Bài giảng công nghệ xử lý nước cấp chương 1

 Nước mặt: Sông, hồ, biển  Nước sông: Nước mưa, hơi nước trong không khí ngưng tụ và một phần do nước ngầm tập trung lại thành những dòng sông và suối.. Lượng nước mưa phân bố không đề

CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC CẤP

TS Trần Văn Quy

ĐẠI HỌC QUỐC GIA HÀ NỘI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

NỘI DUNG BÀI GIẢNG

Chương 1 Thành phần tính chất nước thiên nhiên, đánh giá chất lượng nguồn nước cấp cho vùng dân cư

Chương 2 Sơ đồ công nghệ xử lý nước, các

phương pháp xử lý nước

Chương 3 Quy hoạch tổng thể nhà máy nước

Chương 1 Thành phần tính chất nước thiên nhiên, đánh giá chất

lượng nguồn nước cấp cho vùng dân cư

1.1 Đặc điểm, thành phần, tính chất nước mặt, nước ngầm dùng làm nguồn cấp nước sinh hoạt

1.1.1 Nước mặt: Sông hồ, biển

1.1.2 Nguồn nước ngầm

1.2 Ảnh hưởng của các chất đối với chất lượng nước, sự ô nhiễm nước.

1.2.1 Các tác nhân và thông số hoá lý gây ô nhiễm nguồn nước.

1.2.2 Các tác nhân và thông số hoá học gây ô nhiễm nguồn nước

1.2.3 Các tác nhân sinh học gây ô nhiễm nguồn nước

1.3 Các chỉ tiêu hay thông số đánh giá chất lượng nước

1.3.1 Các chỉ tiêu vật lý

1.3.2 Các thông số hoá học

1.3.3 Các chỉ tiêu vi sinh

1.4 Nồng độ giới hạn cho phép của các chất độc hại trong nguồn nước phục

vụ cấp nước cho sinh hoạt.

1.5 Tự học

2.3 Các phương pháp xử lý nước

2.3.1 Keo tụ

2.3.1.1 Bản chất hoá lý của quá trình keo tụ 2.3.1.2 Các phương pháp keo tụ

2.3.1.3 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình keo tụ.

2.3.1.4 Thiết bị, công trình pha chế, định lượng dung dịch, hoá chất.

2.3.1.4.1 Sơ đồ công nghệ quá trình keo tụ nước 2.3.1.4.2 Các loại hoá chất dùng để keo tụ.

2.3.1.4.3 Pha chế dung dịch hoá chất.

2.3.1.4.4 Định lượng dung dịch hoá chất 2.3.1.5 Công trình trộn

2.3.1.5.1 Trộn thuỷ lực 2.3.1.5.2 Trộn cơ khí 2.3.1.6 Phản ứng tạo bông cặn

2.3.1.6.1 Nguyên lý chung

2.3.1.6.2 Bể phản ứng tạo bông cặn thuỷ lực

2.3.2 Lắng nước

2.3.2.1 Lắng tĩnh 2.3.2.2 Lắng trong môi trường động.

ngầm 2.3.4.2 Khử mangan trong nước ngầm

2.3.5 Khử trùng

2.3.5.1 Khử trùng bằng các chất ôxi hoá mạnh

2.3.5.2 Các phương pháp khử trùng khác.

2.3.8.1 Flo hoá nước

2.3.8.2 Khử flo trong nước

2.3.8.3 Khử sunfua và hydrosunfit trong nước

2.3.8.4 Khử axit silic hoà tan trong nước

2.3.9 Tự học

Chương 3 Quy hoạch tổng thể nhà máy nước

3.1 Các yêu cầu chung

3.1.1 Tầm quan trọng của công việc

TÀI NGUYÊN NƯỚC

 Khái niệm và tầm quan trọng của nước

 Nước là yếu tố chủ yếu của HST, là nhu cầu cơ bản của mọi sự sống trên

Trái đất và cần thiết cho mọi hoạt động KT-XH của con người;

 Nước tham gia vào thành phần cấu trúc của sinh quyển, điều hòa các yếu

tố khí hậu, đất đai và sinh vật Nước còn đáp ứng những nhu cầu đa dạng của con người trong sinh hoạt hằng ngày, tưới tiêu cho nông nghiệp, sản xuất công nghiệp, sản xuất điện năng và tạo ra nhiều cảnh quan đẹp

 Nếu không có nước thì chắc chắn không có sự sống xuất hiện trên Trái

đất, thiếu nước thì cả nền văn minh hiện nay cũng không tồn tại được

 Nhà Bác học Lê Quý Đôn: ”Vạn vật không có nước không thể sống được,

mọi việc không có nước không thành được…”

Nước trong tự nhiên – các nguồn nước thô:

 Nước mặt: Sông, hồ, biển

 Nước sông: Nước mưa, hơi nước trong không khí ngưng tụ và một phần

do nước ngầm tập trung lại thành những dòng sông và suối.

- Thay đổi lớn theo mùa về độ đục, lưu lượng, mức nước và nhiệt độ.

- Sông có nhiều tạp chất Hàm lượng cặn cao về mùa lũ, chứa lượng hữu cơ và

vi trùng lớn, dễ bị nhiễm bẩn bởi nước thải nên giá thành xử lý cao.

 Nước suối: Mùa khô nước trong nhưng lưu lượng nhỏ Mùa lũ nước lớn nhưng

nước đục, có nhiều cát sỏi, mức nước lên xuống đột biến

Ứng dụng: Có thể sử dụng cấp nước cho các bản làng hoặc các đơn vị quân độitrong khu vực Nếu muốn sử dụng cho hệ thống cấp nước qui mô lớn phải có côngtrình dự trữ và phòng chống phá hoại

 Nước ao hồ: Hàm lượng cặn bé nhưng độ màu các hợp chất hữu cơ và phù du

rong tảo rất lớn Thường dễ nhiễm trùng, nhiễm bẩn nếu không được bảo vệ cẩnthận

 Nước biển: Nguồn nước trong tương lai do trữ lượng cực lớn nhưng độ mặn cao.

Phương pháp xử lý:

+ Chưng cất, bốc hơi: ít kinh tế

+ Cơ chế sinh học

 Nước ngầm

Nước mưa, nước mặt và hơi nước trong không khí ngưng tụ lại và thẩm thấu vàolòng đất tạo thành nước ngầm Nước ngầm được giữ lại hoặc chuyển động trongcác lỗ rỗng hay khe nứt của các tầng đất đá tạo nên tầng ngậm nước

* Ưu: Nước rất trong sạch, hàm lượng cặn nhỏ, ít vi trùng → xử lý đơn giản, giá thành

rẻ

Chất lượng nước ngầm ở Việt Nam khá tốt, chỉ cần khử trùng (Thái Nguyên, VĩnhYên ) hoặc chỉ cần khử sắt, khử trùng (Hà Nội, Sơn Tây, Quảng Ninh, TuyênQuang)

* Nhược: Thăm dò lâu, khó khăn

Thường chứa nhiều sắt, mangan và bị nhiễm mặn ở vùng ven biển → xử lý khó vàphức tạp

Sự phân bố tài nguyên nước toàn cầu [11]

This image cannot currently be displayed.

This image cannot currently be displayed.

PHÂN BỐ NƯỚC TRÊN TRÁI ĐẤT

Đại dương 97%

Khí quyển 0.01%

Sông, hồ và biển trong lục địa

0.141%

Độ ẩm đất 0.0012%

Nước ngầm 0.4 – 1.7%

Băng hà

1.725%

Chu trình nước [11]

 Đặc điểm các nguồn nước

 Nguồn nước mưa - được sử dụng rộng rãi ở các vùng khan hiếm nước ngọt Lượng nước mưa phân bố không đều trên bề mặt Trái đất theo thời gian và không gian

 Nguồn nước mặt - Chất lượng nước mặt thay đổi nhiều từ vùng này sang vùng khác, từ mùa này sang mùa khác

 Nguồn nước dưới đất - tồn tại trong các khoảng trống dưới đất, trong các khe nứt, các mao quản, thấm trong các lớp đất đá Nước dưới đất được coi

là một hệ thống phức tạp, thay đổi theo thành phần và hoạt độ của các phân

tử có mặt và theo điều kiện nhiệt động học.

 Nước bao phủ 71% diện tích của quả đất (Khoảng 97% tài nguyên nước toàn cầu là nước của các đại dương - nước mặn; Một phần rất nhỏ hơi nước trong không khí, trong đất cùng với khoảng hơn 2% lượng nước chứa trong băng ở hai đầu cực là lượng nước khó có thể khai thác sử dụng; Con người chỉ có thể dựa vào lượng nước ngọt rất nhỏ có trong sông, hồ nước ngọt và túi nước ngầm để phục vụ các nhu cầu sinh hoạt và sản xuất của mình, lượng nước này chỉ chiếm khoảng 0,62% tài nguyên nước toàn cầu Tuy nhiên, nếu

ta trừ phần nước bị ô nhiễm ra thì chỉ có khoảng 0,003% là nước ngọt sạch

mà con người có thể sử dụng được).

 Nước giữ cho khí hậu tương đối ổn định và pha loãng các yếu tố gây ô nhiễm MT

 Là thành phần cấu tạo chính yếu trong cơ thể sinh vật, chiếm từ 50%-97% trọng lượng của cơ thể (ở người - 70%; ở Sứa biển - 97%).

 Tổng lượng nước tự nhiên trên thế giới theo ước tính có khác nhau theo các tác giả và dao động từ 1.385.985.000 km3 (Lvovits, Xokolov - 1974) đến 1.457.802.450 km3 (F Sargent - 1974).

- Sự phân bố không đồng đều lượng mưa và dao động phức tạp theo thời gian gây nên lũ lụt và hạn hán thất thường gây nhiều thiệt hại lớn đến mùa màng

và tài sản ảnh hưởng đến nền KTQG, ngoài ra còn gây nhiều trở ngại cho việc trị thủy, khai thác dòng sông.

 Ngoài nguồn nước mặt từ mưa (khoảng 325 tỷ m3) VN hiện còn có nguồn nước rất lớn do các con sông xuyên biên giới đem từ lãnh thổ các nước láng giềng (Trung Quốc, Thái Lan, Mianma, Lào và Campuchia) chảy vào sông Hồng, sông Mã, sông Cả, sông Mê Công, sông Cửu long Lượng nước này ước tính bằng 525 tỷ m3, gấp 1,7 lần lượng nước ngọt hình thành trong nước;

 Chất lượng nước của một số dòng sông sau khi đã tiếp nhận xả thải;

 Chế độ thủy văn của các dòng sông xuyên biên giới chảy vào nước ta sẽ thay đổi

 Nước ngầm

 Nước tàng trữ trong lòng đất là một bộ phận quan trọng của nguồn TN nước

ở VN; khai thác để sử dụng cho sinh hoạt đã có từ lâu; việc điều tra nghiên cưú một cách toàn diện và có hệ thống chỉ mới được tiến hành trong chừng chục năm gần đây;

 Tổng trữ lượng có tiềm năng khai thác được trên cả nước của các tầng trữ nước trên toàn lãnh thổ, chưa kể phần hải đảo, ước tính khoảng 60 tỷ

m3/năm;

 Tổng lượng đã khai thác chỉ mới vào khoảng 5% tổng trữ lượng Trong các năm tới lượng khai thác có thể lên tới khoảng 12 tỷ m3/năm So sánh với thế giới trữ lượng nước ngầm của VN ở vào mức TB

(nguồn: VN môi trường và cuộc sống, 2004)

 Nước khoáng và nước nóng

Theo thống kê chưa đầy đủ, ở Việt Nam có khoảng 350 nguồn nước khoáng và nướcnóng, trong đó:

 Nhóm chứa carbonic tập trung ở nam Trung bộ, đông Nam bộ và nam Tây nguyên;

 Nhóm chứa sulfur hydro ở Tây Bắc và miền núi Trung bộ; nhóm chứa silic ở trung vànam Trung bộ;

 Nhóm chứa Sắt ở đồng bằng Bắc bộ;

 Nhóm chứa brom, iod và bor có trong các trầm tích miền võng Hà Nội và ven biểnvùng Quảng Ninh;

 Nhóm chứa fluor ở nam Trung bộ

 Phần lớn nước khoáng cũng là nguồn nước nóng

 Nước phân bố không đều trên bề mặt Trái đất;

 Con người ngày càng khai thác và sử dụng nhiều tài nguyên nước hơn;

 Các nguồn nước trên Trái đất đang bị ô nhiễm bởi các hoạt động của con người;

 Các tác nhân gây ô nhiễm nguồn nước rất đa dạng

 CÁC VẤN ÐỀ LIÊN QUAN ÐẾN TN NƯỚC CỦA VIỆT NAM

 2/3 tổng lượng nước mặt của Việt Nam phụ thuộc vào nước ngoài

 TN nước phân bố rất không đều theo không gian và thời gian

 Có nhiều thiên tai gắn liền với nước

 Lũ lụt là thiên tai phổ biến nhất

 Ngập úng;

 Hạn hán;

 Chất lượng nước đang giảm sút; Nước ngọt bị ô nhiễm;

 yêu cầu về nước đang tăng nhanh

 Sự cạn kiệt nguồn nước ngầm;

 Sự lún sụp: Khi lớp nước ngầm ở cạn bị lấy đi nhanh tạo nên khoảng trống;

 Các quá trình tự nhiên tác động đến chất lượng nước

 Nước bị ô nhiễm nghĩa là thành phần của nó tồn tại các chất khác, mà các chất này có thể gây hại cho con

nhiễm thường là khó khắc phục mà phải phòng tránh từ đầu.

 Trong quá trình sinh hoạt hàng ngày, dưới tốc độ phát triển

như hiện nay con người vô tình làm ô nhiễm nguồn nước bằng

nhân sử dụng nước ngầm dưới hình thức khoan giếng , sau khi ngưng không sử dụng không bịt kín các lỗ khoan lại làm cho nước bẩn chảy lẫn vào làm ô nhiễm nguồn nước ngầm Các nhà máy xí nghiệp xả khói bụi công nghiệp vào không khí làm ô nhiễm không khí, khi trời mưa , các chất ô nhiễm này sẽ lẫn vào trong nước mưa cũng góp phần làm ô nhiễm nguồn nước.

 QUẢN TRỊ TN NƯỚC

 Gia tăng sự cung ứng nước tiêu dùng;

 Giảm sự sử dụng và hao phí nguồn nước;

 Ðập và hồ chứa nước dự trữ;

 Khai thác nước ngầm;

 Sự khử mặn;

 Mưa nhân tạo;

 Kế hoạch nghiên cứu tổng thể và quy hoạch sử dụng TN nước hợp lý:

 XLNT;

 Quy hoạch hợp lý các công trình thuỷ điện, thuỷ nông;

 BV và PTTN rừng;

 Thay đổi các quy trình SX tốn nhiều nước;

 Thay đổi phương thức canh tác NN…

THÀNH PHẦN CỦA NƯỚC TỰ NHIÊN

Thành phần của nước tự nhiên

Các vòng tuần hoàn vật chất

 Thành phần của nước tự nhiên

Các điều kiện vật lý ảnh hưởng rất mạnh đến các quá trình hóa học và sinh học xảy

ra trong nước

Nước tự nhiên chứa các hợp chất vô cơ, hữu cơ, các khí hòa tan, chất rắn lơlửng, nhiều loại vi sinh vật Sự phân bố các chất hòa tan và các thành phần kháctrong nước quyết định bản chất của nước tự nhiên: nước ngọt, nước lợ, nướcmặn; nước giàu hoặc nghèo dinh dưỡng; nước cứng hoặc mềm; nước bị ô nhiễmnặng hoặc nhẹ

 Trong số các chất khí hòa tan trong nước, oxy hòa tan (dissolved oxygen  DO) đóng một vai

trò rất quan trọng Oxy hòa tan cần thiết cho sinh vật thủy sinh phát triển, nó là điều kiện không thể thiếu được cho các quá trình phân hủy hiếu khí của vi sinh vật Khi nước bị ô nhiễm do các chất hữu cơ dễ bị phân hủy bởi vi sinh vật thì lượng oxy hòa tan trong nước sẽ

bị tiêu thụ bớt, do đó giá trị DO sẽ rất thấp so với DO bão hòa tại điều kiện đó Vì vậy, DO thường được sử dụng như một thông số để đánh giá mức độ ô nhiễm chất hữu cơ của các

nguồn nước DO có ý nghĩa lớn đối với quá trình tự làm sạch của sông (assimilative capacity 

AC).

Có thể xác định DO bằng phương pháp Winkler(hóa học) hoặc bằng phương pháp sử dụng

DO mét (điện hóa) Đơn vị biểu diễn: mg/L.

 Phương pháp Winkler: oxy trong nước được cố định ngay sau khi lấy mẫu bằng hỗn hợp

chất cố định (MnSO4, KI, NaN3), lúc này oxy hòa tan trong mẫu sẽ phản ứng với Mn2+ tạo thành MnO2 Khi đem mẫu về đến phòng thí nghiệm, thêm axít sulfuric hay phosphoric vào mẫu, lúc này MnO2 sẽ oxy hóa I thành I2 Chuẩn độ I2 tạo thành bằng Na2S2O3 với chỉ thị

hồ tinh bột Tính ra lượng O2 có trong mẫu.

 Phương pháp sử dụng DO mét: đây là phương pháp được sử dụng rất phổ biến hiện nay.

DO mét được dùng để xác định nồng độ oxy hòa tan ngay tại hiện trường Điện cực của DO mét hoạt động theo nguyên tắc: dòng điện xuất hiện trong điện cực tỷ lệ với lượng oxy hòa tan trong nước khuếch tán qua màng điện cực, trong lúc đó lượng oxy khuếch tán qua màng lại tỷ lệ với nồng độ của oxy hòa tan Đo cường độ dòng điện xuất hiện này cho phép xác định được DO.

Bên cạnh DO, nồng độ CO2 hòa tan trong nước cũng đóng một vai trò quan trọng Nồng độ CO2 ảnh hưởng trực tiếp đến nhiều tính chất, quá trình hóa học, sinh học của nước như độ kiềm, độ axit, khả năng xâm thực, quá trình quang hợp,…

 Nước cứng là nước chứa nhiều canxi, manhê Nước cứng phổ biến ở vùng núi đá hoặc nước ngầm cartơ Nước cứng do muối các-bô-nát Ca, Mg gọi là nước cứng tạm thời Nước cứng do muối sunphát, clorua Ca, Mg gọi là nước cứng vĩnh cửu.

 Độ cứng của nước là lượng muối cac-bô-nát có thể kết tủa (tính theo CaCO3) Độ cứng nước sinh hoạt không được lớn hơn 300mgCaCO3/lít Nước máy nhiều khu đô thị có độ cứng đạt tiêu chuẩn nhưng vẫn rất cao, trên 250 mg CaCo3/l Khi dun nấu vẫn lắng rất nhiều cặn vôi.

 Nước cứng gây nhiều phiền toái cho sử dụng: Nước hơi nhờn nhờn, làm cứng tóc khi tắm gội, làm đen nước trà, nước luộc rau, đặc biệt là lắng cặn khi đun Nước cứng lắng cặn vôi trong bình nước nóng, làm tăng chi phí điện năng Giảm độ cứng nước là một biện pháp tiết kiệm điện.

 Ăn uống nhiều nước cứng có thể bị các bệnh về thận, tim mạch…

 Có 3 phương pháp thường dùng để giảm độ cứng :

- Phương pháp trao đổi ion

- Phương pháp lọc thẩm thấu ngược (RO)

- Phương pháp xử lý hoá chất

Như vậy sau khi đun sôi lên chúng ta loại bỏ được nước cứng? Công việc này chỉ loại bỏ được nước cứng tạm thời, việc này cũng đòi hỏi một lượng nhiên liệu công sức lớn , đối với các nhà máy xử lý nước sạch gần khu vực đá vôi rất hay gặp phải trường hợp nước cứng này, việc khắc phục trên quy mô lớn bị hạn chế bởi vấn đề kinh tế

Có nhất thiết phải làm mềm nước không? Không Nếu bạn không sử dụng nước để tắm giặt, ăn uống, nếu bạn không sử dụng vòi nước, không dùng bình nước nóng, bồn tắm thì không cần làm mềm nước.

Có thiết bị làm mềm nước ? Tất nhiên là có, các thiết bị làm mềm nước hoạt động trên nguyên tắc trao đổi ion trung hoà với các ion của Ca và Mg đang ở dạng hoà tan tạo thành muối kết tủa xuống, tuy nhiên cách này tốn kém vì chúng ta phải thay thế vật liệu trao đổi thường xuyên nếu muốn có hiệu quả cao

Các thiết bị khi bị đóng cặn manhe, canxi như các thiết bị bình nóng lạnh, đường ống cần làm gì

để loại bỏ chúng? Sử dụng hoá chất để loại bỏ chúng, thường trong ngành xử dụng hoá chất Tandex 270 có tính chất tẩy rửa cặn rất mạnh, đặc tính an toàn với môi trường và sử dụng được nhiều lần

 Chất rắn

 Chất rắn lơ lửng và chất rắn hòa tan

Các chất rắn trong nước thường phân tán trong nước dưới dạng lơ lửng (khôngtan) hoặc dạng tan

các hạt chất vô cơ, hữu cơ kể cả các hạt chất lỏng không trộn lẫn với nước Các hạt

có bản chất vô cơ có thể là các hạt đất sét, phù sa, hạt bùn,… Hạt có bản chất hữu

cơ thường là sợi thực vật, tảo, vi khuẩn,… Chất rắn lơ lửng thường có trong nướcmặt do hoạt động xói mòn nhưng ít có trong nước ngầm do khả năng tách lọc tốtcủa đất

Ngoài các hạt chất rắn lơ lửng có nguồn gốc tự nhiên, nhiều chất rắn lơ lửng xuấtphát từ các hoạt động sinh hoạt, sản xuất của con người

Thông thường chất rắn lơ lửng được xác định bằng cách lọc mẫu nước qua giấy lọc

sợi thủy tinh (glassfiber filter) có cỡ lỗ xốp khoảng 1,2 μm hoặc màng

polycacbonat có cỡ lỗ xốp khoảng 1 μm, sau đó sấy khô phần không qua giấy lọc ở

103 đến 105C đến khối lượng không đổi và cân để xác định chất rắn lơ lửng Đơn

Sơ đồ xác định và quan hệ giữa chất rắn lơ lửng và chất rắn hòa tan [15]

TS: total solids; SS: suspended solids; VSS: volatide SS; FSS: fixed SS;

TVS: total volatile solids; FS: filtrable solids (DS); VFS: volatile FS (dÔ bay h¬i); FFS: fixed FS (bÒn); TFS: total fixed solids

• Chất rắn hòa tan (dissolved solids - DS): phần còn lại trong nước sau khi lọc

tách chất rắn lơ lửng được xem là phần chất rắn hòa tan và được đánh giá thông qua thông số tổng chất rắn hòa tan (TDS).

• Tổng chất rắn hòa tan thường được xác định trực tiếp bằng cách làm bay hơi đến khô kiệt mẫu nước sau khi đã lọc bỏ chất rắn lơ lửng Khối lượng phần cặn khô còn lại chính là TDS của nước TDS thường được biểu diễn bằng đơn vị mg/L.

Các chất vô cơ hòa tan

Nước tự nhiên là dung môi tốt để hòa tan hầu hết các axit, bazơ và muối vô cơ

 Nước biển

Theo quan điểm hóa học, có thể xem nước biển là dung dịch hỗn hợp của NaCl 0,5

M và MgSO4 0,05 M, ngoài ra nước biển còn chứa nhiều nguyên tố hóa học khácvới nồng độ thấp hơn

Nuớc biển trên toàn cầu có những đặc điểm đáng chú ý sau:

nước biển khá đồng nhất về tỷ lệ thành phần của các cấu tử chính, mặc dù nồng

độ tuyệt đối của các cấu tử này có thể biến động theo vùng, khu vực:

a Tỷ lệ Na/Cl: 0,55  0,56

b Tỷ lệ Mg/Cl: 0,06  0,07

c Tỷ lệ K/Cl: 0,02