Bài Giảng Xử Lý Nước Thải Và Công Nghệ Xử Lý Nước Thải

Bộ môn Công nghệ Môi trường – Khoa Môi trường 1 CHƯƠNG 1 CÁC BƯỚC LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI 1 1 Tổng quan về nước thải và công nghệ xử lý nước thải 1 1 1 Nhận dạng chất[.]

CHƯƠNG 1 CÁC BƯỚC LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THẢI 1.1 Tổng quan về nước thải và công nghệ xử lý nước thải

1.1 1 Nhận dạng chất thải trong môi trường nước

“Nước thải là chất thải lỏng được thải ra sau quá trình sử dụng của con người và đã bị thay đổi tính chất ban đầu của chúng” Thông thường nước thải

được phân loại theo nguồn gốc phát sinh ra chúng Đó cũng chính là cơ sở cho việc lựa chọn các biện pháp hoăc công nghệ xử lý

Nước tự nhiên là nước được hình thành cả về số lượng và chất lượng dưới ảnh hưởng của các quá trình tự nhiên, không có tác động của con người Do tác động của con người, nước tự nhiên bị nhiễm bẩn bởi các chất khác nhau dẫn đến kết quả là làm ảnh hưởng đến chất lượng của nó

Các khuynh hướng thay đổi chất lượng nước do ảnh hưởng bởi các hoạt động của con người bao gồm:

- Thay đổi giá trị pH của nước ngọt do ô nhiễm bởi H2SO4, HNO3 từ khí quyển

và nước thải công nghiệp, tăng hàm lượng SO42- và NO3- trong nước

- Tăng hàm lượng các ion Ca, Mg, Si…trong nước ngầm và nước sông do mưa hoà tan, phong hoá các quặng cacbonat Khi hàm lượng của các ion này vượt quá mức theo tiêu chuẩn cho phép của chất lượng nước sử dụng thì được xếp vào hạng mục chất ô nhiễm Nước ngầm thường có hàm lượng các ion khoáng hoá cao hơn so với nước mặt do nằm dưới lòng đất nên sự tích

tụ các chất khoáng từ đất, đá khi nó đi qua

- Tăng hàm lượng các ion kim loại nặng trong nước tự nhiên, trước hết là Pb,

- Giảm độ trong của nước Tăng khả năng của ô nhiễm nước tự nhiên do các nguyên tố phóng xạ

- Làm gia tăng giá trị nhiệt độ của nước Nhiệt độ của nước tăng có thể tác động tiêu cực đến hệ sinh thái, hàm lượng ôxy hoà tan trong nước giảm khi nhiệt độ tăng, điều này ảnh hưởng đến các động vật thuỷ sinh và đặc tính tự làm sạch của nước

Các chỉ tiêu trong cấp nước: độ pH, độ trong, độ cứng, hàm lượng sắt, mangan và các chỉ số E.Coli

Các tính chất đặc trưng của nước thải: giá trị pH, hàm lượng chất rắn, nhu cầu ôxy sinh hoá BOD, nhu cầu ôxy hoá học COD, các dạng nitơ, phốtpho, dầu

mỡ, mùi, màu, các kim loại nặng trong nước thải công nghiệp

1.1.2 Các chất gây ô nhiễm nước

Nước thải bị ô nhiễm bởi các chất khác nhau Tổ chức y tế thế giới (WHO) hướng dẫn phân loại các chất ô nhiễm nước hoá học như sau:

- Các chất hữu cơ không bền sinh học

- Các muối vô cơ ít độc

Các chất rắn lơ lửng Các chất rắn lơ lửng có thể dẫn đến tăng khả năng

lắng bùn và điều kiện kỵ khí khi thải nước thải không qua xử lý vào môi trường nước

Các chất hữu cơ phân

huỷ sinh học

Gồm Protein, cacbonhydrat và chất béo Các chất hữu

cơ phân huỷ sinh học được đo bằng chỉ tiêu BOD và COD Nếu thải chúng trực tiếp vào môi trường: quá trình ổn định sinh học của chúng có thể dẫn đến giảm lượng ôxy trong nước tự nhiên và dẫn đến nguyên nhân gây mùi vị

Các nhân tố gây bệnh Rất nhiều bệnh có thể lan truyền qua các vi khuẩn gây

bệnh có trong nước thải

Các chất dinh dưỡng Cả nitơ và photpho cùng cacbon là những chất dinh

dưỡng cho sự phát triển của sinh vật Khi thải chúng

vào môi trường nước, các chất dinh dưỡng này có thể dẫn đến sự phát triển của các sinh vật ngoài ý muốn trong môi truờng nước (sự phú dưỡng), còn khi thải chúng vào đất sẽ làm ô nhiễm nước ngầm

Các chất hữu cơ trơ Các chất hữu cơ này không bị phân huỷ bởi các

phương pháp xử lý nước thải thông thường (phương pháp sinh học) ví dụ như các chất tẩy rửa, hoá chất bảo vệ thực vật, phenol

Kim loại nặng Các kim loại nặng thường nhiễm vào nguồn nước do

các hoạt động công nghiệp

Các chất rắn vô cơ hoà

tan

Các thành phần vô cơ như canxi, natri, sunfat có mặt trong nước thải sinh hoạt sau quá trình sử dụng nước

Nguồn: Giáo trình xử lý nước thải, Trần Văn Nhân, Ngô Thị Nga, NXB KHKT 2002

1.2 Tổng quan các phương pháp xử lý nước thải

1.2.1 Các phương pháp xử lý nước thải

* Phương pháp lý học: Công nghệ xử lý nước thải bằng phương pháp lý học (cơ

học) được dùng để loại chủ yếu là các tạp chất không tan ra khỏi nước Các hợp

chất không tan trong nước thải bị loại bỏ thường có kích thước lớn

* Phương pháp hoá học: Phương pháp hóa học làm sạch nước thải bao gồm trung

hòa, oxi hóa và khử Tất cả các phương pháp này đều liên quan đến việc tiêu hao hoá chất, vì vậy chi phí lớn Người ta ứng dụng các phương pháp này để loại các

chất hòa tan và trong hệ thống cấp nước khép kín

* Phương pháp sinh học: Phương pháp hóa sinh được ứng dụng để xử lí nước thải

sinh hoạt và nước thải công nghiệp khỏi nhiều chất hữu cơ hòa tan và một số chất

vô cơ (H2S, các sunfua, NH3, các nitric ) Quá trình xử lí dựa trên khả năng của vi sinh sử dụng các chất này làm chất dinh dưỡng trong hoạt động sống - Các chất

hữu cơ đối với vi sinh là nguồn cacbon

Các phương pháp nêu trên được chia ra tái sinh và phân huỷ Phương pháp tái sinh bao gồm việc thu hồi và chế biến tiếp tục các chất có giá trị Trong phương pháp phân huỷ, các chất ô nhiễm chịu sự phân huỷ bằng oxi hóa hoặc khử Sản phẩm phân huỷ được loại ra khỏi ở dạng khí hoặc cặn Việc chọn phương pháp làm sạch và thiết kế hệ thống phụ thuộc các yếu tố:

1 Các yêu cầu về công nghệ và vệ sinh của nước

2 Số lượng nước thải

3 Các điều kiện của nhà máy về nhiệt lượng và vật chất (hơi, nhiên liệu, không khí nén, điện năng, tác chất, chất hấp thụ) cũng như điện tích cần thiết cho hệ thống

xử lí

4 Hiệu quả xử lí

1.2.2 Các giai đoạn xử lý nước

* Giai đoạn tiền xử lý và xử lý bậc 1 (sơ cấp, sơ bộ): gồm các công trình thu gom

từ song chắn rác đến sau công trình lắng bậc 1 Giai đoạn này khử các vật rắn nổi

có kích thước lớn và tạp chất có thể lắng để bảo vệ bơm và đường ống

* Xử lý bậc hai (thứ cấp): nhằm xử lý chất hoà tan và chất keo bằng phương pháp

hoá lý và hầu hết các chất hữu cơ hoà tan có thể phân huỷ sinh học bằng phương pháp sinh học

* Thải bỏ chất thải cuối cùng: gồm các công trình thải nước vào nguồn

1.3 Các bước lựa chọn công nghệ xử lý nước thải

Bước 1 Xác định đặc trưng chung của dòng thải

• Mức tiêu thụ và thải nước thải của quá trình sản xuất/hoạt động

• Đặc tính hữu cơ dễ phân huỷ, khó phân huỷ

• Các chất vô cơ, tập trung chú ý KLN

• pH

Bước 2 Kiểm tra kĩ các thông số:

• Phân tích thông tin từ giá trị nồng độ của các thông số Sắp xếp các chất ô nhiễm chính vào các nhóm thông số

• Nếu nhà máy chưa hoạt động thì có thể tham quan 2,3 cơ sở sản xuất tương tự nhằm thu thập thông tin phục vụ cho bước lựa chọn công nghệ sơ bộ

• Thí nghiệm pilot nhằm xác định khả năng xử lý đối với 1 số thông

số đặc trưng nếu cần thiết Bước 3 Lựa chọn sơ bộ

• Liệt kê những công nghệ hiện có

• Công nghệ đề xuất (đề xuất 1 số phương án công nghệ có khả năng

áp dụng) dựa trên phân tích các thông tin/dữ liệu thu thập được

• Dự đoán hiệu suất quá trình

2 Lưu lượng nước thải

Công nghệ xử lý được chọn phải đáp ứng được lưu lượng dự kiến Ví dụ, bể điều hoà sẽ không phù hợp với lưu lượng nước thải cực lớn

3 Mức độ dao động lưu lượng của nước thải

Hầu hết các quá trình và hệ thống chỉ được thiết kế cho một giải lưu lượng nào đó Quá trình và hệ thống này chỉ hoạt động tốt nhất ở một lưu lượng ổn định nào đó Nếu mức độ biến động về lưu lượng lớn thì cần có quá trình điều hoà

4 Đặc tính dòng thải

Đặc tính nước thải đầu vào sẽ có ảnh hưởng đến công nghệ được chọn (ví

dụ xử lý hoá học hay sinh học) và các yêu cầu cho quá trình vận hành được tốt nhất

5 Các thành phần cản trở và không chịu tác động

Có những thành phần nào có thể cản trở quá trình xử lý? Thành phần nào không chịu tác động trong quá trình xử lý?

6 Các vấn đề về khí hậu

Nhiệt độ ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng trong hầu hết các quá trình hoá, sinh Nhiệt độ cũng có thể ảnh hưởng đến hoạt động cơ học của thiết bị Nhiệt độ

ấm áp có thể đẩy nhanh việc phát sinh mùi và hạn chế việc phát tán trong không khí

7 Quy mô quá trình xử lý được lựa chọn dựa vào động học phản ứng, hệ số chuyển khối và tiêu chuẩn tải lượng

Kích cỡ thiết bị phản ứng phải dựa vào động học phản ứng, hệ số chuyển khối Dữ liệu động học có thể lấy từ kinh nghiệm, tài liệu xuất bản, kết quả nghiên cứu điển hình

8 Chất lượng

Chất lượng thường được đánh giá thông qua chất lượng dòng ra, phù hợp với các quy định thải

9 Xử lý các tàn dư

Dạng và số lượng của các tàn dư sau khi xử lý bao gồm dạng rắn, lỏng và khí phải được tính toán hay ước lượng Quá trình xác định này có thể được thực hiện thông qua các nghiên cứu pilot

10 Xử lý bùn

Có hay không yếu tố nào đó làm việc xử lý và tiêu huỷ bùn trở nên không khả thi hoặc quá tốn kém? Việc tuần hoàn chất thải từ quá trình xử lý bùn ảnh hưởng gì đến bộ phận xử lý nước? Việc chọn lựa hệ thống xử lý bùn cần đi đôi với việc chọn lựa hệ thống xử lý nước

11 Các yếu tố môi trường

Các yếu tố môi trường như loại gió chủ đạo, hướng gió, khoảng cách đến khu dân cư có thể hạn chế hoặc ảnh hưởng đến việc sử dụng một số quá trình, đặc biệt khi có phát sinh mùi Giao thông có thể ảnh hưởng đến việc chọn địa điểm Môi trường nước tiếp nhận có thể có những giới hạn đặc trưng, đòi hỏi phải loại bỏ một số thành phần đặc biệt như dinh dưỡng khỏi nước thải khi tiếp nhận

12 Các yêu cầu về hoá chất

Nguồn và lượng hoá chất nào cần phải sẵn có trong một khoảng thời gian dài nhằm đảm bảo vận hành hệ thống có hiệu quả? Việc bổ sung hoá chất có gì ảnh hưởng đến các đặc tính của chất tồn đọng sau xử lý và chi phí xử lý?

13 Yêu cầu về năng lượng

Nếu mục đích là thiết kế một hệ thống xử lý có hiệu quả về kinh tế thì cần phải biết được các yêu cầu về năng lượng và chi phí cho năng lượng trong tương lai

14 Yêu cầu về nhân sự

Cần bao nhiêu người và ở mức độ kỹ năng nào để vận hành hệ thống? Có sẵn nguồn nhân lực này không? Cần đào tạo thêm những gì?

15 Các yêu cầu về vận hành và bảo trì hệ thống

Các yêu cầu đặc biệt về vận hành và bảo dưỡng? Cần những phụ tùng thay thế nào, nguồn ở đâu và chi phí ra sao?

16 Yếu tố lệ thuộc

Các yếu tố lệ thuộc bao gồm những gì? Tác động của chúng như thế nào đến chất lượng xử lý, đặc biệt là khi chúng không còn sản xuất?

17 Độ tin cậy

Mức độ tin cậy của hệ thống nếu xét trong một thời gian dài? Hệ thống có

dễ bị trục trặc không, có chịu được sốc định kỳ về lưu lượng không? Nếu có thì chất lượng của nước thải sau xử lý bị ảnh hưởng như thế nào?

18 Tính phức tạp

Mức độ phức tạp của việc vận hành hệ thống trong trường hợp thông thường

và trường hợp khẩn cấp? Người vận hành cần được đào tạo những gì?

19 Tính tương thích

Với cơ sở vật chất hiện có thì hệ thống mới có vận hành bình thường được không? Việc mở rộng nhà máy có thể thực hiện dễ dàng không?

20 Khả năng thích ứng

Hệ thống hay quá trình xử lý có thể được sửa chữa, thay đổi để đáp ứng với các yêu cầu xử lý trong tương lai không?

21 Phân tích vòng đời kinh tế

Việc đánh giá chi phí phải bao gồm chi phí vốn đầu tư ban đầu, chi phí vận hành và chi phí bảo dưỡng Hệ thống xử lý với chi phí đầu tư ban đầu thấp nhất có thể không là hiệu quả nhất trong mối liên quan với chi phí vận hành và bảo dưỡng

22 Quỹ đất

Quỹ đất có cho phép xây dựng không chỉ hệ thống xử lý đang xem xét mà còn cả mở rộng trong tương lai không? Cần một vùng đệm rộng bao nhiêu để đảm bảo mỹ quan và loại bỏ các tác động xấu?

CHƯƠNG 2 KĨ THUẬT XỬ LÝ NƯỚC THẢI

BẰNG BIỆN PHÁP CƠ HỌC

2.1 Đối tượng

Đối tượng chất thải và các chất gây ô nhiễm được loại bỏ bằng biện pháp cơ học là rác thải, các nguyên vật liệu rơi vãi, chất rắn lơ lửng trong nước

2.2 Song chắn rác (screen bar)

Các loại nước thải nói chung thường chứa các chất tan và không tan ở dạng hạt

lơ lửng Các tạp chất lơ lửng có thể ở dạng rắn hoặc lỏng, chúng tạo với nước thành

hệ huyền phù

Để tách các hạt lơ lửng ra khỏi nước, người ta sử dụng các quá trình thuỷ cơ như lọc qua song chắn, lắng dưới tác dụng của lực trọng trường hoặc lọc nước thải Việc lựa chọn phương pháp xử lý tuỳ thuộc vào kích thước hạt, tính chất hoá lý, sinh học, nồng độ chất ô nhiễm, lưu lượng nước thải và mức độ làm sạch cần thiết

Mục đích: Mục đích:

Lọc qua là công đoạn tách tạp chất thô trong nước Mục đích của quá trình là khử tất cả các tạp vật có thể gây ra sự cố trong quá trình vận hành hệ thống xử lý nước thải như làm tắc bơm, đường ống hoặc kênh dẫn Đây là bước quan trọng đảm bảo an toàn và điều kiện làm việc thuận lợi cho cả hệ thống

Trong xử lý nước thải nói chung, thường dùng các song chắn để lọc nước và máy nghiền để nghiền nhỏ các vật bị giữ lại còn trong xử lý nước thải công nghiệp, người ta đặt thêm lưới chắn

Công trình này có tác dụng thu vớt các tạp chất rắn kích thước lớn Song chắn được đặt trước các công trình làm sạch, hoặc có thể đặt ngay miệng xả ở các phân xưởng khi nước thải sản xuất chứa tạp chất thô hoặc dạng sợi

Hình 1: Lưới chắn rác dạng thanh nghiêng

1.1 Cấu tạo song chắn

Các song chắn được làm bằng kim loại, đặt ở cửa vào của kênh dẫn, nghiêng một góc từ 60 – 750.Song chắn có thể đặt cố định hoặc di động, cũng có thể là tổ hợp với máy nghiền nhỏ, thông dụng hơn cả là song chắn cố định

Thanh song chắn có thể có tiết diện tròn, vuông hoặc hỗn hợp Thanh song chắn tròn có trở lực nhỏ nhất nhưng lại nhanh bị tắc bởi các vật bị giữ lại Thông dụng là loại thanh chắn có tiết diện hỗn hợp: cạnh vuông góc ở phía sau và cạnh tròn ở phía trước hướng đối diện với dòng chảy

1.2 Phân loại song chắn

Dựa vào khoảng cách giữa các thanh, người ta chia song chắn thành 2 loại: Song chắn thô có khoảng cách giữa các thanh từ 60 đến 100 mm và song chắn mịn

có khoảng cách giữa các thanh từ nhỏ hơn 6mm

Vận tốc nước chảy giữa song chắn: tốc độ nước chảy qua song chắn cần phải

đủ lớn để đảm bảo không làm tổn thất tải lượng cũng như không làm tắc nghẽn song chắn hoặc làm nổi các vật đã lắng

Kích thước song chắn được tính dựa vào tốc độ chảy của nước thải qua khe giữa các thanh (thường lấy bằng 0,8 đến 1 m/s) và chấp nhận giả thiết 30% diện tích của song chắn bị bịt kín Khi xác định kích thước song chắn cần tính cho điều kiện mùa mưa với mức nước cao nhất

Hình: Phân loại song chắn rác

Khi thiết kế song chắn rác, các thông tin sau cần quan tâm:

- Vị trí: Do mục đích của song chắn rác thô là loại bỏ vật chất có kích thước lớn có

thể gây hại hoặc tắc nghẽn cho các thiết bị phía sau nên trong hầu hết các trường

hợp đều được đặt phía trước bể lắng cát Nếu bể lắng cát được đặt phía trước song

chắn rác thì rác và các loại vật liệu dạng sợi có thể ảnh hưởng đến cơ cấu thu cặn

của bể lắng cát, bao bọc xung quanh ống thổi khí và lắng cùng cát và khi lượng cát

lắng được bơm đi thì ảnh hưởng đến hệ thống bơm và đường ống

- Vận tốc gần đúng (vận tốc chảy trên các kênh dẫn): Nếu song chắn làm sạch bằng

tay, vận tốc chảy trên kênh vào khoảng 0,45m/s tại giá trị lưu lượng trung bình để

tạo ra diện tích thu hồi rác thích hợp cho song chắn (tạo phần diện tích ngập nước

lớn hơn) Để tránh lắng cặn, tốc độ của nước ở đoạn kênh mở rộng trước song chắn

không được dưới 0,4 m/giây khi lưu lượng nhỏ nhất Việc kiểm soát tốc độ dòng

chảy này được thực hiện bằng cách mở rộng diện tích tại khu vực đặt song chắn

rác Song chắn rác với cào rác thủ công chỉ dùng ở những trạm xử lý nhỏ có lượng

rác < 0,1m3/ng.đ

Đối với song chắn rác có cơ cấu thu hồi rác bằng cơ khí, cần có ít nhất 02

thiết bị được lắp đặt cùng nhau đề phòng trường hợp một thiết bị phải ngừng hoạt

động để bảo dưỡng hay sửa chữa Để loại trừ khả năng lọt qua của các mảnh vỡ ở

lưu lượng dòng chảy lớn nhất, vận tốc dòng chảy qua song chắn không nên vượt

quá 0,9m/s

- Kích thước song chắn: Tùy theo yêu cầu và kích thước của rác chiều rộng khe

hở của các song thay đổi

Các giá trị thông dụng để thiết kế song chắn rác:

Chỉ tiêu Cào rác thủ công Cào rác cơ giới

Kích thước của các thanh

- Bề rộng (mm):

- Bề dày (mm):

5-15 25-38

5-15 25-38

Độ nghiêng song chắn theo trục thẳng đứng (độ) 30-45 0-30 Vận tốc dòng chảy (m/s)

Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991

Số khe hở n giữa các thanh của song chắn rác được xác định theo công thức:

s v h b

Q n

1

max

Trong đó:

Qmax: Lưu lượng thải tối đa, m3

/s (Qmax = qtbh kh trong đó kh: hệ số vượt tải = 3,5)

1,5-b: Chiều rộng khe hở giữa các thanh (khoảng cách giữa các thanh), m

h1: Chiều sâu lớp nước qua song chắn (m), thường bằng chiều sâu lớp nước trong

kênh dẫn vào (không có hiện tượng dâng nước trước song chắn)

vs: tốc độ nước qua song chắn (m/s), chọn vs = 0,7 m/s khi lưu lượng trung bình và

= 0,9 m/s khi lưu lượng tối đa để tránh va chạm giữa rác và song chắn

Kz: hệ số tính đến sự thu hẹp dòng chảy

Chiều rộng tổng cộng của song chắn rác là:

) 1 (

B s (m), với S là bề rộng của mỗi thanh chắn

- Độ giảm cột nước sau song chắn: Độ giảm cột nước sau song chắn được hiểu là

mức độ chênh lệch độ cao của dòng nước tại vị trí trước và sau song chắn Đây là

một hàm số của vận tốc gần đúng và vận tốc qua song chắn Độ giảm cột nước (qua

song chắn thô) có thể tính theo công thức:

- Buồng đặt song chắn: Vì song chắn làm co hẹp tiết diện ướt của dòng chảy nên

tại vị trí đặt song chắn tiết diện kênh phải được mở rộng Để tránh tạo thành dòng chảy rối kênh phải mở rộng dần dần với một góc α = 20o (xem hình)

21

Bài tập: Tính toán song chắn rác (cào rác cơ giới) để xử lý rác thô trong dòng thải

có lưu lượng tối đa Q max là 1260m 3 /h với các thông số sau:

1/ Vận tốc qua song chắn ứng với Q max là 0,9m/s, vận tốc nước chảy trên kênh là 0,6m/s

2/ Chiều rộng khe hở giữa các thanh b=50mm

3/ Chiều sâu lớp nước qua song chắn h 1 =0,1m

4/ Sử dụng thanh chắn rác có kích thước rộng S=15mm, dày 50mm

Ý nghĩa của độ giảm cột nước: dùng để tính toán phần chênh lệch độ cao của phần diện tích trước và sau song chắn để khắc phục hiện tượng dồn nước trước song chắn và lắng cặn sau song chắn

2.3 Bể lắng

2.3.1 Bể lắng cát (Grit chamber)

Bể lắng cát nhằm loại bỏ cát, sỏi, đá dăm, các loại xỉ khỏi nước thải Trong nước thải, bản thân cát không độc hại nhưng sẽ ảnh hưởng đến khả năng hoạt động của các công trình và thiết bị trong hệ thống như ma sát làm mòn các thiết bị cơ khí, lắng cặn trong các kênh hoặc ống dẫn, làm giảm thể tích hữu dụng của các bể

xử lý và tăng tần số làm sạch các bể này Vì vậy trong các trạm xử lý nhất thiết phải

có bể lắng cát

Bể lắng cát thường được đặt phía sau song chắn rác và trước bể lắng sơ cấp Đôi khi người ta đặt bể lắng cát trước song chắn rác, tuy nhiên việc đặt sau song chắn có lợi cho việc quản lý bể lắng cát hơn Trong bể lắng cát các thành phần cần loại bỏ lắng xuống nhờ trọng lượng bản thân của chúng Ở đây phải tính toán thế nào để cho các hạt cát và các hạt vô cơ cần giữ lại sẽ lắng xuống còn các chất lơ lửng hữu cơ khác trôi đi

Có ba loại bể lắng cát chính: bể lắng cát theo chiều chuyển động ngang của dòng chảy (dạng chữ nhật hoặc vuông), bể lắng cát có sục khí hoặc bể lắng cát có dòng chảy xoáy

Tính toán bể lắng cát xuất phát từ độ lớn (đường kính) của hạt muốn giữ lại

trong bể Tốc độ lắng của hạt trong bể còn gọi là độ lớn thuỷ lực của hạt hay tải

trọng bề mặt của bể:

F

Q

U =0 , (m3/m2.ngày, m/h, mm/s) Bảng tải trọng bề mặt của bể lắng cát (hay độ lớn thủy lực) theo đường kính hạt ở

H L = Trong đó:

L: chiều dài phần chữ nhật, m

H: Chiều cao công tác của bể, m

v: Vận tốc chuyển động của nước trong bể, m/s (v=0,2m/s ứng với Qmax và v=0,15 ứng với Qmin)

Sau khi tính toán được các kích thước của phần hình chữ nhật của bể lắng, cần kiểm tra lại thông số thời gian lưu nước trong bể ứng với giá trị Qmax (giá trị thời gian lưu thích hợp từ 60-90 giây)

Để quá trình lắng của các hạt trong bể không có tác dụng đối với các cặn hữu cơ, cần khống chế vận tốc lắng trong bể dao động từ 0,15-0,3m/s Tuy nhiên, khi giá trị Q thay đổi từ Qmax sang Qmin thì tốc độ dòng sẽ thay đổi Để khống chế

sự giao động của v, cần xây dựng cửa tràn kiểu máng đo theo tỷ lệ với độ ngập nước H trong bể lắng Chiều rộng cửa tràn được thu hep từ B về b Đáy cửa tràn có

độ chênh ΔP so với bể lắng để tạo khả năng chênh áp đưa nước ra khỏi bể lắng với vận tốc không đổi

Cách xác định b và ΔP như sau:

2 / 3 3 / 2

max 1

1 2

v B g m

v B b

3 / 2

3 / 1 min

3 / 2

3 / 2 max

1

1 1

K v B

Q K

K K v B

Q P

m: Hệ số lưu lượng của cửa tràn phụ thuộc vào góc tới

B, b: Chiều rộng cửa tràn trước và sau khi thu hẹp

• Trong quá trình lắng gián đoạn – discrete particle settling, các hạt lơ lửng phân

bố không đều theo chiều cao lớp nước thải Qua một khoảng thời gian nào đó, khi bắt đầu lắng trong, phần trên của thiết bị lắng xuất hiện lớp nước trong Càng xuống đáy nồng độ chất lơ lửng càng cao và ngay tại đấy lớp cặn được tạo thành Theo thời gian, chiều cao lớp nước trong và lớp cặn tăng lên Sau một khoảng thời gian xác định, trong thiết bị lắng chỉ còn hai lớp nước trong và lớp cặn Nếu cặn không được lấy ra sẽ bị ép và chiều cao lớp cặn bị giảm

• Trong lắng liên tục cũng có các vùng như vậy nhưng chiều cao của chúng không thay đổi trong suốt quá trình

Nước thải sau quá trình xử lý sơ bộ sẽ đi vào bể lắng sơ cấp (primary sedimentation tank) Các hạt rắn lơ lửng có khối lượng riêng quá nhỏ để lắng được

trong bể lắng cát sẽ được lắng tại bể lắng sơ cấp với thời gian lưu khoảng vài giờ

Cặn lắng dưới đáy được lấy ra bằng cào cơ giới hay sử dụng bơm hút

Bể lắng sơ cấp có khả năng lắng các hạt rắn có vận tốc lắng (độ lớn thủy lực) từ 0,3 – 0,6mm/s (so với các hạt rắn lắng trơng bể lắng cát là từ 18-24mm/s)

Tác dụng của bể lắng sơ cấp là giảm hàm lượng SS, điều hòa dòng chảy phụ và giảm một phần BOD Tải trọng bề mặt của bể lắng sơ cấp vào khoảng 24,5 –

49m3/m2.ngày Thời gian lưu nước trong bể từ 1-3h (thông thường là 2h) Bể lắng

sơ cấp có thể xử lý được từ 90-95% cặn có thể lắng, 50-60% SS và từ 25-35% BOD Đặc tính lắng trong bể lắng sơ cấp không tuân thủ theo định luật Stock vì

các hạt lắng luôn luôn thay đổi kích thước, hình dạng và gia tốc do vậy không có một công thức toán học nào để mô tả được quá trình lắng này Các thông số thiết

kế thường được xây dựng từ phòng thí nghiệm kiểm chứng

Các tiêu chuẩn thiết kế có thể tham khảo: GLUMRB – Ten States Standards, 1996; Illinois EPA, 1998) Theo đó, khi lượng nước thải vượt quá 380m3/ngày thì thường sử dụng nhiều bể lắng đồng thời Chiều dài bể lắng nhỏ nhất là 3m, chiều sâu bể càng nông càng tốt nhưng không nhỏ hơn 3m Tải trọng bể mặt được tính

cho lưu lượng lớn nhất Hiệu quả khử BOD phụ thuộc vào giá trị tải trọng bề mặt

Khi các thông số thiết kế không có sẵn, có thể sử dụng bộ số liệu sau để

tham khảo

a/ Các thông số tính toán cơ bản cho bể lắng sơ cấp (US EPA, 1975a)

/m2.ngày Trung bình Tối đa Độ sâu (m) Lắng sơ bộ cho quá trình xử lý thứ cấp 19-33 81-122 3-3,7

(Nguồn: Water and wastewater calculation manual)

b/ Vận tốc tối đa trong vùng lắng:

f

d g p k

t

R t

.+

Trong đó:

t: thời gian lưu, h

a, b: Hằng số thực nghiệm, với BOD (a=0,018, b=0,02), với SS (a=0,075, b=0,014)

Thời gian lưu của bể lắng từ 1-3h (thường là 2h) được tính cho lưu lượng thấp nhất để đảm bảo rằng quá trình lưu nước lâu hơn sẽ gây ra các điều kiện nhiễm bẩn (sinh mùi)

Bài tập: Thiết kế bể lắng sơ cấp cho nguồn nước thải với lưu lượng 7570m 3 /ngày với lưu lượng thải tính theo giờ lớn nhất là 18.900m3/ngày và dòng thải tính theo giờ thấp nhất là 4540m 3 /ngày Thiết kế hệ thống nhiều đơn nguyên

và ước tính có khoảng 35% BOD được xử lý trong bể

Giải:

Theo đồ thị trên, với 35% lượng BOD được xử lý thì tải trọng bề mặt của bể lắng là 700gal/ft2.ngày (tương đương 28,5m3/m2.ngày)

Chiều sâu của bể là 3m

Sử dụng 02 đơn nguyên, mỗi một đơn nguyên xử lý được 7570/2=3785m3/ngày

Diện tích bề mặt của mỗi đơn nguyên là:

8,1325.28

785.3

Xác định chiều dài (l) và chiều rộng (w) với tỷ lệ 4:1

(w)x(4w)=132,8, suy ra w = 5,76m, lựa chọn bể lắng có kích thước 5,5 x 24m (rộng x dài)

Thể tích của bể là:

396 3

Vai trò của bể điều hoà

Bể điều hoà có nhiệm vụ điều hoà lưu lượng và có thể làm đồng đều nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải để đưa vào xử lý cơ bản

Nước thải công nghiệp có lưu lượng, thành phần, tính chất rất đa dạng, phụ thuộc vào công nghệ sản xuất, không đều trong ngày đêm và các thời điểm trong năm Sự dao động lưu lượng và nồng độ chất ô nhiễm trong nước thải ảnh hưởng đến chế độ vận hành hệ thống xử lý, tốn kém trong xây dựng và quản lý hệ thống

Điều hoà lưu lượng được dùng để duy trì dòng thải vào gần như không đổi, khắc phục những vấn đề vận hành do sự giao động lưu lượng nước thải gây ra và nâng cao hiệu suất của các quá trình ở cuối dây chuyền xử lý Các kỹ thuật điều hoà được ứng dụng cho từng trường hợp phụ thuộc vào đặc tính của hệ thống thu gom nước thải Phương án bố trí bể điều hoà lưu lượng có thể là điều hoà trên dòng thải hay ngoài dòng thải xử lý

Nhiệm vụ của bể điều hoà: điều khiển, giảm thiểu sự thay đổi về nồng độ chất

ô nhiễm và lưu lượng nước thải nhằm đảm bảo sự hoạt động ổn định cho các hệ thống tiếp theo Với bể điều hoà, dòng thải ra sẽ đạt được một số tiêu chuẩn sau:

- Đảm bảo nồng độ chất hữu cơ phù hợp với hệ thống xử lý sinh học

- Đảm bảo sự ổn định lưu lượng (ngay cả khi nhà máy ngừng hoạt động)

- Duy trì pH tối ưu: giảm lượng hoá chất cho trung hoà, cũng như hoá chất tiêu tốn cho các hệ thống xử lý tiếp theo

Phương án điều hoà trên dòng thải có thể làm giảm đáng kể giao động thành phần nước thải đi vào các công đoạn phía sau, còn phương án điều hoà ngoài dòng thải chỉ giảm được một phần của sự giao động đó

Có thể phải trang bị cho bể điều hoà các thiết bị khuấy trộn để làm cho nước thải trong bể là một khối đồng đều và không có cặn lắng trong bể Các bể điều hoà nói chung cần có bộ phận thu gom các váng nổi, loại bỏ bọt và tuy không cho lắng cặn nhưng trong bể vẫn có một lượng cát bụi nhất định lắng xuống đáy Vì vậy bể điều hoà cần có nhiều ngăn, định kỳ có thể tháo từng ngăn để xúc cát

Để xác định thể tích cần thiết của bể điều hoà có thể sử dụng phương pháp đồ thị trên cơ sở thực nghiệm về quan hệ giữa thể tích tích luỹ của lưu lượng nước thải

ở dòng vào theo thời gian

Bể điều hoà thường được thiết kế với chiều sâu từ 1,5 đến 2m

Phân loại theo chức năng, người ta chia bể điều hoà thành hai loại:

• Điều hoà lưu lượng: yêu cầu đặt gần nơi tạo ra nước thải

• Bể điều hoà nồng độ: nếu lưu lượng nhỏ, có thể đặt trong phạm vi trạm xử lý, ngay sau bể lắng Nếu lưu lượng lớn, bể điều hoà nồng độ đặt trước bể lắng trong dây chuyền xử lý

Phân loại theo nguyên tắc chuyển động của dòng nước:

• Đẩy lý tưởng: nồng độ đồng đều trên từng mặt cắt ngang của dòng chảy

• Trộn lý tưởng: nồng độ đồng đều trên toàn bộ thể tích của bể tại từng thời điểm Quá trình xáo trộn thực hiện cưỡng bức hoặc tự nhiên

Vị trí: từy thuộc vào từng hệ thống mà bể điều hoà có thể đặt ở các vị trí

khác nhau, chủ yếu là đặt sau hệ thống tiền xử lý Thông thường, BĐH được đặt

sau bể lắng cát và trước bể lắng đợt 1

Hình1: Điều hoà trên dòng thải

Hình 2: Bể điều hoà ngoài dòng thải

2.2 Hình dáng và vật liệu xây dựng bể điều hoà

- Hình dáng của bể điều hoà phụ thuộc vào chức năng của bể Nếu bể chỉ dùng để

điều hoà lưu lượng thì có thể chọn hình dáng bất kỳ cho hợp với hệ thống xử lý

Nếu bể vừa điều hoà lưu lượng vừa điều hoà nồng độ chất bẩn thì đòi hỏi phải có

thiết bị khuấy trộn, vì vậy cần chọn hình dáng bể, vị trí ống dẫn phù hợp với thiết

bị khuấy trộn sao cho không có “vùng nước chết” trong bể

- Vật liệu xây dựng bể có thể là bêtông hoặc bằng đất Nếu làm bằng đất (đào sâu

hoặc đắp nổi) phải chú ý chống thấm thành và đáy, chống xói mòn

Hình 3: Bể điều hoà

2.3 Tính toán bể điều hoà

Đặc điểm của một số quá trình hoạt động sản xuất công nghiệp là lưu lượng nước thải thải ra môi trường biến động rất lớn theo các thời điểm trong ngày, ví dụ như trong quá trình sản xuất rượu bia nước giải khát Vì lý do đó, việc tính toán thiết kế bể điều hoà phải đảm bảo được sức chứa tối đa của bể trong một chu trình sản xuất mặt khác phải đảm bảo yêu cầu về kinh tế như giá thành xây dựng, diện tích thiết kế Hiện nay có hai cách tính thể tích bể điều hoà là phương pháp đồ thị

và phương pháp tính toán theo công thức Tuỳ thuộc vào các đặc tính nguồn thải

mà áp dụng các cách tính khác nhau

- Tính toán thể tích bể điều hoà theo phương pháp đồ thị chỉ được áp dụng đối với các nguồn thải có tính ổn định cao về lưu lượng thải theo các thời điểm trong ngày

- Cách tính toán dựa vào công thức lưu ý đến hệ số dập tắt giao động Thể tích bể điều hoà tính theo công thức:

d d

K

K I

tb n

C C

C C K

- Đo lưu lượng nước thải ra trong mỗi giờ trong khoảng thời gian 24 giờ

- Vẽ đồ thị biểu diễn mối quan hệ giữa lưu lượng thải trung bình theo giờ (đồ thị bậc 1) và thể tích tích luỹ theo thời gian (đồ thị bậc 2)

- Xác định điểm bụng của đồ thị bậc 2, xác định khoảng cách từ điểm bụng này đến đường độ thị bậc 1 Giá trị khoảng cách này chính là thể tích BĐH cần tính toán

Có thể tính khoảng cách này bằng giải hệ phương trình 02 đồ thị trên

- Trong thực tế, BĐH thường được thiết kế có dung tích lớn hơn khoảng 10-20% kết quả tính toán để phòng ngừa các trường hợp không tiên đoán được hay các biến động bất thường

Hình 4: Đồ thị xác định kích thước bể điều hoà Cách 2: Tính toán BĐH bằng bảng

- Tính thể tích tích luỹ vào bể từng giờ (Vv):

t t

v

V = (− )1 + (m3)

Trong đó:

Vv: Thể tích tích luỹ vào bể tại thời điểm t, m3

Vv(t-1): Thể tích tích luỹ vào bể tại thời điểm t-1, m3

Qt: Lưu lượng thải tại giờ tính toán, m3

/h

- Tính thể tích tích luỹ bơm đi (Qb):

t Q

Q b = tb. (m3)

Trong đó:

Qb: Lưu lượng bơm đi trung bình, m3

t: thời gian tính toán, h

- Tính thể tích thay đổi thực theo từng giờ

v

b V Q

Q= − (m3) Lúc này, thể tích bể điều hoà cần tính toán chính bằng hiệu của đại lượng dương lớn nhất trừ đi đại lượng âm bé nhất của thể tích thay đổi

Thời gian V_vào (m 3 )

V_tích luỹ (m 3 )

Q_bơm ra (m 3 )

Q_

tb

Q_thay đổi (m 3 )

đi qua và giữ pha phân tán lại

Quá trình lọc có thể xảy ra dưới tác dụng của áp suất thuỷ tĩnh của cột chất

lỏng hoặc áp suất cao trước vách ngăn hay áp suất chân không sau vách ngăn

Quá trình lọc còn được sử dụng để loại bỏ một phần BOD trong dòng thải

của quá trình xử lý sinh hoá để giảm lượng chất rắn lơ lửng và quan trọng hơn, đây

là một bước ổn định nhằm mục đích nâng cao hiệu quả của quá trình khử trùng dòng nước sau xử lý

Bảng phân loại các quá trình lọc

Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991

Hình: Phân loại các quá trình lọc Lọc sâu (deep filtration)

Phần III KĨ THUẬT XỬ LÝ NƯỚC THẢI BẰNG PHƯƠNG PHÁP HÓA LÝ

3.1 Đối tượng áp dụng

Các phương pháp hóa lí được áp dụng để xử lí nước thải là đông tụ, keo tụ, tuyển nổi, hấp phụ, trao đổi ion, Các phương pháp này được ứng dụng để loại ra khỏi nước thải các hạt lơ lửng phân tán (rắn và lỏng), các khí tan, các chất vô cơ và hữu

cơ hòa tan

Việc ứng dụng các phương pháp hóa lí để xử lí nước thải so với phương pháp sinh học có các ưu điểm sau:

1 Có khả năng loại các chất độc hữu cơ không bị oxi hóa sinh học

2 Hiệu quả xử lí cao hơn và ổn định hơn

3 Kích thước hệ thống xử lí nhỏ hơn

4 Độ nhạy đối với sự thay đổi tải trọng thấp hơn

5 Có thể tự động hóa hoàn toàn

6 Động học của các quá trình hóa lí đã được nghiên cứu sâu hơn

7 Phương pháp hóa lí không cần theo dõi các hoạt động của sinh vật

8 Có thể thu hồi các chất khác nhau

3.2 Đông keo tụ (Coagulation)

Quá trình lắng chỉ có thể tách được các hạt rắn huyền phù nhưng không thể tách được các chất gây nhiễm bẩn ở dạng keo và hoà tan vì chúng là hững hạt rắn

có kích thước quá nhỏ Để tách các hạt rắn đó một cách hiệu quả bằng phương pháp lắng, cần tăng kích thước của chúng nhờ sự tác động tương hỗ giữa các hạt phân tán liên kết thành tập hợp các hạt, nhằm làm tăng vận tốc lắng của chúng Việc khử các hạt keo rắn bằng lắng trọng lực đòi hỏi trước hết cần trung hoà điện tích của chúng, thứ đến là liên kết chúng lại với nhau Quá trình trung hoà điện tích thường được gọi là quá trình đông tụ còn quá trình tạo thành các bông lớn hơn

từ các hạt nhỏ gọi là quá trình keo tụ

Trong tự nhiên, tuỳ theo nguồn gốc xuất xứ cũng như bản chất hoá học, các hạt cặn lơ lửng đều mang điẹn tích âm hoặc dương Ví dụ các hạt rắn có nguồn gốc Silic, các hợp chất hữu cơ đều có điện tích âm, ngược lại các hydroxit sắt và nhôm mang điện tích duơng Khi thế cân bằng điện động của nước bị phá vỡ, các thành phần mang điện tích sẽ kết hợp hoặc dính kết với nhau bằng lực liên kết phân tử và

điện từ tạo thành một tổ hợp các phân tử, nguyên tử hoặc ion tự do Các tổ hợp trên gọi là các bông keo

Cơ chế của quá trình đông tụ hoàn toàn có thể giải thích đơn giản bằng mô hình

2 lớp như sau:

Những hạt rắn lơ lửng mang điện tích âm trong nước sẽ hút các ion trái dấu Một số ion trái dấu đó bị hút chặt vào hạt rắn đến mức chúng chuyển động cùng hạt rắn, do đó tạo thành một mặt trượt Xung quanh lớp ion trái dấu bên trong này

là lớp ion bên ngoài mà hầu hết chúng là các ion trái dấu, nhưng chúng bị hút bám vào một cách lỏng lẻo và có thể dễ dàng bị trượt ra Khi các hạt rắn mang điện tích

âm chuyển động qua chất lỏng thì điện tích đó bị giảm bởi các ion mang điện tích dương ở lớp bên trong Hiệu số điện năng giữa lớp cố định và lớp chuyển động gọi

là thế Zeta, hay là thế điện động Thế Zeta phụ thuộc vào chiều dày hai lớp, giá trị của nó sẽ xác định lực đẩy tĩnh điện của các hạt và lực cản trở việc các dính kết giữa các hạt với nhau

Như vậy, mục tiêu của đông tụ là giảm thế Zeta – tức là giản chiều cao hàng rào năng lượng này tới giá trị tới hạn, sao cho các hạt rắn không đẩy lẫn nhau bằng cách thêm các ion có điện tích dương Như vậy trong đông tụ diễn ra quá trình phá

vỡ ổn định trạng thái keo của các hạt nhờ trung hoà điện tích Hiệu quả đông tụ phụ thuộc vào hoá trị của ion, chất đông tụ mang điện tích trái dấu với điện tích của hạt Hoá trị của ion càng lớn thì hiệu quả đông tụ càng cao

Đông tụ là quá trình thô hóa các hạt phân tán và chất nhũ tương trong hệ keo Phương pháp đông tụ hiệu quả nhất khi được sử dụng để tách các hạt keo phân tán có kích thước 1-100àm

Hình 6: Điện tích trên hạt lơ lửng khi giải thích bằng lý thuyết hai lớp

Trong xử lí nước thải, sự đông tụ diễn ra dưới tác động của chất đông tụ

Chất đông tụ trong nước tạo thành các bông hydroxit kim loại, lắng nhanh trong

trường trọng lực Các bông này có khả năng hút các hạt keo và hạt lơ lửng kết hợp

chúng với nhau Các hạt keo có điện tích âm yếu còn các bông đông tụ có điện tích

dương yếu nên chúng hút nhau

+

+ + +

+

+ + +

– – – – – – – –

Lớp ion trái dấu bên ngoài

Lớp ion trái dấu bên trong

– – –

– – – –

Hạt mang điện tích âm

Quá trình hình thành các bông đông tụ diễn ra như sau:

Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2  2Al(OH)3 + 3CaSO4 + 6CO2

Các muối sắt được dùng làm chất đông tụ là Fe2(SO4)3.2H2O, Fe2(SO4)3.3H2O, FeSO4.7H2O và FeCl3 Hiệu quả lắng trong cao hơn khi sử dụng dạng khô hoặc dung dịch 10-15% Các sunfat được dùng ở dạng bột Liều lượng chất đông tụ phụ thuộc pH của nước thải Đối với Fe3+ pH = 6 ~ 9, còn đối với Fe2+ pH ≥ 9,5 Để kiềm hóa nước thải dùng NaOH và Ca(OH)2 Quá trình tạo bông đông tụ diễn ra theo phản ứng

FeCl3 + 3H2O  Fe(OH)3  + 3HCl

Fe2(SO4)3 + 6H2O  2Fe(OH)3  + 3H2SO4

Khi kiềm hóa:

2FeCl3 + 3Ca(OH)2  2Fe(OH)3  + 3CaCl2

Fe2(SO4)3 + 3Ca(OH)2  2Fe(OH)3  + 3CaSO4

Muối sắt có ưu điểm so với muối nhôm:

• Hoạt động tốt hơn ở nhiệt độ nước thấp

• Giá trị tối ưu pH trong khoảng rộng hơn

• Bông bền và thô hơn

• Có thể ứng dụng cho nước có khoảng nồng độ muối rộng hơn

• Có khả năng khử mùi độc và vị lạ do có mặt của H2S

Tuy nhiên, chúng cũng có một số nhược điểm:

• Có tính axit mạnh, làm ăn mòn thiết bị

• Bề mặt các bông ít phát triển hơn

• Tạo thành các phứa nhuộm tan mạnh

Ngoài các chất nêu trên còn có thể sử dụng chất đông tụ là các loại đất sét khác nhau, các chất thải sản xuất chứa nhôm, các hỗn hợp, dung dịch tẩy rửa, xỉ

chứa dioxit silic Khi sử dụng hỗn hợp Al2(SO4)3 và FeCl3 với tỉ lệ từ 1:1 đến 1:2 thu được kết quả đông tụ tốt hơn khi dùng tác chất riêng lẻ

Người ta thường dùng thí nghiệm Jar-Test để xác định liều lượng tối ưu của chất đông tụ trong quá trình xử lý nước và nước thải

Camp và Stein đã đề xuất công thức tính vận tốc khuấy trộn trong quá trình đông tụ:

V

P G

P Q

V

Bảng giá trị thời gian lưu và gradient vận tốc khuấy trộn trong quá trình đông tụ:

Quá trình Giải giá trị

Thời gian lưu, s Giá trị G, 1/s Quá trình khuấy trộn

- Quá trình khuấy nhanh chuẩn

- Quá trình khuấy nhanh để đat hiệu quả

phân tán hoá chất và tiếp xúc ban đầu

- Khuấy nhanh đối với quá trình lọc tiếp xúc

5-30

< 1

< 1

500-1500 1500-6000

2500-7500 Quá trình đông tụ:

- Quá trình đông tụ chuẩn

- Đông tụ trong quá trình lọc trực tiếp

- Đông tụ trong quá trình lọc tiếp xúc

30-60 2-10 2-5

50-100 25-150 25-200

Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991

Bảng các thông số thiết kế hệ thống khuấy trộn

Quá trình khuấy dòng ngang (dòng

hướng trục - axial flow)

1/s vòng/phút

-

500-2500 40-125 0,25-0,40

1/s vòng/phút

-

500-2500 25-45 0,40-0,60

Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991

* Những vấn đề kỹ thuật thường gặp:

- Lượng hoá chất cho vào thiếu chính xác

- Quá trình đông tụ chưa hoàn toàn

- Quá trình tạo bông chưa hoàn toàn

* Giải pháp:

- Lượng hoá chất chính xác cần được xác định hàng ngày đối với mẫu nước thải nhờ thiết bị jar- test

- Hệ thống bơm định lượng nhất thiết cần một hệ thống hiệu chỉnh để kiểm tra lượng hoá chất hàng ngày (được đưa vào qua bơm định lượng)

- Máy khuấy (khuấy trộn nhanh) cần kiểm tra và xác định ở tốc độ quay lớn -thời gian tiếp xúc: 1 phút

- Máy khuấy (khuấy trộn chậm) cần được kiểm tra và xác định ở tốc độ quay chậm thời gian thời tiếp xúc: khoảng 10 phút

3.3 Tuyển nổi (Flotation)

Tuyển nổi được ứng dụng để loại ra khỏi nước các tạp chất phân tán không tan

và khó lắng Trong nhiều trường hợp tuyển nổi còn được sử dụng để tách chất tan như chất hoạt động bề mặt Tuyển nổi ứng dụng để xử lí nước thải của nhiều ngành sản xuất như: chế biến dầu mỏ, tơ sợi nhân tạo, giấy xenlulô, da, hóa chất, thực phẩm, chế tạo máy Nó còn được dùng để tách bùn hoạt tính sau khi xử lí hóa sinh

ưu điểm của phương pháp tuyển nổi là hoạt động liên tục, phạm vi ứng dụng rộng rãi, chi phí đầu tư và vận hành không lớn, thiết bị đơn giản, vận tốc nổi lớn hơn vận tốc lắng, có thể thu cặn với độ ẩm nhỏ (90 - 95%), hiệu quả xử lí cao (95 - 98%),

có thể thu hồi tạp chất Tuyển nổi kèm theo sự thông khí nước thải, giảm nồng độ chất hoạt động bề mặt và các chất dễ bị oxi hóa

Cơ sở tuyển nổi như sau: khi đến gần các bọt khí đang nổi lên trong nước, các

hạt lơ lửng sẽ kết dính với các bọt khí này và cùng nó nổi lên trên mặt nước, tạo thành lớp bọt có nồng độ tạp chất cao hơn trong nước ban đầu

Hiệu quả phân riêng bằng tuyển nổi phụ thuộc kích thước và số lượng bong bóng khí, kích thước tối ưu của bong bóng khí là 15 - 30àm Để có kích thước bọt

ổn định trong quá trình tuyển nổi người ta dùng các chất tạo bọt Chất tạo bọt có thể là dầu thông, phenol, ankyl, sunfat natri, cresol CH3C6H4OH

Trọng lượng của hạt không được lớn hơn lực kết dính với bọt khí và lực nâng của bọt khí Kích thước hạt để tuyển nổi hiệu quả để phụ thuộc trọng lượng riêng hạt

và bằng 0,2- 1,5 mm

Có nhiều phương pháp tuyển nổi để xử lí nước thải: tuyển nổi bằng biện pháp tách không khí từ dung dịch; tuyển nổi với việc cho thông khí qua vật liệu xốp, tuyển nổi hóa học và tuyển nổi điện, tuyển nổi với sự phân tách không khí bằng cơ khí

a) Tuyển nổi bằng cách phân tán không khí cơ bằng cơ khí

Sự phân tán khí trong máy tuyển nổi này được thực hiện nhờ bơm tuabin kiểu cánh quạt, đó là đĩa có cánh quay hướng lên trên Thiết bị kiểu này được ứng dụng

để xử lí nước có nồng độ các hạt lơ lửng cao (lớn hơn 2g/l) Khi quay cánh quạt trong chất lỏng xuất hiện một số lượng lớn các dòng xoáy nhỏ và được phân tán thành các bọt khí có kích thước xác định Mức độ phân tán càng cao bọt khí càng nhỏ quá trình càng hiệu quả Tuy nhiên, nếu vận tốc quay cao sẽ làm tăng đột ngột dòng chảy rối và có thể phá vỡ tổ hợp hạt - khí, do đó làm giảm hiệu quả xử lí

Để đạt hiệu quả tuyển nổi độ bão hòa không khí của nước cao (10~50% thể tích) Thông thường máy tuyển nổi gồm một số buồng mắc nối tiếp Đường kính cánh quạt 600- 700mm

Thiết bị khí động được sử dụng để xử lí nước thải chứa tạp chất hòa tan, có tính ăn mòn Sự phân tán bọt khí đạt được nhờ vòi phun đặc biệt gắn trên ống phân phối khí Thường vòi phun có đường kính lỗ 1-1,2mm, áp suất làm việc trước vòi phun 0,3-0,5MPa

Vận tốc tia khí ở đầu ra của vòi phun 100-200m/s Thời gian tuyển nổi được xác định bằng thực nghiệm, thường trong khoảng 15-20 phút

b) Tuyển nổi bằng biện pháp tách không khí từ dung dịch

Phương pháp này được áp dụng để làm sạch nước thải chứa hạt ô nhiễm rất mịn Bản chất của phương pháp này là tạo dung dịch quá bão hòa không khí Khi giảm áp suất các bọt không khí sẽ tách ra khỏi dung dịch và làm nổi chất bẩn Tùy thuộc vào biện pháp tạo dung dịch quá bão hòa người ta chia ra tuyển nổi chân không, áp suất và bơm dâng

• Trong tuyển nổi chân không, nước thải được bão hòa không khí ở áp suất khí quyển trong buồng thông khí, sau đó cho vào buồng tuyển nổi, trong đó áp suất giữ

ở khoảng 225-300mmHg bằng bơm chân không Trong buồng tuyển nổi, các bong bóng khí rất nhỏ thoát ra làm nổi một phần chất bẩn Quá trình tuyển nổi kéo dài

20 phút

Ưu điểm của phương pháp này là: sự tạo bọt khí và sự kết dính với các hạt bẩn diễn ra trong môi trường yên tĩnh (xác suất phá vỡ tổ hợp bọt - hạt bẩn là tối thiểu); tiêu hao năng lượng là tối thiểu Khuyết điểm là: độ bão hòa của nước bởi không khí không lớn, vì vậy phương pháp này không thể áp dụng khi nồng độ hạt lơ lửng cao (không lớn hơn 250- 300mg/l); cần phải chế tạo thiết bị tuyển nổi kín và bố trí cào cơ khí trong đó

• Tuyển nổi áp suất phổ biến hơn tuyển nổi chân không Phương pháp này cho phép làm sạch nước với nồng độ chất lơ lửng 4-5g/l

Thiết bị tuyển nổi áp suất so với thiết bị tách dầu bảo đảm nồng độ tạp chất còn lại trong nước nhỏ hơn 5-10 lần và kích thước nhỏ hơn 5-10 lần Quá trình được tiến hành trong 2 giai đoạn:

• Bão hòa nước bằng không khí dưới áp suất cao

• Tách khí hòa tan dưới áp suất khí quyển

Sơ đồ tuyển nổi cột áp được trình bày trên hình

Nước thải vào bình tiếp nhận được bơm đẩy vào bình cao áp Không khí được hút vào ống hút của bơm Trong bồn cao áp (ở áp suất 0,15-0,4MPa) không khí sẽ hòa tan vào nước Sau đó trong buồng tuyển nổi làm việc ở áp suất khí quyển không khí tách ra ở dạng các bọt khí và làm nổi các hạt lơ lửng Lớp bọt cùng với hạt rắn được tách từ bề mặt nước bằng cào cơ giới Nước trong khi ra từ đáy thiết bị tuyển nổi Khi sử dụng chất đông tụ, sự tạo bông diễn ra trong bình cao áp

Hình 9: Sơ đồ hệ thống tuyển nổi áp suất

1- bồn chứa; 2- bơm; 3- bồn áp suất; 4- bể tuyển nổi

Mối quan hệ giữa tỷ số A/S với độ hoà tan của khí, áp suất vận hành và nồng

độ chất ô nhiễm được mô tả theo phương trình:

a

a S

fP s S

A 1 , 3 ( − 1 )

=

Trong đó:

A/S: tỷ lệ khí-rắn, ml/mg

sa: độ hoà tan của khí, ml/l

f: phần khí hoà tan ở áp suất P, thường là 0,5

P: áp suất, at

35,101

35,101+

= p

P với p là áp suất tuyệt đối

Sa: Nồng độ chất rắn lơ lửng trong dòng vào, g/m3 (mg/l)

Nguồn: Wastewater Engineering: treatment, reuse, disposal, 1991

Với hệ DAF có dòng hồi lưu thì:

Q S

R fP s S

A

a

a( 1 ) 3

,

=

Trong đó:

R: lượng tuần hoàn có áp suất, m3/ngày

Q: lưu lượng vào, m3/ngày

3.4 Hấp phụ - Adsorption

a) Cơ sở quá trình hấp phụ

Phương pháp hấp phụ được ứng dụng rộng rãi để làm sạch triệt để nước khỏi các chất hữu cơ hòa tan sau xử lí hóa sinh cũng như trong xử lý cục bộ khi trong nước thải có chứa một hàm lượng rất nhỏ các chất đó và chúng không bị phân huỷ bởi vi sinh hoặc chúng rất độc

Hấp phụ được ứng dụng để khử độc nước thải khỏi thuốc diệt cỏ, phenol, thuốc sát trùng, các hợp chất nitơ vòng thơm, chất hoạt động bề mặt, thuốc nhuộm ưu điểm của phương pháp này là hiệu quả cao, có khả năng xử lí nhiều chất trong nước thải và có thể thu hồi các chất này

Xử lí nước hấp phụ có thể tái sinh, tức là thu hồi và tận dụng chất thải và phân huỷ, tiêu huỷ chất thải cùng với chất hấp phụ Hiệu quả xử lí của phương pháp này đạt 80-95% và phụ thuộc vào bản chất hóa học của chất hấp phụ, diện tích bề mặt chất hấp phụ, cấu trúc hóa học của chất cần hấp và trạng thái của nó trong dung dịch

Để làm chất hấp phụ người ta sử dụng than hoạt tính, các chất tổng hợp và chất thải của một số ngành sản xuất (tro, xỉ, mạt cưa ) chất hấp phụ vô cơ như đất sét, silicagen, keo nhôm và các hydroxit kim loại ít được sử dụng vì năng lượng tương tác tương đối lớn

Phổ biến nhất là than hoạt tính, nhưng cần có các tính chất xác định như: tương tác yếu với phân tử nước và mạnh với các chất hữu cơ, có lỗ xốp thô tương đối (8-50%) để có thể hấp phụ các phân tử hữu cơ lớn và phức tạp, có lượng chất bị hấp

phụ lớn trong thời gian tiếp xúc ngắn, tính chọn lọc cao và có khả năng được phục hồi Ngoài ra, than phải bền nước và thấm nước nhanh Trong quá trình xử lí nước thải, người ta sử dụng than hạt nhuyễn với kích thước hạt 0,25-0,5mm và than phân tán cao với hạt nhỏ hơn 40mm Quan trọng là than phải có hoạt tính xúc tác thấp đối với phản ứng oxi hóa và trùng ngưng vì một số chất hữu cơ trong nước thải có khả năng bị oxi hóa và bị hóa nhựa Các quá trình này được thúc đẩy bởi xúc tác Các chất hóa nhựa bít kín lỗ xốp của than và gây khó khăn cho việc tái sinh nó ở nhiệt độ thấp Cuối cùng chúng phải có giá thành thấp, không giảm khả năng hấp phụ sau khi tái sinh và bảo đảm số chu kỳ làm việc lớn

Nguyên liệu để sản xuất than hoạt tính có thể là bất kỳ vật liệu chứa cacbon nào như: than, gỗ, polime, chất thải rắn của công nghiệp thực phẩm, giấy xenlulô Vận tốc quá trình hấp phụ phụ thuôc nồng độ, cấu trúc của chất hòa tan, nhiệt

độ nước, dạng và tính chất hấp phụ, trong trường hợp tổng quát quá trình hấp phụ bao gồm ba giai đoạn:

• Chuyển vật chất từ nước thải đến bề mặt hạt hấp phụ (khuếch tán ngoài)

• Hấp phụ

• Chuyển vật chất vào trong hạt hấp phụ (khuếch tán trong)

Quá trình hấp phụ diễn ra nhanh nên giai đoạn xác định tốc độ quá trình hấp phụ có thể là khuếch tán ngoài hoặc khuếch tán trong Trong một số trường hợp cả hai giai đoạn khuếch tán cùng quyết định vận tốc hấp phụ Trong vùng khuếch tán ngoài vận tốc truyền khối được xác định chủ yếu bằng cường độ rối của dòng, mà trước hết nó phụ thuộc vào vận tốc chất lỏng Trong vùng khuếch tán trong cường

độ truyền khối phụ thuộc dạng và kích thước lỗ xốp, hình dạng và kích thước hạt, kích thước phân tử chất cần hấp phụ và hệ số truyền vật chất

b) Hệ thống thiết bị hấp phụ

Quá trình xử lí nước bằng hấp phụ tiến hành với sự khuấy trộn mãnh liệt chất hấp phụ với nước, lọc nước qua lớp chất hấp phụ đứng yên hoặc hoặc trong lớp giả lỏng, trong các thiết bị hoạt động liên tục hoặc gián đoạn Khi trộn chất hấp phụ với nước người ta sử dụng than hoạt tính ở dạng hạt 0,1mm và nhỏ hơn

Quá trình tiến hành trong một hoặc nhiều bậc Hấp phụ một bậc được ứng dụng khi chất hấp phụ rất rẻ hoặc là chất thải của sản xuất Quá trình hấp phụ nhiều bậc đạt hiệu quả cao hơn Khi đó ở bậc một người ta chỉ sử dụng lượng than cần thiết để giảm nồng độ chất ô nhiễm từ C0 đến C1, sau đó than được tách ra bằng lắng, còn nước thải đi vào bậc hai để được tiếp tục xử lí bằng than mới

Trong sơ đồ ngược chiều, chất hấp phụ được cho một lần vào bậc cuối cùng

và nó chuyển động ngược chiều nước thải Theo sơ đồ này quá trình xử lí tiến hành liên tục với lượng chất hấp phụ ít hơn rất nhiều so với sơ đồ nhập chất hấp phụ liên tiếp Tuy nhiên, thiết bị loại này đắt hơn và vận hành phức tạp hơn

Bằng lý thuyết truyền khối, người ta tính được số bậc hấp phụ, nồng độ chất

ô nhiễm ở từng bậc hấp phụ, thời gian lưu nước, thể tích thiết bị, lượng chất hấp phụ cần thiết Xử lí trong điều kiện động được tiến hành khi lọc nước thải qua lớp chất hấp phụ Vận tốc lọc phụ thuộc nồng độ chất tan dao động từ 2-4 đến 5-6m3/m2.h Nước trong tháp chuyển động từ dưới lên trên Chất hấp phụ được sử dụng ở dạng hạt kích thước trong khoảng 1,5-5mm Nếu hạt nhỏ hơn sẽ làm tăng trở lực lọc Than được xếp trên lớp sỏi, còn sỏi được bố trí trên lưới đỡ Để tránh

sự bít kín chất hấp phụ nước thải không được chứa tạp chất lơ lửng

Do đó muốn thúc đẩy quá trình hấp phụ có thể cho quá trình tiến hành trong chế độ chảy sao cho giai đoạn khuếch tán trong quyết định vận tốc của quá trình,

mà trở lực giai đoạn này có thể giảm bằng cách thay đổi cấu trúc hạt, giảm kích thước hạt