Xử lý chất thải bằng phương pháp vật lý dựa trên nguyên lý nào?

Các tính chất thường được khai thác gồm kích thước hạt, khối lượng riêng, trạng thái pha, tính từ, khả năng lọt qua vật liệu có kích thước lỗ xác định và đặc tính nổi – chìm. Vì vậy, sàng có thể giữ vật liệu lớn hơn kích thước mắt sàng, lắng tách chất rắn có khả năng rơi xuống dưới tác dụng của trọng lực, còn lọc giữ hạt khi dòng chất thải đi qua môi trường xốp. EPA mô tả sàng, lắng, lọc và tuyển nổi là các dạng công nghệ tách vật lý được sử dụng trong xử lý dòng thải.

Đặc tính vật lý nào quyết định khả năng tách chất?

Điểm cốt lõi của phương pháp vật lý là phải tồn tại một sự khác biệt đủ rõ giữa thành phần cần tách và môi trường hoặc thành phần còn lại. Nếu hai thành phần có tính chất vật lý gần như giống nhau, hiệu quả phân tách thường giảm và có thể phải kết hợp thêm một công đoạn khác.

Kích thước hạt là cơ sở của sàng và một phần của quá trình lọc. Với sàng, vật liệu lớn hơn kích thước khe hoặc mắt sàng bị giữ lại, trong khi phần nhỏ hơn đi qua. Với lọc, môi trường lọc giữ các hạt tại bề mặt hoặc bên trong cấu trúc xốp; kích thước lỗ và đặc tính của vật liệu lọc quyết định phần nào có thể đi qua.

Khối lượng riêng và tỷ trọng là cơ sở quan trọng của lắng, tách trọng lực và ly tâm. Khi lực trọng trường hoặc lực ly tâm tác động, các pha có đặc tính khác nhau sẽ có xu hướng di chuyển với tốc độ khác nhau. Trong lắng, chất rắn lơ lửng có khả năng lắng được sẽ tập trung ở đáy; trong ly tâm, lực ly tâm được dùng để tăng cường quá trình phân tách dựa trên sự khác biệt này.

Khả năng nổi và bám vào bọt khí được khai thác trong tuyển nổi. Các bọt khí nhỏ bám vào hạt hoặc giọt cần tách, làm thay đổi chuyển động hiệu dụng của chúng để đưa chúng lên bề mặt và thu gom.

Tính từ có thể được khai thác trong phân tách từ để thu hồi hoặc loại bỏ các thành phần có đáp ứng với từ trường khác với phần còn lại. Đây cũng là một nhóm công nghệ tách vật lý được sử dụng trong các hệ thống phân loại vật liệu.

Như vậy, phương pháp vật lý không dựa vào một cơ chế duy nhất. Cơ chế được lựa chọn theo tính chất khác biệt nào đang tồn tại trong dòng chất thải.

Các phương pháp vật lý tách chất thải hoạt động ra sao?

Có thể hình dung quá trình theo chuỗi: tạo điều kiện phân tách → khai thác sự khác biệt vật lý → thu gom các phần đã tách.

Sàng và phân loại kích thước phù hợp khi chất thải có các thành phần chênh lệch rõ về kích thước. Hệ thống sàng tạo ra một ngưỡng kích thước vật lý, qua đó phần lớn hơn bị giữ lại còn phần nhỏ hơn đi qua.

Lắng sử dụng trọng lực để tách chất rắn lơ lửng khỏi chất lỏng. Dòng chất thải được giảm tốc hoặc giữ trong vùng có thời gian lưu đủ để hạt có thể di chuyển xuống đáy. EPA ghi nhận hiệu quả của lắng phụ thuộc đáng kể vào đặc tính của chất rắn, trong đó các hạt có tỷ trọng lớn hơn chất lỏng có xu hướng thuận lợi hơn cho quá trình lắng.

Lọc cho dòng chất thải đi qua môi trường có cấu trúc lỗ phù hợp. Chất cần tách được giữ lại còn pha đi qua tiếp tục được thu hồi. Lực đẩy dòng qua môi trường lọc có thể đến từ trọng lực, áp suất, chân không hoặc lực ly tâm.

Tuyển nổi làm cho các hạt hoặc giọt có khả năng nổi được đưa lên bề mặt để thu gom. Trong hệ thống tuyển nổi bằng khí, bọt khí bám vào chất cần tách và hỗ trợ quá trình đưa chúng lên trên.

Ly tâm có thể được xem là cách tăng cường phân tách dựa trên trọng lực bằng cách sử dụng lực ly tâm lớn hơn nhiều so với điều kiện lắng tự nhiên. Điều này cho phép rút ngắn thời gian cần thiết để phân tách trong một số dòng chất thải.

Các đơn vị này có thể được bố trí nối tiếp thành một dây chuyền. Ví dụ, một hệ thống có thể loại bỏ vật liệu thô trước, sau đó tách phần rắn lơ lửng và tiếp tục lọc phần còn lại. EPA cũng ghi nhận lọc, lắng và tuyển nổi thường được sử dụng như những công đoạn trong một chuỗi xử lý lớn hơn, có thể đứng trước hoặc sau xử lý hóa học, sinh học tùy mục tiêu.

Khi nào xử lý vật lý tách chất hiệu quả?

Hiệu quả không chỉ phụ thuộc vào tên thiết bị mà phụ thuộc vào mức độ chênh lệch về tính chất vật lý và điều kiện vận hành.

Với sàng, yếu tố quyết định là phân bố kích thước của vật liệu so với kích thước mắt sàng. Với lọc, kích thước lỗ, cấu trúc môi trường lọc và tải lượng chất rắn ảnh hưởng trực tiếp đến khả năng giữ chất. Khi vật liệu lọc tích tụ chất rắn, chênh lệch áp suất qua lớp lọc có thể tăng và hệ thống cần được làm sạch hoặc tái sinh.

Với lắng, tính chất hạt, tỷ trọng, kích thước và điều kiện dòng chảy quyết định khả năng hạt di chuyển xuống đáy. Nếu hạt quá nhỏ hoặc có đặc tính khiến chúng khó lắng, công đoạn này sẽ kém hiệu quả hơn. EPA chỉ ra rằng lắng phù hợp hơn với các chất rắn có khả năng lắng thực tế, trong khi các hạt rất nhỏ có thể cần công nghệ khác hoặc một chuỗi xử lý bổ sung.

Do đó, có thể đánh giá một quá trình vật lý bằng các thông số đo được như kích thước hạt, phân bố kích thước, tỷ trọng, kích thước lỗ lọc, thời gian lưu, lưu lượng, chênh áp hoặc đặc tính tách của thiết bị, thay vì chỉ mô tả rằng hệ thống “lọc tốt” hoặc “lắng hiệu quả”.

Phương pháp vật lý có giới hạn gì?

Giới hạn quan trọng nhất là tách vật lý không đồng nghĩa với phá hủy chất ô nhiễm. Trong nhiều trường hợp, chất ô nhiễm chỉ được chuyển từ một dòng hoặc pha này sang một dòng hoặc pha khác. Phần chất rắn bị giữ ở bộ lọc, phần cặn lắng ở đáy hoặc phần chất nổi được thu gom đều trở thành dòng cần tiếp tục quản lý. Đây là lý do xử lý vật lý thường được xem như một công đoạn trong toàn bộ hệ thống thay vì mặc định là bước xử lý cuối cùng.

Một giới hạn khác là khả năng phân tách giảm khi tính chất vật lý giữa các thành phần quá gần nhau. Chẳng hạn, nếu hai nhóm hạt có kích thước hoặc tỷ trọng tương tự, một thiết bị chỉ dựa trên một tính chất có thể khó đạt độ phân tách cao.

Ngoài ra, một số quy trình thường được gọi chung là “vật lý” trong thực tế có thể liên quan đến cả cơ chế khác. Ví dụ, keo tụ–tạo bông có thể kết hợp tác động vật lý với tác nhân hóa học; do đó không nên mặc định mọi công đoạn tách rắn đều là xử lý vật lý thuần túy. EPA cũng phân biệt các quy trình vật lý với các quy trình hóa lý và sinh học trong hệ thống xử lý chất thải.

Vì sao xử lý vật lý thường được kết hợp với phương pháp khác?

Nguyên lý vật lý đặc biệt phù hợp để tách, cô đặc hoặc tiền xử lý một phần chất thải trước khi áp dụng công nghệ tiếp theo. Khi vật liệu thô, cặn hoặc dầu tự do đã được loại khỏi dòng chính, các công đoạn phía sau có thể tập trung vào phần chất khó tách hơn.

Vì vậy, lựa chọn hợp lý không phải là hỏi “phương pháp vật lý có xử lý được chất thải hay không”, mà là xác định thành phần nào có thể được tách bằng một khác biệt vật lý cụ thể, mức độ tách cần đạt là bao nhiêu và phần sau khi tách sẽ được xử lý thế nào.

Về bản chất, toàn bộ phương pháp này xoay quanh một nguyên lý: tạo ra điều kiện để các thành phần có tính chất vật lý khác nhau hành xử khác nhau, rồi thu gom chúng thành các dòng riêng biệt. Sự khác biệt càng phù hợp với cơ chế của thiết bị và điều kiện vận hành được kiểm soát càng tốt, khả năng phân tách càng cao.

Xử lý chất thải bằng phương pháp vật lý vì vậy chủ yếu là một bài toán phân tách theo tính chất vật lý, không phải quá trình biến đổi hóa học. Kích thước quyết định khả năng sàng và lọc, tỷ trọng chi phối lắng và ly tâm, đặc tính nổi hỗ trợ tuyển nổi, còn tính từ cho phép tách bằng từ trường. Hiểu đúng mối quan hệ này là cơ sở để chọn đúng công nghệ, xác định thông số vận hành và biết khi nào cần kết hợp thêm xử lý hóa học hoặc sinh học.