải quyết việc "phân chia các khoáng có ích từ quặng", thì trong xử lý nước thải phải thực hiện việc " loại bỏ các chất tan và không tan", mặt khác đặc tính của thành phần nước thải, cũng như các yêu cầu, nhiệm vụ đặt ra cho quá trình xử lý nước thải, đã làm cho việc ứng dụng tuyển nổi vào xử lý nước thải phức tạp thêm.

Trên cơ sở kết quả nghiên cứu cơ bản về quá trình tuyển nổi của các tác giải nước ngoài, chúng tôi đã tiến hành tính toán, kiểm tra bằng thực nghiệm và thu được nhiều thông số cần thiết để thiết kế nốt hệ thống xử lý nước thải ở quy mô công nghiệp, các kết quả đó là:

1. Các yếu tố chính quyết định tính nổi của hạt vật chất bao gồm:

*Năng lượng tự do và lực căng bề mặt.

Trên bề mặt pha có nhiều phần tử có năng lượng thừa và các năng lượng đó ở tình trạng tự do. Năng lượng tự do đó tập trung trên bề mặt làm cho tầng phân tử bề mặt có một năng lượng bề mặt. Nếu muốn tách tầng phân tử bề mặt ra khỏi cả hệ thống pha thì phải tiêu phí công, công đó dùng để thắng sức liên kết của các phân tử ở "hạt vật chất'' , trạng thái năng lượng của các nguyên tử tầng trên bề mặt, khác với trạng thái năng lượng ở trong mạng lưới tinh thể; đối với nước, các nguyên tử nằm trong ''hạt vật chất'' có các lực tác động với xung quanh được cân bằng, các nguyên tử nằm trên tầng bề mặt ngoài của hạt, tuỳ vị trí, đều có nhiều hay ít năng lượng tự do không cân bằng, năng lượng tự do này ở chất rắn thường rất lớn.

* Hiện tượng dính ướt và góc dính ướt của hạt "dầu/chất rắn lơ lửng"

Khi đến gần các bọt khí đang nổi lên trong nước, các hạt lơ lửng sẽ kết dính với các bọt khí này và cùng nó nổi lên trên mặt nước, tạo thành lớp bọt có nồng độ tạp chất cao hơn trong nước ban đầu. Các bóng khí nổi lên bề mặt nước thải, tạo ra một tầng bọt chứa nhiều hạt "dầu/chất rắn lơ lửng"; lấy được tầng bọt đó ra tức là đã thực hiện quá trình tuyển nổi bọt. Đặc tính của quá trình dính ướt chỉ phụ thuộc vào tính chất của bề mặt phân chia các pha. Chỉ những hạt "dầu/chất rắn lơ lửng" không dính ướt mới nổi lên được. Có thể thay đổi tính chất bề mặt của một vật thể và làm cho nó trở thành "dính nước" (háo nước) hay "không dính nước" (sợ nước); như vậy là có thể điều khiển tính nổi của các hạt "dầu/chất rắn lơ lửng" theo ý muốn.

* Công bám dính và điều kiện để hạt "dầu/chất rắn lơ lửng" bám được lên bóng khí"

Khi hạt "dầu/chất rắn lơ lửng" có bề mặt tuyệt đối háo nước thì góc q=0o, tức là cosq=1 và công bám dính Pbd=0 như vậy hạt "dầu/chất rắn lơ lửng" đó không dính được vào bóng khí và sẽ không nổi được lên mà ở lại trong nước thải. Nếu "năng lượng bề mặt tự do ở trên ranh giới phân chia pha" s-LK của nước ở 18oC là 73 ec/cm2 thì: khi q = 1o Công bám dính Pbd sẽ là 0,015; khi q = 10o Công bám dính Pbd sẽ là 1,11; khi q = 60o công bám dính Pbd sẽ là 36,5; khi q =180 o công bám dính Pbd sẽ là 146. Tuỳ vào đại lượng sL-K lớn hay bé, "hạt" sẽ bám vào bóng khí bền hay không. Nếu sL-K giảm đi quá nhiều thì mức độ bền vững của sự bám dính sụt đi rất lớn đến nỗi có khi không thể tuyển nổi được hạt "dầu/chất rắn lơ lửng" (trong thực tế tuyển nổi đã có trường hợp như vậy; khi cho quá nhiều thuốc tạo bọt hoặc khi có thêm những chất hoạt tính bề mặt khác thì dù có tạo ra được bọt, nhưng bọt đó lại nhiều nước, trống rỗng, bám dính rất ít. Và như vậy sự làm nổi bọt hạt "dầu/chất rắn lơ lửng" hầu như không thực hiện được. Điều kiện để "Hạt dầu/chất rắn lơ lửng" bám được lên bóng khí ": với các hạt cỡ không to quá 0,3-0,5 mm, muốn có điều kiện Fn>SQT thì góc dính ướt q phải khoảng từ 5-15o.

2. Các biện pháp chủ yếu điều khiển tính nổi của "hạt vật chất" thường là:

*Tinh ưa lỏng (háo nước) và kị lỏng (sợ nước) của hạt "dầu/chất rắn lơ lưng" (Vật thể có bề mặt dễ dính ướt gọi là vật ưa lỏng, còn vật thể bề mặt không dính ướt gọi là vật kỵ lỏng).

Trường hợp muốn làm cho bóng khí va chạm rồi bám chắc vào vật thể, thì "dầu/chất rắn lơ lửng" cần phải mang tính nước thô ở mức độ nào đó (độ đàn hồi của nước), vật chất có tính "Háo nước, thì bọt khó bám. Muốn làm cho bề mặt hạt "dầu/chất rắn lơ lửng" trờ thành kỵ lỏng cần phải gia công chúng bằng những "hoá chất đặc biệt". Trường hợp bông cặn được tạo thành bằng chất keo tụ kết tủa, thì bóng khí đã được gói vào trong bông cặn, ngay cả vật chất mang lính 'tháo nước" đi nữa thì bóng khí cũng có thể bám chắc vào đối tượng. Trọng lượng của hạt rắn lơ lửng trong nước thải không được lớn hơn lực kết dính với bọt khí và lực nâng của bọt khí; kích thước của hạt phụ thuộc trọng lượng riêng của nó và bằng 0,2-1,5 mm.

*Bóng khí và các chất có hoạt tính bề mặt.

Khả năng hình thành các keo khí phụ thuộc vào bản chất hạt cặn, và có thể phân chia thành 3 dạng:Các hạt cặn va chạm vào bọt khí và bị bám dính; Các bọt khí phát sinh trong lớp cặn lơ lửng; hoặc đầu tiên trong lớp cặn hình thành các bọt khí nhỏ, sau đó chúng va chạm và dính bám với nhau tạo thành các bọt khí lớn có đủ khả năng tuyển nổi.

Sự tách ra khỏi nước, nhttng phần tử cực nhỏ, nằm ở trạng thái lơ lửng, hoặc keo, được thực hiện nhờ sự bám dính của chúng vào bọt khí, các bọt này được tạo từ chất lỏng đã bão hoà khí; hoặc từ các khí như O2; CO2; Cl2; "' (Phát sinh từ các quá trình hoá học), bọt của các khí này có thể kết dính với các chất lơ lửng không tan và đưa chúng lên lớp bọt; hoặc được đưa vào từ bên ngoài; những bọt mạng chất lơ lửng này nổi lên trên mặt tạo thành lớp có nồng độ các chất cần loại cao hơn trong nước ban đầu. Ngoài ra, bọt này còn có thể "thu hút" một vài chất tan và ion.

Suất phát từ công thức của Henry; ta có thể tính được đường kính nhỏ nhất của bóng khí, và rút ra kết luận, muốn tạo thành các bóng khí nhỏ cần phải:giảm sức căng bề mặt trên giới hạn nước-không khí (sk1); hoặc tăng "sự chênh lệch áp suất" (P-P1); hoặc tăng đại lượng quá bão hoà (C-C1). Khối lượng không khí, cấp cho quá trình tuyển nổi, dưới dạng các bọt khí nhỏ là một trong những điều kiện, quyết định sự thành công của quá trình, và được xác định bằng lý thuyết hoặc bằng thực nghiệm, thường thì chiếm từ 1-5% thể tích nước.

Nếu ở quá trình làm giàu quặng sự "bền vững bọt" là không cần thiết vì sau quá trình này còn có một số quá trình khác; nhưng trong quá trình sử lý nước thải cần phải tạo được "bọt bền" để cho các chất mà nó bắt dính nổi lên mặt nước, tạo được cặn có hàm ẩm nhỏ và giữa được cặn để nó không quay trở lại nước.

Trong tuyển nổi nước thải, bọt chứa nhiều nước, đặc biệt là ở các lớp tầng thấp; sự bền vững và sự linh động của bọt thay đổi trong sự liên hệ từ khối lượng chất tác nhân tuyển nổi, và đặc tính của chất bẩn mà bọt mang theo. Sự vững bền của bọt chịu ảnh hưởng của các phân tử chất tạo bọt, và các hạt của chất cần tuyển nổi. Lý thuyết cũng như thực nghiệm chứng minh rằng, đường kính tối tui của bóng bóng khí nằm trong khoảng 50 đến 70 mm. Để thu được giá trị đường kính như thế trong quá trình tuyển nổi bằng khí bão hoà, ta cần phải tạo ra được áp suất cho nước trong khoảng từ 3 đến 5 ata, sau đó thực hiện quá trình dán đột ngột khối nước này. Để có kích thước bọt ổn định trong quá trình tuyển nổi người ta dùng các chất tạo bọt.

*Thời gian tuyển nổi.

Ngoài các điều kiện về: kích thước bọt, áp suất không khí, lưu lượng không khí, mực nước trong thiết bị tuyển nổi, hiệu quả tuyển nổi còn phụ thuộc vào thời gian tuyển nổi,. Theo số liệu thực nghiệm, kích thước bọt 4-20 mm, áp suất không khí 2-5 ata; lưu lượng không khí 40-70 m3/m2h; mực nước trong buồng tuyển nổi 1 ,5-2.0 m, thời gian tuyển nổi phải từ 20-30 phút;.

Ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế, để xử lý nước thải chứa dầu tại Xí nghiệp đầu máy Hà-Lào, Yên Bái.

Nước thải chứa dầu, được thải ra từ các quá trình khai thác, chế biến dầu khí; từ các nhà máy hoá dầu; nhà máy sửa đầu máy xe lửa, ô tô ...vv, ứng dụng kết quả nghiên cứu vào thực tế, chúng tôi đã xây dựng một hệ thống xử lý nước thải chứa dầu cho ngành Đường sắt, đặt tại xí nghiệp đầu máy Hà-Lào, Yên Bái. Trong nước thải chứa dầu, luôn luôn có một phần dầu đáng kể (đến 1 -3 g/l), nằm ở trạng thái nhũ; phần còn lại là những hạt dầu lớn, và các cấu tử nặng (mazút; nhựa đường; ..) có thể nổi lên hay chìm xuống dưới đáy. Các nhũ dầu bảo toàn trạng thái huyền phù của nó rất vững bền, đặc biệt khi nồng độ dầu thấp (không vượt quá 1.000 mg/l), hoặc khi không có các chất hoạt động bề mặt hay bọt khoáng nhỏ, cản trở sự hợp nhất của các hạt nhũ dầu. Vì vậy, quá trình tách dầu ra khó nước thải gặp nhiều khó khăn. Nếu chỉ dùng quá trình lắng tụ, ngay cả khi sự lắng kéo dài, việc xử lý nước thải chứa dầu cũng không đảm bảo. Vì thế, trong những năm gần đây, nhiều nước đã sử dụng công nghệ tuyển nổi để xử lý nước thải chứa dầu, để xử lý nước thải chứa dầu tại xí nghiệp đầu máy Hà-LàO, Yên Bái, chúng tôi cũng theo hướng này.

Nước thải tại xí nghiệp đầu máy Hà-LàO, Yên Bái là một hệ thống phức tạp nhiều thành phần, gồm ba pha: chất rắn lơ lửng (pha rắn); nước chứa dầu (pha lỏng); không khí hoà tan (pha khí). Trên cơ sở các nghiên cứu và thực nghiệm đã thực hiện, chúng tôi quyết định chọn "Tuyển nổi áp lực" để xử lý loại nước thải này. Trong thực tế sử lý nước thải hoặc làm sạch các chất lỏng bằng tuyển nổi, đã xuất hiện nhiều phương pháp khác nhau ở dấu hiệu này cũng như dấu hiệu kia (tuyển nổi với sự tách không khí từ dung dịch; tuyển nổi với việc cho thông khí qua vật liệu xốp; tuyển nổi với sự phân tán không khí bằng cơ khí; tuyển nổi hoá học; tuyển nổi sinh học; tuyển nổi ion; tuyển nổi bằng phương pháp tách phân đoạn bọt; tuyển nổi bằng phương pháp tách phân đoạn bọt rồi phân huỷ bức xạ; ... vv), vì vậy việc lựa chọn phương pháp cũng giữa vai trò quan trọng. Trong một vài trường hợp, chỉ cần một quá trình tuyển nổi cũng thực hiện được việc sử lý nước; nhưng trong trường hợp này, ngoài quá trình tuyển nổi ta cần xử dụng thêm các quá trình xử lý nước khác và hệ thống xử lý nước thải tại xí nghiệp đầu máy Hà-Lào, Yên Bái bao gồm các giai đoạn sau: tạo dung dịch quá bão hoà không khí; giảm áp suất dung dịch quá bão hoà để các bọt khí tách ra khỏi dung dịch và làm nổi chất bẩn; kết dính bọt khí có mang theo chất bẩn; làm cho bọt bền và thô hơn; tách lớp bọt bẩn và cặn ra khỏi nuộc trong bể tuyển nổi.

Sau khi công trình hoàn thành, đã làm giảm hàm lượng dầu, mỡ, khoáng trong nước thải từ 120-150 mg/lít xuống còn 0,8 mg/l . Từ thực tế nay, chúng tôi có điều kiện bổ xung thêm và kiểm tra lại các giả thiết, kết luận rút ra từ nghiên cứu lý luận, đó là:

  • Để tuyển nổi phải tạo ra một môi trường thích hợp cả về mật độ lẫn độ pH của nước thải.

  • Phải tạo ra trong khối nước thải một pha khác, đó là pha khí (không khí); muốn thế phải thổi không khí vào và làm cho không khí có mức độ phân tán cao.

  • Tạo ra khả năng tiếp xúc và va chạm giữa các hạt khoáng vật (dầu/chất rắn lơ lửng) bám chặt lên ranh giới phân chia pha nước không khí (khoáng hoá các bóng khí).

  • Trong một vài loại nước thải cần dùng thuốc tuyển nổi để làm cho bề mặt hạt khoáng vật (dầu/chất rắn lơ lửng) cần nổi trở thành "sợ nước" và cải tạo bề mạt hạt khoáng vật (dầu/chất rắn lơ lửng) không cần làm nổi trờ thành "háo nước".

+ các yêu cầu của công nghệ tuyển nổi rất nhạy cảm và có mối liên hệ với nhau rất chặt chẽ, để thực hiện các yêu cầu này, ta phải thực hiện chính xác các tính toán về thuỷ khí động học cũng như chuyển khối, chúng tôi thiết kế công trình này theo quan điểm hệ thống.

Phương phát tuyển nổi đã v'à đang giữa vai trò quan trong trong việc xử lý nước thải nhằm chống ô nhiễm môi trường và đảm bảo an toàn cho nguồn nước.

TÀI LIÊU THAM KHẢO

1- BERNARD LEGUBE, Aspects fondamentaux du traitement des eaux destinees consommation (ESIP-Laboratoire de chimie de l'eau et de l'environnement- UPRESA CNRS)

2- (Tiếng Nga) MAUHEB A.N.

Sponsor links (Provided by VIEPortal.net - The web cloud services for enterprises)
Thiết kế web, Thiết kế website, Thiết kế website công ty, Dịch vụ thiết kế website, Dịch vụ thiết kế web tối ưu, Giải pháp portal cổng thông tin, Xây dựng website doanh nghiệp, Dịch vụ web bán hàng trực tuyến, Giải pháp thương mại điện tử, Phần mềm dịch vụ web, Phần mềm quản trị tác nghiệp nội bộ công ty,