Đề tài Nghiên cứu công nghệ và thiết bị hệ thống xử lý nước sinh hoạt phù hợp cho hộ gia đình tại thị trấn Bến Quan, huyện Vĩnh Linh, tỉnh Quảng Trị

trình xử lý thông thường. Nồng độ thấp từ 0,5 đến 1 mg/l giúp bảo vệ men răng nhưng nếu nồng độ >4 mg/l trong một thời gian dài có thể gây đen răng và hủy hoại răng vĩnh viễn. 4.3.2.11. Sắt Trong nước mặt thường chứa các ion Fe3+ dạng keo hữu cơ hoặc là cặn huyền phù. Trong nước thiên nhiên chủ yếu là nước ngầm thì hàm lượng sắt là 40 mg/l hoặc cao hơn nữa. Với hàm lượng sắt cao hơn 0,5 mg/l, nước có mùi tanh khó chịu, làm vàng quần áo, làm hỏng sản phẩm các ngành dệt, giấy, phim ảnh, đồ hộp. Cặn sắt kết tủa trong đường ống làm tắc hoặc giảm khả năng vận chuyển của đường ống. 4.3.2.12. Mangan Tồn tại chủ yếu trong nước ngầm dưới dạng ion Mn2+ nhưng với hàm lượng tương đối thấp, ít khi vượt quá 5 mg/l. Khi hàm lượng mangan trong nước lớn hơn 0,1 mg/l thì sẽ gây ra các tác hại như sắt. 4.3.2.13. Nhôm Vào mùa mưa, ở những vùng đất phèn, đất trong điều kiện không có oxy các chất như Jarosite và Fe2O3 tác động qua lại, lất oxy của nhau và tạo thành sắt, nhôm sunfat hòa tan trong nước làm cho nước ở các vùng này rất chua. Khi chứa nhiều nhôm, nước thường có màu xanh và vị chua. Nhôm có độc tính đối với con người, uống nước chứa nhiều nhôm gây ra các bệnh về não. 4.3.2.14. Khí hòa tan Các loại khí hòa tan thấy nhiều trong nước thiên nhiên như là khí cacbonic, oxy, sunfua hydro. Trong nước mặt các hợp chất sunfua thường bị oxy hóa thành dạng sunfat. Do vậy mà sự có mặt của khí H2S chứng tỏ nguồn nước đã bị nhiễm bẩn và có quá thừa chất hữu cơ chưa phân hủy đang tích tụ ở đáy. Khi pH tăng H2S chuyển sang các dạng HS và S. 4.3.2.15. Các hóa chất bảo vệ thực vật Đều có độc tính cao đối với con người, việc sử dụng khối lượng lớn các loại hóa chất trên đồng ruộng đang đe dọa làm ô nhiễm nguồn nước. 4.3.2.16. Các chất hoạt động bề mặt Một số chất hoạt động bề mặt như xà phòng, chất tẩy rửa, chất tạo bọt trong nước thải sinh hoạt và công nghiệp đang xả vào các nguồn nước. Đây là những hợp chất khó phân hủy sinh học nên tích tụ lại gây hại cho cơ thể con người khi sử dụng. Ngoài ra, các chất này tạo thành lớp màng ngăn cản quá trình hòa tan oxy vào nước làm chậm quá trình làm sạch của nguồn nước. 4.3.3. Các chỉ tiêu vi sinh Trong nước thiên nhiên có nhiều loại vi trùng, siêu vi trùng, rong, tảo và các bào tử của chúng. Chúng xâm nhập vào nước từ môi trường xung quang hoặc sống và phát triển trong nước. Trong thực tế không thể xác định được tất cả các loại vi sinh vật gây bệnh qua đường nước vì phức tạp và tốn thời gian. Mục đích của việc kiểm tra vệ sinh nước là xác định mức độ an toàn của nước đối với sức khỏe con người. Ecoli là nhóm trực khuẩn đường ruột có thời gian bảo tồn trong nước gần giống những vi sinh vật gây bệnh khác. Sự có mặt của E.coli chứng tỏ nguồn nước đã bị nhiễm bẩn phân rác và có khả năng tồn tại các vi trùng gây bệnh khác. Số lượng E.coli nhiều hay ít tùy thuộc vào mức độ nhiễm bẩn phân rác của nguồn nước. 4.3.4. Tính ổn định của nước Nước ổn định sẽ không làm ăn mòn đường ống hoặc đóng cáu cặn trong quá trình vận chuyển và dự trữ. 4.4. Xử lý nước Sự cần thiết phải xử lý nước thiên nhiên: Nước cấp cho nhu cầu ăn uống, sinh hoạt cũng như công nghiệp có thành phần, tính chất vật lý, hóa học và vi trùng nằm trong giới hạn nhất định. Trong khi đó nguồn cấp nước lại có thành phần, tính chất vật lý, hóa học và vi trùng đa dạng và hầu hết các chỉ tiêu lại lớn gấp nhiều lần so với tiêu chuẩn quy định. Vì vậy cần xử lý nước đến một mức độ nhất định trước khi cấp cho nhu cầu sinh hoạt và công nghiệp. 4.4.1. Nguyên tắc lựa chọn công nghệ xử lý nước[7] Chọn lựa công nghệ xử lý nước phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng và đặc trưng của nguồn nước thô, yêu cầu chất lượng nước cấp và công suất trạm nước cấp cần xử lý. Chất bẩn trong nước bao gồm các hạt keo (10 10mm), hệ keo gồm các khoáng chất, các chất keo phù du, vi trùng, vi rút, polyme sinh học và các phân tử lớn. Các hạt có kích thước nhở hơn 10mm là các chất hòa tan gồm có ion, các phân tử vô cơ đơn giản và các tổ hợp. Phương án lựa chọn quá trình xử lý nước là dựa vào kích thước hạt. Để có được thông số chính xác về chất lượng và đặc trưng của nguồn nước, người ta sử dụng các phương pháp phân tích khác nhau để phân tích các kích thước hạt trong nước. Chất lượng nguồn nước thay đổi theo vị trí và thời gian, từ chỗ này sang chỗ khác và từ mùa này sang mùa khác. Do vậy, công nghệ xử lý nước và quá trình vận hành cũng thay đổi dựa vào tính chất lý, hóa, sinh của nước thô. Lựa chọn công nghệ xử lý nước trước hết cần tiến hành trong phòng thí nghiệm để tìm ra các thông số tối ưu và hóa chất sử dụng, liều lượng sử dụng, chất xúc tác, độ pH... Sau đó đánh giá các thông số và điều kiện vận hành tối ưu, thử nghiệm công nghệ trên mô hình thực tế. Các vấn đề được đề cập đến khi thiết kế quá trình xử lý nước bao gồm: chất lượng nước thô, yêu cầu và tiêu chuẩn nước sau xử lý. Dựa vào các số liệu đã có, so sánh chất lượng nước thô và nước sau xử lý để quyết định tách gì trong nước, chọn thông số chính về chất lượng và đưa ra kỹ thuật xử lý cụ thể, chọn hóa chất và liều lượng hóa chất cần dùng, tối ưu hóa điều kiện vận hành cho tưng bước xử lý và sắp xếp chúng cho hợp lý. Bảng 4.5. Hiệu suất có thể đạt được trong các quá trình xử lý thông dụng Quá trình xử lý Thông số Làm thoáng Keo tụ, tạo bông Lọc cát Lắng nhanh lọc cát chậm Clo hóa DO + 0 0 - - + CO +++ 0 0 + + + + Giảm độ đục 0 +++ + +++ + + + 0 Giảm độ màu 0 ++ + + + + ++ Khử mùi vị ++ + + ++ + + + Khử trùng 0 + ++ ++ + + + + ++++ Khử sắt, mangan ++ + + ++++ + + + + 0 Khử tạp chất hữu cơ + + ++ + + + + + + + +++ Ghi chú: + + + +: Tách triệt để; + + + : Tách rất tốt; + + : Tách tốt nhưng không hết; +: Tách một phần; 0 : Không tách đươc; - : Ảnh hưởng ngước lại; Nhận xét: Từ bảng trên ta thấy, mỗi quá trình xử lý chỉ tách tối đa được một số ít chất cặn bẩn trong nước nên hiệu suất xử lý chung là không cao. Do đó trong quá trình xử lý nước, tùy theo chất lượng nguồn nước, cần kết hợp nhiều quá trình xử lý một cách phù hợp để đạt được hiệu quả xử lý cao nhất. 4.4.2. Quy trình công nghệ xử lý nước cấp sinh hoạt tại thị trấn Bến Quan 4.4.2.1. Sơ đồ công nghệ 4.4.2.2. Thuyết minh quy trình công nghệ +) Nước nguồn Là nguồn nước mặt khai thác từ dòng sông Sa Lung, qua hệ thống bơm ở trạm bơm I, nước được đưa lên bể phản ứng tạo bông cặn. Hóa chất sử dụng để tạo bông kết tủa là phèn nhôm hoặc bột PAC đã được hòa trộn trước tại thùng hòa trộn dưới dạng dung dịch. Dung dịch phèn nhôm được châm trực tiếp vào đường ống dẫn nước vào bể phản ứng. Lưu lượng phèn châm vào đường ống tùy thuộc vào độ đục của nước, nếu độ đục của nước vào bể cao thì lượng hóa chất sử dụng cho quá trình tạo bông kết tủa sẽ lớn và ngược lại. Định lượng hóa chất vào nước dưới dạng dung dịch đã được hòa trộn ở bể hòa trộn phèn, nồng độ dung dịch phèn từ 1020%. Nước nguồn Phản ứng tạo bông, kết tủa Lắng Lọc Bể chứa Châm phèn Châm Clo +) Phản ứng tạo bông kết tủa Nước và hóa chất sau khi đã trộn đều thì được dẫn lên bể phản ứng. Bể phản ứng có chức năng hoàn thành nốt quá trình keo tụ, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tiếp xúc và kết dính giữa các hạt keo và cặn bẩn trong nước để tạo bông cặn đủ lớn và được giữ lại trong bể lắng. +) Lắng nước - Nhiệm vụ của quá trình lắng nước: Loại ra khỏi nước những hạt cặn có kích thước và trọng lượng lớn để giảm tải cho bể lọc phía sau, kéo dài chu kì lọc của lớp vật liệu lọc, để vừa đảm bảo về kỹ thuật vừa đảm bảo về kinh tế cho việc xử lý nước. - Nguyên tắc lắng nước: Nước sau khi xảy ra quá trình keo tụ và tạo bông tại bể phản ứng thì được dẫn sang bể lắng. Trong quá trình lắng, các hạt sẽ va chạm vào nhau, hấp thụ và kết dính với nhau tạo thành hạt có kích thước lớn hơn, và vận tốc lắng sẽ lớn hơn. Kết quả là ở phần trên của bể lắng vận tốc lắng nhỏ hơn, càng xuống dưới đáy vận tốc càng cao do kích thước hạt tăng lên. Các bông cặn lớn dần lên nên lực cản ma sát do nước chuyển động ngược chiều với hạt cũng tăng lên, tỷ lệ thuận với kích thước của bông cặn. Ngoài ra, khi bông cặn lớn lên thì lực kéo trên một đơn vị diện tích tiết diện bông cặn cũng lớn lên và tỷ lệ thuận với kích thước bồng cặn. Khi bông cặn lớn đến một kích thước nhất định, lực kéo đủ lớn để phá vỡ bông cặn làm cho kích thước bông cặn không thể tăng thêm được nữa. Từ thời điểm đó, vận tốc lắng sẽ không thay đổi và hiệu quả lắng sẽ không tăng, dù thời gian lắng kéo dài hơn. Phần nước trong sau khi lắng được thu qua máng thu nước dẫn sang bể lọc. +) Lọc nước - Nguyên tắc lọc nước: Hình 4.1. Nguyên tắc lọc nước Cho nước có cặn đi qua lớp vật liệu bằng cát thạch anh có đường kính hạt từ 0,51 mm với chiều dày 0,81,2 m. Các hạt cặn được giữ lại trong các khe rỗng của lớp vật liệu và nước được làm trong. - Cấu tạo bể lọc: Hình 4.1 vẽ sơ đồ cấu tạo của bể lọc chậm - Lọc: Tất cả các khóa đều đóng, mở khóa (1) và khóa (13) cho nước chảy vào từng bể lọc, chờ mức nước trong bể đạt đến độ cao thiết kế thì mở khóa (12) để xả nước lọc đầu (chừng 35 phút). Sau đó đóng khóa (12), mở khóa (7) để nước sạch chảy về bể chứa. - Rửa lọc: Sau quá trình lọc với thời gian nhất định tùy vào từng loại bể lọc, chất lượng nước ra khỏi bể lọc không đảm bảo chất lượng tiêu chuẩn nước dùng, đồng thời công suất bể lọc giảm xuống người ta tiến hành rửa bể lọc. Đóng khóa 13, chờ cho mức nước trong bể lọc hạ xuống cách mặt cát khoảng 200mm thì khóa van (7) lại. Mở van (9) cấp gió sục tơi cát và cặn (chừng 35 phút). Sau đó đóng lại. Mở van (8) cấp nước rửa lọc và mở van (11) để xả nước rửa lọc (chừng 710 phút). Sau đó đóng khóa (8) lại. Hình 4.2. Cấu tạo bể lọc 1 – Ống dẫn nước từ bể lắng sang 2 – Mương dẫn nước để phân phối cho các bể lọc 3 – Mương lấy nước cho bể 4 – Máng phân phối nước lọc và thu nước rửa lọc 5 – Lớp vật liệu lọc bằng cát thạch anh 6 – Chụp lọc bằng sứ hoặc ống nhựa (25 chụp/1m2) 7–Ống thu nước lọc để dẫn về bể chứa 8 – Van cấp nước rửa lọc 9 – Van cấp gió rửa lọc 10 – Van xả khô bể 11 – Van xả nước rửa lọc 12 – Van xả nước lọc đầu 13 – Van mở nước vào từng bể lọc 14 – Sàn bê tông có gắn chụp lọc +) Khử trùng nước: [7] Trong nước thiên nhiên, ngoài các tạp chất vô cơ, hữu cơ còn có nhiều loại vi sinh vật như vi khuẩn, vi trùng, vi rút gây bệnh tả, lỵ, thương hàn... Tiêu chuẩn của một nguồn nước cấp tốt là phải loại trừ được các nguồn gây bệnh đó và do vậy khử trùng nước là một quá trình không thể thiếu trong công nghệ xử lý nước cấp, nhất là nước cấp dùng cho sinh hoạt, ăn uống, công nghệ chế biến thực phẩm, đồ uống. Dựa vào nguyên lý của quá trình, có 2 phương pháp khử trùng nước: Phương pháp lý học(gồm: phương pháp nhiệt, phương pháp dùng tia tử ngoại, khử trùng bằng siêu âm, khử trùng bằng phương pháp lọc) và phương pháp hóa học(gồm: khử trùng bằng Clo và các hợp chất của Clo, khử trùng bằng Ozon, khử trùng bằng Iot và bằng ion kim loại nặng). Phương pháp khử trùng bằng hóa học có hiệu suất cao nên được sử dụng rộng rãi và cho mọi quy mô. Cơ sở của phương pháp khử trùng bằng hóa học là sử dụng các chất oxy hóa mạnh để oxy hóa men của tế bào vi sinh vật và tiêu diệt chúng. Trong công nghệ xử lý nguồn nước sông cấp cho sinh hoạt tại trạm xử lý nước thị trấn Bến Quan, người ta sử dụng Clo làm chất khử trùng nước. Nước sau khi lọc sạch ở bể lọc được dẫn qua bể chứa nước, Clo hơi ở bình chứa Clo được hóa lỏng rồi châm trực tiếp vào nước. Khi cho Clo vào nước, Clo tác dụng với nước phản ứng đặc trưng xảy ra là quá trình thủy phân Clo tạo thành acid clohydric(HCl) và acid hypocloric (HClO): Cl + HO HClO + HCl HClO 2H + ClO Khả năng tiệt trùng của Clo phụ thuộc vào sự tồn tại của ion HClO có trong nước, mà quá trình phân ly HClO phụ thuộc vào nồng độ ion H+ tức phụ thuộc vào pH của môi trường. Bảng 4.6. Mức độ phân ly của HClO phụ thuộc vào pH ở 20oC pH 5 6 7 8 9 10 11 HClO,% 99,95 99,5 97,5 79 3,00 0,50 0,70 HClO là thành phần khử trùng chính trong nước, thành phần này có giá trị cao khi ở pH thấp, điều đó nói lên rằng quá trình dùng Clo để khử trùng nước chỉ có được hiệu quả cao khi tiến hành ở pH thấp. Ngoài pH, thì các yếu tố như nhiệt độ, nồng độ chất khử trùng cũng ảnh hưởng đến quá trùng khử trùng nước bằng Clo. Sử dụng hóa chất nói chung và clo nói riêng để khử trùng nước cần đảm bảo nồng độ hóa chất trong nước cấp theo tiêu chuẩn Bộ Y tế, với chất khử trùng là clo thì nồng độ clo trong nước là 0,30,5 mg/l. Nếu vượt quá nồng độ này cần phải khử clo dư trong nước. Khử clo dư trong nước khi clo hóa với liều lượng cao có thể sử dụng phương pháp hóa học, khử clo thành clorit hoặc dùng phương pháp vật lý, hấp thụ clo bằng than hoạt tính hoặc làm thoáng bề mặt. Khử clo bằng hóa chất như dùng SO2, Na2SO3, Na2S2O3 theo các phản ứng sau: Cl2 + SO2 + H2O 2HCl + H2SO4 Cl2 + Na2SO3 + H2O 2HCl + Na2SO4 Cl2 + Na2S2O3 + H2O 2NaCl + 6HCl + 2H2SO4 Acid clohydric và acid sunphuric hình thành được trung hòa bằng độ kiềm dư của nước. +) Bể chứa nước sạch: Nước sau khi đã lọc trong thì theo đường ống được dẫn sang bể chứa để phân phối sử dụng. Chức năng của bể chứa: - Điều hòa chế độ làm việc của trạm bơm cấp I và trạm bơm cấp II - Dự trữ nước cho nhu cầu của thị trấn (thành phố) hoặc khu công nghiệp - Dự trữ một lượng nước cho bản thân trạm xử lý (chủ yếu nước cho nhu cầu rửa bể lọc) - Dự trữ một lượng nước cho nhu cầu chửa cháy của thị trấn hoặc khu công nghiệp trong thị trấn trong thời gian 3 giờ. Cần thường xuyên kiểm tra thời gian lưu nước trong bể, đáp ứng thời gian tiếp xúc để khử trùng (khi khử trùng bằng clo). Dung tích bể được tính toán trên cơ sở chế độ vận hành trạm bơm cấp I, II, chế độ rửa lọc...và các quy phạm về chữa cháy. +) Cấu tạo của bể chứa: Bể chứa nước sạch tại trạm cấp nước sinh hoạt của thị trấn Bến Quan: Gồm 2 bể nối tiếp nhau, nước sau khi đã được lọc sạch và châm Clo thì chảy vào 2 bể chứa. Dung tích mỗi bể là 300 m3 và được thiết kế bằng bê tông cố thép. Hình 4.2 thể hiện cấu tạo bể chứa nước sạch Hình 4.3. Cấu tạo bể chứa nước sạch 1 - Khóa trên đường ống dẫn nước vào bể; 2 - Van phao chống tràn bể 3 - Phểu thu xả tràn; 4 - Ống hút của bơm sinh hoạt 5 - Ống hút của bơm sinh hoạt; 6 - Van xả khô bể 7 - Nắp bể; 8 - Thang sắt để lên xuống quản lý 10 - Lớp đất trồng cỏ để bảo ôn cho bể 9 - Ống thông hơi; Hình 4.4. Mặt bằng công nghệ bể chứa 300m3 +) Một số yêu cầu đối với bể chứa Wb = Wđh + W + Wbt Trong đó: Wb – Dung tích toàn phần của bể; W – Dung tích chữa cháy của bể Wđh – Dung tích phần điều hòa của bể; Wbt – Dung tích nước cho bản thân trạm - Dung tích bể chứa phải tính sao cho thời gian lưu lại nước trong bể 30 phút - Không được bố trí ống nước vào và ra gần nhau để tạo vũng nước chết trong bể - Thau rửa bể theo định kỳ 4.4.3. Các biện pháp khử tạp chất và các khí hòa tan trong nước [3]. 4.4.3.1. Khử sắt và mangan trong nước mặt Trong nước thiên nhiên, sắt tồn tại dưới dạng: - Các hợp chất vô cơ của ion sắt hóa trị II: FeS, Fe(OH), Fe(HCO), FeSO. - Các hợp chất vô cơ của ion sắt hóa trị III: Fe(OH)3, FeCl3 ...Trong đó keo Fe(OH)3 là chất keo tụ, rất dễ dàng lắng đọng hoàn toàn trong các bể lắng, bể lọc. Vì thế các hợp chất vô cơ của sắt hòa tan trong nước có thể xử lý bằng phương pháp lý học: Làm thoáng lấy oxy của không khí để oxy hóa sắt hóa trị II thành sắt hóa trị III và quá trình thủy phân, keo tụ Fe(OH)3 xảy ra hoàn toàn trong bể lắng, bể lọc. - Các phức chất hữu cơ của ion sắt với acid humic, acid fulvic... - Các ion sắt hòa tan FeOH, Fe(OH) Các loại phức chất và hỗn hợp của các ion sắt hòa tan không thể khử được bằng phương pháp lý học mà phải kết hợp cả phương pháp hóa học. Quá trình khử sắt ở dạng này tiến hành đồng thời với quá trình khử độ đục của nước. Cho chất oxy hóa (Clo) vào nước để phá vỡ liên kết và oxy hóa sắt hóa trị II thành sắt hóa trị III hoặc cho vào nước các chất keo tụ như FeCl3, Al2(SO4)3 và kiềm hóa để có giá trị pH thích hợp cho các loại keo tụ các keo sắt và phèn xáy ra triệt để trong các bể lắng, bể lọc. Mangan tồn tại song song với sắt ở dạng ion hóa trị II trong nước ngầm và dạng keo hữu cơ trong nước mặt. Quá trình khử mangan trong nước cũng được tiến hành song song với quá trình khử sắt. Công nghệ khử mangan bao gồm các phương pháp: Phương pháp oxy hóa(xử lý có xúc tác hoặc xử lý không có xúc tác), phương pháp hóa học, phương pháp sinh học. 4.4.3.2. Khử khí hydrosunfua hòa tan trong nước Phương pháp phổ biến nhất là làm thoáng Trong nước thiên nhiên, khí H2S tồn tại dưới nhiều dạng tùy thuộc vào độ pH của nước. pH 10: hydrosunfua tồn tại dưới dạng phân tử HS, S. Bằng phương pháp làm thoáng, các dạng phân tử H2S được tách ra khỏi nước. Như vậy muốn quá trình làm thoáng đạt hiệu quả cần tạo điều kiện cho dạng phân tử tồn tại trong nước ở mức cao nhất nghĩa là đưa pH của nước về giá trị nhỏ hơn 5. Độ pH của nước thiên nhiên phụ thuộc vào hàm lượng hòa tan của khí CO2 và H2S, nếu hàm lượng các khí đó càng lớn thì pH của nước càng thấp. Trong quá trình làm thoáng, ngoài khí H2S khí CO2 cũng được tách ra khỏi nước, do đó pH của nước cũng được tăng dần, các phân tử H2S chuyển dần một phần sang dạng ion HS, như vậy hiệu quả khử H2S sẽ giảm đi. Do đó phải giữ pH của nước ở cuối quá trình làm thoáng xấp xỉ bằng 5. Khi làm thoáng, cùng với việc tách khí H2S thường xảy ra quá trình phụ: oxy hóa H2S bằng oxy hòa tan 2H2S + O2 2S + 2H2O Khử hoàn toàn lượng H2S còn lại sau làm thoáng bằng Clo hóa H2S + 4Cl2 + 4H2O H2SO4 + 8HCl 4.4.3.3. Khử Ammonium NH Phương pháp lý hóa: Khi trong nước có nồng độ ion NH cao hơn tiêu chuẩn cho phép có thể khử bằng cách: Nâng pH của nước lên giá trị > 7, làm thoáng cưỡng bức bằng không khí với tỷ lệ 10m khí cho 1m nước, hỗn hợp khí, nước có thể đi cùng chiều hoặc ngược chiều qua lớp vật liệu tiếp xúc dạng hạt dày 1m, cường độ tưới 510 m/h. Ion NH được khử ra khỏi nước dưới dạng khí NH. Lượng dư NH< 1mg/l có thể khử bằng Clo kết hợp với quá trình sát trùng nước thành cloramoine HClO + NH3 = NH2Cl + H2O có tác dụng kéo dài thời gian tiệt trùng Phương pháp sinh học: Quá trình hoạt động của vi khuẩn Nitrosomonas oxy hóa NH thành NO và vi khuẩn Ntrobacto oxy hóa NO thành NO. Quá trình diễn ra theo phương trình NH + 2O2 NO + 2H+ + 2H2O 4.4.3.4. Khử nitrate NO Phương pháp lý hóa: Khử Nitrate dùng thẩm thấu ngược RO, điện phân, trao đổi ion qua các bể lọc ionnit. 4.4.3.5. Khử Silic SiO2 Khử Silic bằng hóa chất: - Khử Silic bằng vôi: Khi làm mềm nước bằng vôi, khử được Silic dưới dạng lắng đọng CaSiO3. Quy trình công nghệ như sau: Đun nước cần khử Silic ở 3 thùng nối tiếp nhau đến nhiệt độ 90oC, qua quá trình này xảy ra quá trình phân hủy bicarbonat, sau đó nước đi vào bể lắng hình côn cùng với nước vôi bão hòa. Trong bể lắng diễn ra quá trình tách cặn Mg(OH)2, CaCO3, CaSiO3. Nước qua bể lắng được xử lý để có pH mong muốn, lọc trong đem sử dụng. - Khử Silic bằng muối sắt: Khi cho muối sắt FeCl3 vào nước, hình thành keo Fe(OH)3 mang điện tích dương tác dụng với keo Silic tích điện âm tạo thành hạt không mang điện dễ lắng. Giá trị pH tốt nhất để keo tụ là từ 8,59,5. Vi thế cùng với muối sắt phải pha thêm vôi để nâng pH lên giá trị tối ưu. Nước sau khi pha trộn hóa chất, cho đi qua bể lắng có lớp cặn lơ lửng, qua bể lọc vật liệ nỗi và cuối cùng là bể lọc thường ta được nước trong sử dụng. - Khử Silic bằng muối nhôm: Bông cặn Al(OH)3 hấp thụ Silic hòa tan trong nước. Quá trình diễn ra tốt nhất khi cho vào nước Aluminat Natri với liều lượng 1015mg/l NaAlO2 cho 1mg SiO có trong nước, quá trình diễn ra tốt nhất ở trị số pH = 8,5. Ngoài 2 phương pháp trên, người ta có thể khử Silic bằng Oxit Mangan hoặc bằng phương pháp lọc. 4.4.3.6. Các phương pháp điều chỉnh hàm lượng Fluor trong nước Khử Fluor bằng hóa chất: - Dùng các keo Mg(OH)2, Al2(OH)3, Ca3PO4 để hấp thụ ion Fluor. Ngoài các muối Magie như MgSO4, MgCl2 phải cho thêm vôi hoặc xút để nâng pH lên 10, tạo keo Mg(OH)2 hấp thu ion Fluor dễ hơn. Dùng bể lắng trong đáy hình côn, chiều cao lớp cặn lơ lửng không < 2m, vận tốc đi lên của dòng nước 0,20,25 mm/s, chiều cao lớp vật liệu lọc là 1m, tốc độ lọc < 1m/h. - Dùng Al(OH)3: Khi cho phèn nhôm vào nước, chúng bị thủy phân tạo thành hydroxit nhôm có khả năng hấp thụ Fluor. Quá trình khử bằng phèn nhôm diễn ra tốt nhất ở khoảng giá trị pH = 4,65, lúc đó liều lượng phèn nhôm cần là 2530 mg/l cho 1 mg Fluor cần khử. Ngoài ra có thể khử Fluor trong nước bằng Tricalci Phosphate hoặc phương pháp lọc qua lớp hấp thụ Al2O3. Tăng hàm lượng Fluor trong nước: Thường hàm lượng Fluor yêu cầu trong nước ăn uống ở điều kiện khí hậu ôn hòa từ 0,91 mg/l. Trong điều kiện nhiệt đới, nóng ẩm từ 0,70,8 mg/l. Nhiệm vụ xử lý nước là phải đảm bảo hàm lượng Fluor trong nước phân tích tại các vòi chênh lệch với hàm lượng quy định không > 0,1 mg/l. Để thêm Fluor vào nước người ta dùng các hóa chất sau: Sodium Hexafluorosilicate (Na2SiF6); Hexafluorosilic acid (H2SiF6); Sodium fluoride (NaF) Định lượng hòa chất chứa Fluor vào nước dưới dạng dung dịch, nồng độ dung dịch Na2SiF6 2,5%; H2SiF6 7%. Để lắng dung dịch 2 giờ trước khi bơm định lượng vào nước. Khi dùng hòa chất để Fluor hóa nước phải tuân theo các điều kiện cách ly, phòng độc, chống rỉ, an toàn kho chứa. 4.4.3.7. Khử các chất khoáng gây độc hại cho sức khỏe người dùng nước - Khử ion Sunfat SO Có thể dùng ion Ca+2 để khử ion SO SO + Ca+2 + 2H2O CaSO4.2H2O Có thể dùng muối Bariclorua BaCl2 CaSO4 + BaCl2 BaSO4 + CaCl2 Có thể khử SO xuống còn khoảng 20 mg/l, nhưng lượng Bari dùng là quá lớn và đắt, hơn nữa Bari độc, lượng dư trong nước sẽ gây hại cho sức khỏe. Vì thế để khử SO phải kết hợp với việc khử muối bằng bể lọc Cationit và lọc qua màng bán thấm RO. - Khử Arsen (As) trong nước: Trước tiên phải oxy hóa As hóa trị III thành As hóa trị V bằng Clo hoặc các chất oxy hóa mạnh để đảm bảo toàn bộ As đã được oxy hóa. Sau đó keo tụ nước bằng phèn sắt hoặc phèn nhôm ở pH = 7, As sẽ được giữ lại ở bể lắng hoặc bể lọc. - Khử kim loại nặng trong nước: Dùng phương pháp keo tụ, lắng, lọc để tách các kim loại nặng trong nước. Khi keo tụ bằng phèn nhôm hoặc phèn sắt có thể khử được các kim loại như Ag, Pb, Cu, Vanadi, thủy ngân giảm khoảng 50%. Zn, Ni khử bằng keo tụ và Clorine Nối tiếp quá trình keo tụ bằng phèn nhôm hoặc phèn sắt, lắng và lọc qua bể lọc cát có thể giảm được hàm lượng Hg, Cu, Pb và Cr hóa trị III xuống bằng không. Còn các ion Cr hóa trị VI, Cd, Co không giảm. - Khử phosphat: Phosphat có trong nước thiên nhiên chủ yếu là do sản phẩm của phân bón hóa học, nước thải công nghiệp và các chất tẩy rửa dùng trong sinh hoạt. Có thể hấp thụ phosphat ra khỏi nước bằng cách lọc qua lớp Oxit nhôm hoạt hóa. 4.4.3.8. Khử mùi vị của nước bằng các chất oxy hóa: - Dùng Clo và Ozon làm chất oxy hóa có thể khử mùi, vị của nước do hoạt động của vi sinh vật và rong rêu gây ra. Chú ý liều lượng chất oxy hóa không đủ thì không những không giảm được mùi vị trong nước mà còn làm tăng thêm lên. Chất oxy hóa làm chết vi sinh vật giải phóng ra những chất gây mùi, vị trong nước, do đó cần phải tăng liều lượng chất oxy hóa đủ để oxy hóa tiếp các chất này. Việc cho clo quá liều lượng cần phải tiến hành sao cho thời gian tiếp xúc của nước với Clo đủ lớn (>23 giờ). Cho Clo vào ống hút trạm bơm I còn chất khử mùi bằng Clo thì cho vào ống hút trạm bơm II. - Trong một số trường hợp Clo hóa không đạt kết quả cao hoặc làm cho nước có mùi người ta dùng phương pháp tổ hợp: Dùng Cl2 và KMnO4. KMnO4 là một chất oxy hóa dùng để khử mùi, vị của nước có hiệu quả nhất. Liều lượng KMnO4 được coi là đủ khi mới cho vào nó làm cho nước có màu ánh hồng và chuyển thành màu hung ở khoảng giữa chiều dài bể lắng ngang. 4.4.3.9. Khử các chất hữu cơ hòa tan trong nước bằng than hoạt tính Lọc nước qua lớp vật liệu lọc là các hạt than hoạt tính hay cho vào nước bột than hoạt tính là biện pháp tổng hợp nhất để khử các chất hữu cơ có nguồn gốc tự nhiên trong nước biểu thị gián tiếp bằng độ màu, mùi, vị của nước. Bột than hoạt tính dùng để khử các chất hữu cơ gây ra mùi, vị của nước có thể định lượng vào nước dưới dạng bột khô hay dạng dung dịch ngay trước bể lắng hoặc trước bể lọc. Khi cho bột than hoạt tính vào nước cần đảm bảo liều lượng không lớn hơn 57 mg/l. Để giảm tổn thất áp lực lọc nên dùng bể lọc 2 lớp, tốt nhất là cho bột than hoạt tính vào trước bể lọc vì nếu cho vào trước bể lắng bột than sẽ bị lắng nhanh và không đủ thời gian tiếp xúc với các chất bẩn hữu cơ. 4.4.3.10. Làm mềm nước: Độ cứng của nước cấp là một trong các chỉ tiêu quan trọng về chất lượng của nước cấp. Độ cứng của nước là số đo hàm lượng các ion kim loại Ca2+ và Mg2+ có trong nước. Độ cứng toàn phần là tổng hàm lượng các ion Ca2+ và Mg2+ tính cho một lít nước. Độ cứng toàn phần = + ; mmol/l Độ cứng tạm thời (độ cứng cacbonat): Là tổng hàm lượng các muối canxi bicacbonat Ca(HCO3)2 và Magie bicacbonat Mg(HCO3)2 (tính theo mmol/l). Độ cứng vĩnh cửu (độ cứng không cacbonat): Biểu thị tổng hàm lượng các muối còn lại của Canxi và Magie có trong nước. Trong sinh hoạt, dùng nước có độ cứng cao gây lãng phí xà phòng và các chất tẩy rửa, tạo lớp cáu cặn trên thiết bị sinh hoạt. Mục tiêu của quá trình làm mềm nước là giảm đến mức cho phép hàm lượng các ion Ca2+ và Mg2+ trong nước cấp. Có 2 phương pháp cơ bản để làm mềm nước: *) Làm mềm nước bằng phương pháp hóa học: - Làm mềm nước bằng vôi Ca(OH)2: Là phương pháp thông dụng nhằm khử độ cứng cacbonat, áp dụng để giảm cả độ cứng và độ kiềm của nước. Trình tự các phản ứng của quá trình xảy ra như sau: 2CO2 + Ca(OH)2 Ca(HCO3)2 Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 2CaCO3 + 2H2O Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 Mg(OH)2 + 2CaCO3 + 2H2O NaHCO3 + Ca(OH)2 CaCO3 + Na2CO3 + H2O Khả năng của quá trình làm mềm nước phụ thuộc vào độ hòa tan của CaCO3 và Mg(OH)2. trong nước thiên nhiên, độ hòa tan của các hợp chất này phụ thuộc vào thành phần ion của nước và lượng CO và OH Liều lượng vôi sử dụng cho quá trình làm mềm phụ thuộc vào thành phần các ion có trong nước. Để tăng cường quá trình lắng cặn CaCO3 và Mg(OH)2 khi làm mềm bằng vôi, người ta pha thêm phèn vào nước. Nhưng ít sử dụng phèn nhôm vì trong môi trường kiềm (pH > 9), phèn nhôm tạo ra Aluminat hòa tan. Kiểm tra hiệu quả của quá trình làm mềm nước bằng vôi chỉ cần xác định trị số pH sau khi pha vôi vào nước. pHc = pHs + pH Trong đó: pHc là độ pH bão hòa của nước ở cuối quá trình làm mềm pHs là độ pH của nước ở trạng thái bão hòa tự nhiên pH là lượng dư các ion OH cần bổ sung để tăng tốc độ phản ứng lắng cặn Ngoài ra, để giảm độ cứng của nước người ta có thể sử dụng phương pháp làm mềm bằng vôi kết hợp với sô đa; làm mềm bằng Trinatriphosphat (Na3PO4) *) Làm mềm nước bằng phương pháp nhiệt: Cơ sở lý thuyết của phương pháp này là dùng nhiệt để bốc hơi khí cacbonic hòa tan trong nước. Trạng thái cân bằng của các hợp chất sẽ chuyển hóa theo phản ứng sau: 2HCO CO + H2O + CO2 Ca2+ + CO CaCO3 Ca(HCO3)2 CaCO3 + H2O + CO2 Riêng đối với Magie quá trình khử xảy ra theo 2 bước: Ở nhiệt độ thấp (đến 18oC) ta có phản ứng: Mg(HCO3)2 MgCO3 + H2O + CO2 Tiếp tục tăng nhiệt độ: MgCO3 + H2O Mg(OH)2 + CO2 Như vậy, phương pháp nhiệt làm giảm được độ cứng cacbonat đi đáng kể. Nếu kết hợp cả phương pháp dùng hóa chất với phương pháp nhiệt, bông cặn tạo ra có kích thước lớn và lắng nhanh do độ nhớt của nước giảm đi khi nhiệt độ tăng đồng thời giảm được lượng hóa chất cần sử dụng. 4.5. Tính toán và lựa chọn thiết bị xử lý nước 4.5.1. Nhu cầu sử dụng nước của khu dân cư tại thị trấn Bến Quan +) Nhu cầu nước sinh hoạt trong ngày dùng nước tối đa Q = ; m3/ngđ (4.1) Trong đó: q là tiêu chuẩn cấp nước trung bình; (l/người/ngày), qtb = 60 l/người/ngày N là số dân được cấp nước; (người), N = 1000 Kng là hệ số không điều hòa ngày, lấy bằng 2 Q = = 120 m3/ngày +) Lượng nước dự phòng cho phát triển công nghiệp, dân cư và các lượng nước khác lấy bằng 510% lượng nước dùng cho sinh hoạt Q = 5%. Q; m3/ngày (4.2) Q = = 6m3/ngày +) Nhu cầu dùng nước của một số đơn vị khác (Trạm Y tế, trường học, đồn công an, Ủy ban nhân dân) là: Q = ; m/ngđ (4.3) Trong đó: qi là nhu cầu dùng nước(theo bảng) ni là số đơn vị tính Bảng 4.7. Nhu cầu dùng nước của một số đơn vị [3] Đơn vị Đơn vị tính Nhu cầu dùng nước Công sở Trường học Cửa hàng Bệnh viện Khách sạn Người Người Nhân viên Giường Giường 6 l/người – ngày 1525 l/người – ngày 100135 l/người – ngày 350500l/giường – ngày 250 l/giường – ngày Q = = 26 m3/ngày +) Công suất hữu ích của hệ thống cấp nước: Q = Q + Q+ Q; m3/ngày (4.4) Q = 120 + 6 +26 = 152 m3/ngày +) Lưu lượng nước tính toán cho trạm xử lý là: Q = ; m3/h (4.5) Trong đó: kxl là hệ số kể đến lượng nước dùng trong khu xử lý, kxl = 1,051,10 kr là hệ số kể đến lượng nước rò rỉ của mạng lưới, kr = 1,051,10 Qtt = m3/h 4.5.2. Tính toán bể phản ứng thủy lực dạng xoáy hình trụ Bể phản ứng thủy lực xoáy hình trụ đặt trong bể lắng đứng, áp dụng cho các nhà máy nước có công suất nhỏ. Cấu tạo: Bể gồm một ống hình trụ đặt ở tâm bể đi vào phần trên của bể lắng đứng. Nước từ bể trộn được dẫn bằng ống rồi qua vòi phun cố định đi vào phần trên của bể. Hai vòi phun đặt đối xứng nhau qua tâm bể với hướng phun ngược nhau và chiều phun nằm trên phương tiếp tuyến với đường chu vi bể. Do tốc độ qua vòi phun lớn, nước chảy quanh thành bể tạo thành chuyển động xoáy từ trên xuống. Các lớp nước ở bán kính quay khác nhau có tốc độ chuyển động khác nhau và tạo điều kiện tốt cho các hạt cặn, hạt keo va chạm và kết dính với nhau tạo thành bông cặn. Đường kính vòi phun được chọn theo tốc độ nước ra khỏi vòi phun là 23 m/s. Hình 4.5. Cấu tạo vòi phun +) Tổn thất áp lực tại vòi phun: h=0,06v2 ; m (4.6) Trong đó: v là vận tốc nước qua miệng vòi phun; (m) +) Đường kính bể phản ứng: D=; m (4.7) Trong đó: D là đường kính bể phản ứng; (m) Qtt là lưu lượng nước xử lý; (m/h) T là thời gian lưu lại của nước trong bể phản ứng; (phút), chọn t = 15 20 phút H là chiều cao bể phản ứng lấy bằng 0,90 chiều cao vùng lắng của bể lắng đứng; (m). n là số bể phản ứng làm việc đồng thời Nước chứa các bông cặn đi ra từ đáy bể phản ứng. Ở đáy bể phản ứng, theo đường chu vi bể đặt các vách ngăn hướng dòng xếp hình nan quạt để dập tắt chuyển động xoáy và phân phối đều nước vào bể lắng. Kích thước các vách ngăn lấy theo cấu tạo theo khoảng cách từ đáy bể phản ứng đến đáy bể lắng và đường kính bể lắng. Khoảng cách giữa các vách ngăn tại đường chu vi bể lấy từ 0,4 0,6 m. Đường kính vách ngăn 1,1m. Hình 4.6. Cấu tạo vách hướng dòng hình nan quạt +) Cường độ khuấy trộn trong bể xác định bằng Gradien vận tốc G=; s-1 (4.8) Trong đó: Q là lưu lượng nước vào bể; (m/s) là trọng lượng riên của nước; (KG/m3) v là tốc độ nước qua vòi phun; (m/s) V là dung tích bể phản ứng; (m3) là hệ số nhớt động học của nước Nhược điểm của bể phản ứng xoáy hình trụ là chỉ xây dựng được với bể lắng đứng, với một số bể lắng khác thì nó rất hạn chế vì cấu tạo vòi phun phức tạp. Hình 4.7. Bể lắng đứng với ngăn phản ứng xoáy hình trụ Ghi chú: a – Bể phản ứng xoáy hình trụ; b – Phần lắng của bể lắng đứng c – Phấn chứa cặn của bể lắng; 1 - Ống dẫn nước vào; 2 – Vòi phun xoáy nước 3 – Cấu tạo hướng dòng; 4 - Ống dẫn nước ra Bài toán thực tế: Tính toán bể phản ứng xoáy hình trụ cho trạm xử lý nước cấp sinh hoạt tại thị trấn Bến Quan có công suất Q = 152 m3/ngđ. +) Diện tích một bể phản ứng xoáy là: f = ; m (4.9) Trong đó: T là thời gian nước lưu lại trong bể phản ứng, t = 18 phút (quy phạm t = 1520 phút H là chiều cao bể phản ứng xoáy hình trụ lấy bằng 0,90 chiều cao vùng lắng của bể lắng. Giới hạn chiều cao vùng lắng của bể lắng 2,65m. Q là công suất của nhà máy nước, n là số bể phản ứng. Kết quả khảo sát thực tế với: Chiều cao vùng lắng là 3m. H = 3.0,90 = 2,7m; Q = 152 m3/ngđ = 7,2 m3/h Q = 152 m3/ngđ = 7,2 m3/h; n = 4 bể f = = 0,20m2 +) Đường kính của bể phản ứng là: D = = ; m (4.10) D = = 0,50m +) Lưu lượng nước đi vào mỗi bể phản ứng là: q = ; m3/s (4.11) q = = 5,08.10m3/s Thực tế đường kính ống dẫn nước vào bể là D = 100 mm +) Tốc độ nước chảy trong ống là: v = ; m/s (4.12) v = = 0,065m/s +) Miệng phun đặt cách thành buồng phản ứng là: 0,2D = 0,2.0,5 = 0,10m +) Đường kính miệng phun là: d = 1,13; m (4.13) Trong đó: là hệ số lưu lượng, đối với miệng phun hình nón có góc nón = 25o thì = 0,908 v nằm trong giới hạn 23 m/s, lấy v = 2,5 m/s df = 1,13 = 0,02m +) Chiều dài miệng phun là: l = ; m (4.14) l = = 0,045m +) Tổn thất áp lực ở miệng phun là: h = 0,06vfkt (4.15) vfkt lấy như sau: vfkt = 1,13 (4.16) vfkt = 1,132. = 1,79m/s Vậy h = 0,06.1,79 = 0,12 (m) 4.5.3. Tính toán bể lắng đứng có buồng phản ứng đặt ở tâm bể[1] Trong bể lắng đứng nước chuyển động theo phương thẳng đứng từ dưới lên còn các hạt cặn thì rơi ngược chiều với chiều chuyển động từ trên xuống. Trường hợp 1: Xử lý nước không dùng hóa chất keo tụ, các hạt cặn có tốc độ rơi lớn hơn tốc độ dâng của dòng nước sẽ lắng xuống được. Còn các hạt cặn có tốc độ rơi nhỏ hơn hoặc bằng tốc độ dâng của dòng nước sẽ chỉ lơ lửng hoặc bị cuốn trôi theo dòng nước lên phía trên bể. Trường hợp 2: Xử lý nước có dùng hóa chất keo tụ, tức trong có chứa các hạt cặn kết dính, thì ngoài các hạt cặn có tốc độ rơi ban đầu lớn hơn tốc độ dâng của dòng nước lắng xuống, thì các hạt cặn khác cũng lắng xuống được. Nguyên nhân là do trong quá trình các hạt cặn có tốc độ rơi nhỏ hơn tốc độ dâng của nước bị đẩy lên sẽ kết dính lại với nhau và tăng dần kích thước và đến khi tốc độ rơi của nó lớn hơn tốc độ dâng của dòng nước thì sẽ lắng xuống. Như vậy, lắng keo tụ trong bể lắng đứng có hiệu quả cao hơn nhiều so với lắng tự nhiên. Hiệu quả của bể lắng đứng phụ thuộc vào: Chất keo tụ, sự phân bố đều của dòng nước đi lên và chiều cao vùng lắng. * Cấu tạo bể lắng đứng: Bể lắng đứng có mặt hình tròn hoặc hình vuông, sử dụng cho những trạm xử lý có công suất nhỏ (3000 m3/ngày đêm). Bể lắng đứng bố trí kết hợp với bể phản ứng xoáy hình trụ. Bể được xây dựng bằng gạch hoặc bằng bê tông cốt thép. Hình 4.8. Sơ đồ cấu tạo bể lắng đứng Chú thích: 1 – Ngăn phản ứng xoáy; 6 – Tấm hường dòng 2 – Vùng lắng; 7 – Máng thu 3 – Vùng chứa cặn; 8 - Ống nước ra 4 - Ống nước vào; 9 - Ống xả cặn 5 – Vòi phun * Nguyên tắc làm việc: Đầu tiên nước chảy vào ống trung tâm ở giữa bể rồi đi xuống dưới qua bộ phận hãm làm triệt tiêu chuyển độngk xoáy rồi vào bể lắng. Trong bể lắng đứng nước chuyển động theo chiều đứng từ dưới lên trên, cặn rơi từ trên xuống dưới đáy bể. Nước đã lắng được thu vào mắng vòng bố trí xung quanh thành bể và đưa qua bể lọc. * Chức năng làm việc của bể lắng: Chia làm hai vùng: Vùng lắng dạng hình trụ (hình hộp) ở phía trên và vùng chứa nén cặn dạng hình nón (hình chóp) ở phía dưới. Cặn tích lũy ở vừng chứa nén cặn được thải ra ngoài theo chu kỳ bằng ống và van xả cặn. * Tính toán bể lắng đứng +) Diện tích tiết diện ngang của vùng lắng trong bể lắng đứng là: F=; m2 (4.17) Trong đó: Q là lưu lượng nước đi vào bể lắng; (m3/h) vtt là vận tốc của dòng nước đi lên ; (mm/s), vtt < uo, uo là tốc độ lắng của cặn (tra theo bảng) Bảng 4.8. Tốc độ rơi của cặn uo Đặc điểm của nguồn nước và phương pháp xử lý Tốc độ rơi của cặn uo (mm/s) Xử lý nước có dùng phèn Nước đục ít (Hàm lượng cặn < 50 mg/l) Nước đục vừa (Hàm lượng cặn 50250 mg/l) Nước đục (Hàm lượng cặn 2502500 mg/l 2) Xử lý nước không dùng phén, nước đục 0,350,45 0,450,5 0,50,6 0,120,15 N là số bể lắng đứng làm việc đồng thời, N2 là số kể đến việc sử dụng dung tích của bể lấy trong giới hạn từ 1,31,5 Tỷ số = 1 thì =1; = 1,5 thì =1,5; trong đó D là đường kính bể lắng; H là chiều cao bể lắng +) Đường kính bể lắng đứng: D=; m (4.18) Trong đó: f là diện tích tiết diện ngang của bể phản ứng xoáy hình trụ, xác định theo công thức: f=; m2 (4.19) f là diện tích một ngăn phản ứng xoáy; (m2) t là thời gian nước lưu lại trong bể; t = 1520 phút H là chiều cao bể phản ứng lấy bằng 0,90 chiều cao vùng lắng của bể lắng đứng; (m). Quy phạm chiều cao vùng lắng lấy từ 2,65 m Q là công suất của nhà máy nước; (m3/h) N là số bể phản ứng, n2. Phần chứa ép cặn của bể lắng phải xây thành hình nón ( hoặc chóp) với góc tạo thành giữa các tường nghiêng là 7080%. Dự kiến khi xả cặn bể không ngừng làm việc, thời gian giữa hai lần xả cặn: Nếu hàm lượng cặn 1000 mg/l, thì thời gian 6 giờ; Nếu hàm lượng cặn >1000 mg/l, thì thời gian 24 giờ. Thời gian giữa hai lần xả cặn tính theo công thức: T = ; h (4.20) Trong đó: Wc là dung tích phần chứa nén cặn của bể lắng; (m3) Wc = ; m3 (4.21) Ở đây hn là chiều cao phần hình nón chứa nén cặn; (m) xác định theo công thức: h= ; m (4.22) là góc nghiêng của phần hình nón so với mặt phẳng nằm ngang (=5060o) D là đường kính của bể lắng; (m) d là đường kính ống xả cặn; (m) N là số bể lắng đứng là nồng độ trung bình của cặn đã nén chặt, lấy theo bảng Bảng 4.9. Nồng độ trung bình của cặn đã nén chặt Hàm lượng cặn có trong nước nguồn (mg/l) Nồng độ trung bình của cặn đã nén tính bằng g/m3 sau khoảng thời gian 6h 8h 12h 24h 1) Khi xử lý có dùng phèn Đến 50 Trên 50 đến 100 Trên 100 đến 400 Trên 100 đến 1000 Trên 1000 đến 2500 2) Khi xử lý không dùng phèn 6000 8000 24000 27000 34000 - 6500 8500 25000 29000 36000 - 7500 9300 27000 31000 38000 - 8000 10000 30000 35000 41000 150000 c là hàm lượng cặn còn lại trong bể nước sau khi lắng, c = 1012 mg/l Cmax là hàm lượng cặn trong nước đưa vào bể lắng (kể cả cặn tự nhiên và hóa chất cho vào nước), tính theo công thức: Cmax = Cn + KP + 0,25M + v; mg/l (4.23) Cn là hàm lượng cặn trong nước nguồn; (mg/l) P là liều lượng phèn tính theo sản phẩm không ngậm nước; (g/m3) K là hệ số phụ thuộc vào độ tinh khiết của phèn sử dụng Đối với phèn nhôm sạch: K=0,55 Đối với phèn nhôm không sạch: K=1,0 Đối với phèn sắt clorua: K=0,8 M là độ màu của nước nguồn (độ) theo thang màu Platin – Coban v là liều lượng vôi kiềm hóa nước (nếu có); (mg/l) +) Lượng nước dùng cho việc xả cặn tính theo công thức: p = ; % (4.24) Trong đó: Kp là hệ số pha loãng, xả cặn bằng thủy lực thì Kp=1,5 P được tính bằng phần trăm lưu lượng nước xử lý Thời gian một lần xả cặn có thể kéo dài từ 8 10 phút Việc thu nước đã lắng ở bể lắng đứng được thực hiện bằng hệ thống máng vòng xung quanh bể thì diện tích một bể phải 12 m2. Nếu diện tích > 12m2 máng thêm các ống hoặc máng có đục lỗ hình nan quạt tập trung nước vào máng chính. Nếu S = 1230 m2 thì chia làm 4 nhánh S > 30 m2 thì chia làm 8 nhánh Nước chảy trong ống hoặc máng với vận tốc v = 0,60,7 m/s; Đường kính ống xả là 150200 mm. Bài toán thực tế: Tính toán bể lắng đứng cho trạm xử lý nước cấp sinh hoạt tại thị trấn Bến Quan có công suất Q =152 m3/ngày ; hàm lượng cặn trong nước nguồn là: 40 mg/l ; độ màu của nước nguồn M = 30o. Giải: +) Diện tích tiết diện ngang của vùng lắng tính theo công thức (4.17): F = ; m2 Với: Qtt = 7,2 (m3/h) Dựa vào bảng xác định tốc độ rơi của cặn, ứng với hàm lượng cặn trong nước nguồn là 40 mg/l chọn vtt = 0,4 (mm/s) N = 4 Chọn = 1,5 Ta có: F = 1,5 = 1,875 (m2) +) Diện tích bể phản ứng xoáy hình trụ: fb = 0,20 (m2) +) Đường kính bể lắng tính theo công thức (4.18) D = ; m D = = 1,63m < 1,5 thỏa mãn điều kiện +) Thời gian làm việc của bể lắng giữa 2 lần xả cặn tính theo công thức (4.20) T = ; h Trong đó: Wc tính theo công thức (4.21) hn tính theo công thức (4.22) Chọn = 50o; d = 150 mm hn = m Vậy: Wc = = 0,67m3 Ta có: Q = 7,2 (m3/h) N = 4 (bể) Chọn c = 12 mg/l chọn theo bảng 4.9, = 8000 (g/m3) Cmax tính theo công thức (4.23) Kết quả khảo sát thực tế với: Cn = 40 mg/l; K = 0,55; P = 30 mg/l; M = 30o; không sử dụng vôi để kiềm hóa nước. Ta có: Cmax = 40 + 0,55.30 + 0,25.30 = 64 (mg/l) +) Lượng nước dùng cho việc xả cặn tính theo công thức (4.24) P = % Vậy thời gian làm việc giữa 2 lần xả cặn là: T=h Nhận xét: Khi lắng có keo tụ, tạo bông hiệu suất lắng phụ thuộc vào 2 yếu tố: vận tốc lắng và thời gian lắng hay chiều cao của bể lắng. Do vậy khi thiết kế bể lắng có lưu lượng Q, thời gian lắng là t và vận tốc lắng so thì kích thước bể phải được tính toán như sau: Thể tích bể: V = Q.t; tiết diện bể A = ; H = so.t Trong quá trình tính toán cần chọn so, t sao cho chi phí xây dựng bể là thấp nhất. 4.5.4. Tính toán bể lọc chậm +) Sơ đồ cấu tạo và nguyên tắc làm việc của bể như hình vẽ Hình 4.9. Cấu tạo và nguyên tắc làm việc của bể lọc chậm Hình 4.10. Mặt cắt I-I của bể lọc chậm Nước từ máng phân phối đi qua lớp cát lọc với vận tốc rất nhỏ ( 0,10,5 m/h). Lớp cát lọc (đường kính D = 0,31,25mm) đổ trên lớp sạn lọc (đường kính D = 410mm), dưới lớp sỏi đỡ là hệ thống cốc lọc thu nước đã lọc sạch sang bể chứa. Lớp cát lọc thường là cát thạch anh có chiều dày, kích thước cỡ hạt và cấu tạo lớp sỏi đỡ ghi trong bảng Bảng 4.10. Cấu tạo lớp cát lọc và lớp sỏi đỡ trong bể lọc chậm (Theo TCXD – 33 : 1985) Số TT Tên lớp vật liệu lọc và lớp đỡ Cỡ hạt của vật liệu (mm) Chiều dày của lớp vật liệu (mm) 1 2 3 4 5 6 Cát thạch anh Cát thạch anh Sỏi đỡ hoặc đá dăm Sỏi đỡ hoặc đá dăm Sỏi đỡ hoặc đá dăm Sỏi đỡ hoặc đá dăm 0,3 1 12 2 5 5 10 10 20 20 40 800 50 100 100 100 150 Tổng cộng 1300 Hệ thống thu nước lọc của bể lọc chậm chọn theo diện tích mặt bằng của bể. Khi bể lọc chậm có diện tích từ 1015 m2 thì phải thu nước trong bằng máng đặt chìm dưới đáy bể. Khi bể lọc có diện tích lớn hơn 15 m2 thì hệ thống thu nước bằng ống đục lỗ hoặc ống bê tông có khe hở hoặc ống bê tông rỗng. mm/s) Lớp nước trên mặt cát phải lấy bằng 1,5 m. Khi cho nước qua lớp vật liệu lọc với vận tốc nhỏ (0,10,3 m/h) thì trên bề mặt cát sẽ dần dần hình thành màng lọc. Nhờ màng lọc này mà hiệu quả lọc cao (9599%), cặn bẩn và vi trùng trong nước sẽ được giữ lại trên màng lọc. +) Ưu điểm của bể lọc chậm: Có thể dùng để xử lý nước không dùng phèn, không đòi hỏi sử dụng nhiều máy móc thiết bị phức tạp, quản lý và vận hành đơn giản. +) Nhược điểm của bể lọc chậm: Diện tích lớn do vận tốc lọc nhỏ nên khó cơ khí hóa và tự động hóa trong quá trình rửa lọc vì vậy mà quản lý bằng thủ công nặng nhọc. Bể lọc chậm áp dụng đối với các nhà máy nước có công suất 1000 m3/ngày hàm lượng cặn 50 mg/l; độ màu M 50o, khi phục hồi phải lấy cát ra rửa Trường hợp rửa bằng xới cơ khí hoặc rửa bằng nước thì công suất đến 3000 m3/ngày; hàm lượng cặn là 700 mg/l; độ màu là 50o. +) Rửa bể lọc chậm: * Rửa bằng thủ công: Cho nước lọc rút xuống mặt cát lọc khoảng 20 cm, dùng xẻng xúc một lớp cát dày trên bề mặt dày khoảng 23 cm, đem đi rửa, phơi khô và cất. Sau khoảng 1015 lần rửa chiều dày lớp cát lọc khoảng 0,60,7 m thì xúc toàn bộ số cát còn lại đem rửa và thay cát sạch đúng bằng chiều dài thiết kế. * Rửa bằng bán cơ giới: Khi cấu tạo của bể lọc chậm như sau: Chia bể lọc theo chiều rộng thành những ngăn rộng khoảng 2 m bằng những vách ngăn cao hơn mặt cắt lọc 20 cm, phía máng thu nước rửa lọc làm những cửa thu cao hơn mặt cát 10 cm. Khi rửa cho nước vào máng phân phối với cường độ 12 l/s.m2. Khi nước chuyển động từ máng phân phối nước rửa lọc vào máng thu thì sẽ rửa bề mặt lớp cát bằng cào khuấy. Cặn theo đường nước cuốn vào máng thu cuối bể. Cấu tạo như vậy thì sẽ giảm bớt khó khăn và giảm thời gian rửa bể lọc. +) Quản lý và vận hành bể lọc chậm Trước khi cho bể vào làm việc phải đưa nước vào bể qua ống thu nước ở dưới và dâng dần lên nhằm dồn hết không khí ra khỏi lớp cát lọc. Khi mực nước dâng lên trên mặt lớp cát lọc 2030 cm thì ngừng lại và mở van cho nước nguồn vào bể ngang độ cao thiết kế. Mở van điều chỉnh tốc độ lọc và điều chỉnh cho bể lọc làm việc đúng tốc độ tính toán. Trong quá trình làm việc tổn thất qua bể lọc tăng dần lên, hàng ngày phải điều chỉnh van thu nước một vài lần để đảm bảo tốc độ lọc ổn định. Khi tổn thất áp lực đạt đến trị số giới hạn (12 m) thì ngừng vận hành bể để rửa bể. +) Tính toán bể lọc chậm - Diện tích bề mặt bể lọc chậm: F = ; m2 (4.25) Trong đó: Q là lưu lượng nước xử lý; (m3/h) v là tốc độ lọc; (m/h), tốc độ lọc lấy theo hàm lượng cặn của nước nguồn (theo bảng 4.8) thông thường để luân phiên rửa cặn, người ta thường chia diện tích lọc thành nhiều bể. Sơ bộ có thể chọn số bể theo công thức: (4.26) Trong đó: N là số bể lọc vt/c là tốc độ làm việc của bể khi có một ngăn ngừng làm việc để rửa hoặc sữa chữa, tốc độ lọc tăng cường vt/c lấy theo bảng Bảng 4.11. Tốc độ lọc trong bể lọc chậm Hàm lượng cặn của nước nguồn vào bể (mg/l) Tốc độ lọc (m/h) Khi bể làm việc bình thường (v) Khi bể làm việc tăng cường (vt/c) Đến 25 Lớn hơn 25 Xử lý nước ngầm 0,30,4 0,20,3 0,5 0,40,5 0,30,4 0,6 - Chiều cao toàn phần của bể lọc chậm: H = ht + hđ + hc + hn + hp; m (4.27) Trong đó: ht là chiều dày của lớp sàn đáy thu nước lọc; (m), lấy từ 0,30,5 m hđ là chiều dày lớp sỏi đỡ; (m), lấy theo bảng hc là chiều dày lớp cát lọc; (m), lấy theo bảng hn là chiều cao lớp nước; (m), (hn= 0,81,8 m), thường chọn hn = 1,5 m hp là chiều cao dự phòng; (m), (0,30,5 m) - Cường độ rửa lọc: q=; l/s.m2 (4.28) Trong đó: q là lượng nước lọc qua 1 m2 bể trong 1 giờ; (m3/m2.h) là tổng số ngăn tập trung nước trong bể q phải nằm trong giới hạn 12 l/s.m2 - Dung tích nước cho một lần rửa một ngăn lọc: W=; m (4.29) Trong đó: f là diện tích một ngăn cần rửa; (m) f = ; (m) b là chiều rộng một bể; (m) l là chiều dài một bể; (m) n là số ngăn trong bể t là thời gian rửa một ngăn lọc; (s), lấy t= 6001200 s Bài toán thực tế: Tính toán bể lọc chậm cho trạm xử lý nước cấp sinh hoạt tại thị trấn Bến Quan có công suất là 152 m3/ngày, hàm lượng cặn trong nước nguồn là 40 mg/l. Giải: +) Tổng diện tích bề mặt của bể lọc tính theo công thức (4.25) F = ; m2 Với: Q = 152 m3/ngày = 7,2 m3/h; v = 0,25 m/h Vậy: F = (m2) Sơ bộ chọn số bể lọc là N = 4, tốc độ lọc tăng cường vt/c = = (m/h) +) Diện tích một bể: Fb = = (m2) Chọn kích thước bể: (b l) = (1,2 6) Sàn bê tông có gắn chụp lọc kiểu đuôi dài, đường kính 45mm, khe lọc 0,4mm. +) Chiều cao toàn phần của bể lọc tính theo công thức (4.27) H = ht + hđ + hc + hn + hp Kết quả khảo sát với: ht = 0,3 m; hđ = 0,2 m; hc = 1m; hn = 1,5m; hp = 0,3m Vậy: H = 0,3 + 0,2 + 1 + 1,5 + 0,3 = 3,3 (m) +) Cường độ rửa lọc sẽ là tính theo công thức (4.28) q=; l/s.m2 Với: qo = 0,25 (m/h); = 16 q= 1,11 l/s.m2 +) Dung tích nước cho một lần rửa tính theo công thức (4.29) W=; m Với: qr ; fn = = = 1,8m2 ; tr = 900s Vậy: W= = 1,8m3 4.6. Nhận xét và thảo luận 4.6.1. Nhận xét: Quy trình công nghệ và thiết bị xử lý nước cấp sinh hoạt tại thị trấn Bến Quan, huyện Vĩnh Linh, tỉnh Quảng Trị là một trong những quy trình xử lý nước cấp đơn giản và được áp dụng rộng rãi nhất hiện nay ở nhiều vùng nông thôn. Hệ thống thiết bị trong quy trình xử lý áp dụng cho các trạm xử lý nước với quy mô trung bình và nhỏ, công suất < 1000 m3/ngđ. Chế độ vận hành, quản lý thiết bị đơn giản, chủ yếu bằng thủ công. Từ kết quả tính toán các thiết bị trong quy trình xử lý nước, nhất thiết phải tính theo nhu cầu sử dụng nước hiện tại của cộng đồng dân cư tại thị trấn. Trong khi đó hệ thống thiết bị được lắp đặt là đảm bảo cả công suất, nhu cầu cấp nước tương lai. Do vậy kích thiết thiết bị sẽ giảm đi 24 lần so với thực tế. Công suất thực tế của trạm xử lý nước hiện tại rất nhỏ, theo nhu cầu sử dụng chỉ khoảng 152 m3/ngđ. Do đó người công nhân vận hành chế độ bơm và xử lý nước làm việc không đồng đều, cứ 2 ngày tiến hành bơm và xử lý nước một lần. Chất lượng nước không được kiểm tra thường xuyên, hệ thống thiết bị đặt ngoài trời, chưa có trần che là điều kiện tốt cho vi khuẩn, rong tảo phát triển làm nhiễm bẩn nguồn nước sạch. 4.6.2. Thảo luận: Xây dựng các trạm xử lý và cấp nước cho các cộng đồng dân cư là một trong những dự án phát triển nông thôn của Đảng, Nhà nước nhằm cấp nước sạch, đảm bảo sức khỏe của người dân, góp phần vào công cuộc công nghiệp hóa, hiện đại hóa nông thôn. Nhưng tại sao khi đã có một hệ thống cấp nước tốt như vậy rồi nhưng nhiều hộ dân vẫn không muốn bắt nước máy để sử dụng mà vẫn sử dụng nguồn nước giếng không hợp vệ sinh. Vấn đề này do nhiều lý do, trước hết là trách nhiệm của người dân với sức khỏe của họ. Thứ hai nữa là do họ vẫn không quen mùi vị (mùi Clo) của nước máy. Một trong những biện pháp để nâng cao năng suất trạm xử lý nước là tăng số lượng hộ sử dụng nước bằng cách giáo dục, khuyến khích người dân nên sử dụng nước máy. Kiểm tra chế độ vận hành, quản lý thiết bị cần phải tiến hành thường xuyên, nước đầu nguồn phải được bảo vệ, kiểm tra chất lượng nước phân phối sử dụng phải chặt chẽ và đồng đều hơn. PHẦN 5 KẾT LUẬN VÀ ĐỀ NGHỊ 5.1. Kết luận: Trong quá trình thực hiện đề tài, tôi đã làm được các nội dung như sau: - Tìm hiểu được thực trạng các nguồn nước sông, nước giếng và tình hình sử dụng các nguồn nước đó trong sinh hoạt trên địa bàn thị trấn Bến Quan, huyện Vĩnh Linh, tỉnh Quảng Trị. - Tìm hiểu các tính chất hóa lý và các chỉ tiêu vi sinh của nước đầu nguồn (chủ yếu là nước mặt) và tìm ra các nguồn ô nhiễm cần xử lý. - Tìm hiểu được quy trình công nghệ và thiết bị xử lý nước sông cấp cho sinh hoạt tại trạm xử lý nước thị trấn Bến Quan. - Tiến hành tính toán nhu cầu dùng nước và một số thiết bị trong quy trình xử lý nước tại thị trấn Bến Quan. Đồng thời phân tích, đánh giá được ưu, nhược điểm của các thiết bị, từ đó đã có một số đề xuất trong quá trình quản lý và vận hành thiết bị. 5.2. Đề nghị: Với tình hình biến đổi khí hậu và sự tăng dân số như hiện nay ở miền Trung nói chung và thị trấn Bến Quan nói riêng sẽ xảy ra tình trạng hạn hán kéo dài, nhu cầu dùng nước sẽ tăng lên. Do vậy, các cơ quan chức năng trên địa bàn thị trấn cần có biện pháp giáo dục người dân ý thức bảo vệ môi trường, đặc biệt là bảo vệ nguồn nước sông đầu nguồn. Khuyến khích người dân sử dụng nước máy để ăn uống, sinh hoạt nhằm đảm bảo sức khẻo của họ. Cơ quan xí nghiệp nước cần đầu tư hơn nữa trang thiết bị cho trạm xử lý nước, nhất là việc trang bị phòng hóa nghiệm để chất lượng nước được kiểm tra thường xuyên hơn. Chúng ta cần nghiên cứu để tìm ra các quy trình công nghệ xử lý nước khác hiện đại hơn, tốt và kinh tế hơn, tìm hiểu các vật liệu cải tiến nhằm nâng cao năng suất của các thiết bị, đảm bảo yêu cầu kỹ thuật và độ bền của chúng trong quá trình vận hành, quản lý.