Mục lục bài viết

Tổng quan Keo Tụ Tạo Bông: Cơ Chế, Ứng Dụng và Tối Ưu Hóa

Nước thải, dù phát sinh từ hoạt động sinh hoạt hay công nghiệp, đều chứa đựng vô số các chất ô nhiễm ở dạng hòa tan, lơ lửng và keo. Việc loại bỏ hiệu quả các thành phần này trước khi xả thải ra môi trường hoặc tái sử dụng là yêu cầu cấp thiết, không chỉ để bảo vệ hệ sinh thái thủy sinh và sức khỏe cộng đồng mà còn để tuân thủ các quy định pháp luật ngày càng nghiêm ngặt, điển hình như

Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải sinh hoạt và nước thải đô thị, khu dân cư tập trung (QCVN 14:2025/BTNMT) và Quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về nước thải công nghiệp (QCVN 40:2025/BTNMT).

Trong bức tranh tổng thể các phương pháp xử lý nước thải, xử lý hóa lý đóng vai trò quan trọng, đặc biệt đối với các loại nước thải có chứa chất rắn lơ lửng (TSS), độ màu, độ đục cao, kim loại nặng, hoặc các chất khó phân hủy sinh học. Và trung tâm của nhiều quy trình hóa lý chính là hai giai đoạn tưởng chừng đơn giản nhưng vô cùng hiệu quả: Keo tụ (Coagulation) và Tạo bông (Flocculation).

Bài viết này sẽ đi sâu phân tích vai trò không thể thay thế của keo tụ và tạo bông trong xử lý nước thải hóa lý. Chúng ta sẽ cùng tìm hiểu bản chất khoa học, cơ chế hoạt động, các loại hóa chất thông dụng, những yếu tố ảnh hưởng, ứng dụng trong các ngành công nghiệp khác nhau, và cách tối ưu hóa quy trình để đạt hiệu quả xử lý cao nhất, góp phần đảm bảo chất lượng nước thải đầu ra đạt các giới hạn cho phép theo QCVN 14:2025/BTNMT và QCVN 40:2025/BTNMT.

1: Hiểu Về Nước Thải và Sự Cần Thiết Của Việc Xử Lý

1.1. Nguồn Gốc và Thành Phần Ô Nhiễm Trong Nước Thải

Nước thải là sản phẩm tất yếu của các hoạt động sống và sản xuất của con người.

Nước thải sinh hoạt: Phát sinh từ các hoạt động hàng ngày như tắm giặt, vệ sinh, nấu ăn. Thành phần chủ yếu bao gồm chất hữu cơ dễ phân hủy (gây tiêu tốn oxy – BOD, COD), chất dinh dưỡng (Nito, Photpho), chất rắn lơ lửng (TSS), dầu mỡ và vi sinh vật gây bệnh (Coliform). Các cơ sở dịch vụ như khách sạn, nhà hàng, khu dân cư tập trung cũng tạo ra loại nước thải tương tự.
Nước thải công nghiệp: Phát sinh từ các quy trình sản xuất, chế biến, dịch vụ công nghiệp. Thành phần phức tạp và đa dạng hơn nhiều, phụ thuộc vào loại hình sản xuất. Có thể kể đến:
- Chất rắn lơ lửng (TSS) cao.
- Độ màu, độ đục.
- Kim loại nặng (Pb, Cr, Cd, Hg, As…).
- Hóa chất độc hại (Phenol, Xyanua, thuốc trừ sâu, dung môi hữu cơ…).
- Dầu mỡ khoáng và động thực vật.
- pH biến động mạnh (axit hoặc kiềm).
- Nhiệt độ cao.
- Chất hữu cơ khó phân hủy sinh học (COD cao, BOD/COD thấp).

1.2. Tại Sao Phải Xử Lý Nước Thải?

Việc xử lý nước thải trước khi thải ra môi trường là bắt buộc vì nhiều lý do:

Bảo vệ môi trường: Ngăn chặn ô nhiễm nguồn nước mặt (sông, hồ, biển) và nước ngầm, bảo vệ hệ sinh thái thủy sinh.
Bảo vệ sức khỏe cộng đồng: Loại bỏ vi khuẩn, virus gây bệnh lây lan qua đường nước.
Tuân thủ pháp luật: Đáp ứng các quy chuẩn kỹ thuật quốc gia về chất lượng nước thải xả thải như QCVN 14:2025/BTNMT và QCVN 40:2025/BTNMT. Các quy chuẩn này quy định giới hạn tối đa cho phép của nhiều thông số ô nhiễm (pH, BOD, COD, TSS, Amoni, Nito, Photpho, kim loại nặng, Coliform…) tùy thuộc vào lưu lượng xả thải và loại nguồn tiếp nhận (Cột A, B, C).
Tái sử dụng nước: Nước thải sau xử lý đạt chuẩn có thể được tái sử dụng cho các mục đích khác nhau (tưới cây, làm mát, công nghiệp…), tiết kiệm tài nguyên nước sạch.

1.3. Hạt Keo – Đối Tượng Chính Của Keo Tụ Tạo Bông

Một phần đáng kể các chất ô nhiễm trong nước thải tồn tại dưới dạng hạt keo (colloids). Đây là các hạt rất nhỏ (kích thước thường từ 0.001 đến 1 micromet), không đủ lớn để tự lắng xuống và cũng quá nhỏ để bị giữ lại hiệu quả bằng các phương pháp lọc thông thường.

Đặc điểm quan trọng của hạt keo là chúng thường mang điện tích bề mặt (đa số là điện tích âm trong nước thải tự nhiên), tạo ra lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt, ngăn cản chúng kết tụ lại và giữ chúng lơ lửng ổn định trong nước. Chính sự tồn tại bền vững của các hạt keo này gây ra độ đục, độ màu và góp phần vào giá trị TSS, COD của nước thải.

2: Nguyên Lý Cơ Bản Của Xử Lý Nước Thải Hóa Lý

Xử lý hóa lý là tập hợp các phương pháp sử dụng các quá trình vật lý và hóa học để loại bỏ các chất ô nhiễm ra khỏi nước thải. Các phương pháp này đặc biệt hiệu quả đối với các chất ô nhiễm không dễ bị phân hủy sinh học hoặc cần loại bỏ nhanh chóng.

Các công đoạn phổ biến trong một hệ thống xử lý hóa lý bao gồm:

Song chắn rác/Lưới lọc: Loại bỏ rác và vật thể có kích thước lớn.
Bể điều hòa: Ổn định lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm.
Trung hòa pH: Điều chỉnh pH về khoảng tối ưu cho các quá trình xử lý tiếp theo (thường là keo tụ).
Keo tụ (Coagulation): Giai đoạn mất ổn định các hạt keo.
Tạo bông (Flocculation): Giai đoạn kết tụ các hạt đã mất ổn định thành bông cặn lớn hơn.
Lắng/Tuyển nổi: Tách bông cặn ra khỏi nước.
Lọc: Loại bỏ các cặn lơ lửng còn sót lại.
Hấp phụ (bằng than hoạt tính): Loại bỏ các chất hữu cơ hòa tan, màu, mùi.
Oxy hóa nâng cao (AOPs): Phân hủy các chất hữu cơ bền vững.

Trong chuỗi quy trình này, keo tụ và tạo bông đóng vai trò trung tâm, là tiền đề để loại bỏ hiệu quả các chất rắn lơ lửng, hạt keo, độ đục, độ màu, photpho và một phần kim loại nặng, COD. Thiếu đi quá trình này, các công đoạn lắng/tuyển nổi và lọc phía sau sẽ kém hiệu quả hoặc không thể thực hiện được đối với các hạt keo siêu nhỏ.

3: Đi Sâu Vào Khoa Học Keo Tụ (Coagulation)

3.1. Định Nghĩa Keo Tụ

Keo tụ là quá trình làm mất ổn định các hạt keo lơ lửng trong nước thải bằng cách thêm vào các hóa chất gọi là chất keo tụ (coagulants). Mục tiêu chính là vô hiệu hóa hoặc giảm thiểu lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt keo, cho phép chúng tiến lại gần nhau hơn.

3.2. Tại Sao Hạt Keo Lại Bền Vững?

Như đã đề cập, các hạt keo trong nước thường mang điện tích bề mặt (thường là âm). Xung quanh mỗi hạt tích điện âm này hình thành một lớp ion dương (lớp Stern) và tiếp đó là một lớp ion khuếch tán (lớp Gouy-Chapman) chứa cả ion dương và âm, nhưng tổng thể lớp này vẫn dư ion dương để cân bằng điện tích âm của hạt. Toàn bộ cấu trúc này gọi là lớp điện kép (Electric Double Layer – EDL).

Sự tồn tại của lớp điện kép tạo ra một thế điện động Zeta (Zeta Potential), là điện thế tại mặt trượt giữa hạt keo và phần dung dịch còn lại khi hạt di chuyển. Giá trị thế Zeta càng âm (hoặc càng dương) thì lực đẩy giữa các hạt keo cùng dấu càng lớn, và hệ keo càng bền vững, khó kết tụ.

3.3. Cơ Chế Hoạt Động Của Chất Keo Tụ

Chất keo tụ, thường là các muối kim loại hóa trị cao (nhôm, sắt) hoặc polymer mang điện tích dương, hoạt động theo các cơ chế chính sau để phá vỡ sự ổn định của hệ keo:

Nén lớp điện kép: Các ion đa hóa trị dương từ chất keo tụ (ví dụ: Al³⁺, Fe³⁺) có khả năng làm giảm độ dày của lớp điện kép bao quanh hạt keo âm. Khi lớp điện kép bị nén lại, lực đẩy tĩnh điện giữa các hạt giảm xuống, cho phép lực hút Van der Waals (lực hút yếu giữa các phân tử) thắng thế và các hạt có thể tiến lại gần nhau.
Trung hòa điện tích: Các ion kim loại thủy phân (ví dụ: [Al(OH)]²⁺, [Al(OH)₂]⁺, [Fe(OH)]²⁺, [Fe(OH)₂]⁺) hoặc các polymer cation có thể hấp phụ trực tiếp lên bề mặt hạt keo mang điện tích âm, trung hòa điện tích bề mặt của chúng. Khi điện tích bề mặt gần bằng không (thế Zeta tiến gần về 0), lực đẩy tĩnh điện gần như bị triệt tiêu, các hạt dễ dàng kết dính lại với nhau khi va chạm. Đây là cơ chế quan trọng ở liều lượng keo tụ thấp đến trung bình.
Quét lắng (Sweep Flocculation / Enmeshment): Khi sử dụng liều lượng chất keo tụ đủ lớn và pH phù hợp, các ion kim loại sẽ thủy phân và kết tủa nhanh chóng dưới dạng bông hydroxit kim loại không tan (ví dụ: Al(OH)₃(r), Fe(OH)₃(r)). Các bông hydroxit này có kích thước lớn, trong quá trình hình thành và lắng xuống, chúng “quét” và “bẫy” các hạt keo, hạt lơ lửng nhỏ vào trong cấu trúc của mình, tạo thành các bông cặn lớn và dễ lắng. Cơ chế này hiệu quả ngay cả khi cơ chế trung hòa điện tích không tối ưu, đặc biệt với nước có độ đục cao.
Kết nối/Bắc cầu (Interparticle Bridging): Một số sản phẩm thủy phân dạng polymer của nhôm/sắt hoặc các polymer keo tụ đặc biệt có thể hấp phụ đồng thời lên nhiều hạt keo khác nhau, tạo thành các “cầu nối” liên kết chúng lại thành cụm lớn hơn. Cơ chế này quan trọng hơn trong giai đoạn tạo bông với polymer trợ keo tụ.

3.4. Các Chất Keo Tụ Phổ Biến

Muối Nhôm:
- Phèn nhôm sunfat (Al₂(SO₄)₃·nH₂O): Thường gọi là phèn đơn. Rẻ tiền, phổ biến. Hoạt động hiệu quả trong khoảng pH 5.5 – 7.5. Tạo ra axit khi thủy phân, làm giảm pH và độ kiềm của nước.
- Poly Aluminium Chloride (PAC – [Alₙ(OH)ₘCl₃ₙ₋ₘ]ₓ): Là loại phèn nhôm dạng polymer hóa trước. Hiệu quả hơn phèn nhôm ở liều lượng thấp hơn, hoạt động trong khoảng pH rộng hơn (5.0 – 8.5), ít làm giảm pH nước, tạo bông to và lắng nhanh hơn, hiệu quả tốt ở nhiệt độ thấp. Tuy nhiên, giá thành cao hơn phèn nhôm.
- Natri Aluminat (NaAlO₂): Có tính kiềm, dùng cho nước có tính axit hoặc cần tăng pH.
Muối Sắt:
- Phèn sắt (III) Clorua (FeCl₃): Hiệu quả trong khoảng pH rộng (4.0 – 11.0), tạo bông nặng và lắng nhanh. Có tính ăn mòn cao, có thể tạo màu vàng/nâu cho nước nếu dùng quá liều.
- Phèn sắt (II) Sunfat (FeSO₄·7H₂O): Thường gọi là phèn sắt 2. Cần được oxy hóa thành sắt (III) (thường bằng cách sục khí hoặc dùng hóa chất oxy hóa như Clo) để có hiệu quả keo tụ tốt. Rẻ hơn FeCl₃ nhưng phức tạp hơn khi sử dụng.
- Phèn sắt (III) Sunfat (Fe₂(SO₄)₃): Tương tự FeCl₃ về hiệu quả và khoảng pH hoạt động.
Các chất khác: Polymer cation (ít dùng làm coagulant chính do chi phí), các chất keo tụ tự nhiên (tinh bột biến tính, chitosan…).

Việc lựa chọn chất keo tụ phụ thuộc vào đặc tính nước thải (pH, độ đục, độ kiềm, thành phần ô nhiễm), yêu cầu xử lý, điều kiện vận hành và chi phí

4: Khám Phá Quá Trình Tạo Bông (Flocculation)

4.1. Định Nghĩa Tạo Bông

Tạo bông là quá trình kết tụ, liên kết các hạt keo đã bị mất ổn định (các hạt vi mô – micro-flocs) hình thành trong giai đoạn keo tụ thành các bông cặn lớn hơn (macro-flocs) có kích thước và trọng lượng đủ lớn để có thể lắng xuống hoặc nổi lên một cách hiệu quả trong các công đoạn tách pha tiếp theo. Quá trình này thường được hỗ trợ bởi việc thêm chất trợ keo tụ (flocculants) và khuấy trộn nhẹ nhàng, có kiểm soát.

4.2. Mục Đích Của Tạo Bông

Mục đích chính là “gom” các hạt nhỏ li ti thành những “đám mây” bông cặn lớn, dễ dàng tách ra khỏi nước. Nếu chỉ dừng ở giai đoạn keo tụ, các hạt vi mô tạo thành vẫn còn quá nhỏ và nhẹ, khó lắng hoặc dễ bị vỡ khi đi qua các công đoạn sau.

4.3. Cơ Chế Hoạt Động Của Chất Trợ Keo Tụ (Polymer)

Chất trợ keo tụ phổ biến nhất là các polymer cao phân tử, có thể là tự nhiên hoặc tổng hợp, tan trong nước. Cơ chế chính của chúng là tạo cầu nối (Interparticle Bridging):

Các phân tử polymer có cấu trúc mạch dài.
Một đầu của mạch polymer hấp phụ lên bề mặt của một hạt keo (hoặc hạt vi mô).
Phần còn lại của mạch polymer vươn ra trong dung dịch và hấp phụ lên bề mặt của một hoặc nhiều hạt keo/vi mô khác.
Kết quả là các hạt keo/vi mô được “kết nối” lại với nhau thông qua các “cầu nối” polymer, tạo thành mạng lưới bông cặn lớn và bền vững hơn.

Ngoài ra, các polymer mang điện tích (anion, cation) còn có thể tham gia vào việc trung hòa điện tích còn sót lại trên các hạt vi mô, tăng cường hiệu quả kết tụ.

4.4. Các Loại Chất Trợ Keo Tụ (Flocculants)

Polymer trợ keo tụ được phân loại dựa trên điện tích và nguồn gốc:

Polymer Anion (Mang điện tích âm): Thường là polyacrylamit thủy phân (HPAM). Hiệu quả nhất khi các hạt keo/vi mô sau keo tụ mang điện tích dương nhẹ hoặc trung hòa, hoặc khi chất keo tụ chính là muối kim loại dư thừa tạo hydroxit tích điện dương. Chúng hoạt động tốt trong việc liên kết các bông hydroxit kim loại.
Polymer Cation (Mang điện tích dương): Thường là các copolyme của acrylamit với các monome cation. Hiệu quả khi các hạt keo ban đầu mang điện tích âm mạnh và quá trình keo tụ chưa trung hòa hết điện tích, hoặc trong xử lý bùn hữu cơ.
Polymer Non-ionic (Không mang điện tích): Thường là polyacrylamit (PAM). Cơ chế chủ yếu là tạo cầu nối vật lý. Hiệu quả trong một số trường hợp nhất định, ít nhạy cảm với pH hơn polymer ion.
Polymer Tự Nhiên: Tinh bột, alginate, chitosan… Thân thiện môi trường hơn nhưng hiệu quả có thể không ổn định bằng polymer tổng hợp.

Lựa chọn polymer: Phụ thuộc vào:

Điện tích của hạt keo/vi mô sau giai đoạn keo tụ.
Loại chất keo tụ đã sử dụng.
Đặc tính nước thải (pH, lực ion, chất hữu cơ…).
Yêu cầu về kích thước và độ bền bông cặn.
Chi phí.

Liều lượng và cách pha: Polymer thường được sử dụng ở liều lượng rất thấp (ppm). Cần được pha loãng đúng cách và cấp vào nước thải một cách từ từ, đồng đều để tránh tạo gel cục bộ hoặc phá vỡ cấu trúc mạch polymer.

5: Sự Phối Hợp Nhịp Nhàng: Keo Tụ và Tạo Bông Trong Thực Tế

Keo tụ và tạo bông là hai giai đoạn tuần tự và bổ trợ lẫn nhau, không thể tách rời trong thực tế để đạt hiệu quả xử lý tối ưu.

5.1. Quy Trình Tuần Tự

Một hệ thống xử lý hóa lý điển hình sẽ bố trí các bể/thiết bị theo thứ tự:

Bể/Kênh trộn nhanh (Rapid Mix / Flash Mix):
- Mục đích: Hòa trộn cực nhanh và đều chất keo tụ vào dòng nước thải trong thời gian rất ngắn (vài giây đến dưới 1 phút).
- Yêu cầu: Cường độ khuấy trộn rất cao (gradient vận tốc G lớn) để đảm bảo hóa chất phân tán tức thời và tiếp xúc với tất cả các hạt keo trước khi quá trình thủy phân/kết tủa xảy ra quá nhanh.
- Thiết bị: Bể khuấy cơ học tốc độ cao, kênh trộn tĩnh (static mixer), hoặc bơm hóa chất trực tiếp vào đường ống có chế độ chảy rối mạnh.
Bể tạo bông (Flocculation Basin / Slow Mix):
- Mục đích: Tạo điều kiện cho các hạt keo đã mất ổn định va chạm, kết dính với nhau và với polymer trợ keo tụ (nếu có) để hình thành bông cặn lớn.
- Yêu cầu:
  - Khuấy trộn chậm, nhẹ nhàng: Đủ năng lượng để các hạt/bông nhỏ va chạm với nhau nhưng không quá mạnh làm vỡ các bông cặn đã hình thành (Gradient vận tốc G thấp hơn nhiều so với bể trộn nhanh, thường giảm dần qua các ngăn).
  - Thời gian lưu đủ dài: Thường từ 15-45 phút để quá trình tạo bông diễn ra hoàn toàn.
- Thiết bị: Bể nhiều ngăn với các cánh khuấy cơ học dạng mái chèo, tua bin trục đứng/ngang tốc độ chậm, hoặc bể tạo bông thủy lực (dạng vách ngăn ziczac). Polymer trợ keo tụ thường được châm vào đầu bể tạo bông hoặc giữa các ngăn.
Bể lắng/Tuyển nổi (Sedimentation / Flotation Tank):
- Mục đích: Tách các bông cặn đã hình thành ra khỏi pha lỏng.
- Lắng: Dựa vào trọng lực để các bông cặn nặng hơn nước lắng xuống đáy bể.
- Tuyển nổi (DAF – Dissolved Air Flotation): Sử dụng các bọt khí siêu nhỏ bám vào bông cặn, làm chúng nhẹ hơn nước và nổi lên bề mặt để vớt bỏ. Tuyển nổi hiệu quả với các bông cặn nhẹ, khó lắng (ví dụ: dầu mỡ, tảo).

5.2. Thiết Kế và Vận Hành

Thiết kế bể trộn nhanh và bể tạo bông cần tính toán kỹ lưỡng các thông số:

Gradient vận tốc (G): Đặc trưng cho cường độ khuấy trộn. G cao cho trộn nhanh, G thấp cho tạo bông.
Thời gian lưu (t): Thời gian nước thải ở trong mỗi bể.
Giá trị Gt: Tích của gradient vận tốc và thời gian lưu, là một chỉ số quan trọng đánh giá mức độ khuấy trộn tổng thể.

Vận hành tối ưu đòi hỏi kiểm soát chặt chẽ tốc độ khuấy, thời gian lưu, liều lượng hóa chất và pH

6: Các Yếu Tố Quyết Định Hiệu Quả Keo Tụ – Tạo Bông

Hiệu suất của quá trình keo tụ – tạo bông bị ảnh hưởng bởi nhiều yếu tố tương tác phức tạp:

pH: Là yếu tố quan trọng bậc nhất. pH ảnh hưởng đến:
- Điện tích bề mặt của hạt keo.
- Quá trình thủy phân và dạng tồn tại của các ion kim loại (chất keo tụ). Mỗi chất keo tụ có một khoảng pH tối ưu riêng để tạo ra các dạng ion thủy phân hoạt động hiệu quả nhất hoặc để kết tủa hydroxit. Ví dụ, phèn nhôm hoạt động tốt nhất ở pH 5.5-7.5.
- Độ tan của các hydroxit kim loại (nếu pH quá thấp hoặc quá cao, chúng có thể tan trở lại).
- Hoạt tính của polymer trợ keo tụ (đặc biệt là polymer ion). Việc điều chỉnh pH về khoảng tối ưu (thường bằng axit hoặc kiềm) trước khi châm hóa chất keo tụ là rất cần thiết.
Loại và Liều Lượng Hóa Chất:
- Việc lựa chọn đúng loại chất keo tụ và trợ keo tụ phù hợp với bản chất nước thải là tiên quyết.
- Liều lượng phải được tối ưu hóa thông qua thử nghiệm (Jar test). Dùng quá ít sẽ không đủ để mất ổn định keo hoặc tạo bông. Dùng quá nhiều không những lãng phí, tăng chi phí, tăng lượng bùn mà còn có thể gây hiện tượng tái ổn định (restabilization) do các hạt bị bao phủ bởi quá nhiều ion/polymer cùng dấu, làm chúng đẩy nhau trở lại.
Đặc Tính Nước Thải Đầu Vào:
- Nồng độ và loại chất rắn lơ lửng/keo: Ảnh hưởng đến liều lượng hóa chất cần thiết và cơ chế keo tụ chủ đạo (trung hòa điện tích hay quét lắng).
- Độ kiềm: Nước có độ kiềm đủ sẽ giúp đệm pH, hạn chế sự sụt giảm pH đột ngột khi thêm phèn (là các muối axit). Nếu độ kiềm quá thấp, cần bổ sung thêm kiềm (vôi, soda).
- Nhiệt độ: Nhiệt độ thấp làm tăng độ nhớt của nước, làm chậm tốc độ phản ứng thủy phân, tốc độ khuếch tán hóa chất và tốc độ lắng của bông cặn. Có thể cần tăng liều lượng hoặc thời gian phản ứng ở nhiệt độ thấp.
- Chất hữu cơ hòa tan: Một số chất hữu cơ (axit humic, fulvic) có thể phản ứng với chất keo tụ, làm tăng nhu cầu hóa chất hoặc cản trở quá trình tạo bông.
- Thành phần ion: Sự có mặt của các ion đa hóa trị khác (Ca²⁺, Mg²⁺, SO₄²⁻, PO₄³⁻…) có thể ảnh hưởng đến quá trình keo tụ.
Năng Lượng và Thời Gian Khuấy Trộn:
- Trộn nhanh: Phải đủ mạnh và đủ nhanh để phân tán hóa chất đều trước khi phản ứng xảy ra. G cao, t ngắn.
- Tạo bông: Phải đủ nhẹ nhàng để thúc đẩy va chạm tạo bông nhưng không làm vỡ bông. G thấp, t dài. Cường độ khuấy tối ưu thường giảm dần qua các ngăn của bể tạo bông.
Thứ Tự Châm Hóa Chất: Thông thường, chất keo tụ được châm trước ở giai đoạn trộn nhanh, sau đó polymer trợ keo tụ được châm ở giai đoạn tạo bông. Việc thay đổi thứ tự hoặc vị trí châm có thể ảnh hưởng đến hiệu quả.

7: Tối Ưu Hóa và Kiểm Soát Quá Trình

Để đảm bảo hiệu quả xử lý ổn định và tiết kiệm chi phí vận hành, việc tối ưu hóa và kiểm soát chặt chẽ quá trình keo tụ – tạo bông là rất quan trọng.

7.1. Thí Nghiệm JarTest

Đây là công cụ không thể thiếu để:

Lựa chọn loại chất keo tụ và trợ keo tụ phù hợp nhất.
Xác định khoảng pH tối ưu.
Xác định liều lượng hóa chất tối ưu.
Mô phỏng và xác định chế độ khuấy trộn (tốc độ và thời gian) tối ưu cho cả giai đoạn trộn nhanh và tạo bông.

Quy trình Jar test cơ bản:

Lấy mẫu nước thải đại diện vào các cốc thí nghiệm (thường 6 cốc).
Điều chỉnh pH (nếu cần) ở các cốc về giá trị mong muốn.
Đặt các cốc lên máy khuấy Jar test.
Châm đồng thời các liều lượng chất keo tụ khác nhau vào các cốc.
Bật chế độ khuấy nhanh (mô phỏng Rapid Mix) trong thời gian ngắn (ví dụ: 1 phút).
Giảm tốc độ khuấy về chế độ khuấy chậm (mô phỏng Flocculation) trong thời gian dài hơn (ví dụ: 15-20 phút). Có thể châm polymer trợ keo tụ vào đầu giai đoạn này.
Tắt khuấy, để lắng tự nhiên trong một khoảng thời gian nhất định (ví dụ: 30 phút).
Quan sát tốc độ hình thành bông, kích thước, độ chắc và tốc độ lắng của bông cặn ở các cốc.
Lấy mẫu nước trong phía trên ở mỗi cốc để đo các chỉ tiêu chất lượng (độ đục, pH, màu, COD, TSS, P…)
So sánh kết quả giữa các cốc để xác định điều kiện vận hành tối ưu (liều lượng hóa chất, pH, chế độ khuấy cho hiệu quả loại bỏ cao nhất với chi phí thấp nhất).

7.2. Giám Sát và Kiểm Soát Vận Hành

Theo dõi liên tục/định kỳ: pH, độ đục, nhiệt độ của nước thải đầu vào và đầu ra.
Kiểm tra định kỳ: Liều lượng hóa chất thực tế, tốc độ dòng chảy, tốc độ khuấy.
Quan sát trực quan: Kích thước và đặc tính bông cặn trong bể tạo bông và bể lắng/tuyển nổi.
Phân tích chất lượng nước: Định kỳ phân tích các chỉ tiêu quan trọng trong QCVN (TSS, COD, BOD, N, P, kim loại…) ở đầu vào và đầu ra để đánh giá hiệu suất tổng thể.
Sử dụng cảm biến và hệ thống tự động: Các hệ thống hiện đại có thể sử dụng cảm biến đo pH, độ đục trực tuyến để tự động điều chỉnh liều lượng hóa chất, tối ưu hóa quá trình và giảm sự phụ thuộc vào con người.

8: Ứng Dụng Rộng Rãi Của Keo Tụ – Tạo Bông

Phương pháp keo tụ – tạo bông được ứng dụng trong xử lý nhiều loại nước thải khác nhau:

Xử lý Nước Cấp: Là công đoạn cơ bản và quan trọng nhất để loại bỏ độ đục, màu, phù sa, vi sinh vật từ nguồn nước mặt (sông, hồ) trước khi qua các bước lọc và khử trùng.
Xử lý Nước Thải Công Nghiệp:
- Dệt nhuộm: Loại bỏ độ màu (từ thuốc nhuộm phân tán, hoạt tính), TSS, COD.
- Giấy và bột giấy: Loại bỏ TSS (bột giấy mịn), lignin (gây màu), COD.
- Chế biến thực phẩm (thủy sản, tinh bột sắn, sữa…): Loại bỏ TSS, chất béo, protein, COD, BOD, Photpho.
- Thuộc da: Loại bỏ TSS, Crôm, Sulfua, độ màu, COD.
- Xi mạ, luyện kim: Loại bỏ kim loại nặng (kết tủa hydroxit kim loại ở pH thích hợp), TSS.
- Hóa chất, hóa dầu: Loại bỏ TSS, dầu mỡ nhũ tương, một số hợp chất hữu cơ.
- Khai khoáng: Loại bỏ bùn đất, hạt mịn, kim loại.
Xử lý Nước Thải Sinh Hoạt/Đô Thị:
- Tăng cường xử lý bậc một: Loại bỏ thêm TSS và BOD so với lắng sơ cấp thông thường.
- Xử lý Photpho bậc ba: Kết tủa hóa học Photpho dưới dạng muối nhôm/sắt photphat không tan sau quá trình xử lý sinh học.
Xử lý Nước Rỉ Rác: Loại bỏ kim loại nặng, COD, màu, TSS.
Xử lý Nước Thải Y Tế: Loại bỏ TSS, COD, vi sinh vật (kết hợp khử trùng).

8.1. Ý Nghĩa Đối Với Việc Đáp Ứng QCVN

Quá trình keo tụ – tạo bông đóng góp trực tiếp vào việc giảm nồng độ nhiều thông số ô nhiễm quan trọng được quy định trong QCVN 14:2025/BTNMT và QCVN 40:2025/BTNMT, bao gồm:

Tổng chất rắn lơ lửng (TSS): Đây là mục tiêu loại bỏ chính.
Nhu cầu oxy hóa học (COD) và Nhu cầu oxy sinh hóa (BOD₅): Loại bỏ phần COD/BOD liên quan đến các chất lơ lửng và keo.
Độ màu: Hấp phụ và kết tủa các phân tử gây màu.
Tổng Phốt pho (T-P): Kết tủa hóa học Photpho.
Kim loại nặng (As, Hg, Pb, Cd, Cr, Cu, Zn, Ni, Mn, Fe…): Kết tủa dưới dạng hydroxit hoặc muối không tan ở pH thích hợp.
Dầu mỡ động thực vật/khoáng: Phá vỡ nhũ tương và gom tụ các hạt dầu mỡ.

Việc vận hành hiệu quả quá trình keo tụ – tạo bông là một bước quan trọng giúp các cơ sở sản xuất, khu đô thị đạt được các giá trị giới hạn Cmax quy định trong các bảng của QCVN.

9: Ưu Điểm và Hạn Chế Của Phương Pháp

9.1. Ưu Điểm

Hiệu quả cao: Loại bỏ rất tốt TSS, độ đục, độ màu, Photpho và nhiều kim loại nặng.
Công nghệ quen thuộc: Kỹ thuật vận hành và thiết bị tương đối phổ biến, dễ tiếp cận.
Tốc độ xử lý nhanh: Thời gian lưu cần thiết ngắn hơn so với nhiều quá trình sinh học.
Linh hoạt: Có thể áp dụng cho nhiều loại nước thải khác nhau bằng cách điều chỉnh hóa chất và điều kiện vận hành.
Chi phí đầu tư ban đầu: Có thể thấp hơn so với một số công nghệ xử lý tiên tiến khác cho cùng một mục tiêu xử lý cụ thể (ví dụ: loại bỏ màu).

9.2. Hạn Chế

Chi phí vận hành: Chi phí hóa chất (keo tụ, trợ keo tụ, điều chỉnh pH) có thể đáng kể, đặc biệt với nước thải ô nhiễm nặng hoặc lưu lượng lớn.
Phát sinh bùn hóa học: Tạo ra một lượng lớn bùn chứa hydroxit kim loại và các chất ô nhiễm bị giữ lại. Bùn này thường khó xử lý (khó ép khô, cần phương pháp thải bỏ an toàn) và làm tăng chi phí xử lý tổng thể.
Nhạy cảm với sự thay đổi: Hiệu quả xử lý có thể bị ảnh hưởng lớn bởi sự biến động về lưu lượng, pH, nhiệt độ, thành phần nước thải đầu vào nếu không có sự điều chỉnh kịp thời.
Ảnh hưởng đến thành phần ion: Việc thêm muối kim loại có thể làm tăng tổng chất rắn hòa tan (TDS) và nồng độ các ion như Cl⁻, SO₄²⁻ trong nước thải đầu ra.
Không hiệu quả với chất hữu cơ hòa tan: Chỉ loại bỏ một phần nhỏ chất hữu cơ hòa tan không liên kết với pha rắn. Cần kết hợp với các phương pháp khác (sinh học, hấp phụ, oxy hóa) để xử lý triệt để COD/BOD hòa tan.