Đề tài Xử lý nước mặt làm nước cấp sinh hoạt

với sử dụng keo tụ vô cơ. Thường gặp bốn nhóm hợp chất: - Sản phẩm trùng ngưng melaminphoocmaldehit: - sản phẩm trùng ngưng của epiclohyđrin và dimetylamin: - poly(dialyl-dimetyl amôni clorua): - Nhóm phổ biến nhất hiện nay là các polyacrylamit (PAA) tan trong nước, hiện nhập ngoại. Liều dùng trong xử lí nước cấp của chúng là 5¸15 phần triệu. Tốt nhất là dùng PAA kết hợp với phèn. Khi dùng PAA, dung dịch PAA thường được đưa vào sau khi khuấy trộn phèn khoảng 1 ¸ 2 phút. Điểm khác cơ bản của quá trình tạo bông là tốc độ tạo bông lớn (trong vòng 2 phút so với phèn cần 20 phút) và kích thước bông cặn cũng như độ bền bông cặn hơn hẳn bông cặn phèn. PAA còn được sử dụng phổ biến trong xử lí nước thải, xử lí bùn và nhiều ngành công nghiệp với liều dùng lên tới 5-50 g/m3. Nhược điểm chính của PAA là sản phẩm nhập, đắt và phải lựa chọn chủng loại PAA và liều lượng cho phù hợp với từng loại nước bằng thực nghiệm. Công thức cấu tạo của các loại PAA phổ biến cho ở hình 7. Loại không phân li (non-ionic): Loại anion (anionic): Loại cation (cationic): Hình 2.5- Công thức cấu tạo của các loại PAA xử lý nước II.4 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ Ngoài yếu tố bản chất của chất keo tụ (nhất là giá trị và dấu điện tích) và tạp chất có trong nước các yếu tố sau là quan trọng nhất. II.4.1 Yếu tố pH Mỗi chất keo tụ, dù là muối nhôm hay sắt, đều có khoảng pH tối ưu cho sự hình thành kết tủa hyđroxit tương ứng. Thấp hơn giá trị này các bông Me(OH)3 tạo thành sẽ bị hoà tan bởi axit. Cao hơn giá trị này sẽ tạo thành các muối bazơ khó kết tủa. Đối với các chất điện li polime pH sẽ ảnh hưởng đến khả năng phân li của các nhóm chức, gây tăng hoặc giảm mật độ các nhóm chức hoạt động làm thay đổi khả năng tương tác phân tử polime - hạt keo. II.4.2 Yếu tố hữu cơ Khi xử lý nước bằng chất keo tụ cần lưu ý hiện tượng làm bền keo bởi các chất bị hấp phụ hữu cơ. Các chất hữu cơ tự nhiên (ví dụ, axit humic - AH) phổ biến trong nước có tính làm bền keo rõ rệt nhờ khả năng tạo phức với Fe2/3+, ngoài ra lớp màng chất hấp phụ hữu cơ vây quanh hạt keo ngăn cản tương tác giữa các hạt keo với các tác nhân keo tụ ta chủ động đưa vào, giảm rõ rệt tác dụng làm trong nước của chất keo tụ. Về phần mình, lượng HA trong keo đất có thể đánh giá qua pH, bảng 2.2 cho ta thấy tỉ lệ HA thường gặp trong keo đất phụ thuộc vào pH như thế nào. Đây chính là trường hợp ta gặp khi nước có mầu (do chất hữu cơ tan trong nước). Cách xử lý thường là nâng pH bằng vôi để giảm tỉ lệ HA/đất hoặc tiền xử lý bằng các chất ôxy hoá như clo, ôzôn để phá hủy một phần chất hữu cơ trước khi keo tụ. Bảng 2.2 - Sự phụ thuộc tỉ lệ HA/đất (phần HA/100 phần đất) vào pH môi trường nước Ph HA/đất pH HA/đất 3,85 9,60 6,95 6,28 5,0 8,18 7,25 5,37 5,1 7,26 8,50 2,05 II.5 Ứng dụng Quá trình keo tụ – tạo bông thường áp dụng trước lắng hoặc lọc để: - Làm trong nước, xử lí một phần độ màu trước khi lọc (xử lí nước cấp): các chất keo tụ trong xử lí nước cấp thường là phèn nhôm, gần đây xuất hiện Poly-Aluminium-Chloride (PAC) là muối nhôm dạng polime, các chất trợ keo tụ PAA. Muối nhôm thường sử dụng ở mức trên 10 mg/L, PAC sử dụng ở mức bằng 1/2¸1/4 muối nhôm, PAA sử dụng ở mức 0,2¸0,5 ppm. - Giảm hàm lượng SS trước khi vào xử lí sinh học (xử lí nước thải) - Tăng cường khả năng lắng của bể lắng cấp 2 trong xử lí nước thải - Lọc trực tiếp nếu SS không quá cao Trong một số trường hợp các chất keo tụ ở liều cao có thể áp dụng để xử lí màu trong nước thải công nghiệp, ví dụ nước thải dệt nhộm, nước thải giấy. Quá trình keo tụ được thực hiện bằng cách trộn nước với chất keo tụ trong các thiết bị khuấy trộn nhanh, sau đó nước được đưa vào bể tạo bông với sự khuấy trộn nhẹ nhàng nhằm tăng cường tiếp xúc hạt - hạt làm cho bông phát triển kích thước, tránh vỡ bông. Tiếp theo nước vào bể lắng thực hiện quá trình tách rắn/lỏng. Sự keo tụ - tạo bông được coi là hiệu quả nếu bông cặn tạo ra dễ dàng nhìn thấy bằng mắt thường (kích thước gần 1 mm trở lên), khi đó nước sẽ lắng trong nhanh trong ống quan sát trong vòng 10 - 15 phút để yên. Ngoài những ứng dụng trong xử lí nước chất keo tụ tạo bông còn áp dụng nhiều trong việc xử lí bùn nhằm tăng khả năng tách nước khỏi bùn, áp dụng trong công nghiệp giấy nhằm điều chỉnh đặc trưng lưu biến của hỗn hợp bột... 15.7.1 Khuấy trộn Khuấy trộn là quá trình mà hầu hết các hệ phản ứng đều cần thực hiện. Mục đích chính của nó là tạo tiếp xúc tối đa giữa các phân tử, ion, các thành phần phản ứng, giảm thiểu cản trở gây ra do khuếch tán chậm. Đối với hệ lỏng hoặc rắn(ít)/lỏng(nhiều) ta dùng thuật ngữ khuấy (hoặc cả khuấy trộn), đối với hệ rắn/rắn hoặc rắn(nhiều)/lỏng(ít) ta thường dùng thuật ngữ trộn. Ngoài việc tạo điều kiện cho phản ứng xảy ra nhanh hơn, giảm thiểu tác động của yếu tố khuếch tán, khuấy trộn còn có các tác dụng quan trọng khác như: - Làm đều hỗn hợp (trong công nghệ vật liệu bột) - Làm vỡ các hạt, giọt lớn (trong công nghệ hoá học). - Tăng cường tốc độ truyền nhiệt, giảm nhẹ hiện tượng tăng giảm nhiệt độ cục bộ. Trong quá trình keo tụ – tạo bông khuấy trộn nhằm: - Phân bố nhanh, đều chất keo tụ, tạo bông trong toàn thể tích nước cần xử lý. - Tăng hiệu quả xử lí, suy ra giảm chi phí trong quá trình keo tụ. - Tăng tiếp xúc hạt – hạt nhỏ, thúc đẩy tạo bông. - Làm lơ lửng các hạt rắn trong lỏng (trong hệ xử lí vi sinh) hoặc khí Khi đó cần phân biệt: đối với quá trình phản ứng, cần phân bố đều hoá chất nhanh tối đa nên ta sử dụng quá trình khuấy nhanh; đối với quá trình tạo bông hyđroxit kim loại khuấy nhanh sẽ làm vỡ bông cặn, khi đó ta cần khuấy nhẹ nhàng. Hiệu quả quá trình khuấy phụ thuộc vào công suất khuấy. Tính công suất khuấy Để định lượng quá trình khuấy ta dùng đại lượng građien vận tốc G. Trong giới hạn nhất định, đại lượng G càng lớn sự khuấy càng tiến tới lý tưởng. G chính là hàm của công suất khuấy áp cho một đơn vị thể tích cần khuấy: (9) hoặc hệ quả: Trong đó: G = građien vận tốc, s-1 P = Công suất tuyền vào chất lỏng, w V = Thể tích cần khuấy, m3 m = Độ nhớt động học chất lỏng, Pa.s Q = lưu lượng, m3/s V = thể tích cần khuấy, m3 t0 = thời gian lưu nước, s Tuỳ mỗi nhiệm vụ cụ thể ta chọn giá trị G thích hợp. Hiệu quả khuấy (tổng số va chạm hạt – hạt) đo bằng Gto, trong đó to là thời gian lưu nước trong vùng khuấy. Bảng 2.3, 2.4 cho ta các dữ liệu kinh nghiệm để tính các đại lượng G, Gto ứng với mỗi quá trình. Bảng 2.3 – Các giá trị G để tính khuấy nhanh Các giá trị thời gian lưu to (s) Giá trị G lựa chọn (s–1) 0,5 (trộn trong ống) 3500 10¸20 1000 20¸30 900 30¸40 800 Lâu hơn nữa 700 Bảng 2. 4 – Các giá trị Gto để tính bể tạo bông Loại bồn G (s–1) Gto Nước có SS thấp, keo tụ để xử lí cả màu 20¸70 60000¸200000 Nước có SS cao, keo tụ để xử lí SS 50¸150 90000¸180000 Làm mềm, 10% SS 130¸200 200000¸250000 Làm mềm, 39% SS 150¸300 390000¸400000 Khuấy nhanh Đây là quá trình ảnh hưởng mạnh đến hiệu quả sử dụng chất keo tụ. Như đã nêu, quá trình thuỷ phân xảy ra trong micro giây (tài liệu nói là 0,1s), như vậy khuấy càng nhanh càng tốt về khía cạnh đáp ứng yêu cầu phản ứng. Ngược lại nếu ion Al3+ hình thành chưa kịp tiếp xúc hạt keo để thực hiện chức năng trung hoà điện tích, gây keo tụ, nó đã thuỷ phân tạo Al(OH)3, khi đó nó chỉ có thể tác động như một chất tạo bông. Phân loại các phương pháp khuấy nhanh: - Khuấy cơ khí bằng máy khuấy (tốt nhất) - Khuấy bằng khí nén. - Khuấy bằng cách bơm chất lỏng tuần hoàn - Khuấy tĩnh: tận dụng các cơ cấu dòng chẩy, ví dụ: khuấy trong ống trộn; khuấy kiểu rãnh thu – dãn (rãnh Parshall); ”thác” nước; vách đục lỗ, vách đảo chiều ... Bồn khuấy trộn cơ học Nước vào Nước ra Động cơ Hình 2.6 - Bồn khuấy nhanh cơ khí Bồn khuấy nhanh thường có thời gian lưu thuỷ lực cỡ 10 ¸ 30 s, G ở mức 600 ¸ 1000 s-1, thể tích giới hạn ở 8 m3. Bồn khuấy thường có hình trụ, để tăng hiệu quả khuấy thường bố trí thêm 2 ¸ 4 vách chắn nhỏ dọc thành bể để tăng hiệu quả khuấy, đôi khi có vách ngang chống tạo xoáy. Máy khuấy gồm: động cơ điện, hộp số giảm tốc, trục khuấy, cánh khuấy. Cánh khuấy thường dùng loại turbin hoặc mái chèo (xem h. 9). Hoá chất phải cho vào vùng ngay dưới cánh khuấy, nơi được khuấy mạnh nhất. Mái chèo nghiêng chân vịt tuốc bin Hình 2. 7- Một số dạng cánh khuấy Một số quy tắc kinh nghiệm: - Độ sâu mức nước: 0,5 ¸ 1,1 lần đường kính bồn. - Đường kính cánh khuấy: 0,3 ¸ 0,5 lần đường kính bồn, thường £ 1m. - Tấm chắn dọc rộng ~ 0,1 lần đường kính bồn. - Nếu mức nước = 1,1 ¸ 1,6 lần đường kính bồn cần lắp 2 tầng cánh khuấy, khi đó khoảng cách giữa hai cánh khuấy (theo trục khuấy) gấp hai lần đường kính cánh khuấy. - Hai bộ cánh khuấy đồng trục gây ra công suất khuấy »1,9 lần so với một bộ nếu dùng một môtơ. Bảng2. 5– Các giá trị KT để chọn cánh khuấy Loại cánh khuấy KT Chân vịt một tầng, 3 cánh khuấy 0,32 Chân vịt hai, 3 cánh khuấy 1,00 Tuốc bin, 6 cánh phẳng, có chắn 6,30 Tuốc bin, 6 cánh cong 4,80 Tuốc bin quạt, 6 cánh nghiêng 45o 1,65 Tuốc bin vòng, 6 cánh cong 1,08 Tuốc bin vòng, với stator, không vách chắn 1,12 7.2 Hệ tạo bông Hệ tạo bông ảnh hưởng đến kích thước bông hình thành, do đó ảnh hưởng đến khả năng tách R/L trong hệ tiếp theo. Mục đích quá trình tạo bông là khuấy vừa đủ để tạo điều kiện tiếp xúc tốt nhất giữa các hạt cặn nhỏ với nhau, tạo điều kiện cho chúng hút nhau, tạo bông lớn hơn tới mức có khả năng lắng dễ dàng, nhưng mặt khác không được khuấy quá mạnh làm “vỡ” bông cặn mới hình thành, như vậy đại lượng G phải nhỏ và hẹp (bảng 4). Do chất lượng nước vào thay đổi nên cần thiết kế sao cho có thể thay đổi G được 2 ¸ 3 lần mà không quá thay đổi kết cấu bể tạo bông. Bông càng lớn, mật độ bông càng cao ta càng cần G lớn (9). Đối với cặn của quá trình làm mềm bằng vôi – sôđa, tỷ khối nặng hơn cặn keo tụ nên G cao nhất. Khi mật độ SS tăng, giá trị G cũng tăng tương ứng. Cánh khuấy thường dùng là loại cánh hướng tâm do cánh khuấy loại này tạo G có giá trị đều nhất trong toàn thể tích. Có thể khuấy tạo bông bằng các cánh khuấy dạng tấm phẳng, hệ bồn nhiều vách ngăn đảo chiều. Vách cố định Hướng dòng xoay Khuấy nhanh Đường hoá chất Cánh khuấy Bể lắng Hình 2.8- Bể tạo bông với cánh khuấy dạng tấm phẳng Bồn/bể tạo bông tốt nhất là hình chữ nhật, chia 3 vùng. Đại lượng G phân chia sao cho giảm dần từ đầu vào tới đầu ra (h 2.10). G lấy theo bảng 2.5. Một số quy tắc kinh nghiệm: - Cánh khuấy mái chèo có đường kính=0,2 ¸ 0,5 bề rộng bể, tối đa= 3m. - Tính công suất khuấy dùng biểu thức Rushton: (10) Trong đó: P = Công suất, w KT = Hằng số cánh khuấy n = Tốc độ quay của cánh khuấy, v/s Di = Đường kính cánh khuấy, m r = Tỷ khối nước, kg/m3 g = Gia tốc trọng trường, 9,8 m/s2 Trong các bể không có vách ngăn P thực tế chỉ có thể bằng 1/6 P tính theo pt. (10). Các giá trị KT chọn theo bảng 5. Một kiểu bể tạo bông khác, khá đơn giản và hiệu quả là bể tạo bông kiểu Alabama (hình 9). Đây thực chất là một thiết bị phản ứng khuấy trộn bằng thuỷ lực, dòng nước được đảo chiều nhiều lần nhờ hệ thống ống hướng dòng. Hệ thống ống đảo chiều dòng nước có thể được thay bằng hệ vách ngăn với cùng chức năng, khi đó ta gọi là thiết bị phản ứng với vách ngăn đảo chiều. thiết bị phản ứng với vách ngăn đảo chiều. Hình 2 9- Bể tạo bông kiểu Alabama III. Lắng III.1. Khái niệm lắng và bể lắng Lắng là quá trình tách cặn lơ lửng khỏi nước nhờ tác động của trọng lực, nó còn được gọi là sa lắng. Các chất lơ lửng ở đây có thể là SS tự nhiên, các bông cặn sau keo tụ – tạo bông, kể cả bông vi khuẩn sau xử lý sinh học. Công cụ để thực hiện quá trình lắng là bể lắng. Bể lắng có thể được chế tạo dưới dạng thiết bị bằng thép, compozit hoặc xây dựng bằng beton, gạch. Các hình dạng phổ biến nhất là hình trụ vuông hoặc tròn, hình hộp chữ nhật. Một bể lắng cần có bốn vùng (hình 3.1) [1]: Vùng nhận và phân phối nước. Đây là đầu vào bể Vùng lắng Vùng chứa bùn lắng Vùng thu nước lắng Hình 3.1- Mô hình bể lắng và bốn vùng cơ bản Vùng nhận nước có chức năng phân phối nước đều sao cho tận dụng được tối đa không gian vùng lắng, ngoài ra phải giảm vận tốc nước vào vùng lắng tới vận tốc thiết kế giới hạn cho vùng lắng vo được gọi là tốc độ giới hạn hay tải bề mặt (đơn vị: m3/m2.ngày). Như vậy cấu tạo của vùng nhận nước phải đảm bảo được các yêu cầu kể trên. Trong thực tế thiết kế vùng nhận nước không được coi trọng nên hiệu quả bể lắng kém hơn so với khối tích bể tới 25%. Để thực hiện điều này vùng thu nước thường có vách hướng dòng (có thể kiêm phân phối (hình 3.1). Nước cũng có thể được phân phối và giảm tốc tốt thông qua hệ ống nhiều đầu ra. Vùng thu nước lắng có chức năng thu nước đã lắng bớt cặn, chuyển tải đi sang công đoạn tiếp theo. Để thực hiện điều này cần bố trí các máng thu. Để vận tốc nước vào máng không quá cao, điều dẫn tới tạo các dòng chảy mạnh gần máng thu cuốn theo cặn đang lắng người ta đưa ra thông số tải máng thu (đơn vị: m3/m.ngày). Rõ ràng là cặn càng nặng càng khó bị cuốn trôi nên chiều dài máng thu càng ngắn. Bảng 3.1 cho ta sự phụ thuộc tiêu chuẩn thiết kế đối với máng thu cho các loại bông cặn khác nhau. Bảng 3.1- Các thông số tải máng thu thường gặp [1] Loại bông cặn Tải máng thu, m3/m.ngày Bông đánh phèn với nước ít đục Bông đánh phèn với nước đục Bông cặn xử lí độ cứng 143¸179 179¸268 268¸322 Vùng chứa bùn phải thuận lợi cho việc thu gom, xả bùn và vệ sinh bể thường kì. Thường phải có hố gom bùn bố trí gần cửa nhận nước. Nếu bể gom bùn thủ công thì đáy bể phải có độ dốc nhất định về phía hố gom. Độ dốc từ hai bên về tâm bể ít nhất phải là 10%, từ đầu thu nước lắng đến đầu nhận nước vào ít nhất là 5%. Nếu gom bùn bằng cần gạt bùn cơ khí thì độ dốc ít là 1%. Độ sâu hố gom bùn ít nhất là 0,3 mét. Với bể lắng thiết kế vận hành tốt, với nước keo tụ – tạo bông tốt thì có tới 75% bùn lắng được lắng trong khoảng 1/5 đầu tiên của đường đi của nước, vì vậy vùng lắng bùn tính từ khoảng 2 mét cách vùng nhận nước vào. III.2 Lí thuyết tính tốc độ lắng hạt – Phương trình Stoke Bản chất của quá trình lắng có thể xem xét trên cơ sở hiện lượng lắng của hạt cặn có kích thước d, tỷ khối rP trong môi trường chất lỏng, ví dụ nước, có độ nhớt động lực học m. Để xây dựng mô hình tính tốc độ lắng hạt ta chấp nhận một số điều kiện sau: 1. Các hạt cặn có hình dạng và kích thước không đổi, không tương tác, không co cụm với nhau, nghĩa là mỗi hạt có thể coi là hạt độc lập với nhau, sự sa lắng của hạt này không ảnh hưởng đến hạt kia. 2. Bồn có kích thước rất lớn so với hạt, nghĩa là bỏ qua yếu tố tương tác thành bình. 3. Chất lỏng có độ nhớt nhất định. 4. Chất lỏng không chuyển động Fg Fn = FD+Fb FD Fg Fb Tổng hợp lực Hình 3.2- Lực tác động lên hạt khi sa lắng trong môi trường lỏng Khi hạt rơi trong nước (hoặc bất kì chất lỏng nào khác) nó chịu ba lực tác động (hình 3.2) [1]. - Lực trọng trường Fg có phương kéo hạt xuống đáy bình, - Lực cản của chất lỏng gây ra do lực nổi Archimet Fb, - Lực ma sát với chất lỏng FD làm chậm chuyển động của hạt. Tổng hợp các lực cản ta được (h. 3.2) . Khi Fg > Fn ta sẽ có hạt chuyển động nhanh dần với gia tốc a xác định theo định luật Niutơn (F = ma). Phương trình cân bằng lực: trong đó: m = khối lượng hạt, a = gia tốc sa lắng, mũi tên là kí hiệu vector. Bỏ qua dấu vector, lưu ý hướng tác động của các lực, viết phương trình Niutơn cho hạt khảo sát ta có: ma = Fg – Fb – FD hay: ma = (Fg – Fb) – FD (3.1) Tổng (Fg – Fb) có ý nghĩa như lực trọng trường hiệu dụng Fg’ kéo hạt xuống. Trong trường hợp lực trọng trường hiệu dụng lớn hơn lực ma sát FD hạt sẽ rơi với gia tốc a như pt. (3.1). Như vậy vận tốc rơi của hạt sẽ tăng theo thời gian chuyển động hạt, điều này dẫn tới FD tăng, tới thời điểm khi (Fg – Fb) = FD thì gia tốc = 0, khi đó hạt chuyển động với vận tốc không đổi. (Fg – Fb) = Fg’ là lực trọng trường hiệu dụng kéo hạt xuống xác định bằng: Fg’ = (rp - r)gVp (3.2) trong đó: Fg’ = lực trọng trường hiệu dụng gây ra sự sa lắng của hạt, rp = tỷ khối của hạt, r = tỷ khối của nước, g = gia tốc trọng trường, = 9,8 m/s2 VP = thể tích hạt. Lực ma sát có xu thế kìm sự sa lắng bằng: FD = rCDAPv2 (3.3) trong đó: CD = hệ số ma sát giữa hạt đang rơi với môi trường lỏng, v = tốc độ rơi của hạt, AP = thiết diện hạt vuông góc với hướng rơi của hạt. Hệ số ma sát CD là một hàm phức tạp, ví dụ, đối với hạt rơi trong dòng chảy tầng, Stoke đưa ra công thức lực ma sát, phần trong ngoặc là hệ số ma sát CD: FD = (3pmd)v (3.3a) Trong đó d là đường kính hạt; m là độ nhớt động lực học của chất lỏng. Kết hợp các pt. (3.1) đến (3.3) ta có: rpVpa = rpVp= (rp - r)gVp - rCDAPv2 (3.4) Khi hạt sa lắng trong môi trường nước dưới tác dụng của tổng lực đã nêu hạt chuyển động nhanh dần, đồng thời các lực cản tăng theo v2 đến khi lực sa lắng (lực trọng lực hiệu dụng) cân bằng lực cản (lực ma sát) ta có a = 0 hay vận tốc bằng hằng số, như vậy: (rp - r)gVp = rCDAPv2 (3.5) Từ đây ta tính được v, tốc độ lắng của hạt: (3.6) Trường hợp đơn giản nhất, nếu hạt là hình cầu đường kính d, thay các giá trị Vp, Ad bằng các biểu thức chứa d (VP = (1/6)pd3; AP = (1/4) pd2); ta có: (3.7) Trong thực tế đại lượng CD – hệ số ma sát không phải hằng số, nó tăng khi tốc độ chuyển động của chất lỏng gần hạt tăng và phụ thuộc chỉ số Reynold, Re, chỉ số không thứ nguyên nói lên chế độ chảy của chất lỏng. Đối với hạt hình cầu ta có: (3.8) Giá trị của Re phụ thuộc vào ứng với các chế độ chảy [1]: Re < 1: chảy tầng Re > 1000: chảy rối 1 < R < 1000: vùng trung gian Với các hạt hình cầu ta có thể sử dụng các giá trị thực nghiệm: Nếu Re < 1 ta có CD = 24/Re (3.9) Nếu 1 < R < 1000 ta có CD = 24/Re + 3/Re0,5 + 0,34 (3.10) Nếu R > 1000 ta có CD = 0,34 đến 0,4 (3.11) Ngoài ra CD phụ thuộc hình dạng hạt, yếu tố quyết định AP thể hiện qua sự phụ thuộc vào yếu tố (AP/VP): hạt càng khác hình cầu (AP/VP càng lớn) thì CD càng lớn. Khi đó, kết hợp pt. (3.7(3.9) ta được phương trình Stoke cho phép tính tốc độ lắng v của hạt: EMBED Equation.3
 (3.12) Như vậy để hạt lắng nhanh độ chênh lệch (rp - r) là rất quan trọng, điều này có nghĩa là chất hạt càng nặng hạt lắng càng nhanh. Trong thực tế các hạt không hỡnh cầu lí tưởng như mô tả, hình dạng của chúng rất khác hình cầu, kích thước đa dạng, ta gọi là hệ đa phân tán. Chúng không những có thể tương tác với nhau tạo bông lớn (hiện tượng keo tụ-tạo bông, hiện tượng tạo bông của vi khuẩn trong bể lắng cấp 2) mà chúng còn tương tác với chính môi trường nước, khi đó không thể áp dụng pt. (3.12). Vì vậy, để thuận lợi cho việc phân tích quá trình lắng người ta phân ra bốn kiểu lắng tuỳ mức độ tương tác hạt-hạt. III.3 Phân loại các kiểu loại lắng III.3.1 Lắng loại 1 Đây là trường hợp các hạt lắng không có tương tác hạt-hạt. Đây là các trường hợp lắng cặn tự nhiên thô, cặn nồng độ thấp, không có tương tác hạt-hạt và tương tác hạt-nước có thể bỏ qua. Kiểu lắng này hay gặp ở các hệ tiền xử lí để lắng cát, và các hạt thô. III.3.2 Lắng loại 2 Đây là kiểu lắng của các hạt có khả năng bám kết vào nhau tạo bông lớn, khi đó hạt tăng dần về kích thước, khối lượng dẫn đến tốc độ lắng tăng. Hiện tượng lắng loại hai hay gặp khi sử dụng chất keo tụ – tạo bông. III.3.3 Lắng loại 3 Còn gọi là lắng bị cản hay lắng vùng. Khi nồng độ cặn tương đối cao, khi đó tương tác hạt-hạt làm chậm quá trình lắng, cả khối hạt dường như cùng lắng, khi đó ta sẽ thấy rõ biên phân cách nước/bùn. Hay gặp trong các bể lắng cấp hai của hệ xử lí sinh học. II.3.4 Lắng loại 4 Đây là trường hợp tương tác hạt-hạt mạnh đến mức có thể hình thành cấu trúc không gian của bùn, nó xuất hiện khi nồng độ bùn cặn cao, sự lắng xảy ra đồng nghĩa với sự nén bùn làm thoát nước trong cấu trúc bùn. Động lực của quá trình là sự tăng khối lượng liên tục của bùn nhờ sự bổ xung bùn mới liên tục từ lớp nước phía trên do sa lắng các kiểu 1, 2, 3. Hay gặp ở lớp dưới của lớp bùn trong bể lắng cấp 2 (hệ xử lí sinh học), bể nén bùn III.5. Các dạng bể lắng cơ bản Hiện nay có rất nhiều dạng bể lắng vì vậy chúng tôi chỉ trình bày các dạng bể lắng cơ bản nhất, phổ biến nhất trong xử lý nước cấp: Bể lắng đứng, bể lắng ngang và bể lắng li tâm. III.5.1. Bể lắng đứng - Hình dạng, cấu tạo: Hình trụ vuông hoặc tròn. Đáy chóp tạo góc ít nhất 50o so với mặt bằng. Thường đi kèm với khoang phản ứng đổi chiều dòng nước. - Nguyên tắc hoạt động: Nước chảy theo phương thẳng đứng từ dưới lên trên còn các hạt cặn rơi ngược chiều với chiều chuyển động của dòng nước từ trên xuống. Khi xử lý nước không dùng chất keo tụ, các hạt cặn có tốc độ rơi lớn hơn tốc độ dâng của dong nước sẽ lắng xuống được, các hạt cặn có tốc độ rơi nhỏ hơn hoặc bằng tốc độ dâng của dòng nước sẽ chỉ lơ lửng hoặc bị cuốn theo dòng nước lên phía trên bể. Khi sử dụng nước có dùng chất keo tụ, trong nước có chứa các hạt cặn kết dính. Do đó ngoài hạt cặn có tốc độ rơi ban đầu lớn hơn tốc độ dâng của dòng nước lắng xuống được và các hạt cặn khác cũng lắng được. Nguyên nhân là do trong quá trình các hạt cặn có tốc độ rơi nhỏ hơn tốc độ dâng của dòng nước bị đẩy lên trên, chúng kết dính với nhau và tăng dần kích thước do đó tốc độ rơi lớn hơn tốc độ chuyển động của dòng nước làm cho nó lắng xuống được. Đầu tiên nước chảy vào ống trung tâm ở giữa bể rồi đi xuống dưới qua bộ phận hãm làm triệt tiêu chuyển động xoáy rồi vào bể lắng. Trong bể lắng đứng, nước chuyển động từ trên xuống, cặn từ trên xuống đáy bể. Nước đã lắng được thu vào máng bố trí xung quanh thành bể và được đưa sang bể lọc. - Thông số thiết kế: Để xây dựng các tiêu chuẩn thiết kế bể lắng đứng (h. 3.3), khi đó ta có hai khái niệm: tốc độ lắng cặn vP và tốc độ dâng nước vo. Như vậy, điều kiện lắng sẽ là: vP > vo (3.13) Nếu chiều cao cột nước là H, vậy thời gian để nước dâng từ đáy tới máng thu t tính theo phương trình: t = (3.14) Mặt khác t chính là thời gian lưu nước tính bằng: t = (3.15) Trong đó: V = thể tích nước trong vùng lắng Q = lưu lượng Vì thể tích vùng lắng V = HA, trong đó A là thiết diện đáy, phối hợp với pt. (3.14) và (3.15) ta có: Từ đây rút ra biểu thức xác định vo: vo = (pt Hazen) Cơ sở để tính bể lắng đứng là phương trình Stoke (pt. 3.12) nghĩa là tốc độ dòng nước dâng phải nhỏ hơn tốc độ lắng bùn. Sơ đồ bể lắng đứng cho ở hình 3.3. Nước thụ vào Nước lắng ra Xả bùn Hình 3.3 - Sơ đồ bể lắng đứng Người ta thường thiết kế bể lắng đứng với diện tích mặt nước không quá 100 m2, có tỷ lệ giữa đường kính và chiều cao ít hơn hoặc bằng 1,5. Trên hình 3.3 là sơ đồ bể lắng đứng. Đáy chóp của nó có độ dốc ít nhất là 500 nếu người ta xử lý nước bằng chất keo tụ, và 600 trong trường hợp xử lý độ cứng. ở tâm bể lắng đứng là ống hình trụ đóng vai trò buồng phản ứng. Nước theo ống dẫn vào buồng phản ứng (nếu cho hoá chất keo tụ) và theo ống trụ đi xuống, toả đều ra 4 phía rồi đi lên. Việc thu nước được thực hiện nhờ hệ máng thu bố trí ở xung quanh gần mép trên bể. Nếu diện tích mặt nước của bể lớn hơn 12 m2 thì nên bố trí thêm các máng thu theo đường hướng tâm, nếu nó lớn hơn 30 m2 thì cần 6 ¸ 8 máng thu. Máng thu nước nên có mặt tràn hình răng cưa hoặc đục lỗ f 20 ¸ 30 mm để nước qua. Diện tích máng thu tính sao cho tốc độ nước chảy trong máng bằng 0,6 ¸ 0,7 m/s. Cặn ở đáy bể được xả định kỳ nhờ áp suất thủy tĩnh bằng cách mở van xả đáy hoặc dùng bơm hút bùn. Tốc độ dâng nước trong bể lắng đứng phải nhỏ hơn tốc độ lắng cặn (xác định bằng thực nghiệm) và không lớn hơn 0,6 mm/s (bảng 3.2). Bảng 3.2 - Sự phụ thuộc tốc độ dâng nước v (mm/s) trong lắng đứng vào chất lượng nước thô khi xử lý phèn Loại nước v (mm/s) Nước màu, CLL < 50 mg/l 0,35 ( 0,45 Nước đục, CLL = 50 ( 250 0,45 ( 0,50 > 250 0,50 ( 0,60 Nước đục không đánh phèn 0,12 ( 0,15 Ghi chú: nếu có chất tạo bông, v tăng thêm 15 ( 20% Ứng dụng: Trạm có công suất không quá 3000 m3/ngay, khi xử lý bằng chất keo tụ. Lắng đứng hay dùng trong công nghệ xử lý nước cấp quy mô nhỏ. 3.5.2. Bể lắng ngang - Hình dạng, cấu tạo: Hình hộp chữ nhật làm bằng gạch hoặc bêtông cốt thép. Tỷ lệ: L:H >= 10. Độ dốc ít nhất 0.02 theo chiều dọc và 0.05 theo chiều ngang - Nguyên lý hoạt động: Nước chuyển động theo chiều ngang từ đầu bể đến cuối bể. Với tốc độ nước v đều khắp mọi điểm trong vùng lắng và giả sử các hạt đều cùng một vị trí xuất phát (điểm vào bể), khi đó dựa vào kích thước của từng hạt mà hạt đó có thể lắng được hay không. Xét một hạt có quỹ đạo rơi (có dạng đường thẳng- xét trường hợp lí tưởng) đúng bằng chiều dài của đáy bể và có độ cao bằng chiều cao bể tương ứng với tốc độ lắng của hạt là Vp khi đó hạt đó lắng được. Như vậy nếu các hạt cặn có tốc độ lắng nhỏ hơn Vp sẽ không lắng được. - Thông số thiết kế: Hình 3.4- Mô hình bể lắng ngang 1-nước thô vào, 2- máng thu nước, 3 - xả cặn bùn - Các thông số thiết kế cơ bản của bể lắng ngang - Thời gian lưu không ít hơn 4 giờ - Tốc độ nước có keo tụ v = 3 ¸ 13 mm/s. Nếu không sử dụng chất keo tụ phải giảm v còn 2 ¸ 3 mm/s. - Tỷ lệ L : B ³ 10 - Chiều cao H = 3,0 ¸ 5,0 m - Độ dốc theo chiều nước chảy tối thiểu 0,02; theo phương ngang tối thiểu 0,05. - ứng dụng: áp dụng cho trạm xử lý có công suất 3000m3/ngày.đêm (nếu dùng phèn), và công suất bất kỳ cho trạm xử lý không dùng phèn. III.5.3 Bể lắng li tâm - Hình dạng, cấu tạo: Hình trụ tròn, đáy côn, có cần gạt thu bùn - Nguyên lí hoạt động: Nước thụ vào Nước lắng ra Xả bùn Hình 3.5- Bể lắng ly tâm - Nước vào thuờng được đưa theo ống trung tâm, từ khoang trung tâm nước theo các tia bán kính chảy vào các máng thu bố trí quanh bể hình tròn. Bể lắng ly tâm thường được áp dụng cho các nguồn nước có hàm lượng SS cao, nhất là trong xử lí nước thải. Để thu gom bùn bể được trang bị cần gạt bùn cơ giới gạt sát đáy đốc dồn bùn về hố thu ở tâm bể. Từ đây bùn được xả bằng áp suất thủy tĩnh hoặc bằng bơm hút bùn (hình 3.5). Đường kính bể lắng ly tâm thường gặp từ 5 ¸ 60 m, độ sâu 3 ¸ 5 m ở tâm và 1,5 ¸3m ở thành bể. Tốc độ quay của cần gạt bùn là 3 ¸ 3,5 v/h với động cơ đẩy cỡ 1,5 ¸ 2,0 kW - Thông số thiết kế: Dựa trên cơ sở thực nghiệm - ứng dụng: áp dụng khi lượng cặn lớn IV. Lọc IV.1 Khái niệm Lọc là quá trình làm sạch nước thông qua các vật liệu lọc nhằm tách các hạt cặn lơ lửng, các thể keo tụ và cả vi sinh vật trong nước, kết quả là sau quá trình lọc chất lượng nước tốt hơn cả về mặt lý học, hoá học, sinh học. Trong các hệ xử lý nước cấp lọc là quá trình quan trọng bậc nhất vì nó trực tiếp quyết định chất lượng nước sản phẩm, trong xử lí nước thải lọc chỉ áp dụng trong những trường hợp nhất định. Quá trình lọc được thực hiện ở hai công đoạn trong dây chuyền xử lý: một là lọc thô ở ngay điểm bắt đầu thu nước, khi đó quá trình lọc mang tính phòng ngừa: chắn rắc, lọc cặn thô, rêu tảo ... để bảo vệ hệ thống xử lý ở sau và hai là ở công đoạn áp trót, trước khử trùng: lọc để đảm bảo độ trong - yếu tố hàng đầu của chất lượng nước. IV.2 Lí thuyết lọc Đối với các kĩ thuật lọc nước thông thường (không kể lọc màng NF và RO) lọc là quá trình tách chất rắn (cặn, cặn lơ lửng) ra khỏi nước khi cho nước đi qua môi trường vật liệu lọc có thể giữ được cặn nhưng cho nước đi qua. Kết quả là thu được nước trong, không chứa (hoặc chứa rất ít) cặn lơ lửng. Lọc thông thường không xử lý được các tạp chất tan như các chất hữu cơ gây màu, mùi (trừ khi lọc bằng than hoạt tính), các khoáng chất hoà tan. Tuy nhiên nếu tiền xử lý thích hợp vẫn có thể xử lí được một phần chất hữu cơ tan (ví dụ xử lý một phần chất màu bằng phèn) hoặc toàn bộ tạp chất (ví dụ: Fe ở dạng sắt (II) hoà tan sau làm thoáng, ô xy hoá tốt trở thành kết tủa sắt (III) lọc được). Với sự xuất hiện của kĩ thuật lọc màng NF và RO, ngày nay kĩ thuật lọc cho phép tách cả các chất hoà tan ở quy mô phân tử, ion. Trong dây chuyền xử lý nước cấp thông thường, công đoạn lọc đóng vai trò quyết định đến chất lượng sản phẩm và thường đứng áp trót trước công đoạn clo hoá để sát trùng-bảo quản trước khi nước vào bể chứa để bơm vào mạng. Đối với cỏc kĩ thuật lọc nước thông thường (không kể lọc màng NF và RO) lọc là quá trình tách chất rắn (cặn, cặn lơ lửng) ra khỏi nước khi cho nước đi qua môi trường vật liệu lọc có thể giữ được cặn nhưng cho nước đi qua. Kết quả là thu được nước trong, không chứa (hoặc chứa rất ít) cặn lơ lửng. Lọc thường thường không xử lý được các tạp chất tan như các chất hữu cơ gây màu, mùi (trừ khi lọc bằng than hoạt tớnh), các khoáng chất hoà tan. Tuy nhiờn nếu tiền xử lý thích hợp vẫn có thể xử lí được một phần chất hữu cơ tan (ví dụ xử lý một phần chất màu bằng phèn) hoặc toàn bộ tạp chất (ví dụ: Fe ở dạng sắt (II) hoà tan sau làm thoáng, ô xy hóa tốt trở thành kết tủa sắt (III) lọc được). Với sự xuất hiện của kĩ thuật lọc màng NF và RO, ngày nay kĩ thuật lọc cho phép tách cả các chất hoà tan ở quy mô phân tử, ion. Trong dây chuyền xử lý nước cấp thông thường, công đoạn lọc đóng vai trò quyết định đến chất lượng sản phẩm và thường đứng ở trước công đoạn clo hóa để sát trùng-bảo quản trước khi nước vào bể chứa để bơm vào mạng. IV.3 Các cơ chế lọc và các hiện tượng liên quan Tùy bản chất của cặn cần lọc, tuỳ kỹ thuật và vật liệu lọc áp dụng có thể gặp các cơ chế lọc và hiện tượng sau: lưu giữ, bám dính và hiện tượng đánh thủng… Các cơ chế lưu giữ Cơ chế lưu giữ có thể hiểu là cơ chế “lọc” thuần tuý vật lí được ghi nhận trong trường hợp lọc qua lưới lọc, màng lọc có kích thước lỗ đã định. Trong trường hợp này lớp lọc hoạt động theo nguyên lý cái rây bột: hạt cặn nhỏ đi qua, hạt lớn bị lưu giữ lại. Trong thực tế, hạt nhỏ hơn đường kính lỗ trống cũng có thể bị lưu giữ lại nếu đồng thời nhiều hạt nhỏ cùng qua một lỗ trống, hoặc hạt cần lọc bị tăng kích thước do nhiều nguyên nhân khác nhau. Trong trường hợp này, các cơ chế sau có thể lần lượt hoặc đồng thời xuất hiện: Nhiều hạt nhỏ chen nhau cùng qua khe trống nên bị kẹt lại Hạt nhỏ trong khi theo dòng chảy qua lỗ trống bị cọ xát vào lớp vật liệu lọc rắn và bị giữ lại do lực bề mặt (hấp phụ). Do giá tốc trọng trường, hạt cặn lắng trên bề mặt vật liệu lọc ở khu vực không có lỗ trống... Những cơ chế này xuất hiện trong cả kỹ thuật lọc màng và kỹ thuật lọc bằng lớp vật liệu lọc dạng hạt. Cơ chế bám dính Khi tốc độ dòng chảy không lớn, các lực bề mặt có thể gây ra sự bám dính các hạt cặn trên bề mặt vật liệu lọc. Bản chất các lực bề mặt khá phức tạp, phổ biến là lực hút tĩnh điện và lực Van dec Val (Van der Waals). Hiện tượng đánh thủng Trong quá trình lọc qua lớp vật liệu lọc hạt, do các cơ chế nêu trên nên khe trống giữa các hạt vật liệu lọc bị lấp đầy dần bởi các hạt cặn bị lưu giữ hoặc bám dính. Như vậy thiết diện chảy thực tế bị thu hẹp dần, tốc độ dòng chảy qua khe sẽ tăng và kéo theo các hạt cặn nhỏ vào sâu trong lớp vật liệu lọc hạt, thậm chí hạt cặn bị kéo theo nước lọc. Trường hợp này nước lọc giảm chất lượng, ta nói lớp lọc bị đánh thủng. Hiện tượng “tắc” và sự phục hồi lớp vật liệu lọc Hiện tượng “tắc” thiết bị lọc do cặn bít dần các khe, lỗ trống mà nước có thể chảy qua theo các cơ chế đã nêu. Trong trường hợp này vẫn có thể tiếp tục lọc bằng cách tăng áp suất. Ví dụ: nếu lọc trọng lực như đối với bể cát ta có thể để mực nước trên lớp vật liệu lọc dâng tới mức độ vài mét. Đối với các thiết bị lọc áp lực với lớp vật liệu lọc là cát người ta có thể nâng áp lực tới vài ba atm. Thông thường, khi thiết kế thiết bị lọc người ta chấp nhận một mức độ “tắc” nhất định. Để vượt qua hiện tượng này người ta tăng mực nước hoặc mức áp áp vào lớp vật liệu lọc để giữ tốc độ lọc không đổi. Khi tổn thất áp vượt quá mức độ đã định (do sự tích luỹ lớp bùn cặn) cần phục hồi lại lớp vật liệu lọc về trạng thái ban đầu bằng cách rửa sạch lớp vật liệu lọc khỏi bùn cặn, ta gọi là rửa lọc. Cách rửa phụ thuộc vào loại vật liệu và kỹ thuật lọc áp dụng. Rửa lọc: Bằng kĩ thuật Rửa ngược là phổ biến nhất và là kỹ thuật duy nhất đối với các thiết bị lọc dùng lớp vật liệu dạng hạt. Môi trường để rửa thường là nước sạch và ở các trạm lớn là hỗn hợp khí - nước. Đối với các loại màng lọc như màng lọc micro, nano ... sau rửa ngược thường phải xử lý hoá chất bổ xung. Rửa ngược được thực hiện theo chiều ngược lại như sau: đóng van thu nước sạch, bơm nước sạch hoặc hỗn hợp khí – nước với cường độ rất cao vào đáy bể qua hệ phân phối đều, nước rửa cường độ cao sẽ làm nâng các hạt vật liệu lọc lên, lớp hạt “sôi” lên , cọ vào nhau để rửa sạch bùn bám trên bề mặt, nước bùn rửa được thu gom qua các máng phân phối vào túi chứa bùn, qua van xả ra ngoài. Quá trình kết thúc khi nước rửa trở nên trong, không chứa bùn. Để kiểm soát hoạt động của một hệ lọc ta cần theo dõi một trong hai thông số hoặc cả hai, đó là tổn thất áp lực khi lọc và độ đục của nước sản phẩm. IV.4 Phân loại Kĩ thuật lọc cát thường được phân loại theo tốc độ lọc, theo động lực của quá trình lọc, theo chiều của dòng chảy, theo số loại vật liệu lọc. Về môi trường vật liệu lọc có hai nhóm chính: Nhóm vật liệu lọc dạng hạt, môi trường lọc là lớp vật liệu lọc dày Nhóm vật liệu dạng màng, môi trường lọc có độ dày không đáng kể. Theo tốc độ lọc ta có: Lọc nhanh: khi tốc độ lọc khoảng lớn hơn 5 m/h Lọc chậm: khi tốc độ lọc bằng 0,1 ¸ 0,3 m/h Theo động lực của quá trình lọc Để nước qua được lớp cát dày nó cần có thế năng nhất định, thế năng này có thể do bản thân trọng lượng cột nước hoặc do bơm nén, như vậy ta có: Lọc tự chảy hay lọc trọng lực: nước chảy nhờ trọng lực Lọc áp lực: nuớc chảy nhờ bơm nước tạo áp Theo loại vật liệu lọc: Lọc một lớp: chỉ dùng một loại vật liệu lọc Lọc đa lớp: dùng hai loại vật liệu lọc khác nhau vể chất trở lên Phân loại theo chiều dòng chảy ta có: Lọc xuôi: nước chảy từ trên xuống, thu nước lọc ở đáy Lọc ngược: nước chảy từ dưới lên, thu nước lọc trên miệng bể Theo đặc thù của kỹ thuật lọc và cách hình thành màng lọc thứ cấp: Lọc tiếp xúc; Lọc nổi; Lọc diatomit. IV.5. Các kỹ thuật lọc phổ biến trong xử lí nước cấp IV.5.1 Lọc nhanh IV.5.1.1 Giới thiệu chung Trong quá trình lọc nhanh, nước cần xử lí đi qua lớp hạt có kích thước trung bình-lớn,vận tốc cao. Người ta chia bề dày lớp vật liệu lọc thành nhiều lớp mỏng với kích thước khác nhau, ban đầu đa số cặn bẩn trong nước tiếp xúc với bề mặt trên cùng của lớp vật liệu, theo thời gian bề dày của lớp màng cặn tăng dần, độ bề liên kết của lớp màng và vật liệu lọc yếu đi đến lúc lực này bị phá vỡ thì một phần cặn bẩn bị cuốn sâu hơn xuống các lớp hạt lọc bên dưới và lâu dần thì cần phải thay lớp vật liệu khác. Vận tốc lọc nhanh thông thường là 1,5.10-3 m/s. Nước đưa qua lớp vật liệu lọc từ trên xuống hoặc từ dưới lên, sử dụng dòng chảy từ trên xuống có ưu điểm là tạo được động lực cho quá trình nhờ chênh lệch áp suất trước và sau khi qua lớp vật liệu lọc nhờ áp lực trọng trường. Nhược điểm của phương pháp này là cần áp lực mạnh của dòng nước từ dưới lên khi rửa lọc, các hạt nhỏ bị đẩy lên trên, các hạt to giữ lại ở phía dưới, khi nước cần lọc tiếp xúc với hạt bé trước thì dễ bị tắc mao quản lọc. IV.5.1.2 Cấu tạo bể lọc Gồm các thành phần: ống thu nước bẩn, ngăn trung gian, máng tràn, vật liệu lọc, ngăn thu nước sạch, ống thu nước sạch. - Vật liệu lọc: thường dùng là cát tư nhiên, cát thạch anh nghiền, đá hoa nghiền…Tiêu chuẩn lựa chọn vật liệu lọc: +/ bảo đảm thành phần hạt theo yêu cầu phân loại +/ bảo đảm độ đồng đều về kích thước hạt +/ độ bền cơ học cao +/ độ bền hoá học đảm bảo Nước đục Nước rửa lọc Mức nước ngập min 6 m Mức nước trên Mức nước rửa lọc Tổn thất áp do lớp cát lọc Mức nước ngập min Mức nước ngập min Lớp cát lọc ống đo DP hoặc chống e IV.5.1.3 Nguyên lí hoạt động Sơ đồ nguyên lí bể lọc trọng lực với lớp vật liệu lọc dạng hạt 1- van chỉnh lưu lượng nước vào ; 2- van xả nước bùn rửa lọc; 3- van chặn khi xả rửa hoặc thu nước và mở khi xả lọc đầu và xả kiệt; 4- van mở khi thu nước sạch; 5- van nối nước rửa lọc hoặc ống do tổn thất áp DP (nếu có), hoặc chống e khí. Nước thô (từ nguồn hoặc từ bể lắng để loại bớt SS, theo TCN 33-85, SS khi vào bể lọc nhanh phải không lớn hơn 10 mg/L) theo đường dẫn vào bể qua ngăn trung gian (đôi khi gọi là túi). Trên đường đi có van (1) để kiểm soát lưu lượng nước vào. Ngăn trung gian có chức năng nhận và phân phối nước vào đều khắp bề mặt bể lọc thông qua các máng tràn (không vẽ trên h. 9.3). Nước lọc đi từ trên xuống, qua lớp vật liệu lọc dày khoảng một mét, cặn bùn được giữ lại ở phí trên và trong lớp cát, nước trong đi vào hệ thu gom, theo ống dẫn qua van (4) vào bể chứa nước sạch. Lúc mới lọc nước ra hơi đục sẽ được xả bỏ (gọi là xả lọc đầu) qua đường van (3). Khi bể tắc hoặc bị đánh thủng phải rửa lọc. IV.5.2 Lọc chậm IV.5.2.1 Giới thiệu Lọc chậm áp dụng nhiều cho xử lí nước uống và nước cấp, vận tốc chảy rất thâp: 0.03.10-3-0,15.10-3 m/s do đó mỗi chu kí lọc chậm thường kéo dài đến vài tháng hoặc lâu hơn, lọc chậm.vì vậy bên cạnh khả năng tách cặn lơ lửng như nguyên lí lọc nhanh mà không cần hoá chất keo tụ, lọc chậm có khả năng làm trong nước tốt hơn nhiều nhờ quá trình lọc sinh học. Lọc chậm rất thích hợp ở khu vực nông thôn với điều kiện vận hành, bảo dưỡng đúng phương pháp. Nếu áp dụng ở quy mô lớn cũng sẽ cho kết quả rất tốt về về mặt chất lượng nước. Quá trình lọc bắt đầu từ lớp nước trên lớp vật liệu lọc đến sâu vào trong lớp vật liệu lọc, quan trọng nhất là các quá trình sinh học bắt đầu từ lớp màng lọc thứ cấp được hình thành từ cặn và vi sinh vật tích luỹ trong hai-ba tuần đầu tiên trên mặt cát. Đây là điểm khác biệt cơ bản giữa lọc chậm và lọc nhanh. Nhờ lớp màng lọc này và các quá trình vi sinh mô tả sau đây nước lọc chậm có chất lượng cao không những về độ trong (do lọc tốt cặn lơ lửng) nhờ lớp cát mịn mà còn sạch một phần chất hữu cơ và có thể loại tới 95-99% về tổng vi khuẩn và 20-40% về độ ôxy hoá. IV.5.2.2 Cấu tạo bể lọc chậm Hệ thống lọc chậm gồm 3 khối chính (như hỡnh vẽ) Sơ đồ cấu tạo nguyên lý của hệ lọc chậm 1. Hệ cấp nước thô; 2. Bể lọc gồm hai bộ phận: Lớp vật liệu lọc và lớp đệm; Hệ thu nước; 3. Bể chứa nước sạch Do tốc độ lọc chậm, trong hệ không nhất thiết phải quan tâm quá mức đến hệ phân phối nước vào. Ngoài ra cần có hệ thống van điều chỉnh lưu lượng, xả kiệt ... Điểm khác cơ bản của hệ lọc chậm so với lọc nhanh là lớp cát lọc. Cát lọc chậm nhỏ hơn nhiều so với cát lọc nhanh, kích thước cát lọc chỉ xung quanh 0,3 mm. Cấu tạo lớp cát lọc và vật liệu đệm gần giống bể lọc nhanh. Do tốc độ lọc chậm, trong bể lọc đồng thời xảy ra các quá trình làm sạch nước sau đây: Quá trình sa lắng Quá trình hấp phụ Quá trình lọc Quá trình xử lý sinh học. Đáy bể với chức năng thu gom nước lọc được xây dựng bằng cách xếp các tấm beton hoặc gạch so le để tạo các khe hở cho nước chảy như hìn. Khe hở phải đủ nhỏ để không lọt vật liệu đệm. IV.5.2.3 Nguyên lí hoạt động: Vận hành: Bể lọc thường cao khoảng 3 m với lớp cát lọc dày 1,0 ¸ 1,2 mét. Cát lọc là cát mịn, có kích thước hiệu quả 0,15 ¸ 0,35 mm, nhỏ hơn nhiều so với cát lọc nhanh. Quá trình lọc mô tả như sau Nước thô được bơm P1 đẩy qua van V1 vào túi phân phối T, từ đây nước vào bể, được lọc qua lớp cát mịn với tốc độ rất chậm: 0,1 ¸ 0,3 m/h. Khi mới khởi động, tốc độ lọc chỉ được hiệu chỉnh ở mức 1/2 vận tốc thiết kế và tăng dần trong 12 giờ đầu tiên tới vận tốc thiết kế, lượng nước đầu này phải xả bỏ. Sau 12 đến 36 giờ (nếu dùng cát mới càng phải kéo dài giai đoạn này để vi sinh phát triển càng lâu càng tốt, có thể tới 2 ¸3 tuần) bắt đầu thu nước lọc. Trong quá trình lọc, lớp vật liệu lọc bị tắc dần, trở lực tăng dần. Để giữ tốc độ lọc ổn định cần nâng dần mức nước dư trong bể lọc. V. Sát trùng V.1 Định nghĩa: - Khử trùng là quá trình tiêu diệt các tác nhân gây bệnh trong nước. Đối với các chất sát trùng nước cấp có 2 chức năng: tiêu diệt các mầm gây bệnh và bảo vệ hệ thống dự trữ và phân phối nước V.2 Các tác nhân sát trùng: hoá chất: clo, các hợp chất chứa clo hoạt động, ozon, axit và bazơ,… các tác nhân vật lý : nhiệt, bức xạ UV, lọc và lắng bức xạ : điện từ Trong đó 2 tác nhân phổ biến nhất là clo (và các hợp chất clo hoạt động) và ozon. Axit và kiềm đôi khi cũng áp dụng vì ở pH >11 hoặc pH <13 vi khuẩn cũng bị ức chế thậm chí phân huỷ. Ngoài các tác nhân đã nêu, brom, iot, phenol, ancol và hydroperoxit cũng thường được sử dụng ở quy mô nhỏ, các trường hợp riêng biệt. Nói chung chất sát trùng phải là chất oxi hoá, càng mạnh càng tốt. Về khía cạnh các phương pháp vật lý phổ biến nhất là hai tác nhân nhiệt và ánh sáng (nhất là tia cực tím). UV cũng như ozon không có tác dụng kéo dài, hơn nữa chi phí ban đầu cao nên chưa phổ biến rộng. Khi sử dụng UV, yếu tố SS giảm mạnh. V.3 Các tiêu chuẩn lựa chọn chất khử trùng Vì tất cả các phương pháp và các chất khử trùng không phải là tương đương nhau nên cần phải chọn phương pháp thích ứng nhất có tính đến các điều kiện đặc biệt nào đó (các đặc tính và việc sử dụng nước, loại vi sinh vật cần loại bỏ, chất lượng nước cấp,…). Một chất khử trùng và một phương pháp khử trùng cần phải thoả mãn : không độc với người và động vật độc với VSV ở nồng độ thấp phải hoà tan trong nước tạo với nước thành một dung dịch đồng nhất có hiệu quả ở nhiệt độ nước tiêu thụ bình thường (từ 0-250C) ổn định để dễ dàng duy trì một nồng độ dư nào đó trong một thời gian dài không tác dụng với các chất hữu cơ khác và chất hữu cơ của các VSV không phá huỷ kim loại cũng như không làm hỏng quần áo khi giặt khử các mùi có số lượng lớn và được bán với giá tiếp cận được dễ dàng vận hành và không có nguy hiểm đối với người vận hành cho phép đo dễ dàng nồng độ và do đó kiểm tra chính xác nồng độ của chúng V.4 Một số tác nhân khử trùng thường gặp V.4.1 Clo Các chất hoá học được sử dụng nhiều nhất để khử trùng clo là: khí clo, các hypoclorit natri NaOCl, các hipoclorit canxi Ca(OCl)2, các monocloramin NH4Cl và đioxit clo ClO2. Trong số các sản phẩm này, chính clo ở dạng khí là chất mà người ta dùng nhiều nhất để khử trùng nước sạch. Trong các trạm xử lý nước nhỏ người ta hay dùng hypoclorit vì các chất này dễ sử dụng mà ít gây nguy hại cho người sử dụng. Cloramin tác dụng chậm trong nước, od đó người ta sử dụng chúng ở những nơi có thể đảm bảo thời gian tiếp xúc tương đối lâu. Từ năm 1974, người ta sử dụng chủ yếu dioxit clo do khả năng khử trùng, oxy hoá các chất hữu cơ và khử được một phần lớn các mùi, vị mà không sinh ra các chất gây ung thư. Tuy nhiên dioxit clo là một khí không ổn định nên phải sản xuất ngay tại nơi sử dụng. Thiết kế hệ clo hoá: Để thiết kế cần chọn trước dạng clo sẽ dùng, phương pháp định lượng, sau đó tính kích thước bể phản ứng, chọn hệ kiểm soát và các thiết bị phụ trợ Trên thị trường, clo có một số dạng sau: clo lỏng nén trong các bình (bom) thép. Khi sử dụng clo loại này phải có hệ thiết bị xả clo ở nhiệt độ phòng, khi đó clo sẽ chuyển về dạng khí, hoà tan clo trong nước sạch để có dung dịch clo gốc rồi định lượng dung dịch clo vào nước cần xử lý. Đây là dạng clo rẻ nhất nhưng khó dùng nhất (cần thiết bị pha và định lượng chuyên dụng, khá đắt). Dạng clo phổ biến thứ 2 là dạng bột, ví dụ canxi hypoclorơ, trước khi sử dụng sẽ pha thành các dung dịch trong các bồn plastic Dạng thứ 3 hay gặp là natri hypoclorơ. Đây là chất tẩy trắng công nghiệp, thường ở dạng lỏng và dung dịch chỉ chứa tối đa 15% Clo hoạt động. ở Việt Nam nộng độ clo hoạt động ở mức 80g/l - Ưu điểm của việc sử dụng clo: - Khử trùng nước được thực hiện bằng khí clo được nén vào trong những bỡnh thộp chịu áp lực cao và được đưa vào nước nhờ hệ thống van điều chỉnh lượng khí clo thoát ra. Cách này có ưu điểm tiết kiệm được diện tích sử dụng, thuận tiện trong việc vận hành - Clo có rất nhiều ưu điểm đáp ứng được tiêu chuẩn lựa chọn chất khử trùng nên hiện nay phương pháp khử trùng bằng clo được dùng nhiều nhất (80%) các phương pháp khử trùng trên thế giới). Tác dụng khử trùng của các hợp chất có clo hoạt tính chính là ở chỗ sau khi hoà tan vào nước chúng tạo thành axit hypochlorous (HOCl) và các ion hypochlorite (OCl-) là những chất khi tiếp xỳc với màng tế bào của vi sinh sẽ làm cản trở quỏ trỡnh trao đổi chất dẫn đến chúng bị chết. - Nhược điểm: Khi cho clo vào nước có thể kéo theo một số hiệu ứng phụ như clo tác dụng với các chất hữu cơ của nước đôi khi có thể tạo ra các chất gây ung thư (trihalometan) hoặc gây mùi khó chịu (clorofenolat) clo không đủ mạnh để loại bỏ hoàn toàn một số VSV như virut và động vật đơn bào. Clo là chất độc mạnh do vậy cần có các biện pháp đảm bảo an toàn nghiêm ngặt V.4.2 Ozon Ozon có công thức hoá học là O3, là một khí không ổn định và khả năng oxi hoá cao. O3 được sử dụng làm chất khử trùng từ đầu những năm 1970. + Các tính chất của O3: - Khả năng oxy hoá: khả năng oxy hoá là đặc tính rất tốt làm cho nó trở thành một chất hay được sử dụng trong công nghệ xử lý nước. Thật vậy, ozon làm giảm màu, mùi và vị. Nó còn phá huỷ các chất có nguồn gốc phenol, oxy hoá các ion sắt và mangan hoà tan biến chúng thành các ion không tan. Hơn nữa khả năng oxy hóa cao còn phá vỡ các hợp chất hữu cơ của sắt và mangan mà các phương pháp khử sắt và mangan thông thường không làm được. Mặt khác, trái ngược với clo, ozon không có tác dụng với nitơ amoniac. Tuy nhiên, một số nghiên cứu mới đây đã tiết lộ sự ozon hoá một số chất hữu cơ và một số thuốc trừ sâu có thể tạo thành các chất gây ung thư. - Khả năng khử trùng: khả năng khử trùng của O3 cao hơn clo từ 10-100 lần và tiêu diệt tất cả các loại VSV. Nó diệt có hiệu quả đối với các bào tử và các nang là các VSV bền vững nhất. Lượng O3 cho vào nước để khử trùng phụ thuộc vào các loai nước, nhu cầu oxy hoá các chất hữu cơ và vô cơ. Cũng như đối với clo, cần duy trì một nồng độ ozon dư nào đó sau thời gian tiếp xúc xác định. + Các phương pháp sản xuất O3 Hai phương pháp sản xuất ozon chính dựa trên tác dụng quang hoá học của các tia cực tím (phương pháp tạo ozon trong khí quyển) hoặc tác dụng của sự phóng điện dưới áp suất cao trong không khí khô (phương pháp sử dụng trong công nghiệp). Người ta cũng có thể sản xuất ozon từ không khí hoặc oxy nguyên chất. Về khối lượng, hiệu suất của máy phát ozon gần gấp đôi khi là oxy nguyên chất. +Ưu điểm của việc sát trùng bằng O3: hoạt tính cao, xử lý được rất tốt cả động vật nguyên sinh, ít gây mùi khó chịu, không tạo phụ phẩm là các hợp chất cơ clo độc hại. + Nhược điểm: - Nhược điểm lớn nhất: O3là chất phân huỷ nhanh tạo thành O2 nên thời gian tồn tại trong nước ngắn (20-30p) =>phải sản xuất ngay tại chỗ để dùng ngay và không có tác dụng bảo vệ hệ phân phối. - Trong việc sản xuất O3,giá thành năng lượng điện sử dụng và bảo dưỡng là rất lớn. Bảng: so sánh khả năng khử trùng của một số chất khử trùng thường gặp dựa vào hệ số diệt vi sinh: Chất khử trùng Vi khuẩn Virut Bào tử Ozon (O3) 500 5 2 HOCl 20 1,0 0,05 OCl- 0,2 <0,02 <0,0005 NH2Cl 0,1 0,005 0,001 VI. Nhà máy nước Cẩm Thượng VI.1. Giới thiệu chung. Nhà máy nước cấp Cẩm Thượng nằm trên đường Phan Đình Phùng – phường Cẩm Thượng – Thành phố Hải Dương. Đây là một trong những nhà máy nước cấp tốt nhất của Việt nam hiện nay. Nhà máy sử dụng nước đầu vào lấy từ sông Thái Bình với quy trình xử lý luôn được cải tiến. - Năm 1936, thực dân Pháp xây dựng nhà máy này để cấp nước cho các công sở và cơ quan công quyền là chủ yếu. Công suất thiết kế ban đầu của nhà máy là 1000m3/ngày đêm. Tuy nhiên, công suất thực tế chỉ đạt 600m3/ngày đêm. - Sau năm 1956, Hải Dương được giải phóng. Chính phủ đầu tư vào nhà máy, nhà máy đạt công suất bằng công suất thiết kế. - Năm 1963, chính phủ cho phép mở rộng nhà máy, nâng công suất lên 5000m3/ngày đêm. - Năm 1976, nhà máy được lắp đặt thêm hệ thống cung cấp nước sạch, với tổng công suất là 21.000m3/ngày đêm. - Năm 1999, nhà máy được xây dựng thêm cụm lắng và bể lọc. - Đến năm 2006, công suất nhà máy đạt 27.000m3/ngày đêm. Nguồn nhân lực của nhà máy: Khi mới thành lập, nhà máy có 4 công nhân vận hành. Đến nay, nhà máy có 410 cán bộ, công nhân viên. VI.2. Quy trình sản xuất nước cấp của Nhà máy Cẩm Thượng Nước sông Mương dẫn nước Trạm bơm cấp 1 Bể trộn phèn Bể lọc Bể lắng Khử trùng = Clo Trạm bơm cấp 2 Phân phối Trong đó: Giai đoạn 1: Nước mặt được đưa vào bể trộn bằng hệ thống trạm bơm cấp 1: Nước được lấy từ sông Thái Bình bằng mương dẫn có lưới chắn rác trên mặt. Có 4 hố thu ứng với 4 máy bơm. Nước được bơm vào với vận tốc dòng là 0,8 – 0,9 m/s, bởi 4 máy bơm với công suất 500kW/máy và lưu lượng nước là 500m3/h/máy, cột đẩy cao 25 m, đường kính ống 300mm. Nước từ trạm bơm lên được đưa vào bể trộn phèn. Giai đoạn 2: Nước trộn phèn được đưa vào các bể lắng. Có 3 loại bể lắng là: bể lắng ngang, bể lắng đứng và bể lắng trong. Bể lắng ngang: nước được dẫn vào bể lắng ngang để lắng cặn. Trên đường đi cặn tự lắng xuống do trong lực. Bể lắng ngang dễ vận hành nhưng đòi hỏi diện tích lớn. Nước trong h = 5m Bể lắng đứng: ở bể lắng đứng nước được cho thêm chất trợ lắng làm tăng khả năng lắng cặn. Chiều cao bể: 7m, thể tích bể: 25m3. Tốc độ dòng = 0,3 - 0,5 mm/s . Bể lắng đứng tuy tiết kiệm diện tích hơn và dễ vận hành nhưng xử lý cặn không triệt để. Nước trong 3m Cặn Bể lắng trong: Thể tích bể = 200m3; chiều cao bể: 6m; tốc độ dòng = 0,9 - 1,2 mm/s; có 6 ống dẫn nước ra từ ống trung tâm. Loại bể này tốn ít diện tích nhất, khả năng tạo cặn triệt để nên nước ra tương đối trong nhưng khó vận hành, đòi hỏi người vận hành phải có trình độ, phải đầu tư nhiều hơn. Giai đoạn 3: Nước trong sau khi lắng cặn được đưa vào bể lọc. Nước được lọc bằng cát Silic (95%), cát sắc cạnh, có đường kính 0,8 – 1,2 mm. Độ dày lớp cát là 1,2 m. Cát sử dụng 1 ngày, rửa 1 lần. Hiệu quả lọc là 10mg cặn/l nước. Giai đoạn 4: Khử trùng. Nước sau khi lọc được khử trùng bằng Clo hóa lỏng rồi đưa vào các bể chứa. Giai đoạn 5: Qua hệ thống trạm bơm cấp 2, nước sạch được đưa đi phân phối và cung cấp cho người sử dụng. VII. Kết luận - Nước sau xử lý cần đảm bảo an toàn cho người sử dụng. Các tiêu chuẩn phải đảm bảo an toàn cho sức khỏe, mùi vị, thẩm mỹ, và phù hợp càng nhiều càng tốt các tiêu chuẩn quốc tế. Nước cấp sinh hoạt phải đảm bảo không có vi sinh vật gây bệnh, nồng độ các chất độc, các chất gây bệnh mãn tính. Độ trong, độ mặn, mùi vị và tính ổn định phải cao. - Đối với nhà máy nước Cẩm Thượng là một trong những nhà máy tốt nhất của Việt Nam, với công nghệ hiện đại, đầu tư lớn. Nhà máy đáp ứng được nhu cầu sử dụng nước sạch của dân cư thành phố Hải Dương. MỤC LỤC