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

Bộ môn Công nghệ Môi trường – Khoa Môi trường 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 t[.]

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 choviệc 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 dướiảnh hưởng của các quá trình tự nhiên, không có tác động của con người Do tácđộng của con người, nước tự nhiên bị nhiễm bẩn bởi các chất khác nhau dẫn đếnkết quả là làm ảnh hưởng đến chất lượng của nó

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

- Thay đổi giá trị pH của nước ngọt do ô nhiễm bởi H2SO4, HNO3 từ khíquyển 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 domưa hoà tan, phong hoá các quặng cacbonat Khi hàm lượng của các ionnày vượt quá mức theo tiêu chuẩn cho phép của chất lượng nước sử dụngthì được xếp vào hạng mục chất ô nhiễm Nước ngầm thường có hàmlượng các ion khoáng hoá cao hơn so với nước mặt do nằm dưới lòng đấtnên 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

và khoáng hoá các hợp chất hữu cơ

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

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

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 thảikhông qua xử lý vào môi trường nước

Các chất hữu cơ phân

huỷ sinh học

Gồm Protein, cacbonhydrat và chất béo Các chấthữu cơ phân huỷ sinh học được đo bằng chỉ tiêuBOD và COD Nếu thải chúng trực tiếp vào môitrường: quá trình ổn định sinh học của chúng có thểdẫn đến giảm lượng ôxy trong nước tự nhiên và dẫnđến 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 cóthể dẫn đến sự phát triển của các sinh vật ngoài ýmuốn trong môi truờng nước (sự phú dưỡng), cònkhi 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 (phươngpháp sinh học) ví dụ như các chất tẩy rửa, hoá chấtbảo 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 mặttrong nước thải sinh hoạt sau quá trình sử dụngnước

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 hợpchất 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 haohoá chất, vì vậy chi phí lớn Người ta ứng dụng các phương pháp này để loại cácchất 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 sốchất vô cơ (H2S, các sunfua, NH3, các nitric ) Quá trình xử lí dựa trên khả năngcủa vi sinh sử dụng các chất này làm chất dinh dưỡng trong hoạt động sống - Cácchất hữu cơ đối với vi sinh là nguồn cacbon

Các phương pháp nêu trên được chia ra tái sinh và phân huỷ Phương pháp táisinh bao gồm việc thu hồi và chế biến tiếp tục các chất có giá trị Trong phươngpháp 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 phươngpháp 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 phươngpháp 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 cácchất 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 lượngnào đó Quá trình và hệ thống này chỉ hoạt động tốt nhất ở một lưu lượng ổn địnhnào 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 tốtnhất

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 nàokhông 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 khôngkhí

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 chuyểnkhối Dữ liệu động học có thể lấy từ kinh nghiệm, tài liệu xuất bản, kết quảnghiên cứu điển hình

8 Chất lượng

Chất lượng thường được đánh giá thông qua chất lượng dòng ra, phù hợpvới 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 vàkhí phải được tính toán hay ước lượng Quá trình xác định này có thể được thựchiện 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 khôngkhả thi hoặc quá tốn kém? Việc tuần hoàn chất thải từ quá trình xử lý bùn ảnhhưởng gì đến bộ phận xử lý nước? Việc chọn lựa hệ thống xử lý bùn cần đi đôivới 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 đếnkhu dân cư có thể hạn chế hoặc ảnh hưởng đến việc sử dụng một số quá trình, đặcbiệt 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 giandài nhằm đảm bảo vận hành hệ thống có hiệu quả? Việc bổ sung hoá chất có gìảnh 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 cầnphải biết được các yêu cầu về năng lượng và chi phí cho năng lượng trong tươnglai

14 Yêu cầu về nhân sự

Cần bao nhiêu người và ở mức độ kỹ năng nào để vận hành hệ thống? Cósẵn 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 thaythế 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 nàođến 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 thìchất 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 thôngthường 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 đượckhông? 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 ứngvới 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 vậnhành 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 bảodưỡng

22 Quỹ đất

Quỹ đất có cho phép xây dựng không chỉ hệ thống xử lý đang xem xét màcòn cả mở rộng trong tương lai không? Cần một vùng đệm rộng bao nhiêu để đảmbảo 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 dạnghạt lơ lửng Các tạp chất lơ lửng có thể ở dạng rắn hoặc lỏng, chúng tạo với nướcthành hệ huyền phù

Để tách các hạt lơ lửng ra khỏi nước, người ta sử dụng các quá trình thuỷ cơnhư lọc qua song chắn, lắng dưới tác dụng của lực trọng trường hoặc lọc nướcthải 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 cầnthiết

Mục đích: Mục đích:

Lọc qua là công đoạn tách tạp chất thô trong nước Mục đích của quá trình làkhử tất cả các tạp vật có thể gây ra sự cố trong quá trình vận hành hệ thống xử lýnước thải như làm tắc bơm, đường ống hoặc kênh dẫn Đây là bước quan trọngđảm 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 vàmáy nghiền để nghiền nhỏ các vật bị giữ lại còn trong xử lý nước thải côngnghiệp, người ta đặt thêm lưới chắn

Công trình này có tác dụng thu vớt các tạp chất rắn kích thước lớn Song chắnđược đặt trước các công trình làm sạch, hoặc có thể đặt ngay miệng xả ở các phânxưởng 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, nghiêngmột góc từ 60 – 750.Song chắn có thể đặt cố định hoặc di động, cũng có thể là tổhợp 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 songchắn tròn có trở lực nhỏ nhất nhưng lại nhanh bị tắc bởi các vật bị giữ lại Thôngdụng là loại thanh chắn có tiết diện hỗn hợp: cạnh vuông góc ở phía sau và cạnhtròn 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 chắnmịn 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 nghẽnsong chắn hoặc làm nổi các vật đã lắng

Kích thước song chắn được tính dựa vào tốc độ chảy của nước thải qua khegiữa các thanh (thường lấy bằng 0,8 đến 1 m/s) và chấp nhận giả thiết 30% diệntích của song chắn bị bịt kín Khi xác định kích thước song chắn cần tính cho điềukiện 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 cáctrường hợp đều được đặt phía trước bể lắng cát Nếu bể lắng cát được đặt phíatrước song chắn rác thì rác và các loại vật liệu dạng sợi có thể ảnh hưởng đến cơcấu thu cặn của bể lắng cát, bao bọc xung quanh ống thổi khí và lắng cùng cát vàkhi 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 trungbình để tạo ra diện tích thu hồi rác thích hợp cho song chắn (tạo phần diện tíchngập nước lớn hơn) Để tránh lắng cặn, tốc độ của nước ở đoạn kênh mở rộngtrước song chắn không được dưới 0,4 m/giây khi lưu lượng nhỏ nhất Việc kiểmsoát tốc độ dòng chảy này được thực hiện bằng cách mở rộng diện tích tại khuvực 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 02thiết bị được lắp đặt cùng nhau đề phòng trường hợp một thiết bị phải ngừng hoạtđộng 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:

Kích thước của các thanh

- Bề rộng (mm):

- Bề dày (mm):

5-1525-38

5-1525-38

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

- Tối đa:

- Tối thiểu:

0,3-0,6-

0,6-1,00,3-0,5

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

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

n= Qmaxb.h1.v s.kz

Trong đó:

Qmax: Lưu lượng thải tối đa, m3/s (Qmax = qtbh kh trong đó kh: hệ số vượt tải =

1,5-3,5)

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:

B s =b.n+S(n−1) (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:

: hệ số lấy theo hình dạng của thanh chắn

- 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 dòngchảy rối kênh phải mở rộng dần dần với một góc α = 20o (xem hình)

*P

Hình: Bản vẽ mặt bằng và mặt cắt buồng đặt song chắn rác

Chiều dài đoạn mở rộng (l1) được tính theo công thức:

l1=B s −B k

2 tgα , Trong đó:

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 Trongnước 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 thiếtphải có bể lắng cát

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

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

U0= Q

F , (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

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=0,15ứng 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 trịthời gian lưu thích hợp từ 60-90 giây)

Để quá trình lắng của các hạt trong bể không có tác dụng đối với các cặnhữu 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 ngậpnước 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 lắngvới vận tốc không đổi

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, khibắt đầu lắng trong, phần trên của thiết bị lắng xuất hiện lớp nước trong Càngxuống 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 khoảngthời gian xác định, trong thiết bị lắng chỉ còn hai lớp nước trong và lớp cặn Nếucặn 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 khôngthay đổi trong suốt quá trình

Nước thải sau quá trình xử lý sơ bộ sẽ đi vào bể lắng sơ cấp (primarysedimentation tank) Các hạt rắn lơ lửng có khối lượng riêng quá nhỏ để lắngđược 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 thủylực) 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 cómột 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 StatesStandards, 1996; Illinois EPA, 1998) Theo đó, khi lượng nước thải vượt quá380m3/ngày thì thường sử dụng nhiều bể lắng đồng thời Chiều dài bể lắng nhỏnhất 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

(Nguồn: Water and wastewater calculation manual)

b/ Vận tốc tối đa trong vùng lắng:

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 lượngthấp nhất để đảm bảo rằng quá trình lưu nước lâu hơn sẽ gây ra các điều kiệnnhiễm 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 được7570/2=3785m3/ngày

Diện tích bề mặt của mỗi đơn nguyên là:

A=Q

v= 3.78528.5 =132,8, m2

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 x24m (rộng x dài)

Vai trò của bể điều hoà

Bể điều hoà có nhiệm vụ điều hoà lưu lượng và có thể làm đồng đều nồng độchất 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, phụthuộc 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 hưởngđến 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 vànâng cao hiệu suất của các quá trình ở cuối dây chuyền xử lý Các kỹ thuật điềuhoà được ứng dụng cho từng trường hợp phụ thuộc vào đặc tính của hệ thống thugom nước thải Phương án bố trí bể điều hoà lưu lượng có thể là điều hoà trêndòng 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 hệthống 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 thànhphần nước thải đi vào các công đoạn phía sau, còn phương án điều hoà ngoàidòng 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 nướcthải trong bể là một khối đồng đều và không có cặn lắng trong bể Các bể điềuhoà nói chung cần có bộ phận thu gom các váng nổi, loại bỏ bọt và tuy không cholắng cặn nhưng trong bể vẫn có một lượng cát bụi nhất định lắng xuống đáy Vìvậy 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 đồthị trên cơ sở thực nghiệm về quan hệ giữa thể tích tích luỹ của lưu lượng nướcthải 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 trongdây 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 tríkhác nhau, chủ yếu là đặt sau hệ thống tiền xử lý Thông thường, BĐH được đặtsau 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 đểđiều 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 cóthiết 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 sâuhoặc 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 lưulượng nước thải thải ra môi trường biến động rất lớn theo các thời điểm trongngày, ví dụ như trong quá trình sản xuất rượu bia nước giải khát Vì lý do đó, việctính toán thiết kế bể điều hoà phải đảm bảo được sức chứa tối đa của bể trong mộtchu trình sản xuất mặt khác phải đảm bảo yêu cầu về kinh tế như giá thành xâydựng, diện tích thiết kế Hiện nay có hai cách tính thể tích bể điều hoà là phươngpháp đồ thị và phương pháp tính toán theo công thức Tuỳ thuộc vào các đặc tínhnguồn thải mà áp dụng các cách tính khác nhau

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

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

Q: Lưu lượng nước thải ( m3/h ).

τ d: thời gian thải đột biến (h), (tuỳ thuộc vào đặc điểm quá trình sản xuất)

- 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 thịbậc 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 nàyđến đường độ thị bậc 1 Giá trị khoảng cách này chính là thể tích BĐH cần tínhtoán 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 cácbiến 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):

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):

Q b =Q tb t(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.

Q=Q b −V v(m3)Lúc này, thể tích bể điều hoà cần tính toán chính bằng hiệu của đại lượng dươnglớn 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 )

Lọc được ứng dụng để tách các tạp chất phân tán có kích thước nhỏ (chất

lơ lửng, chất keo hữu cơ và vô cơ) khỏi nước mà các bể lắng không thể loại được

chúng Người ta tiến hành quá trình tách bằng vách ngăn xốp, cho phép chất lỏng

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

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, tuyểnnổi, hấp phụ, trao đổi ion, Các phương pháp này được ứng dụng để loại ra khỏinước thải các hạt lơ lửng phân tán (rắn và lỏng), các khí tan, các chất vô cơ vàhữu cơ hòa tan

Việc ứng dụng các phương pháp hóa lí để xử lí nước thải so với phươngpháp 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 thểtách 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 phươngpháp lắng, cần tăng kích thước của chúng nhờ sự tác động tương hỗ giữa các hạtphân 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 hoàđiện tích của chúng, thứ đến là liên kết chúng lại với nhau Quá trình trung hoàđiện tích thường được gọi là quá trình đông tụ còn quá trình tạo thành các bônglớn 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, cáchạt cặn lơ lửng đều mang điẹn tích âm hoặc dương Ví dụ các hạt rắn có nguồngốc Silic, các hợp chất hữu cơ đều có điện tích âm, ngược lại các hydroxit sắt vànhôm mang điện tích duơng Khi thế cân bằng điện động của nước bị phá vỡ, cácthành 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 môhình 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 cùnghạt 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 bámvào một cách lỏng lẻo và có thể dễ dàng bị trượt ra Khi các hạt rắn mang điệntích âm chuyển động qua chất lỏng thì điện tích đó bị giảm bởi các ion mang điệntích dương ở lớp bên trong Hiệu số điện năng giữa lớp cố định và lớp chuyểnđộng gọi là thế Zeta, hay là thế điện động Thế Zeta phụ thuộc vào chiều dày hailớp, giá trị của nó sẽ xác định lực đẩy tĩnh điện của các hạt và lực cản trở việc cácdính kết giữa các hạt với nhau

Như vậy, mục tiêu của đông tụ là giảm thế Zeta – tức là giản chiều caohàng rào năng lượng này tới giá trị tới hạn, sao cho các hạt rắn không đẩy lẫnnhau bằng cách thêm các ion có điện tích dương Như vậy trong đông tụ diễn raquá trình phá vỡ ổn định trạng thái keo của các hạt nhờ trung hoà điện tích Hiệuquả đông tụ phụ thuộc vào hoá trị của ion, chất đông tụ mang điện tích trái dấuvới 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 hệkeo Phương pháp đông tụ hiệu quả nhất khi được sử dụng để tách các hạt keophân tán có kích thước 1-100àm

Mặt trượt

+

+

+ + +

+

+ + +

+ +

– – – – – – – –

Lớp ion trái dấu bên ngoài

Lớp ion trái dấu bên trong

– – – – – – –

Hạt mang điện tích âm

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 trongtrường trọng lực Các bông này có khả năng hút các hạt keo và hạt lơ lửng kếthợp chúng với nhau Các hạt keo có điện tích âm yếu còn các bông đông tụ cóđiện tích dương yếu nên chúng hút nhau

Hình 7: Cơ chế đông tụ

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

Me3+ + 3HOH  Me(OH)3 + 3H+

Chất đông tụ thường dùng là muối nhôm, sắt hoặc hỗn hợp của chúng Việcchọn chất đông tụ phụ thuộc thành phần, tính chất hóa lí và giá thành của nó,nồng độ tạp chất trong nước, pH và giá thành phần muối của nước Các muốinhôm được làm chất đông tụ là Al2(SO4)3.18H2O; NaAlO2, Al2(OH)5Cl;KAl(SO4)2.12H2O và NH4Al(SO4)2.12H2O Trong số đó, phổ biến nhất là sunfatnhôm Nó hoạt động hiệu quả khi pH = 5-7,5 Sunfat nhôm tan tốt trong nước và

có giá thành tương đối rẻ Nó được sử dụng ở dạng khô hoặc dạng dung dịch50% Quá trình tạo bông đông tụ của một số muối nhôm 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 hoặcdung dịch 10-15% Các sunfat được dùng ở dạng bột Liều lượng chất đông tụphụ 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

Hình 8: Thí nghiệm với các bình Jar-Test

Thiết kế bể khuấy trộn:

Quá trình đông tụ

Quá trình khuấy trộn bởi cánh khuấy trong bể phản ứng làm hình thành 2tác động: tuần hoàn và phân xáo trộn nước thải.Năng lượng đầu vào có thể xácđịnh thông qua hiệu suất khuấy trộn Năng lượng cấp vào càng nhiều thì quá trìnhxáo trộn càng tốt

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

G= √ P

μVTrong đó:

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

Thời gian lưu, s Giá trị G, 1/sQuá 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

500-15001500-6000

2500-7500Quá trình đông tụ:

- Quá trình đông tụ chuẩn

- Đông tụ trong quá trình lọc trực tiếp

- Đông tụ trong quá trình lọc tiếp xúc

30-602-102-5

50-10025-15025-200

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/svòng/phút-

500-250040-1250,25-0,40

1/svòng/phút-

500-250025-450,40-0,60

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 thảinhờ thiết bị jar- test

- Hệ thống bơm định lượng nhất thiết cần một hệ thống hiệu chỉnh để kiểm tralượng 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 -thờigian tiếp xúc: 1 phút

- Máy khuấy (khuấy trộn chậm) cần được kiểm tra và xác định ở tốc độ quaychậm 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 khôngtan và khó lắng Trong nhiều trường hợp tuyển nổi còn được sử dụng để tách chấttan như chất hoạt động bề mặt Tuyển nổi ứng dụng để xử lí nước thải của nhiềungành 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 líhóa sinh ưu điểm của phương pháp tuyển nổi là hoạt động liên tục, phạm vi ứngdụng rộng rãi, chi phí đầu tư và vận hành không lớn, thiết bị đơn giản, vận tốc nổilớn 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 bongbóng 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 cóthể 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 củabọt 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 pháptách 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 kiểucánh quạt, đó là đĩa có cánh quay hướng lên trên Thiết bị kiểu này được ứngdụng để xử lí nước có nồng độ các hạt lơ lửng cao (lớn hơn 2g/l) Khi quay cánhquạt trong chất lỏng xuất hiện một số lượng lớn các dòng xoáy nhỏ và được phântán thành các bọt khí có kích thước xác định Mức độ phân tán càng cao bọt khícàng nhỏ quá trình càng hiệu quả Tuy nhiên, nếu vận tốc quay cao sẽ làm tăngđột 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 cánhquạt 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 phânphối khí Thường vòi phun có đường kính lỗ 1-1,2mm, áp suất làm việc trước vòiphun 0,3-0,5MPa

Vận tốc tia khí ở đầu ra của vòi phun 100-200m/s Thời gian tuyển nổi được xácđịnh 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 rấtmịn Bản chất của phương pháp này là tạo dung dịch quá bão hòa không khí Khigiảm 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 nổichân không, áp suất và bơm dâng

• Trong tuyển nổi chân không, nước thải được bão hòa không khí ở áp suất khíquyển trong buồng thông khí, sau đó cho vào buồng tuyển nổi, trong đó áp suấtgiữ ở khoảng 225-300mmHg bằng bơm chân không Trong buồng tuyển nổi, cácbong bóng khí rất nhỏ thoát ra làm nổi một phần chất bẩn Quá trình tuyển nổikéo dài 20 phút

Ưu điểm của phương pháp này là: sự tạo bọt khí và sự kết dính với các hạtbẩn diễn ra trong môi trường yên tĩnh (xác suất phá vỡ tổ hợp bọt - hạt bẩn là tốithiểu); tiêu hao năng lượng là tối thiểu Khuyết điểm là: độ bão hòa của nước bởikhông 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 chophép 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 cònlại trong nước nhỏ hơn 5-10 lần và kích thước nhỏ hơn 5-10 lần Quá trình đượctiến 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 đượchút vào ống hút của bơm Trong bồn cao áp (ở áp suất 0,15-0,4MPa) không khí sẽhòa tan vào nước Sau đó trong buồng tuyển nổi làm việc ở áp suất khí quyểnkhông khí tách ra ở dạng các bọt khí và làm nổi các hạt lơ lửng Lớp bọt cùng vớihạt 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 vànồng độ chất ô nhiễm được mô tả theo phương trình:

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 P= p+101,35

101,35 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:

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 khỏicác chất hữu cơ hòa tan sau xử lí hóa sinh cũng như trong xử lý cục bộ khi trongnước thải có chứa một hàm lượng rất nhỏ các chất đó và chúng không bị phân huỷbởi 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, thuốcnhuộm ưu điểm của phương pháp này là hiệu quả cao, có khả năng xử lí nhiềuchất 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 vàphân huỷ, tiêu huỷ chất thải cùng với chất hấp phụ Hiệu quả xử lí của phươngpháp này đạt 80-95% và phụ thuộc vào bản chất hóa học của chất hấp phụ, diệntích bề mặt chất hấp phụ, cấu trúc hóa học của chất cần hấp và trạng thái của nótrong dung dịch

Để làm chất hấp phụ người ta sử dụng than hoạt tính, các chất tổng hợp vàchất thải của một số ngành sản xuất (tro, xỉ, mạt cưa ) chất hấp phụ vô cơ nhưđất sét, silicagen, keo nhôm và các hydroxit kim loại ít được sử dụng vì nănglượng 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 tươngđối (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 năngđược phục hồi Ngoài ra, than phải bền nước và thấm nước nhanh Trong quátrình 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 cóhoạt 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 đượcthúc đẩy bởi xúc tác Các chất hóa nhựa bít kín lỗ xốp của than và gây khó khăncho 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 cacbonnào như: than, gỗ, polime, chất thải rắn của công nghiệp thực phẩm, giấyxenlulô

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 phụbao 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 trìnhhấp phụ có thể là khuếch tán ngoài hoặc khuếch tán trong Trong một số trườnghợp cả hai giai đoạn khuếch tán cùng quyết định vận tốc hấp phụ Trong vùngkhuếch tán ngoài vận tốc truyền khối được xác định chủ yếu bằng cường độ rốicủa dòng, mà trước hết nó phụ thuộc vào vận tốc chất lỏng Trong vùng khuếchtán 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 liệtchất hấp phụ với nước, lọc nước qua lớp chất hấp phụ đứng yên hoặc hoặc tronglớp giả lỏng, trong các thiết bị hoạt động liên tục hoặc gián đoạn Khi trộn chấthấp 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 ứngdụng khi chất hấp phụ rất rẻ hoặc là chất thải của sản xuất Quá trình hấp phụnhiều 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 cuốicùng và nó chuyển động ngược chiều nước thải Theo sơ đồ này quá trình xử lítiến hành liên tục với lượng chất hấp phụ ít hơn rất nhiều so với sơ đồ nhập chấthấp 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 độchất ô nhiễm ở từng bậc hấp phụ, thời gian lưu nước, thể tích thiết bị, lượng chấthấp phụ cần thiết Xử lí trong điều kiện động được tiến hành khi lọc nước thải qualớp 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 sửdụng ở dạng hạt kích thước trong khoảng 1,5-5mm Nếu hạt nhỏ hơn sẽ làm tăngtrở 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

Hình 10 Sơ đồ hệ thống hấp phụ

a- nạp chất hấp phụ tuần tự: 1- bình khuấy trộn; 2-bình lắng b- nạp chất hấp

phụ ngược dòng: 1- bình khuấy trộn; 2- bình lắng; 3- bình nhận chất hấp phụ; 4-

bơm