Keo tụ (Flocculation)

Phân biệt với Đông tụ (Coagulation)

Trong thực tế, keo tụ (flocculation) thường bị nhầm lẫn với đông tụ (coagulation). Tuy nhiên, đây là hai giai đoạn riêng biệt nhưng nối tiếp nhau trong một quy trình xử lý hoàn chỉnh:

• Đông tụ (Coagulation): Là giai đoạn đầu tiên, có mục đích khử bền các hạt keo. Các hạt keo trong nước thường mang điện tích âm, đẩy lẫn nhau và duy trì trạng thái lơ lửng bền vững. Bằng cách thêm các hóa chất gọi là chất đông tụ (coagulant) – thường là các muối kim loại hóa trị cao như phèn nhôm $Al_2(SO_4)_3$ hoặc phèn sắt $FeCl_3$ – các ion dương sẽ trung hòa điện tích âm trên bề mặt hạt keo. Điều này phá vỡ lực đẩy tĩnh điện, cho phép các hạt tiến lại gần nhau. Quá trình này đòi hỏi khuấy trộn nhanh và mạnh để hóa chất được phân tán đều và diễn ra gần như tức thời.
• Keo tụ (Flocculation): Là giai đoạn tiếp theo, có mục đích liên kết các hạt keo đã được khử bền thành các bông cặn lớn hơn. Quá trình này được thực hiện bằng cách khuấy trộn chậm và nhẹ nhàng để tăng xác suất va chạm hiệu quả giữa các hạt vi mô mà không làm vỡ các bông cặn vừa hình thành. Để tăng cường hiệu quả, người ta thường thêm các chất trợ keo tụ (flocculant), thường là các hợp chất polymer cao phân tử, hoạt động như những “cây cầu” nối (bridging), liên kết nhiều hạt keo nhỏ lại với nhau. Quá trình này diễn ra chậm hơn đáng kể so với đông tụ.

Cơ chế keo tụ

Quá trình keo tụ xảy ra thông qua một hoặc nhiều cơ chế đồng thời, phụ thuộc vào loại hóa chất sử dụng và điều kiện của hệ thống:

• Tạo cầu nối polymer (Polymer Bridging): Đây là cơ chế chính khi sử dụng các chất trợ keo tụ là polymer mạch dài. Các phân tử polymer này có khả năng hấp phụ đồng thời lên bề mặt của nhiều hạt keo khác nhau. Một đầu của chuỗi polymer gắn vào một hạt, trong khi phần còn lại của chuỗi vươn ra trong dung dịch và gắn vào một hạt khác, tạo thành một “cầu nối” vật lý liên kết chúng lại. Khi quá trình này lặp lại, các bông keo lớn và bền vững sẽ được hình thành.
• Bẫy quét (Sweep Flocculation): Cơ chế này xảy ra khi chất đông tụ (như phèn nhôm, phèn sắt) được sử dụng ở liều lượng đủ cao để vượt qua điểm hòa tan, tạo thành các kết tủa hydroxide kim loại dạng bông, không tan (ví dụ: $Al(OH)_3$, $Fe(OH)_3$). Các kết tủa này hình thành một mạng lưới “lưới” trong nước, khi lắng xuống sẽ “quét” và bẫy các hạt keo cùng các tạp chất khác vào bên trong khối kết tủa, từ đó loại bỏ chúng ra khỏi nước.

Các yếu tố ảnh hưởng

Hiệu quả của quá trình keo tụ phụ thuộc chặt chẽ vào nhiều yếu tố vận hành, cần được kiểm soát cẩn thận:

• Loại và liều lượng hóa chất: Việc lựa chọn chất đông tụ và trợ keo tụ phù hợp với bản chất của nguồn nước là yếu tố quyết định. Liều lượng phải được tối ưu hóa: nếu quá ít sẽ không đủ để tạo bông, nhưng nếu quá nhiều (overdosing) có thể làm các hạt keo bị tái ổn định (do bề mặt hạt bị bão hòa bởi polymer) và làm tăng chi phí xử lý.
• pH của dung dịch: pH ảnh hưởng đến hai khía cạnh: điện tích bề mặt của các hạt keo và dạng tồn tại (speciation) của chất đông tụ. Mỗi chất đông tụ kim loại chỉ hoạt động hiệu quả trong một khoảng pH nhất định, là khoảng pH mà ở đó chúng thủy phân tạo ra các phức chất có khả năng đông tụ tốt nhất.
• Cường độ và thời gian khuấy trộn: Giai đoạn keo tụ đòi hỏi khuấy trộn chậm, nhẹ nhàng và kéo dài. Khuấy trộn quá mạnh sẽ phá vỡ các bông keo vừa hình thành, làm giảm hiệu quả lắng. Ngược lại, khuấy trộn quá yếu sẽ không tạo đủ sự va chạm giữa các hạt để hình thành bông keo.
• Nhiệt độ: Nhiệt độ thấp làm tăng độ nhớt của nước, làm chậm chuyển động của các hạt và giảm tần suất va chạm, từ đó làm chậm tốc độ hình thành bông keo. Các phản ứng hóa học cũng diễn ra chậm hơn ở nhiệt độ thấp.
• Bản chất và nồng độ của hạt lơ lửng: Kích thước, hình dạng, điện tích và nồng độ của các hạt ô nhiễm ban đầu đều ảnh hưởng đến quá trình. Nước có độ đục cao (nồng độ hạt lớn) thường dễ keo tụ hơn do xác suất va chạm giữa các hạt cao hơn.

Ứng dụng

Keo tụ là một công nghệ thiết yếu trong nhiều lĩnh vực:

• Xử lý nước cấp: Là bước quan trọng để loại bỏ độ đục, màu sắc, vi sinh vật (vi khuẩn, virus), và các chất hữu cơ, làm cho nước trong và an toàn cho sinh hoạt.
• Xử lý nước thải: Loại bỏ các chất rắn lơ lửng (TSS), nhu cầu oxy hóa học (COD), phốt pho và các kim loại nặng, giúp nước thải đạt tiêu chuẩn trước khi xả ra môi trường.
• Công nghiệp khai khoáng: Dùng để cô đặc quặng, tăng tốc độ lắng của bùn thải trong các bể chứa, và thu hồi nước để tái sử dụng trong quy trình sản xuất.
• Công nghiệp giấy và bột giấy: Giúp thu hồi xơ sợi, chất độn từ dòng nước thải của nhà máy (nước trắng), giảm thất thoát nguyên liệu và giảm ô nhiễm.
• Công nghiệp thực phẩm: Làm trong nước ép trái cây, nước giải khát, rượu bia; thu hồi protein hoặc các sản phẩm khác từ dòng thải trong quá trình chế biến.

Tóm lại, keo tụ là một quá trình vật lý-hóa học nền tảng trong việc tách pha rắn-lỏng, đóng vai trò then chốt trong việc làm trong nước và xử lý các hệ huyền phù công nghiệp. Việc hiểu rõ các cơ chế và kiểm soát chặt chẽ những yếu tố ảnh hưởng là điều kiện tiên quyết để tối ưu hóa hiệu quả xử lý, đảm bảo chất lượng đầu ra và giảm thiểu chi phí vận hành.

Các loại hình keo tụ

Dựa trên lực gây ra sự va chạm giữa các hạt, quá trình keo tụ được phân thành các loại hình chính sau:

• Keo tụ động học (Orthokinetic Flocculation): Đây là loại hình keo tụ xảy ra do sự khuấy trộn cơ học hoặc sự xáo trộn thủy lực trong chất lỏng. Việc khuấy trộn tạo ra các gradient vận tốc, khiến các hạt di chuyển với tốc độ khác nhau, dẫn đến va chạm và kết dính. Đây là cơ chế chi phối và quan trọng nhất trong các hệ thống xử lý nước và nước thải quy mô công nghiệp, diễn ra trong các bể keo tụ chuyên dụng.
• Keo tụ chu vi (Perikinetic Flocculation): Loại hình này xảy ra do chuyển động Brown ngẫu nhiên của các hạt keo siêu nhỏ (thường có đường kính dưới 1 micromet). Sự va chạm không ngừng của các phân tử nước với hạt keo gây ra chuyển động hỗn loạn, làm chúng tiếp xúc và kết tụ lại. Keo tụ chu vi là giai đoạn khởi đầu quan trọng, hình thành các vi bông cặn, nhưng tốc độ của nó trở nên không đáng kể khi kích thước hạt tăng lên và keo tụ động học chiếm ưu thế.
• Keo tụ do lắng sai biệt (Differential Settling Flocculation): Cơ chế này xảy ra trong môi trường tĩnh, khi các hạt có kích thước và tỷ trọng khác nhau lắng xuống với vận tốc khác nhau. Các hạt lớn và nặng hơn sẽ lắng nhanh hơn, trên đường đi sẽ “quét” và va chạm với các hạt nhỏ hơn, nhẹ hơn, từ đó hợp nhất chúng lại thành các bông cặn lớn hơn. Cơ chế này có vai trò đáng kể trong các bể lắng.

Mô hình hóa quá trình keo tụ

Quá trình keo tụ có thể được mô tả về mặt toán học để dự đoán sự thay đổi phân bố kích thước hạt theo thời gian. Mô hình kinh điển và phổ biến nhất là phương trình tổng thể của Smoluchowski:

$ \frac{dNk}{dt} = \frac{1}{2}\sum{i+j=k}\alpha K_{ij}N_iN_j – Nk\sum{i=1}^{\infty}\alpha K_{ki}N_i $

Trong đó:

• $N_k, N_i, N_j$: Nồng độ (số hạt/đơn vị thể tích) của các hạt có kích thước k, i, và j.
• $t$: Thời gian.
• $K_{ij}$: Hạt nhân keo tụ (flocculation kernel), đại diện cho tần suất va chạm giữa hạt i và hạt j. Giá trị của nó phụ thuộc vào cơ chế keo tụ (động học, chu vi).
• $\alpha$: Hệ số hiệu quả va chạm (collision efficiency), là xác suất để một va chạm dẫn đến kết dính (có giá trị từ 0 đến 1).

Phương trình này mô tả sự thay đổi ròng của nồng độ hạt kích thước k: số hạng dương đầu tiên biểu thị tốc độ hình thành hạt k từ sự kết tụ của các hạt nhỏ hơn (i + j = k), và số hạng âm thứ hai biểu thị tốc độ mất đi của hạt k do chúng kết tụ với các hạt khác để tạo thành các hạt lớn hơn.

Đánh giá hiệu quả keo tụ

Hiệu quả của quá trình keo tụ thường được đánh giá tại phòng thí nghiệm (thông qua phương pháp Thử nghiệm Jar-Test) và tại hiện trường dựa trên các chỉ tiêu sau:

• Độ đục (Turbidity): Là chỉ số quan trọng nhất, đo lường độ trong của nước sau xử lý bằng máy đo độ đục (đơn vị NTU). Hiệu quả loại bỏ độ đục càng cao, quá trình càng thành công.
• Kích thước, hình dạng và độ bền của bông keo: Quan sát bằng mắt hoặc thiết bị phân tích hình ảnh. Bông keo lý tưởng phải có kích thước đủ lớn, đặc và chắc để lắng nhanh và không bị vỡ lại dưới tác động của dòng chảy.
• Tốc độ lắng: Đo thời gian cần thiết để phần lớn các bông keo lắng xuống đáy trong một cột nước tĩnh. Tốc độ lắng nhanh giúp giảm kích thước bể lắng cần thiết.
• Chỉ số thể tích bùn (Sludge Volume Index – SVI): Đo thể tích mà một lượng bùn (bông keo) nhất định chiếm chỗ sau khi lắng trong 30 phút. Chỉ số này cho biết khả năng lắng và cô đặc của bùn được tạo thành.