Chương 2: XỬ LÝ NƯỚC CẤP pdf

Ch ươ ngLựa chọn công nghệ xử lý phụ thuộc: Loại nguồn nước mặt, ngầm xem bảng 2.2... NO 3 -Thường có ở nồng độ cao Thường có ở nồng độ TB SiO 2 Thường có Không Khoáng hòa tan Thấp hoặc

Các chất vô cơ hòa tan (Fe2+, Ca2+, Mg2+, NH4+, NO3-,…)

Các chất hữu cơ hòa tan

Màu

Các vi sinh vật gây bệnh (vi khuẩn, protozoa,…)

Các quá trình x ử lý n ướ c c ấ p có th ể là c ơ h ọ c, hóa-lý, hóa

Loạ i cá c ch ấ t h ữ u c ơ hò a tan: thu ố c tr ư+ sâu, dung môi, THMs,

H ấ p phu ' b ằ ng than hoạ t tí nh

Tiêu di ệ t cá c sinh v ậ t gây b ệ nh

Loạ i tr ư+ tả o, kh ư2 trù ng s ơ bô ' , oxy hó a s ơ bô ' Fe, Mn

X ư2 ly hó a họ c s ơ bô ' (Cl2, O3)

Loạ i cá c m ẩ u vụ n thô (lá cây, cà nh cây, c á , )

Ch ươ ng

Lựa chọn công nghệ xử lý phụ thuộc:

Loại nguồn nước (mặt, ngầm) (xem bảng 2.2) <tư' đọc thêm>

Đặc điểm chất lượng nguồn nước

Yêu cầu chất lượng nước cấp (theo quy chuẩn, tiêu chuẩn – xem Chương 1)

Cl2

NO 3

-Thường có ở nồng độ cao Thường có ở nồng độ TB

SiO 2

Thường có Không

Khoáng hòa tan

Thấp hoặc hầu như không có Cao, thay đổi theo mùa

Chất rắn lơ lửng

Tương đối ổn định Thay đổi theo mùa

Nhiệt độ

Nước ngầm Nước mặt

Đặc điểm

⇒ X ly: ch y u làm trong, kh trùng ch y u lo i s t, kh trùng

Bảng 2.2 Một sô đặc điểm khác nhau giữa nguồn nước mặt va+ nước ngầm

Ch ươ ng

2.2.1 C ơ s ở lý thuy ế t

Kích th ướ c các h ạ t trong n ướ c và kh ả n ă ng tách chúng:

Các quá trình cơ học (lắng, lọc, ly tâm) chỉ tách hiệu quả các hạt lơ lửng có đườngkính hạt >10-3 mm (bùn, cát, tảo, protozoa, )

Đối với các hạt lơ lửng rất nhỏ và dạng keo đường kính 10-6 – 10-3 mm (sét, đại

phân tử hữu cơ,…) thường rất khó lắng lọc (mất thời gian dài); để tách hiệu quả

thường sử dụng biện pháp keo tụ - tạo bông trước khi lắng, lọc

Đố i t ượ ng x ử lý ch ủ y ế u c ủ a keo t ụ là các h ạ t keo

Ch ươ ng

Gi ữ a hai h ạ t keo luôn luôn t ồ n t ạ i hai lo ạ i l ự c t ươ ng tác:

L ự c đẩ y t ĩ nh đ i ệ n Coulomb gi ữ a hai l ớ p kép có đ i ệ n tích cùng d ấ u,

L ự c hút van der Waals tác độ ng trong m ộ t kho ả ng ng ắ n.

L ự c t ổ ng h ợ p quy ế t đị nh tr ạ ng thái ổ n đị nh h ạ t keo:

Khi l ự c đẩ y > l ự c hút (l ự c t ổ ng h ợ p là đẩ y): h ệ keo b ề n v ữ ng;

Khi l ự c đẩ y ≤ l ự c hút (l ự c t ổ ng h ợ p là hút hay b ằ ng không): không còn

"hàng rào n ă ng l ượ ng“, các h ạ t keo dính k ế t v ớ i nhau và x ả y ra s ự keo

t ụ Như vậy, quá trình keo tụ diễn ra khi trạng thái ổn định của hạt keo bị phá vỡ

s ẽ đượ c t ă ng c ườ ng kh ả n ă ng t ậ p h ợ p t ạ o bông c ặ n kích

Keo tụ (coagulation) là sự phá vỡ trạng thái ổn định của các hạt keo để tạo ra sự tập hợp khởi đầu các hạt keo

Tạo bông (flocculation) là sự tổ hợp các hạt keo đã bị keo tụ.

Ch ươ ng

Hình 2.5 S ơ đồ minh h ọ a keo t ụ và t ạ o bông

Ch ươ ng

chloride hay PAC).

C ơ chê loạ i cá c hạ t keo v ớ i mu ố i Al (III), Fe (III):

Ion Al3+, Fe3+ đ i và o l ớ p đ i ệ n ké p, trung hò a đ i ệ n tí ch hạ t keo ⇒ giả m thê zeta ⇒ keo tu '

Thủ y phân tạ o cá c ion ph ứ c đ a nhân tí ch đ i ệ n cao Alx(OH)yn+ (ví dụ

Al8(OH)204+, Al3(OH)45+, Al13O4(OH)247+…) ⇒ trung hò a đ i ệ n tí ch hạ t keo

⇒ giả m thê zeta ⇒ keo tu '

Thủ y phân tạ o k ế t tủ a Al(OH)3, Fe(OH)3 ké o theo cá c hạ t keo l ắ ng xu ố ng.

Hi ệ u quả keo tu phu thu ộ c pH: 4,5 – 7,0 v ớ i phè n nhôm; 8,5

Polymer thiên nhiên: dextrin, chitin,…

Polymer t ổ ng h ợ p: polyacrylamide [–CH2–CH(CONH2)–]n, polyacrylic acid

Keo t ụ : Khu ấ y nhanh trong th ờ i gian ng ắ n để làm b ấ t ổ n đị nh h ạ t keo

và t ạ o các bông keo có kích th ướ c nh ỏ (gradient v ậ n t ố c G = 500 –

trong PTN để xác đị nh các đ i ề u ki ệ n keo t ụ : li ề u keo t ụ , li ề u

Ch ươ ng

Hình 2.6 H ệ th ố ng JAR TEST.

Ch ươ ng

2.3.1 C ơ s ở lý thuy ế t

thi ế t b ị và đượ c lo ạ i kh ỏ i n ướ c.

Lý thuy ế t l ắ ng

Theo n ồ ng độ và s ự tương t ác gi ữ a các h ạ t có b ố n d ạ ng l ắ ng:

l ng lo i 1 hay lắng hạt riêng lẻ (discrete particle settling) - hạt không thay

đổi kích thước trong quá trình lắng

l ng lo i 2 hay lắng tạo bông (flocculent settling) - các hạt kết hợp nhau, kích thước hạt lớn dần trong quá trình lắng,

l ng lo i 3 hay lắng vùng (zone settling)

l ng lo i 4 hay lắng nén (compression settling)

Trong XL n ướ c, l ắ ng h ạ t riêng l ẻ và l ắ ng t ạ o bông đ óng vai trò quy ế t đị nh

ρs, ρw- kh ố i l ượ ng riêng c ủ a h ạ t và n ướ c (kg/m 3 )

ss – t ỷ kh ố i c ủ a h ạ t so v ớ i n ướ c (không th ứ nguyên)

w s

s

C

d g

=

1 18

µ

1.568 × 10-6

1.57 × 10-3

1000 4

0.687 × 10-6

0.68 × 10-3

993.1 38

0.864 × 10-6

0.86 × 10-3

996.6 27

0.984 × 10-6

0.98 × 10-3

998.0 21

1.131 × 10-6

1.13 × 10-3

999.0 15

1.310 × 10-6

1.31 × 10-3

999.7 10

1.795 × 10-6

1.79 × 10-3

999.9 0

Nguồn: Brater et al (1996)

Bả ng 2.3 Kh ố i l ượ ng riêng va + đ ô ' nh ớ t củ a n ướ c ở m ộ t sô nhi ệ t đ ô ' khá c nhau

Q B

H

Q L

H v

Th ự c t ế : n ướ c ch ứ a nhi ề u c ỡ h ạ t khác nhau , không th ể xác

u

v

H Q

H A

Xử lý sơ bộ trước khi lọc nhanh và chậm;

Lắng bông cặn sau keo tụ - tạo bông, trước khi vào bể lọc nhanh

Xử lý nước rửa lọc nhằm cô đặc bùn từ thiết bị lọc

Ch ươ ng

Hình 2.7. Bể lắng ngang

1: cửa phân dòng vào; 2: Vách ngăn dòng vào; 3: Bộ phận gom váng;

4: Vách điều chỉnh dòng ra; 5: Vách chắn; 6: Băng tải cào bùn; 7: Hố

Ch ươ ng

X ả y ra đồ ng th ờ i keo t ụ -t ạ o bông-l ắ ng trong 1 b ể

Áp d ụ ng đượ c v ớ i n ướ c có độ đụ c cao, chi phí th ấ p

Thông s ố thi ế t k ế : v ậ n t ố c ch ả y ng ượ c ≤ 5 m/h

Hình 2.10.

Bể lắng tiếp xúc

C ơ ch ế gi ữ ch ấ t r ắ n trong l ớ p v ậ t li ệ u l ọ c ph ứ c t ạ p, bao g ồ m các quá trình

v ậ t lý-hóa h ọ c và đ ôi khi c ả sinh h ọ c Ví d ụ các c ơ ch ế :

sàng (straining) – hạt bị giữ do kích thước lớn hơn khe hở giữa các VLL

lắng (sedimentation) – hạt nhỏ hơn sẽ lắng trọng lực lên bề mặt VLL

chặn (interception) – dòng nước mang hạt chuyển động đến gần bề mặt VLL trong khoảng cách 1 bán kính hạt sẽ bị va đập và chặn lại

hấp phụ (adsorption) – hạt bị hấp phụ lên bề mặt VLL bởi các lực vật lý (hấp

dẫn, hút tĩnh điện) hay tạo liên kết hóa học

hoạt động sinh học (biological action) – chất bẩn hữu cơ trong nước nằm lạitrên bề mặt lớp VLL sẽ giữ các vi sinh vật và tạo lớp nhầy

Ch ươ ng

Theo th ờ i gian, SS bám trên VLL t ă ng d ầ n ⇒ kho ả ng h ở cho dòng ch ả y

gi ả m d ầ n ⇒ t ổ n th ấ t áp l ự c (head loss, hL) t ă ng d ầ n Khi hL t ă ng đế n giá tr ị

Tỷ khối (ss) hay khối lượng riêng (ρs)

Cỡ hạt hiệu quả (ES: Effective size, d10) – cỡ rây (mm) cho phép 10%

khối lượng VLL lọt qua

Hệ số đồng nhất (UC: Uniformity coefficient) – tỷ số giữa cỡ rây cho phép60% VLL lọt qua và cỡ hạt hiệu quả UC = d60/d10

Tùy theo v ậ n t ố c l ọ c, phân bi ệ t 2 lo ạ i b ể l ọ c:

Lọc nhanh (Rapid filter)

Lọc chậm (Slow filter)

Ở quy mô nhỏ (nông thôn)

Nguồn nước có độ đục thấp (<40 NTU hay <50 mg-SS/L)

Ư u đ i ể m: X ử lý tr ự c ti ế p n ướ c t ự nhiên v ớ i hi ệ u qu ả lo ạ i SS và vi khu ẩ n cao, thi ế t b ị và v ậ n hành đơ n gi ả n.

Nh ượ c đ i ể m: t ố n di ệ n tích, kh ố i l ượ ng xây d ự ng l ớ n

Làm s ạ ch: Cào l ớ p cát b ẩ n trên b ề m ặ t 3-5 cm để r ử a, sau 10-15 l ầ n r ử a

c ầ n b ổ sung cát s ạ ch; sau nhi ề u n ă m ph ả i thay cát s ạ ch.

Th ườ ng l ắ p 2 hay nhi ề u b ể l ọ c ho ặ c chia nhi ề u ng ă n để luân phiên làm

s ạ ch.

Ch ươ ng

Hình 2.11 C ấ u t ạ o b ể l ọ c ch ậ m

Ch ươ ng

2.4.2.2 B l c nhanh

Đố i t ượ ng:

Ở quy mô lớn (các nhà máy nước)

Xử lý nước mặt: sau keo tụ-tạo bông-lắng; nếu độ đục thấp có thể bỏ qua lắng

Xử lý nước ngầm: sau làm thoáng

VLL: có thể 1 lớp cát; tuy nhiên tốt hơn sử dụng 2 lớp (dual-media) hay nhiều

lớp (multi-media), ví dụ: than anthracite-cát

Hệ thống thu nước lọc (có thể dùng lớp sỏi)

Hệ thống rửa ngược (back-washing)

Đóng

Lượng nước dùng cho rửa ngược = 3 - 6 % công suất xử lý

Phương pháp rửa ngược: nước hay nước + không khi

Vận tốc rửa ngược: quá lớn sẽ làm trôi VLL hoặc trộn lẫn 2 lớp VLL; quá nhỏ

không đủ rửa sạch VLL Thực tế:

vW= 0,3 ~ 10d60 m/min đối với cát

0,3 ~ 4,7d60 m/min đối với than anthracite

(d60: cỡ rây cho phép 60% khối lượng hạt lọt qua)

Tìm hiểu thêm qua bài tập nhóm

Nhanh chóngKhó

Khả năng điều chỉnh đầu ra

CaoCao

Chi phí đầu tư

3 – 6 % nước sạch0,2 – 0,6 % nước sạch

0,1 – 0,4 m/h(2,5 – 10 m3/m2/d)

Vận tốc lọc

Tải trọng lọc

L ọ c nhanh

L ọ c ch ậ m Thông s ố

Ch ươ ng

2.5 Kh ử trùng

Các quá trình keo t ụ -t ạ o bông, l ắ ng, l ọ c lo ạ i đượ c m ộ t ph ầ n các VSV.

Kh ử trùng: tiêu di ệ t các VSV gây b ệ nh trong n ướ c còn l ạ i để phù h ợ p nhu

c ầ u s ử d ụ ng n ướ c (kh ư% trù ng: disinfection – vô trù ng: sterilize)

(3) Kh ử trùng b ằ ng siêu âm

(4) Kh ử trùng b ằ ng vi l ọ c: dùng l ớ p l ọ c có kích th ướ c khe l ọ c < 1 µ m – gi ữ

các VSV (kích th ướ c 1-2 µ m, tr ừ virus).

Ch ươ ng

2.5.1.2 Cá c PP hó a h c

(1) Kh ư% trù ng b ằ ng clo va * cá c h ợ p ch ấ t clo: Cl2, NaClO (natri hypoclorit),

Ca(ClO)2 (canxi hypoclorit) (chi ti ế t ở ph ầ n 2.5.2).

(2) Kh ư% trù ng b ằ ng ozon:

Ư u đ i ể m: th ờ i gian t á c d ụ ng nhanh, trong c ù ng đ i ề u ki ệ n h oạ t t í nh kh ử

trù ng g ấ p 600-3000 l ầ n clo, không tạ o ra c á c s ả n ph ẩ m p hụ nguy h ạ i, í t

chị u t á c độ ng c ủ a y ế u t ố pH

Nh ượ c đ i ể m: giá thà nh x ử lý cao (2-3 l ầ n clo), í t h ò a tan trong n ướ c nên

khó duy tr ì d ư l ượ ng ozon để trá nh qu á trì nh t á i nhi ễ m khu ẩ n

Hình 2.14 Thiết bị khử trùng

với tia UV

Từ Pt.[2.5] và [2.6]: ở pH>4 (điều kiện nước bình thường), không còn tồn tại dạng Cl2

⇒ Tác dụng khử trùng là do HClO và ClO-, trong đó hoạt tính HClO mạnh hơn

E.coli có trong n ướ c v ớ i li ề u

l ượ ng 0,1 mg/L clo t ự do, th ờ i

gian c ầ n thi ế t t ă ng t ừ 6 phút khi

Nhi ệ t độ - cà ng cao t ố c độ tiêu di ệ t VSV cà ng t ố t; tuy nhiên t ă ng nhi ệ t

đ ô ' là m giả m s ư' hò a tan cá c khi trong n ướ c ⇒ clo t ư' do s ẽ giả m T ố t

nh ấ t ở nhi ệ t độ th ườ ng.

S ư có m ặ t cá c ch ấ t kh ư% trong n ướ c (amoniac/amoni, sunfua, Fe(II), cá c

ch ấ t h ữ u c ơ ) là m giả m hi ệ u quả củ a vi ệ c kh ư2 trù ng do tiêu th ụ m ộ t

l ượ ng clo t ự do.

Đặ c bi ệ t, clo sẽ oxy hó a cá c h ợ p ch ấ t h ữ u c ơ hò a tan (DOC) tạ o ra sả n

ph ẩ m phu là cá c THMs (trihalomethanes) c ó kha % n ă ng gây ung th ư !

Các chloramine có ho ạ t tính kh ử trùng; clo d ướ i các d ạ ng

chloramine g ọ i là d ư l ượ ng clo k ế t h ợ p (combined chlorine

residual).

Tuy nhiên c á c chloramine c ó hạ i cho s ứ c k hỏ e

(Hình 2.15.)

Ch ươ ng

Bi ế n thiên d ư l ượ ng clo trong quá trình thêm clo vào

d ầ n ( đ o ạ n OA ).

Tăng liề u clo ([HOCl]/[NH3]>1): x ả y ra ph ả n ứ ng t ạ o

d ầ n ( đ o ạ n AB ).

Khi đã oxy h óa h ế t NH3 ([HOCl]/[NH3] =1,5): d ư l ượ ng clo

l ạ i t ă ng lên, lúc này là d ạ ng d ư l ượ ng t ự do ( đ o ạ n BC ).

Đ i m b t đ u t ă ng d l ng clo t $ do g i là đi m t i h n hay đ i m gãy (breakpoint)

Tan tốt trong nước

Chậm phân hủy trong không khí

Chloramine-T

C7H7ClNO2S·Na Sodium p-Toluenesulfonchloramide

Bột trắng Tan tốt trong nước Chậm phân hủy trong không khí

CH3

Câu hỏ i t ư' họ c:

1 So sá nh ư u đ i ể m va + hạ n chê củ a kh ư2 trù ng

n ướ c b ằ ng ozon va + clo.

2 Khi kh ư2 trù ng n ướ c c ấ p b ằ ng clo, c ầ n phả i

có thông tin cá c thông sô ch ấ t l ượ ng nà o củ a ngu ồ n n ướ c?

mg Cl 2 /mg-N

Trong n ướ c t ư' nhiên, Fe va + Mn th ườ ng t ồ n tạ i đồ ng th ờ i ⇒ x ử lý đồ ng th ờ i

X ư2 ly Fe va + Mn trong n ướ c ng ầ m quan trọ ng h ơ n n ướ c m ặ t ( thả o lu ậ n)

2.6.1 C ơ s ơ ly thuy t

Oxy h ó a Fe (II) v à Mn (II) thà nh Fe(III) v à Mn(IV) d ướ i d ạ ng k ế t t ủ a, d ễ

tá ch kh ỏ i n ướ c b ằ ng l ắ ng, l ọ c

Tá c nhân oxy h ó a c ó th ể là : O2, Cl2, O3, KMnO4 C ó ý nghĩ a th ự c t ế nh ấ t l à

oxy h ó a v ớ i oxy không k hí b ằ ng qu á trì nh l à m t hoá ng hay thông kh í :

T ố c đ ô ' oxy hó a v ớ i O2 nhanh ở pH cao: th ườ ng oxy hó a Fe, Mn ở pH > 8.

Fe (II) dê c bị oxy hó a h ơ n Mn(II) trong cù ng đ i ề u ki ệ n.

Làm thoáng đơn giản trên bề mặt lọc (Hình 2.16.a)

dùng ống khoan phun nướ c lên trên b ề m ặ t b ể l ọ c chi ề u cao giàn phun = 0,7 m; l ỗ phun = 5-7 mm; Q=10 m 3 /m 2 /h

Làm thoáng bằng giàn mưa tự nhiên (Hình 2.16.b)

dùng tháp làm thoáng 1 hay nhi ề u b ậ c

n ướ c đượ c t ướ i t ự nhiên xu ố ng các sàn có ch ứ a v ậ t li ệ u ti ế p xúc (s ỏ i, than c ố c) Q=10 m 3 /m 2 /h; chi ề u dày l ớ p v ậ t li ệ u 30-40 cm.

m ư a t ự nhiên; (c): Tháp làm

b ứ c

(a)

Ch ươ ng

(2) Lo i mangan b & ng ph ơ ng pháp làm thoáng

b ể l ọ c.

Mg(HCO3)2 Mg(OH)2↓ + 2CO2 [2.17]

- Độ c ứ ng v ĩ nh c ữ u (hay độ c ứ ng phi cacbonat): không mất khi đun nóng, do các muốitan khác của Ca, Mg như Cl-, SO42-, NO3-,…

Ca(HCO3)2 + Ca(OH)2 → 2CaCO3↓ + 2H2O [2.18]

Mg(HCO3)2 + 2Ca(OH)2 → Mg(OH)2↓ + 2CaCO3↓ + 2H2O [2.19]

N ế u ch ỉ dùng vôi thì khi có độ c ứ ng phi carbonat, ch ỉ gi ả m đượ c Mg2+ mà không gi ả m

đượ c độ c ứ ng toàn ph ầ n, do t ạ o thành m ộ t l ượ ng t ươ ng đươ ng Ca 2+ theo ph ả n ứ ng

[2.20] Vi ệ c k ế t h ợ p soda là để lo ạ i tri ệ t để Ca2+ theo ph ả n ứ ng [2.21].

Th ườ ng thêm phèn s ắ t ở b ể l ắ ng để giúp l ắ ng CaCO3 t ố t h ơ n (không dùng phèn Al do

pH >9).

Ch ươ ng

Hình 2.17 S ơ đồ h ệ th ố ng làm m ề m n ướ c b ằ ng vôi-soda

Phèn Fe

CO2

Bể keo tụ kết hợp lắng

Bùn cặn

Tái carbonat hóa

Bể lọc có áp

Ch ươ ng

(2) Là m m ề m b ằ ng phosphate

Thường dùng khi cần làm mềm triệt đê2 mà PP vôi-soda không đạt được

Sư2 dụng muối natri phosphate (Na3PO4) hay tripolyphosphate (Na5P3O10)

Các phản ứng:

3M(HCO3)2 + 2Na3PO4 → M3(PO4)2↓+6NaHCO3 [2.22]

3MCl2 + 2Na3PO4 → M3(PO4)2↓+ 6NaCl [2.23]

3MSO4 + 2Na3PO4 → M3(PO4)2↓+ 3Na2SO4 [2.24]

(M: Ca, Mg)

(3) Làm m ề m b ằ ng trao đổ i ion v ớ i zeolit (Na 2 Z)

Trao đổi: 2HCO3- 2HCO3

Ch ươ ng

Ch ươ ng

2.8 M ộ t sô công nghê 7 x ư ly n ướ c c ấ p

Công nghê ' x ư2 ly n ướ c ng ầ m tạ i Nha + má y n ướ c

Phá p Vân, H à N ộ i

Công nghê ' x ư2 ly n ướ c m ặ t tạ i Nha + má y n ướ c

Water Treatment Plant in Hanoi

Raw groundwater pipe

Water Treatment Plant in Hanoi

Aeration Tower

Settling tank

Filter

Water Treatment Plant in Hanoi

Setting tank and filter

Công ngh ệ x ử lý n n ư ư ớ c ở NM n n ư ư ớ c Qu ả ng T ế , Hu ế