Nghiên cứu áp dụng công nghệ tuyển nổi áp lực trong công nghệ xử lý nước cấp với nguồn nước mặt sông đáy

Trên thực tế, với các công nghệ đang áp dụng hiện nay tại các nhà máy nước, ở cả các quy mô công suất khác nhau, theo cách tiếp cận truyền thống như keo tụ – lắng – lọc nhanh – khử trùng

Trang 1

Nghiên cứu áp dụng tuyển nổi áp lực trong công nghệ xử lý nước cấp với nguồn nước mặt sông Đáy

Học viên thực hiện: Phạm Văn Ánh Cán bộ hướng dẫn: PGS.TS Nguyễn Việt Anh

LỜI CẢM ƠN



Phương pháp tuyển nổi áp lực cho xử lí nước cấp là một phương pháp còn rất mới và chưa từng được áp dụng ở Việt Nam Dưới sự hướng dẫn tận tình của PGS.TS Nguyễn Việt Anh – Bộ môn Cấp thoát nước, tôi đã hoàn thành được khối lượng công việc đặt ra và đã thu được kết quả tốt đẹp

Tôi xin chân thành cảm ơn PGS.TS Nguyễn Việt Anh đã trực tiếp hướng dẫn tôi hoàn thành luận văn cao học này

Tôi cũng xin cảm ơn các thầy cô trong Bộ môn Cấp thoát nước đã giúp đỡ tôi rất nhiều về chuyên môn trong thời gian học và thực hiện luận văn

Cảm ơn Khoa Sau đại học và Viện Khoa học và Kỹ thuật Môi trường, Bộ môn Cấp thoát nước, Trường Đại học Xây dựng đã tạo điều kiện thuận lợi cho tôi trong thời gian học tập và nghiên cứu

Tôi xin chân thành cảm ơn! Học viên thực hiện

Phạm Văn Ánh

Trang 2

MỤC LỤC

LỜI CẢM ƠN 1

MỞ ĐẦU 7

1 Đặt vấn đề 7

2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, sự cần thiết của đề tài 7

3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài 8

4 Nội dung nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu 8

4.1 Nội dung nghiên cứu 8

4.2 Phương pháp nghiên cứu 9

CHƯƠNG I: 11

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ LƯU VỰC SÔNG NHUỆ - ĐÁY 11

1.1 Nghiên cứu đặc tính thủy văn sông Nhuệ - Đáy 11

1.2 Đánh giá chất lượng nước sông Nhuệ - Đáy 11

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng nước sông Nhuệ - Đáy 14

1.4 Nhu cầu cấp nước và khả năng sử dụng nước sông Nhuệ - Đáy làm nguồn cấp nước sinh hoạt 16

CHƯƠNG II: 17

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ TUYỂN NỔI ÁP LỰC 17

2.1 Lý thuyết về công nghệ tuyển nổi 17

2.2 Tổng quan về lịch sử phát triển của công nghệ tuyển nổi áp lực 21

2.3 Lý thuyết về tuyển nổi áp lực 25

2.4 Tuyển nổi áp lực cao tải và dòng chảy phân tầng trong vùng tách bẩn 38

2.5 Tình hình áp dụng cộng nghệ tuyển nổi áp lực trong xử lý nước cấp ở trong khu vực và ở Việt Nam 40

Nhận xét chung 44

CHƯƠNG III: 45

NGHIÊN CỨU THỰC NGHIỆM XỬ LÝ NƯỚC BẰNG CÔNG NGHỆ TUYỂN NỔI ÁP LỰC TRONG PHÒNG THÍ NGHIỆM 45

3.1 Mô hình thí nghiệm dạng cột trong phòng thí nghiệm 45

3.2 Mô hình thí nghiệm với bể chữ nhật trong phòng thí nghiệm 51

CHƯƠNG IV: 56

NGHIÊN CỨU ĐỀ XUẤT CẢI TẠO TRẠM XỬ LÝ NƯỚC MẶT TP.PHỦ LÝ VỚI NGUỒN NƯỚC MẶT SÔNG ĐÁY 56

4.1 Dây chuyền công nghệ xử lý nước hiện có của NMN Phủ Lý 56

4.2 Lựa chọn DCCN và Thiết kế sơ bộ TXL 56

4.3 Khái toán kinh phí 62

4.4 Nhận xét kết quả 69

Trang 3

KẾT LUẬN, KIẾN NGHỊ 70

Kết luận 70

Kiến nghị 71

Tài liệu tham khảo 71

Phụ lục 73

Trang 4

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1.1 Tổng hợp chất lượng nước sông Nhuệ Đáy khu vực thành phố Phủ lý 12

Bảng 2.1 Những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất và cường độ quá trình tuyển nổi áp lực 26

Bảng 2.2 Độ hòa tan trong nước của oxy, nitơ và không khí trong khí quyển (79.1% N2 và 20.9% O2) 28

Bảng 2.3 Mật độ khí ẩm 30

Bảng 2.4 Một số ví dụ ứng dụng công nghệ DAF tại các trạm xử lý nước cấp quy mô lớn trên thế giới 40

Bảng 2.5 Các nhà máy nước công suất lớn ở Malaysia 41

Bảng 3.1.Chi tiết các thành phần công trình và thiết bị chính của mô hình thí nghiệm 47

Bảng 3.2 Bảng tổng hợp kết quả thí nghiệm 50

Bảng 3.3 Hiệu suất xử lí bằng keo tụ – tuyển nổi và keo tụ – lắng 50

Bảng3 4 Tổng hợp kết quả thí nghiệm xử lí nước bằng công nghệ tuyển nổi, so sánh với quá trình keo tụ - lắng với cùng liều lượng hóa chất keo tụ 53

Bảng 4.1: Tổng hợp chất lượng nước so với tiêu chuẩn nước mặt áp dụng cho nguồn nước cấp sinh hoạt (QCVN 08-2008/BTNMT) 57

Bảng 4.2: Chi phí đầu tư phương án 1 63

Bảng 4.3: Chi phí đầu tư phương án 2 64

Bảng 4.4: Chi phí điện năng cho phương án 1 66

Bảng 4.5: Chi phí điện năng cho phương án 2 67

Bảng 4.6 Chi phí vận hành bảo dưỡng 68

Trang 5

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 2.1 (Trên) Sơ đồ công nghệ xử lý nước với tuyển nổi áp lực; (Dưới) Bể DAF với

vùng tiếp xúc và vùng tách chất bẩn (Edzwald, 2007) 23

Hình 2.2 Thùng bão hòa, Trạm xử lý nước Cambridge, MA (USA) (Edzwald, 2007) 23

Hình 2.3 Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý sơ bộ nước thải nhà máy da 25

Hình 2.4 Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước thải chứa dầu 25

Hình 2.5 Nồng độ khí hòa tan trong dòng tuần hoàn, phụ thuộc vào áp suất bão hòa, ở 5 oC và 20 oC (Cr là nồng độ khí cân bằng trong thùng bão hòa, với áp suất trong thùng bão hòa cộng với 101.33 kPa (áp suất không khí ở 1 atm)) (Edzwald, 2007) 31

Hình 2.6 Các sơ đồ công nghệ tuyển nổi áp lực 33

Hình 2.7 Vùng tách chất bẩn với dòng chảy thủy lực thẳng đứng, cho thấy vận tốc dâng của bọt vb , của tổ hợp keo tụ - bọt vfb so với vận tốc dòng nước từ trên xuống dưới hay tải trọng thủy lực trong vùng tách chất bẩn vsz-hl (Edzwald, 2007) 39

Hình 2.8 Nhà máy nước cấp Singai Dua với DAF ở Penang, Malaysia 42

Hình 2.9 Nhà máy nước cấp với DAF ở Luala Lumpur, Malaysia 42

Hình 2.10 Nhà máy nước cấp Wonju với DAF ở Hàn Quốc 42

Hình 2.11 Hệ thống DAF của hăng Huber 43

Hình 2.12 Hệ thống DAF của hãng Leopold, Mỹ 43

Hình 2.13 Hệ thống AquaDAF của hãng Infilco Degrémont (Pháp) 43

Hình 2.14 Nhà máy nước cấp với DAF kết hợp lọc nhanh ở Melbourne, Australia 44

Hình 3.1.Sơ đồ mô hình thí nghiệm tuyển nổi áp lực dạng cột ( chảy theo mẻ ) 46

Hình 3.2 Thí nghiệm Jatest tại phòng thí nghiệm 48

Hình 3.3 Thùng bão hoà 48

Hình 3.4 Vận hành mô hình trong PTN 48

Hình 3.5 Cột thí nghiệm tuyển nổi áp lực 48

Hình 3.6 So sánh hiệu quả xử lí của Keo tụ – lắng và keo tụ – tuyển nổi 50

Hình 3.7 (a, b) Hệ thống xử lí nước với công nghệ tuyển nổi áp lực 52

Trang 6

mô hình chữ nhật ( chạy liên tục ) 52

Hình 3.8 Kết quả thí nghiệm xử lí nước bằng công nghệ tuyển nổi, so sánh với quá trình keo tụ - lắng 54

Hình 3.9 Thử nghiệm vòi phun 54

trên cột tuyển nổi 54

Hình 3.10 Bọt tuyển nổi 54

Hình 3.11 Bọt tuyển nổi sau khi xả 55

Hình 3.12 Đo độ đục (NTU) 55

Hình 3.13 Mẫu nước (1) Nước thô, (2) sau keo tụ lắng, (3) sau tuyển nổi 55

Hình 4.1 Sơ đồ dây chuyền công nghệ nhà máy nước phía Tây TP Phủ Lý 56

Trang 7

MỞ ĐẦU

1 Đặt vấn đề

Nguồn nước mặt (sông, hồ, suối, .) đang và sẽ là nguồn cấp nước chủ đạo hiện nay và trong tương lai cho hệ thống cấp nước ở nhiều đô thị Quy mô sử dụng nước ngày càng tăng, trong khi chất lượng nước của các nguồn nước mặt lại có xu thế ngày càng suy giảm do tiếp nhận nhiều nguồn thải khác nhau chảy vào trong lưu vực Trên thực tế, với các công nghệ đang áp dụng hiện nay tại các nhà máy nước, ở cả các quy

mô công suất khác nhau, theo cách tiếp cận truyền thống như keo tụ – lắng – lọc nhanh – khử trùng, hoặc sơ lắng - keo tụ – lắng – lọc nhanh – khử trùng, chất lượng nước đầu

ra của các nhà máy nước ngày càng có nhiều nguy cơ không đáp ứng được tiêu chuẩn và/hoặc phải chịu chi phí xử lí rất tốn kém

Do vậy, công nghệ tuyển nổi có thể được xem như một giải pháp thích hợp để cải tạo, nâng cao khả năng xử lý của các nhà máy nước hiện có

2 Tổng quan tình hình nghiên cứu trong và ngoài nước, sự cần thiết của đề tài

Trên thế giới, công nghệ tuyển nổi đã được áp dụng trong lĩnh vực xử lý nước tại các trạm xử lí nước cấp và nước thải, xử lý bùn cặn Ở các nước phát triển, công nghệ tuyển nổi cũng đã được áp dụng tại một số nhà máy xử lý nước mặt (Malaysia, Trung Quốc, Thái Lan, Hàn Quốc ) Chất lượng nước sau xử lý đáp ứng được các tiêu chuẩn cao để cấp cho ăn uống và sinh hoạt, khắc phục những nhược điểm nhiều khi không vượt qua được của công nghệ xử lý nước truyền thống: Keo tụ – Lắng - Lọc

Các công trình nghiên cứu và ứng dụng của các công ty nước ngoài hàng đầu Thế giới như hãng Leopold, Degrémont (Pháp), GHD, KWI (Úc), ETS, Envirowise (Mỹ), vv về công nghệ tuyển nổi, áp dụng tại nhiều nhà máy nước ở các nước phát triển và đang phát triển đầu cho thấy: công nghệ tuyển nổi áp lực (dissolved air flotation – DAF) đặc biệt có hiệu quả trong việc loại bỏ các cặn bẩn hữu cơ, sét, mùn có kích thước nhỏ gây nên độ đục, độ mầu, độ mùi của nước, rong, tảo, các chất vô cơ và kim loại, Chất lượng nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn cao Nhiều chất ô nhiễm kích thước nhỏ, trạng thái hợp thể trong nước ổn định, không thể lắng được trong các bể keo tụ - lắng – lọc thông thường, nhưng lại có thể dễ dàng được loại bỏ bằng cách bám vào các bọt khí kích thước nhỏ (cỡ vài chục micromét) và nổi trên mặt nước dưới dạng bọt, và sau đó được tách ra khỏi nước Tuyển nổi áp lực còn cho phép loại bỏ được cả các vi

sinh vật đơn bào nguy hiểm, không bị tiêu diệt bởi Clo như Giardia, Cryptosporidium,

Công nghệ tuyển nổi áp lực cũng đã khẳng định vị trí và tính ưu việt trong xử lý bùn, cặn từ các trạm xử lý nước thải, nước cấp, nhằm mục đích ổn định và làm khô bùn cặn, giảm lượng bùn phải xử lý, vận chuyển, chôn lấp và giảm đáng kể hoá chất tiêu thụ cũng như kích thước các công trình xử lý bùn cặn như sân phơi bùn, vv

Ở Việt nam, hiện nay công nghệ tuyển nổi nói chung và tuyển nổi áp lực nói riêng bước đầu được áp dụng trong lĩnh vực xử lý nước thải công nghiệp ở quy mô nhỏ, không phổ biến, chưa có điều kiện tổng kết Việc áp dụng công nghệ tuyển nổi trong lĩnh vực xử lý nước cấp chưa được nghiên cứu cụ thể và chưa được áp dụng

Trang 8

Việc loại bỏ hàm lượng cặn lớn, bao gồm cả cặn hữu cơ hòa tan và keo hữu cơ trong nước sông Nhuệ - Đáy, nếu áp dụng các công nghệ truyền thống như ở các nhà máy xử lý nước mặt hiện đang hoạt động ở Việt nam là Sơ lắng - Keo tụ & Tạo bông - Lắng – Lọc – Khử trùng sẽ rất tốn kém Công nghệ này, trong nhiều trường hợp, sẽ không cho phép đạt chất lượng cao của nước sau xử lý, nhất là đối với nguồn nước mặt

có chứa các tạp chất có kích thước nhỏ, như cặn bẩn hữu cơ, sét, mùn, gây nên độ đục, độ mầu, độ mùi của nước, rong, tảo, các chất vô cơ và kim loại, Trong những trường hợp đó, nước sau xử lý thường có mùi ngai ngái đặc trưng của nước sông, không đảm bảo an toàn về mặt chất lượng nước cấp cho sinh hoạt Mặt khác, quá trình làm trong nước bằng công nghệ keo tụ – lắng không đạt hiệu quả cao thì các công trình lọc sẽ phải làm việc với tải trọng cao, dẫn đến chất lượng nước không đảm bảo hay tốn kém trong quá trình vận hành vì phải rửa lọc liên tục, Với điều kiện hiện nay và trong những năm tới, Việt Nam vẫn còn phải áp dụng công nghệ khử trùng truyền thống bằng Clo, rất nguy hiểm đối với nguồn nước còn chứa các tạp chất hữu

cơ dạng keo và hoà tan

Dựa trên các kết quả nghiên cứu về công nghệ tuyển nổi trong lĩnh vực xử lý nước

và hiện đang áp dụng thành công tại các nhà máy xử lý nước ở một số nước trên thế giới cho thấy: Việc áp dụng công nghệ tuyển nổi trong lĩnh vực xử lý nước cấp, đặc biệt là với nguồn nước thô có độ đục thấp, hàm lượng tạp chất lơ lửng và keo, các tạp chất hữu cơ cao như nguồn nước sông Nhuệ Đáy là phù hợp Đây là hướng đi mới, cần mạnh dạn đầu tư nghiên cứu, để có thể áp dụng được trong thực tiễn, đáp ứng yêu cầu bức thiết của các đô thị trong những năm tới, nhằm đảm bảo số lượng và chất lượng nước sau xử lý đáp ứng được yêu cầu ngày càng cao của người tiêu dùng

3 Mục tiêu nghiên cứu của đề tài

Nghiên cứu phát triển công nghệ và thiết bị xử lý nước cấp bằng công nghệ tuyển nổi áp lực, để xử lý nước cấp cho thành phố Phú Lý, Hà Nam với nguồn nước mặt sông Đáy với các quy mô công suất: nhỏ, vừa và lớn, cụ thể như sau:

Đề xuất quy trình xử lý nước cấp, các thông số thiết kế, các thông số về suất đầu

tư, quy trình vận hành và chi phí vận hành (đ/m3 nước xử lý) của nhà máy xử lý nước

áp dụng công nghệ tuyển nổi Công nghệ này sử dụng để cải tạo nhà máy nước hiện

có, nhằm mục đích cải thiện chất lượng nước đầu ra

4 Nội dung nghiên cứu và phương pháp nghiên cứu

4.1 Nội dung nghiên cứu

a) Nghiên cứu nguồn nước

- Nghiên cứu về trữ lượng và chất lượng nước thô - nguồn nước sông Nhuệ Đáy theo mùa khô và mùa mưa đặc biệt là đoạn chảy qua địa phận T.P Phủ Lý

+ Khảo sát thu thập số liệu, kết hợp với việc lấy mẫu nước để đánh giá về chất lượng nước sông Nhuệ Đáy vào mùa mưa và mùa khô

+ Khảo sát thu số liệu để đánh giá hiện trạng về chữ lượng và các thông số thủy văn của sông về mùa mưa và mùa khô

b) Nghiên cứu lý thuyết:

Trang 9

- Nghiên cứu tổng quan kinh nghiệm thế giới: Thu thập tài liệu, các kết quả, sản phẩm nghiên cứu đã có ở trên thế giới , về việc áp dụng công nghệ tuyển nổi áp lực trong lĩnh vực xử lý nước cấp Tổng hợp, phân tích, đánh giá thông tin thu thập được

- Nguyên cứu tổng quan về động học, cơ chế, lý thuyết của các công nghệ tuyển nổi

để lực chọn phương áp tuyển nổi phù hợp để áp dụng trong lĩnh vực xử lý nước cấp phù hợp với điều kiện Việt nam

- Nghiên cứu tổng quan về công nghệ tuyển nổi áp lực, các loại công trình, thiết bị,

sơ đồ công nghệ, hoá chất sử dụng, trong lĩnh vực xử lý nước từ trạm xử lý nước, từ đó lựa chọn một số sơ đồ công nghệ và thông số kỹ thuật, thiết bị phù hợp

để áp dụng trong việc xử lý nước với thành phần và tính chất của nguồn nước mặt sông Nhuệ Đáy

c) Nghiên cứu thực nghiệm trong phòng thí nghiệm

- Nghiên cứu thực nghiệm được thực hiện trên mô hình tuyển nổi dạng cột và dạng

bể chữ nhật, ở cả trong trong phòng thí nghiệm – với nguồn nước thô pha chế nhân tạo, ở cả 2 chế độ vận hành theo mẻ và liên tục

- Nghiên cứu các thông số đầu vào quy trình công nghệ, thiết kế, chế tạo và lắp đặt

mô hình công nghệ tuyển nổi trong phong thí nghiệm

- Nghiên cứu thiết kế, chế tạo mô hình công nghệ xử lý nước mặt trong Phòng thí nghiệm ( thiết kế quy trình, tổ chức lắp đặt, giám sát thi công, chạy thử hiệu chỉnh)

- Nghiên cứu thực nghiệm xử lý nước trong phòng thí nghiệm ( vận hành, tổng hợp

và đánh giá kết quả thí nghiệm), chế độ làm việc liên tục, công suất 1m3/h với các dây chuyền công nghệ khác nhau: keo tụ, lắng, công suất 1m3/h với các dây chuyền công nghệ khác nhau: keo tụ, lắng, tuyển nổi, lọc, với các hóa chất khác nhau (PAC, Phèn, PAA)

Các dây chuyền công nghệ được thử nghiệm để nghiên cứu và so sánh, đối chứng:

(1) Keo tụ – Lắng - Lọc

(2) Keo tụ – Tuyển nổi – Lọc

d) Đề xuất giải pháp kỹ thuật

- Dựa trên kết quả nghiên cứu lý thuyết và thực nghiệm, đề xuất giải pháp kỹ thuật

xử lý nước cấp và từ trạm xử lý nước bằng công nghệ tuyển nổi áp lực, để xử lý nước cấp cho thành phố Phủ Lý, Hà Nam với nguồn mặt sông Nhuệ Đáy với các quy mô công suất: nhỏ, vừa và lớn, cụ thể như sau:

Đề xuất quy trình xử lý nước cấp, các thông số thiết kế, các thông số về suất đầu tư, quy trình vận hành và chi phí vận hành (đ/m3 nước xử lý) của nhà máy xử

lý nước áp dụng công nghệ tuyển nổi

4.2 Phương pháp nghiên cứu

- Phương pháp thống kê và thu thập số liệu

- Phương pháp phân tích và tổng kết kinh nghiệm, kế thừa

- Phương pháp nghiên cứu lý thuyết

Trang 10

- Phương pháp thực nghiệm khoa học

- Phương pháp chuyên gia

- Các phương pháp khác

- Tác giả đã tham gia nhóm nhiên cứu của Viện Khoa học và Kỹ thuật Môi trường

về Công nghệ tuyển nổi áp lực tại phòng thí nghiệm và ngoài hiện trường trong đề tài “ Nghiên cứu phát triển công nghệ tuyển nổi áp lực để xử lý nước và bùn cặn trong trạm xử lý nước cấp đô thị với nguồn nước mặt ở Hà Nội “ trong quá trình làm luận văn tác giả có sử dụng một số kết quả, số liệu được nhóm nghiên cứa và chủ nhiệm đề tài cho phép

Trang 11

CHƯƠNG I:

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ LƯU VỰC SÔNG NHUỆ - ĐÁY

1.1 Nghiên cứu đặc tính thủy văn sông Nhuệ - Đáy

Lưu vực sông Nhuệ - sông Đáy nằm ở hữu ngạn sông Hồng với diện tích tự nhiên 7665 km2, dân số đến năm 2000 là 8.209,2 nghìn người Lưu vực bao gồm một phần Thủ đô Hà Nội, 1 thành phố, 47 thị xã, thị trấn, 44 quận huyện và hơn 990 xã, phường Lưu vực có toạ độ địa lý từ 200-21020' vĩ độ Bắc và 1050- 1060 30' kinh độ Đông, bao gồm các tỉnh sau: Hoà Bình, Hà Nội, Hà Tây, Hà Nam, Nam Định, Ninh Bình

Sông Nhuệ chảy qua nhiều tỉnh với chiều dài 74 km, rộng trung bình là 30 – 40

m và các nhánh lớn khác chảy ngang qua trục chính như tô lịch,lương, đồng bồng, cầu ngà … hai sông Nhuệ Đáy cung cấp nước tưới cho nhiều khu vực đồng bằng bắc bộ Theo đại diện tỉnh Nam Định, cả mùa hèvà mùa đông nước sông Đáy đều bị ô nhiễm hữu cơ và vi sinh, đã xuất hiện dư lượng thuốc bảo vệ thực vật và dầu mỡ Sông Đáy nguyên là một phần lưu lớn của sông Hồng, có chiều dài khoảng 247 km, bắt đầu từ cửa Hát Môn cho đến cửa Đáy trước khi đổ ra biển Đông Do ảnh hưởng của đập Đáy nên đoạn thượng nguồn (từ sau đập Đáy đến Ba Thá dài 71 km) của sông Đáy gần như

là một sông chết Lượng nước chủ yếu cung cấp cho sông Đáy lấy từ các sông nhánh

đổ vào, trong đó quan trọng nhất là sông Tích, sông Bôi, sông Đào và sông Nhuệ Lưu vực có một số sông nhánh chính lấy nước từ sông Hồng qua các công trình điều tiết nước là sông Đáy, sông Nhuệ, sông Châu Giang và sông Đào Ngoài ra lưu vực còn nhận nước tự nhiên, làm nhiệm vụ thoát nước của các con sông nhánh khác như sông Tích, sông Hoàng Long, sông Thanh Hà, sau khi chảy qua các thành phố, thị trấn, thị

xã, khu công nghiệp, khu du lịch, làng nghề

Sông Hồng cung cấp khoảng 85 – 95% tổng lượng nước cho lưu vực sông Nhuệ

- Đáy Tổng lượng nước hàng năm của sông Đáy khoảng 28.8 tỷ m3 trong đó sông Đào ( Nam Định) đóng góp khoảng 25.7 tỷ m3 ( chiếm 89.5%), sông Tích và sông Đáy ở

Ba Thá đóng góp 1.35 tỷ m3 Trên lưu vực mùa lũ từ tháng 6 đến tháng 10 hàng năm đóng góp từ 70 đến 80% lượng dòng chảy cả năm Vào mùa kiệt từ tháng 11 đến tháng

5 nước của hai con sông chính trong lưu vực được cung cấp bởi nước sông Hồng: sông Nhuệ lấy nước từ sông Hồng qua cống Liên Mạc; sông Đào lấy nước từ sông Hồng và

đổ vào sông Đáy Chế độ dòng chảy của sông Đáy không những phụ thuộc vào yếu tố khí hậu ( trước hết là mưa) mà còn phụ thuộc chủ yếu vào nước sông Hồng và chế độ triều ở Vịnh Bắc Bộ Dòng chảy của sông Nhuệ phụ thuộc hoàn toàn vào chế độ đóng

mở của các cống điều tiết : cống Liên Mạc ( lấy nước từ sông Hồng), cống Thanh Liệt (lấy nước từ sông Tô Lịch) và các cống trên trục chính như: Hà Đông, Đồng Quan, Nhật Tựu, Lương Cổ - Hiệp Sơn Lưu vực sông Nhuệ - Đáy chịu ảnh hưởng của chế

độ nhật triều đều vịnh Bắc Bộ

1.2 Đánh giá chất lượng nước sông Nhuệ - Đáy

Đánh giá chất lượng nước sông Nhuệ Đáy và diễn biến chất lượng nước sông qua các năm dựa trên cơ sở các kết quả khảo sát, đo đạc của các cơ quan nghiên cứu,

Trang 12

đặc biệt là kết quả quan trắc và phân tích môi trường của các trạm quan trắc môi trường Quốc gia thuộc Cục Bảo vệ Môi trường, Bộ TN&MT và các sở TN&MT các tỉnh phía Bắc, so sánh với QCVN 08 – 2008/BTNMT trong các năm vừa qua

Chất lượng nước sông Nhuệ Đáy khu vực Hà Nam được thể hiện ở bảng sau

Bảng 1.1 Tổng hợp chất lượng nước sông Nhuệ Đáy khu vực thành phố Phủ lý

Giá trị tối đa

QCVN 01: 2009/BYT

0

Trang 13

(Nguồn: Nguyễn Văn Khả, 11/2010)

* Một số nhận xét:

- pH: nước sông Nhuệ - Đáy có tính kiềm nhẹ, với giá trị pH trung bình dao động trong khoảng 7,4 - 7,6 Giá trị pH lớn nhất 8,7, nhỏ nhất 6,1 Dao động của pH không theo quy luật mùa Giá trị pH > 7 của nước sông Nhuệ - Đáy thuận lợi cho quá trình xử lí nước bằng phèn

- Hàm lượng ô xy hoà tan (DO): nhiều số liệu quan trắc cho thấy giá trị DO trong nước sông thấp hơn giá trị cho phép đối với nước mặt trước khi xử lý tại các công trình xử lý nước cho sinh hoạt Tuy nhiên, hàm lượng DO trong sông Nhuệ - Đáy vẫn nằm trong phạm vi cho phép của tiêu chuẩn QCVN 08-2008/BTNMT

- TSS: Cặn lơ lửng trong nước sông Nhuệ - Đáy là kết quả của quá trình xói mòn

bề mặt lưu vực do lượng nước mưa xối xuống sông Do vậy, vào mùa lũ lụt, hàm lượng cặn lơ lửng rất cao, đặc biệt là ở vùng đầu nguồn sông Hàm lượng cặn lơ lửng trong nước sông Nhuệ - Đáy thay đổi rõ rệt theo mùa Mùa đông, TSS có giá trị thấp nhất, có lúc chỉ nằm trong khoảng 10 – 19 mg/L, trong khi

đó, vào mùa mưa, TSS lên tới 480 mg/L tại thời điểm quan trắc, thậm chí còn cao hơn Giá trị TSS trung bình trong nước sông Nhuệ - Đáy là 94 – 122 mg/L Đây là chỉ tiêu cần quan tâm khi sử dụng sông Nhuệ - Đáy làm nguồn nước cấp cho sinh hoạt

- Độ đục (NTU): Giá trị NTU có dao động đồng dạng với những diễn biến của hàm lượng cặn (TSS) Giá trị NTU max đo được là 250 NTU, giá trị min đo được

là 9,7 NTU, giá trị trung bình là 79 – 127 NTU

- Hàm lượng chất hữu cơ BOD và COD trong nước sông Nhuệ - Đáy tại một số đoạn tương đối cao so với tiêu chuẩn QCVN 08 – 2008/BTNMT áp dụng cho các nguồn cấp nước cho sinh hoạt Kết quả nghiên cứu trước đây về hàm lượng chất hữu cơ trong nước sông Nhuệ - Đáy cho thấy nguồn gốc chủ yếu của các chất hữu cơ này là do xói mòn đất và chất thải công nghiệp xả xuống các lưu vực sông Hiện tượng xói mòn chỉ xuất hiện vào mùa lũ, nhưng việc xả chất thải công nghiệp thì lại mang tính thường xuyên Chỉ số CODCr đo được trong nước sông Nhuệ - Đáy khu vực Hà Nam khá cao: trung bình 13 – 13,9 mg/L Giá trị quan trắc lớn nhất đo được là 19,7 mg/L Giá trị nhỏ nhất là 8,8 mg/L Chảy qua địa phận Hà Nam, CODCr có xu hướng tăng thêm trung bình 0,9 mg/L,

và có xu thế tăng dần qua các năm Đây là vấn đề cần quan tâm khi khai thác nước sông Hà Nam để xử lí, cấp cho các mục đích sử dụng Cũng cần lưu y một điểm là kết quả quan trắc chất lượng nước sông Nhuệ - Đáy theo chỉ tiêu COD(K2Cr2O7), trong khi chỉ số oxy hóa đối với nguồn nước và với nước cung cấp cho sinh hoạt được đánh giá theo COD(KMnO4)

- Các chất dinh dưỡng có chứa nitơ và photpho như nitrat, nitrit, ammoniac và photphat trong nước sông Nhuệ - Đáy có xuất xứ từ hiện tượng xói lở, từ các hoạt động công nghiệp và nông nghiệp và từ chất thải sinh hoạt Xói lở và các hoạt động nông nghiệp chỉ gây ảnh hướng tới chất lượng nước sông vào mùa

Trang 14

lũ, nhưng ảnh hưởng của chất thải công nghiệp và sinh hoạt thì quanh năm Vào mùa khô, lưu lượng nước sông thấp, do vậy tác động của riêng việc xả nước thải cũng gia tăng đáng kể Tuy nhiên, số liệu quan sát cho thấy, ảnh hưởng của việc ô nhiễm chất dinh dưỡng đến chất lượng nước sông Nhuệ - Đáy tại đoạn chảy qua khu vực Hà Nam là không đáng kể

- Nhìn chung, hàm lượng kim loại nặng trong nước sông Nhuệ - Đáy không đáng

kể Nguồn gốc của chúng chủ yếu là do thiên nhiên như xói lở, nước chảy từ trên mặt đất và quặng phân huỷ ở lưu vực sông Hàm lượng kim loại nặng trong chất thải công nghiệp rất thấp

- Theo số liệu quan trắc tại khu vực trong những năm gần đây lượng coliform trong nước sông Nhuệ - Đáy có xu hướng gia tăng Vi khuẩn Coliforms có mặt trong nước có nguồn gốc từ nước thải sinh hoạt và từ các hoạt động trên sông như giao thông đường thuỷ, du lịch và đánh bắt cá Các chỉ tiêu chất lượng nước về mặt vi sinh cần được kiểm soát trong các nhà máy xử lý nước nhờ quá trình làm trong nước (một phần) và công đoạn khử trùng

1.3 Các yếu tố ảnh hưởng đến chất lượng nước sông Nhuệ - Đáy

- Môi trường nước mặt của lưu vực sông Nhuệ - Đáy đang chịu sự tác động mạnh mẽ của nước thải sinh hoạt, và các hoạt động công nghiệp,nông nghiệp

và thủy sản trong khu vực Hiện nay trên lưu vực, chất lượngnước nhiều đoạn sông bị ô nhiễm đến mức báo động Nước sông bị ô nhiễm chủ yếu bởi các chất hữu cơ, dinh dưỡng, lơ lửng, mùi hôi độ màu và vi khuẩn đặc biệt vào mùa khô

Xu hướng ô nhiễm của nước sông trong khu vực ngày càng tăng Tuy nhiên, do lượng nước sông lớn, lượng nước thải nhanh chóng bị pha loãng và còn nằm trong giới hạn cho phép

- Sông Nhuệ bị ô nhiễm nghiêm trọng sau khi nhận nước từ sông Tô Lịch Mặc

dù tại khu vực đầu nguồn ( sau khi nhận nước sông Hồng), nước sông hầu như không bị ô nhiễm, nhưng từ đoạn sông chảy qua thị xã Hà Đông (phúc la) cho tới trước khi nhận nước sông Tô Lịch, nước bắt đầu bịô nhiễm: các giá trị COD, BOD5 vượt quá QCVN 08 – 2008/BTNMT loại B từ 3 đến 4 lần Nước màu đen

có váng, cạn lắng, và có mùi tanh Sau khi tiếp nhận nước thải từ sông Tô Lịch nước sông Nhuệ bị ô nhiễm nghiêm trọng Đặc biệt vào mùa khô, không có nguồn nước sông Hồng đổ vào pha loãng cho sông Nhuệ Vào mùa mưa tuy nước sông có nguồn bổ sung, nhưng các thông số đặc trưng cho ô nhiễm như BOD5,COD, SS, cùng với các hợp chất dinh dưỡng chứa N, P, coliform trongnước sông vượt quá tiêu chuẩn nhiều lần Tuy nhiên, khi sông về tới Hà Nam lượng ô nhiễm giảm và đạt được tiêu chuẩn Việt Nam

- Trong tương lai, khu vực dân cư và công nghiệp trong lưu vực sẽ được mở rộng và phát triển Các hệ thống quản lí chất thải phù hợp sẽ phải được xây dựng

- Trong năm 2000, lượng phân bón sử dụng cho nông nghiệp tại Việt Nam đã tăng gấp 4 lần so với những năm trước năm 1980 Lượng sử dụng phân bón

Trang 15

năm 2000 đạt 36,5 kg/ha, chiếm gấp gần 2 đến 3 lần so với những năm 1981 –

1985 Hiện tại lượng phân bón sử dụng trên 1 hecta lên tới 120 –180 kg mỗi năm Phân bón sử dụng chủ yếu cho cây nông nghiệp, trong đó cây lương thực như gạo, ngô và khoai tây chiếm 40 –50% Rau và cây ăn quả chiếm 5 – 10%, cây công nghiệp như chè và bông chiếm 11 – 15%, cỏ chiếm 8 –11% và các loại

củ, cây lấy dầu như lạc, đậu, chiếm phần còn lại 10 –14%

- Theo các tính toán gần đây, tại lưu vực sông Hồng, khoảng 65 –90 tấn phân bón được sử dụng cho cây trồng mỗi năm Lượng phân bón sử dụng phụ thuộc vào mùa và từng loại cây trồng Vào vụ lúa xuân, người ta thường sử dụng phân bón vào tháng 2 và 3; vụ thu đông, phân bón chủ yếu được dùng vào tháng 7 và 8 Điều này ảnh hưởng rất lớn đến chất lượng nước sông Nhuệ - Đáy do sông Hồng cung cấp khoảng 85 – 95% tổng lượng nước cho lưu vực sông Nhuệ - Đáy

- Lượng phân nitơ dùng cho lúa nước mỗi vụ mùa thường là 120 –150 kg/ha Tỷ

lệ phốt phát và Kali khoảng 0,4 - 0,5 so với nitơ Đối với các loại ruộng khô hoặc bậc thang, lương phân bón sử dụng thấp hơn rất nhiều, thường chỉ bằng 1/5 so với ruộng lúa nước (đôi lúc phân bón không được sử dụng cho các ruộng này)

- Đối với một số cây công nghiệp trồng trong vùng lưu vực như cây chè, việc dùng phân bón thường được kéo dài từ mùa xuân đến đầu mùa thu Nói chung, phân bón thường được dùng sau mỗi vụ thu hoạch Phốt phát chủ yếu dùng cho cho cây thu lá

- Trong nông nghiệp, có một số loại phân Nitơ được sử dụng rộng rãi như phân urê Ngày nay người nông dân thường lựa chọn việc dùng phân hỗn hợp trong nông nghiệp với tỷ lệ N:P:K thích hợp, phù hợp cho mỗi vùng Theo các thống

kê chung cho toàn lưu vực, việc sử dụng phân bón đang ngày càng tăng

- Các hợp chất hoá học bảo vệ mùa màng được sử dụng chủ yếu ở lưu vực sông Hồng là thuốc trừ sâu và hoá chất diệt chuột Thuốc trừ sâu, chủ yếu là diệt nấm, được sử dụng rộng rãi trong nông nghiệp với thuốc diệt vật gây hại, chủ yếu là diệt muỗi để chống dịch bệnh Hiện nay, thuốc diệt cỏ chưa được sử dụng

- Thuốc trừ sâu diệt cỏ được cho phép sử dụng và được sử dụng khá rộng rãi tại lưu vực sông Hồng hiện nay là Monitor, Methylparathion, Padan, Monocrotophos, Bassa, Furadan 3G, Alpha-cypermethrin, Thiodan, Karate, Trebon, Phosalone, Thuốc diệt nấm được sử dụng ở đây là Anvil, Validacin, Rovral, Dinazin, Fuji-One, Benlat, Fundazol, Topsin

- Bên cạnh đó, cũng có một số loại thuốc bị cấm sử dụng nhưng vẫn được dùng

vì nó có thể diệt muỗi và các loại sâu bọ có hại khác, giá rất rẻ và quen thuộc với người nông dân Các chất đó là DDT, Chlordane, Dieldrin, hợp chất Cadmium, và các loại chất rất độc để diệt chuột sản xuất tại Trung Quốc

- Do sự phát triển của công nghệ hoá học, ngày nay có rất nhiều loại thuốc trừ sâu diệt cỏ trên thị trường Chúng có thể phân ly rất nhanh, độc tính của nó có

Trang 16

thể biến mất chỉ sau một tuần đôi lúc thậm chí chỉ sau 24 giờ Chúng chủ yếu thuộc nhóm Phốt pho hữu cơ và được sử dụng phổ biến tại lưu vực sông Nhuệ

- Đáy Lượng thuốc trừ sâu sử dụng tại lưu vực nhỏ, chỉ khoảng 2 – 3 kg/ha mỗi vụ mùa, tương đương 1.000 – 1.500 tấn/năm

- Đối với khu vực trồng lúa nước 2 vụ mùa mỗi năm, lượng thuốc trừ sâu sử dụng chủ yếu được tập trung vào thời kỳ trổ bông ví dụ như tháng 2 – 3 cho vụ mùa xuân hoặc tháng 7 – 8 cho vụ hè thu Thông thường, lịch sử dụng thuốc trừ sâu giống như thời gian sử dụng phân bón Tuy nhiên, điều này còn phụ thuộc vào việc xuất hiện của sâu bọ nên thời gian sử dụng có thể thay đổi đôi chút

- Lượng thuốc trừ sâu sử dụng cho cây chè thường cao hơn so với các loại cây công nông nghiệp khác do thời gian thời gian trồng chè dài hơn các loại cây khác Hơn nữa, thời gian thu hoạch lá và nụ chè khác nhau theo từng vụ Đối với các cây ăn trái, thuốc trừ sâu được dùng khi quả chín, do vậy thời gian sử dụng thuốc trừ sâu thường rơi vào mùa đông cho các loại cây như mơ, mận và vào mùa xuân cho các loại cây như cam, chanh, đào,Trong suốt thời gian này, lượng mưa rất ít tuy vậy thuốc trừ sâu còn lại sẽ chảy về sông Nhuệ - Đáy, ảnh hưởng tới chất lượng nước của sông

- Tất cả các yếu tố từ các hoạt động nông nghiệp đã đề cập ở trên như diện tích đất canh tác lúa và các cây trồng khác, lượng phân bón và thuốc trừ sâu sử dụng, thức ăn gia súc và gia cầm, có ảnh hưởng nhỏ đến chất lượng nước sông Nhuệ - Đáy, do hệ thống đê điều và đặc trưng của trồng trọt từng mùa Tuy vậy,

do các yếu tố bất thường của thời tiết như mưa bão hay lũ lụt, các hợp chất hoá học sử dụng để bảo vệ mùa màng có thể gây ô nhiễm nước sông Các chất ô nhiễm nông nghiệp có liên quan thường xảy ra vào mùa mưa, đặc biệt vào giai đoạn giữa tháng 6 và 8 Trong mùa khô, nước ở lưu vực sông Nhuệ - Đáy khan hiếm do phải tích trữ cho tưới tiêu nông nghiệp, vì vậy ô nhiễm do nông nghiệp không đáng kể

1.4 Nhu cầu cấp nước và khả năng sử dụng nước sông Nhuệ - Đáy làm nguồn cấp nước sinh hoạt

- Theo Quyết định 1226/QĐ-TTg ngày 22 tháng 7 năm 2011 phê duyệt Quy hoạch tổng thể phát triển kinh tế- xã hội của tỉnh Hà Nam, Quy hoạch xây dựng vùng tỉnh Hà Nam đến năm 2030 tầm nhìn 2050, nước sông Nhuệ Đáy vẫn là nguồn nước chính cấp cho thành phố Phủ Lý đến năm 2020 Nước sông Hồng, sông Châu Giang sẽ là nguồn nước cấp bổ sung cho giai đoạn 2030 Do nguồn nước sông Nhuệ Đáy đảm bảo về chất lượng cũng như lưu lượng, và sông Nhuệ Đáy tiếp tục được sử dụng làm nguồn cấp nước cho đô thị

- Hệ thống cấp nước cho thành phố Hà Nam hiện nay đang sử dụng nguồn nước mặt Công suất hiện có của các Nhà máy nước ở Hà Nam là 25.000 m3/ngđ, nhà máy số 1 công suất là 10.000 m3/ngđ, nhà máy số 2 công suất là 15.000

Trang 17

m3/ngđ, đến năm 2020 nâng công suất nhà máy số 2 lên 30.000 m3/ngđ, và đến năm 2030 xây dựng nhà máy nước số 3 công suất 50.000 m3/ngđ

- Hiện nay, các dự án cấp nước với nguồn nước mặt nói trên đều dựa vào công nghệ truyền thống để xử lý nguồn nước mặt của sông Nhuệ Đáy, sông Châu Giang và sông Hồng: Sơ lắng – Keo tụ – Tạo bông – Lắng – Lọc nhanh – Khử trùng Các nghiên cứu trên đều cho thấy sự cần thiết của việc tìm tòi và làm chủ các hướng giải pháp công nghệ mới, giải quyết những vấn đề cấp bách trong phát triển hạ tầng của thành phố Phủ Lý nói riêng và của đô thị nói chung trong những năm tới

CHƯƠNG II:

NGHIÊN CỨU TỔNG QUAN VỀ TUYỂN NỔI ÁP LỰC

2.1 Lý thuyết về công nghệ tuyển nổi

2.1.1 Khái niệm và bản chất quá trình tuyển nổi

Trong lĩnh vực xử lý nước, khái niệm tuyển nổi được hiểu như sau: các chất bẩn có kích thước nhỏ, nằm trong nước ở dạng hạt lơ lửng hay thể keo, có bề mặt

kỵ nước, dính kết vào các bọt khí hình thành hoặc được đưa vào trong nước, các cặp bọt khí - phần tử chất bẩn này sẽ nổi lên trên mặt nước, tạo thành lớp bọt có nồng độ các chất bẩn kể trên, cũng như một số các chất tan và ion khác, cao hơn nồng độ của chúng trong nước và được tách ra khỏi nước

Thực chất của quá trình tuyển nổi là sự dính kết phân tử của chất bẩn với

bề mặt phân chia giữa khí và nước Sự dính kết diễn ra được là do có năng lượng

tự do trên bề mặt phân chia đó, và nhờ hiện tượng bề mặt đặc biệt gọi là hiện tượng tẩm ướt Hiện tượng này xuất hiện ở những nơi tiếp xúc giữa ba pha lỏng - khí và rắn, tức là xuất hiện theo chu vi tẩm ướt

Khả năng tẩm ướt của chất lỏng được đánh giá bằng giá trị sức căng bề mặt của nó tại biên giới phân chia khí - lỏng, và bằng sự phân cực ở ranh giới lỏng - rắn Sức căng bề mặt của chất lỏng và hiệu phân cực càng nhỏ thì vật rắn càng dễ

bị tẩm ướt

Trong nước, các phần tử chất bẩn chỉ dính bám vào bề mặt bọt khí khi chúng không hoặc kém bị tẩm ướt bởi nước Khả năng tẩm ướt của một số chất lỏng nói chung tùy thuộc vào độ phân cực của nó Độ phân cực của chất lỏng càng cao thì nó càng khó tẩm ướt đối với vật rắn Nước có thể tẩm ướt tất cả trừ một số

mỡ hữu cơ

2.1.2 Các phương pháp tuyển nổi

Yếu tố cơ bản của quá trình tuyển nổi là sự dính kết các phần tử chất bẩn nằm trong nước với các bọt khí Quá trình này được thực hiện, hoặc nhờ sự va chạm của chúng, hoặc do sự hình thành những bọt khí ngay trên bề mặt các phần

Trang 18

tử chất bẩn trong nước Trong kỹ thuật tuyển nổi, có thể làm bão hòa không khí bằng một số phương pháp sau:

- Khuyếch tán không khí vào nước bằng phương pháp cơ học, sử dụng các thiết bị như cánh khuấy, vv ;

- Phương pháp hóa học, tạo các bọt khí nhờ các phản ứng hóa học giữa một

số hóa chất và nước hoặc bổ sung vào nước một số chất tạo bọt;

- Phương pháp chân không, tạo bọt khí bằng việc giảm áp suất trong lòng chất lỏng;

- Khuyếch tán không khí vào nước bằng cách cho dòng nước đi qua lớp vật liệu xốp (tuyển nổi hơi);

- Phương pháp điện hóa, tạo ra các bọt khí bão hòa bằng điện phân nước;

- Phương pháp áp lực, hòa trộn không khí vào nước dưới áp suất cao;

- Tuyển nổi cơ khí, hay còn được gọi là tuyển nổi dùng cánh khuấy Nguyên

tắc làm việc của thiết bị như sau: khi cánh khuấy được bố trí dưới đáy bể quay, trong Stato của nó tạo nên chân không Do có sự chênh áp suất, không khí được hút qua ống trung tâm gắn với Stato và thông với không khí Cánh quạt của máy khuấy sẽ tạo nên từ dòng không khí những bọt khí nhỏ và phân bổ chúng đều khắp thể tích bể Các bọt khí va chạm với các phần tử chất bẩn, dính kết với chúng

và nổi lên trên mặt nước Nhược điểm của thiết bị này là mức tiêu thụ điện năng cao (1,5 - 2,5 KWh/m3 nước thải); có dòng chảy rối, làm cho các tổ hợp bọt khí - hạt chất bẩn hình thành bị phá vỡ và lớp nước trên cùng bị khuấy trộn với lớp bọt trên bề mặt bể Để khắc phục nhược điểm trên người ta có thể cải tiến kết cấu của

bể tuyển nổi hay bố trí vài bể làm việc nối tiếp

- Tuyển nổi bọt Nước thải được đưa vào bể từ trên xuống, qua lớp bọt đã

được tạo thành từ trước nhờ sục khí vào bể Do không có sự tạo thành dòng chảy xoắn trong bể nên điều kiện hình thành, nổi lên và giữ lại trên mặt nước của các tổ hợp tuyển nổi thuận lợi hơn so với thiết bị tuyển nổi cơ khí Hiệu suất làm sạch của thiết bị này tương đối cao hơn so với tuyển nổi cơ khí

Thiết bị có cấu tạo và chế độ vận hành tương đối đơn giản, tiêu thụ điện năng thấp (0,5 - 0,8 KWh/ m3 nước thải) Có thể sử dụng thiết bị để xử lý sơ bộ nước thải trước giai đoạn xử lý sinh học Nhược điểm chung của thiết bị kiểu này

là thiết bị khá cồng kềnh, dễ bị gỉ do tạo môi trường pH < 7 trong quá trình phân hủy mỡ, lượng bọt tạo thành nhiều (chiếm tới 20 - 25 % lượng nước xử lý)

Trang 19

Không khí được dẫn vào ống hút máy bơm từ máy nén khí hoặc êzectơ Hỗn hợp khí – nước được tạo thành trong máy bơm và được đẩy vào bể hở – kiểu

bể lắng ngang Ở đó bọt không khí được nổi lên mặt nước và kéo theo các tạp chất bẩn Nước trong và bọt với các chất bẩn dẫn đi riêng biệt

Nhược điểm chủ yếu của biện pháp tuyển nổi không áp là khó điều chỉnh lượng không khí do đó chế độ công tác của trạm không ổn định Chẳng hạn, chỉ tăng lượng không khí lên một chút (10%) so với tính toán đã làm chế độ công tác bình thường của máy bơm bị phá huỷ Nếu giảm lượng không khí thì lại làm hiệu suất tuyển nổi kém đi

Nhược điểm nữa là bánh xe công tác của máy bơm không tạo được các bọt khí nhỏ nên hiệu suất tuyển nổi không cao, nhất là đối với các hạt chất bẩn nhỏ

- Phương pháp tuyển nổi điện hóa Dựa trên nguyên tắc tạo những bọt khí

vô cùng nhỏ trên các điện cực khi điện phân nước thải Các bọt khí này chuyển động lên trên mặt nước, va chạm với các phần tử chất bẩn có tính kỵ nước hoặc được làm cho có tính chất trên, dính kết với chúng và tuyển nổi lên trên mặt nước

Hiệu suất quá trình tuyển nổi điện phụ thuộc vào cường độ dòng điện, pH, nồng độ các muối trong dung dịch, thời gian tuyển nổi và chiều cao lớp nước trong bể xử lý

Chất khí chủ yếu tạo thành trong quá trình điện phân nước thải là Hydro Ngoài ra còn có Oxy, Nitơ, Clo, các Oxit cacbon, Kích thước của các bọt khí bằng

10 - 200 m (trong đó lượng bọt khí với kích thước 25 - 40 m chiếm hơn 50%)

Bề mặt của các bọt khí kích thước nhỏ có năng lượng bề mặt lớn, tạo điều kiện thủy động học tốt và cho phép đạt hiệu suất xử lý cao Một điểm ưu việt nữa của phương pháp này là có thể thay đổi lượng bọt khí tạo thành cũng như kích thước của chúng bằng cách thay đổi cường độ và mật độ dòng điện

Có thể đạt hiệu suất xử lý rất cao, kết hợp sử dụng phương pháp tuyển nổi điện và keo tụ điện (tuyển nổi keo tụ điện) Nguyên tắc của phương pháp này là điện phân nước thải bằng các điện cực tan (nhôm, sắt, ) Đồng thời với quá trình quá trình điện phân nước và tạo các bọt khí Hydro và Oxy, dưới tác dụng của dòng điện, các ion kim loại từ điện cực bị thủy phân, tạo nên các Hydroxyt kim loại đóng vai trò các bông keo tụ, hút bám các phần tử chất bẩn nằm ở cả thể lơ lửng

và thể keo Các bông keo tụ này va chạm với các bọt khí tạo thành trong nước, dính kết với chúng và nổi lên trên mặt nước Mặt khác chính các bông keo tụ này cũng làm cho các quá trình hấp phụ, dính kết, diễn ra thuận lợi hơn, làm tăng hiệu suất tuyển nổi Lượng bọt tuyển nổi tạo thành không nhiều (3 - 6% lượng nước xử lý)

Những nhược điểm làm hạn chế việc phổ biến áp dụng những thiết bị này trên thực tế là phải tiêu hao năng lượng điện và các điện cực đắt tiền (trung bình 0,6 - 1,5 KWh, 7 - 8 g điện cực nhôm hay 10 - 14 g điện cực sắt / 1 m3 nước thải), cấu tạo và vận hành thiết bị phức tạp, khó khăn trong việc hoàn nguyên và tái sử dụng cặn và bọt tuyển nổi, do hỗn hợp có thành phần hóa học phức tạp

Trang 20

- Tuyển nổi áp lực Phương pháp này dựa trên nguyên tắc bão hòa nước

thải bằng không khí dưới áp suất cao, sau đó đột ngột hạ nhanh áp suất xuống bằng áp suất khí quyển Khi đó xảy ra quá trình nhả khí và hình thành các bọt khí kích thước rất nhỏ trong nước Các bọt khí này, cùng với các phần tử chất bẩn dính bám vào chúng, nổi lên trên mặt nước

Sau khi xử lý sơ bộ bằng tuyển nổi, có thể xử lý hoàn toàn trong các công trình xử lý sinh học Phương pháp này có nhiều ưu điểm như cường độ làm việc

và hiệu suất xử lý cao, giảm đáng kể tải trọng các chất bẩn hữu cơ và vô cơ lên các công trình xử lý, tăng vận tốc quá trình oxy hóa sinh hóa, nhờ vậy giảm được khối tích các công trình cũng như năng lượng cần tiêu thụ Chính vì vậy mà phương pháp tuyển nổi áp lực được áp dụng rộng rãi trong xử lý nước cấp, nước thải, bùn cặn

- Tuyển nổi với không khí nén Được sử dụng để xử lý các loại nước thải có

chứa các chất có tính xâm thực cao Không khí được đưa vào ngăn tuyển nổi qua các vòi phun đặc biệt qua các ống dẫn không khí nén dưới áp suất khoảng 3 - 5 atm, tốc độ dòng không khí ra khỏi vòi 100 - 200 m/s

- Tuyển nổi với khuyếch tán không khí qua tấm vật liệu xốp Phương pháp

này được áp dụng khi lượng nước hay nước thải lớn Phải đảm bảo sao cho các bọt khí thoát ra từ lớp vật liệu xốp có kích thước đủ nhỏ, không được dính kết với nhau Phương pháp này không cần đòi hỏi các thiết bị phức tạp, tốn ít điện năng,

có thể sử dụng cho các loại nước thải có tính xâm thực Nhược điểm của phương pháp này là các lỗ của tấm vật liệu xốp dễ bị tắc, khó chọn loại vật liệu xốp có độ bền và kích thước lỗ thích hợp

- Tuyển nổi chân không Hỗp hợp khí nước được bơm vào ngăn làm thoáng

và từ đó nước thải dẫn qua ngăn sau để tách không khí chưa kịp hoà tan Tiếp theo là do sự chênh lệch áp suất nên nước được dẫn vào ngăn tuyển nổi Ở đó nhờ

áp suất chân không, không khí (trước đây tan trong nước ở áp suất khí quyển) được hình thành ở dạng các bọt cực nhỏ và kéo theo các chất bẩn nổi lên Bọt cùng với các chất bẩn nhờ hệ thống thanh gạt được gạt vào máng dẫn tới bể chứa Ngoài ra trong ngăn tuyển nổi chân không còn có hệ thống thanh gạt ở đáy bể để gạt cặn lắng xuống Nước trong qua hệ thống máng tôn xung quanh được dẫn đi

để xử lý tiếp tục

Áp suất chân không trong ngăn tuyển nổi chừng 225 – 300 mmHg và được tạo ra ban đầu nhờ bơm chân không Bơm này tiếp đó có thể làm việc liên tục hoặc gián đoạn để đẩy lượng khí tách ra trong ngăn tuyển nổi Để nước trong ngăn tuyển nổi với ấp suất chân không có thể chảy ra công trình ngoài (với áp suất khí quyển) thì cốt địa hình chênh lệch giữa mực nước trong và ngoài phải lớn hơn áp suất chân không bên ngoài Cốt chêng lệch đó nên khoảng từ 8 – 10 m cột nước, nếu không phải dùng bơm hút nước đi Đây cũng là một hạn chế đối với trạm tuyển nổi chân không Thời gian nước lưu lại trong ngăn tuyển nổi khoảng

20 phút lưu lượng bề mặt 220 m3/m2ngđ.Ưu điểm của phương pháp này là các quá trình tạo bọt khí, tạo các tổ hợp bọt khí - chất bẩn và nổi lên trên mặt nước đều xảy ra ở trạng thái môi trường tĩnh, nên hiệu suất tuyển nổi cao, tốn ít năng

Trang 21

lượng Nhược điểm của phương pháp là độ bão hòa các bọt khí trong nước thấp, nên chỉ sử dụng được đối với nước thải có nồng độ chất bẩn cao (trên 250 - 300 mg/l) Ngoài ra, chúng đòi hỏi phải chế tạo hoàn toàn kín, với thiết bị gạt cặn bên trong, nên gặp khó khăn khi sản xuất cũng như vận hành, sửa chữa

Biện pháp này có nhược điểm là mức độ bão hoà các bọt khí trong nước thấp nên chỉ sử dụng với các loại nước thải có nồng độ chất bẩn không tan khá cao (trên 250 – 300 mg/l) Nhược điểm nữa là phải xây dựng lắp ráp các thùng chân không rất kín với các thiết bị gạt cơ giới bên trong Do đó về cấu tạo và quản lý gặp nhiều khó khăn Bất kỳ sửa chữa dù nhỏ nào cũng không thực hiện được nếu không ngừng làm việc toàn trạm

- Tuyển nổi hóa học Một số hóa chất, khi cho vào trong nước thải, sẽ sinh

ra các khí như Oxy, Cacbonic, Clo, Các bọt khí này, trong một số điều kiện nhất định, dính kết với các chất bẩn không tan trong nước và cùng nổi lên trên mặt nước

2.2 Tổng quan về lịch sử phát triển của công nghệ tuyển nổi áp lực

Phương pháp tách chất rắn từ dung dịch nhờ bọt khí được áp dụng trong thực tế lần đầu tiên trong công nghiệp tuyển quặng (làm giàu quặng than) từ năm

1877 (Nguyễn Việt Anh, 1995) Sau 1945, tuyển nổi đã được ứng dụng trong xử lý

nước cấp, nước thải của nhiều ngành công nghiệp ở Nga, đặc biệt là công nghiệp

chế biến dầu, hoá chất, công nghiệp nhẹ và thực phẩm (Nguyễn Việt Anh, 1995)

Tuyển nổi cơ khí được áp dụng ở Liên Xô trong công nghiệp dầu khí từ rất

lâu (Karelin, 1959, Classen và Macroysov, 1959) Phương pháp này được áp dụng

trong công nghiệp chế biến thực phẩm (thịt) năm 1965 Tuyển nổi bọt và tuyển

nổi áp lực được phát triển ở Liên Xô những năm 60 của thế kỷ 20 (Nguyễn Việt Anh, 1995) Tuyển nổi điện hoá được phát triển ở Liên Xô sau đó vài năm, giai đoạn1970 – 1980 (Volkov, Shmidt, 1962) Đã có rất nhiều công trình nghiên cứu

theo lĩnh vực này được thực hiện một cách bài bản, chuyên sâu ở Liên Xô, trong một quá trình dài, dẫn đến những ứng dụng rộng rãi của công nghệ tuyển nổi trong thực tế, đặc biệt là trong xử lý nước thải của các ngành công nghiệp khác nhau, điển hình là những công trình nghiên cứu của các Viện, trường đại học như

VODGEO, MISI, LISI, AKX, vv… (Nguyễn Việt Anh, 1995)

Tuyển nổi áp lực (Dissolved air flotation - DAF) lần đầu tiên được áp dụng trong xử lý nước cấp ở Phần Lan (ADKA và Sveen-Pedersen) vào những năm 20 của thế kỷ trước Hệ thống DAF thời đó có hình dạng bể dài, nông, tải trọng thuỷ lực dưới 5 m/h, và đạt hiệu suất thấp nên không tìm thấy nhiều ứng dụng, trừ lính vực xử lý nước thải của công nghiệp giấy và bột giấy

Những năm 60 của thế kỷ XX, các chuyên gia Thuỵ Điển, sau đó là Phần Lan tiến hành nghiên cứu và cải tiến các hệ thống DAF thời đó, áp dụng trong xử lý nước cấp Nhờ việc tăng chiều sâu và chiều rộng vùng tách chất bẩn, tải trọng thuỷ lực của DAF tăng lên được tới 5 – 10 m/h Nhờ vậy, các hệ thống DAF mới đã được xây dựng ở Phần Lan năm 1965, vào tới 1970 rất nhiều bể lắng đã được

Trang 22

thay thế hay cải tạo sang bể DAF Trong những năm 1970 – 1990, khá nhiều nhà máy nước áp dụng công nghệ DAF đã được xây dựng ở Bắc Âu và Anh quốc Từ đó trở đi, công nghệ DAF đã được phổ biến rộng rãi trên toàn Thế giới như một giải pháp thay thế bể lắng truyền thống Tại Mỹ, DAF lần đầu tiên được áp dụng ở Lenox, bang Massachusets vào những năm 1980 Đến nay, khoảng trên 100 nhà máy nước sử dụng DAF ở Mỹ, với công suất từ nhỏ (< 3800 m3/ngày) đến lớn (vài trăm ngàn m3/ngày) Nhà máy với công nghệ DAF cấp nước cho khu vực Croton, New York, đang được xây dựng và dự kiến đưa vào sử dụng năm 2012, có công suất lên tới 1.100.000 m3/ngày

Song song với các chuyên gia Bắc Âu, các chuyên gia Nam Phi và Namibia cũng tiến hành các nghiên cứu về DAF từ những năm 1960 Năm 1968, hệ thống DAF đầu tiên được xây dựng ở Windhoek (Nam Phi), nhằm mục đích tái sử dụng nước thải đã qua xử lý, sau hồ sinh học bậc 3, chứa nhiều tảo năm 1970, hệ thống

xử lý nước thảI sử dụng DAF cũng được xây dựng trong công nghiệp giấy Các nghiên cứu ứng dụng DAF trong làm đặc bùn cũng được ĐHTH Cape Town nghiên cứu và công bố từ những năm 1975, 1976

Có thể nói, giai đoạn những năm 60 – 70 của thế kỷ trước là giai đoạn có nhiều nghiên cứu về DAF, đóng góp cho sự phổ biến nhanh của công nghệ này trong công nghiệp Một số nghiên cứu điển hình: về tính chất của bọt (Zieminski

và nnk, 1967), ảnh hưởng của kích thước bọt đến hiệu suất xử lý (Cassel và nnk, 1974), tương tác giữa bọt và bông keo tụ (Reay và Radcliffe, 1973), … Nhiều trạm DAF pilot và quy mô công suất lớn đã được xây dựng ở khắp nơi Tất cả những tiến bộ đó đã cho phép tổ chức Hội nghị quốc tế đầu tiên về tuyển nổi, được tổ chức tại Felixstowe, Anh quốc năm 1976 13 bài báo đã được trình bày, chia sẻ kinh nghiệm của các chuyên gia từ các nước Thuỵ Điển, Pháp, Mỹ, Hà Lan và Anh

Có tất cả 270 đại biểu tham dự từ nhiều nước trên Thế giới Hội nghị được chia thành 4 tiểu ban, gồm làm đặc bùn, xử lý nước thảI công nghiệp, xử lý nước cấp và các sản phẩm DAF thương mại ứng dụng trong thực tế Hội nghị Felixstowe đánh dấu cho sự hợp tác quốc tế và thức đẩy sự phát triển công nghệ DAF Các Hội nghị quốc tế DAF tiếp theo là: Antwerp, Bỉ (1991), Orlando, Mỹ (1994), London, Anh (1997), Helsinki, Phần Lan (2000), Seoul, Hàn Quốc (2007)

Vì sao DAF ngày càng được áp dụng nhiều hơn? Lý do chủ yếu là DAF cho phép đạt hiệu suất xử lý cao hơn so với quá trình lắng truyền thống, đặc biệt đối với nước có độ mầu nguồn gốc tự nhiên cao Những tạp chất kích thước nhỏ, hoặc

có trong nước nguồn, hoặc tạo bởi quá trình keo tụ trong nhà máy nước, được tách ra khỏi nước tốt hơn nhờ DAF so với lắng Một lý do khác là DAF chiếm ít diện tích hơn nhiều so với bể lắng

* Tuyển nổi trong xử lí nước cấp

Hình 2.1 giới thiệu sơ đồ nguyên lý của nhà máy nước áp dụng công nghệ tuyển nổi Bể tuyển nổi thay thế vị trí của bể lắng Quá trình tuyển nổi bao gồm 3 công đoạn chính: 1) tiền xử lý; 2) tiếp xúc trong vùng phản ứng của bể DAF, và 3) vùng tách tạp chất ra khỏi nước

Trang 23

Nghiên cứu áp dụng tuyển nổi áp lực trong công nghệ xử lý nước cấp với nguồn

Công đoạn tiền xử lý chính là quá trình trộn hóa chất và tạo hệ keo tụ Vùng tiếp xúc là phần đầu của bể DAF, nơi các bọt khí tiếp xúc, dính với các phần

tử keo tụ Vùng tách chất bẩn là nơi tách các bọt khí tự do (không dính bám vào các hạt keo tụ) và các bọt khí dính bám với các phần tử keo tụ ra khỏi nước Đối tượng được nhắc đến cuối cùng chính là các tổ hợp phần tử keo tụ – bọt khí

Hình 2.1 (Trên) Sơ đồ công nghệ xử lý nước với tuyển nổi áp lực;

(Dưới) Bể DAF với vùng tiếp xúc và vùng tách chất bẩn (Edzwald, 2007)

Tương tự như bể lắng, người ta thiết kế bể DAF dựa theo tải trọng thuỷ lực Quá trình DAF thông thường có tải trọng thuỷ lực bằng 10-15 m/h Gần đây, DAF cao tải được phát triển với tải trọng đạt 20-40 m/h

Hình 2.2 Thùng bão hòa, Trạm xử lý nước Cambridge, MA (USA) (Edzwald, 2007)

Trộn

Thựng bão hòa

Tuyển nổi Q

Nước tuần hoàn sau TN hoặc lọc Húa chất +

Vùng tách cặn Q

Tuần hoàn (Q r )

Trang 24

*Tuyển nổi áp lực trong xử lý nước thải

Các công trình và thiết bị xử lý nước thải hoạt động theo nguyên tắc tuyển nổi thuộc ba nhóm chính: Các thiết bị xử lý nước chỉ bằng cách tạo bọt khí; các thiết bị xử

lý bằng phương pháp tuyển nổi kết hợp với keo tụ; các thiết bị tuyển nổi kết hợp với lắng và lọc

Phương pháp tuyển nổi có nhiều ưu điểm Xử lý nước thải bằng phương pháp này tương đối nhanh, do vậy giảm được khối tích các công trình xử lý Phương pháp này cho phép loại bỏ các chất bẩn, các chất hoạt tính bề mặt và cả vi khuẩn ra khỏi nước với hiệu suất cao Sau bể tuyển nổi, lượng ôxy hòa tan trong nước tăng, nâng cao

độ ổn định của nước và tạo điều kiện tốt cho các quá trình xử lý sinh học tiếp theo Ngoài ra, tuyển nổi còn cho phép giảm độ dính ướt của các chất bẩn thu được, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tách nước và xử lý tiếp theo, tái sử dụng chúng trong sản xuất hay làm nguyên liệu cho các ngành công nghiệp khác Mặt khác, phần lớn các thiết bị tuyển nổi đều không làm cho thành phần, tính chất của nước thải thay đổi về mặt hóa học, tạo điều kiện cho việc sử dụng nước tuần hoàn trong sản xuất, ví dụ như

sử dụng tuần hoàn nước thải có chứa các chất tẩy rửa trong sản xuất của các xí nghiệp thuộc da, chế biến lông thú, dệt, hóa chất, nhuộm, sơn,

Trên Hình 2.3 giới thiệu sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý sơ bộ nước thải của nhà máy da, sử dụng phương pháp tuyển nổi áp lực Hình 2.4 giới thiệu sơ đồ dây

chuyền công nghệ xử lý nước thải chứa dầu

Trang 25

Hình 2.3 Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý sơ bộ nước thải nhà máy da

I - Nước thải từ PX thuộc; II - Nước thải từ PX khác + nước thải SH;

III - Cặn + bọt tuyển nổi; IV - Nước sau xử lý;

1 - Trạm bơm; 2 - Song chắn rác; 3 - Bể lắng sơ bộ; 4 - Bể điều hòa;

5, 7 - Bể phản ứng; 6, 8 - Bể tuyển nổi bậc I, II; 9 - Ngăn chứa cặn - bọt tuyển nổi

Hình 2.4 Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý nước thải chứa dầu

2.3 Lý thuyết về tuyển nổi áp lực

Trong bể DAF, các phần tử keo tụ tiếp xúc với các bọt khí, tạo các tổ hợp bọt khí – phần tử keo tụ Nếu các phần tử keo tụ được chuẩn bị phù hợp, đặc biệt là

1 2

9

Trang 26

tính chất hoá học trên bề mặt phần tử, nhờ quá trình keo tụ, thì quá trình dính bám và tạo tổ hợp bọt khí – phần tử keo tụ có thể tạo thành Dòng nước đưa các bọt khí, các tổ hợp phần tử keo tụ – bọt khí và cả các phần tử keo tụ chưa dính bám vào bọt khí sang ngăn tách chất bẩn Tại đây, các bọt khí tự do và các tổ hợp bọt khí – phần tử keo tụ nổi lên trên mặt nước, tạo một lớp bọt trên bề mặt bể Lớp bọt này dần trở nên đặc hơn, ở dạng bùn, và được gạt ra khỏi bể DAF Nước

đã tách bẩn được thu từ dưới đáy bể Người ta có thể bố trí bể lọc tiếp theo sau bể DAF, hoặc ngay dưới bể DAF Trong trường hợp thứ nhất, dòng nước tuần hoàn được lấy sau bể DAF Trong trường hợp thứ hai, nước tuần hoàn được lấy sau bể lọc

Quá trình tuyển nổi chịu ảnh hưởng của rất nhiều yếu tố Xét phương pháp tuyển nổi áp lực - một phương pháp thường được áp dụng trong xử lý nước thải công nghiệp làm ví dụ Hiệu suất của quá trình có thể phụ thuộc vào: các tính chất

lý - hóa học của chất bẩn, thành phần nước thải, chế độ làm việc về mặt thủy động học của thiết bị, điều kiện bão hòa, tạo bọt khí và tổ hợp bọt khí - chất bẩn, vv Một số yếu tố có những tác động nhất định, ở một giai đoạn nhất định của quá trình tuyển nổi Bảng 3.1 tổng hợp những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất và cường độ của quá trình tuyển nổi áp lực

Bảng 2.1 Những yếu tố ảnh hưởng đến hiệu suất và cường độ

quá trình tuyển nổi áp lực

hiệu

I Khả năng va chạm bọt khí với các phần tử chất bẩn

1 Lưu lượng nước cần xử lý, nước bão hòa và nước tuần hoàn Q

2 Lượng không khí bị tiêu thụ bởi các quá trình sinh hóa trong

nước

Lsh

II Khả năng dính kết và giữ các phần tử chất bẩn trên bề mặt bọt khí

13 Lưu lượng nước cần xử lý, nước bão hòa và nước tuần hoàn Q

Trang 27

3], [SAA], [SS], [Kk]

26 Hệ số đăc trựng cho sự khác nhau về tính chất của các phần tử

III Khả năng giữ các phần tử chất bẩn lại trong lớp bọt tuyển nổi

41 Tỷ lệ thể tích bọt tuyển nổi trước và sau khi phá vỡ hết bọt b

Tuy nhiên, trên thực tế không thể xác định và định lượng được toàn bộ các yếu tố trên, vì vậy người ta nghiên cứu những quy luật cơ bản nhất, theo từng giai đoạn của quá trình tuyển nổi: hòa trộn (bão hòa) không khí vào nước; hình thành bọt khí từ dung dịch bão hòa; tạo các tổ hợp tuyển nổi và tách chúng khỏi nước

Trang 28

a Giai đoạn hòa trộn không khí vào nước được coi là giai đoạn đầu của quá

trình, có tính chất quyết định, đảm bảo lượng bọt khí cần thiết cho quá trình tuyển nổi

Độ hòa tan của không khí vào nước phụ thuộc vào áp suất, nhiệt độ, thành phần

và tính chất các chất bẩn trong nước, và chế độ làm việc thủy động học của thùng bão hòa

Không khí được đưa vào dòng nước tuần hoàn dưới áp suất cao, trong một

thùng gọi là thùng bão hoà Tỷ lệ dòng nước tuần hoàn (R) được xác định theo công thức (1), với Q là công suất của Trạm xử lý và Q r là lưu lượng dòng nước tuần hoàn R thường nằm trong khoảng 6 đến 12%, và thường được lấy bằng 10% khi thiết kế

Tương tự như bể lắng, người ta thiết kế bể DAF dựa theo tải trọng thuỷ lực Quá trình DAF thông thường có tải trọng thuỷ lực bằng 10-15 m/h

Định luật Henry mô tả độ hoà tan của chất khí lý tưởng trong nước như sau: độ hoà tan của chất khí vào nước phụ thuộc vào loại chất khí, áp suất khí và nhiệt độ Không khí là một hỗn hợp các chất khí, do vậy, về mặt lý thuyết, phải tính toán độ hoà tan của từng lại chất khí trong nước, sau đó mới tính được tổng lượng khí hoà tan trong nước Thành phần chính của không khí là nitơ và oxy, chỉ

có 1% là argon, cacbonic và các chất khí khác Trong thực tế, chúng ta chỉ coi không khí chứa nitơ (79.1%) và oxy (20.1%) Nồng độ khí hoà tan trong nước ở

các nhiệt độ khác nhau đối với nitơ (C s,N ), oxy (C s,O ), và không khí (C s,air) được nêu trong Bảng 3.2 Ta thấy, chỉ có khoảng 20 mg/L khí hoà tan được vào nước ở nhiệt

độ bình thường, còn trong nước lạnh, có khoảng 30 mg/L khí hoà tan

Bảng 2.2 Độ hòa tan trong nước của oxy, nitơ

và không khí trong khí quyển (79.1% N2 và 20.9% O2)

Nhiệt độ ( o C)

Trang 29

Sự hoà tan của không khí vào nước tuần hoàn có áp trong thùng bão hoà:

Thành phần không khí trong thùng bão hoà khác với không khí ngoài khí quyển,

do oxy hoà tan tốt hơn nitơ trong nước, do vậy trong thùng bão hoà hình thành một môi trường khí chứa nhiều nitơ hơn không khí thường (xem thêm các tác giả Haarhoff và Steinbach, 1996) Steinbach và Haarhoff (1998) cũng tính được thành phần chất khí nitơ trong thùng bão hoà như một hàm số phụ thuộc vào áp suất Với áp suất 72.5 psi (500 kPa) và nhiệt độ 20 oC, không khí trong thùng bão hoà chứa 86.7% nitơ Cũng vì lẽ đó, dòng nước tuần hoàn có áp từ thùng bão hoà chứa

ít khí hoà tan hơn trường hợp giả sử thùng bão hoà làm việc với thành phần không khí tương tự trong khí quyển Chúng ta sử dụng số liệu của Steinbach và

Haarhoff (1998) để tính nồng độ khí trong dòng nước áp lực (Q r) ra khỏi thùng

bão hoà (C r) dưới một áp suất xác định

Hình 3.8 chỉ rõ C r là hàm số của áp suất bão hoà ở các nhiệt độ khác nhau: 5 oC (nước lạnh) và 20 oC (nhiệt độ bình thường) Nhiệt độ nước thấp và áp suất bão hoà cao cho ta lượng khí hoà tan lớn Trong thực tế, người kỹ sư thiết kế và vận hành nhà máy nước không thể điều chỉnh nồng độ khí đưa vào vùng tiếp xúc bằng cách thay đổi áp suất bão hoà, mà bằng cách thay đổi tỷ lệ dòng nước tuần hoàn Như trên đã nói, các thùng bão hoà thường làm việc dưới áp suất 60 đến 85 psi

(414 đến 586 kPa) Lấy 500 kPa (72.5 psi) làm ví dụ, Hình 3.3 cho thấy C r khoảng

130 mg/L ở 20 oC, trong khi nồng độ không khí hoà tan trong nước ở áp suất khí quyển ở cùng nhiệt độ là 24 mg/L) Nồng độ thực tế của không khí bão hoà trong nước áp lực tuần hoàn ít hơn giá trị lý thuyết, do thùng bão hoà không bao giờ đạt được hiệu suất bão hoà 100% khí vào nước tuần hoàn, do một số hạn chế về động học chuyển khối

b Giai đoạn hình thành các bọt khí sau khi hạ áp suất trong nước từ thùng

bão hòa: Các bọt khí xuất hiện rất nhanh, chỉ sau vài phần nghìn giây, nhưng số lượng và kích thước cuối cùng của chúng - yếu tố xác định lực tuyển nổi của bọt khí, không chỉ phụ thuộc vào nồng độ không khí đã hòa tan trong nước, mà còn vào động lực bão hòa dung dịch, liên quan trực tiếp với vận tốc phun hỗn hợp nước bão hòa không khí vào ngăn tuyển nổi

Tạo bọt khí trong vùng tiếp xúc

Lượng khí trong vùng ‘’nước bột sắn’’ ở ngăn tiếp xúc được mô tả qua 3 thông số: 1) nồng độ, 2) thể tích, và 3) số lượng bọt

Nồng độ bọt khí (C b) được tính theo cân bằng vật chất trong vùng tiếp xúc,

với đầu vào là dòng nước xử lý (Q) có nồng độ không khí bão hoà (C s,air) (trong trường hợp nước này không được bão hoà bởi oxy thì cần có hệ số hiệu chỉnh)

trộn với dòng nước tuần hoàn (Q r ) với nồng độ không khí (C r ) Chênh lệch giữa C r

và C s,air là lượng khí sẽ thoát ra dưới dạng bọt khí Tuy nhiên, như trên đã nêu, thùng bão hoà không bao giờ đạt hiệu suất bão hoà khí vào nước 100%, do vậy

người ta sử dụng thêm hệ số hiệu suất bão hoà (e) trong phương trình cân bằng

Hiệu suất bão hoà có thể dao động từ 60-70 % đối với thùng bão hoà không có vật liệu tiếp xúc, và 90-95% khi có vật liệu Các vật liệu tiếp xúc (thường bằng nhựa) cho phép tăng hiệu suất chuyển dịch khí vào nước

Trang 30

Phương trình (3) tính được C b Hệ số k kể đến sự thiếu hụt khí trong dòng nước xử lý (Q) Nếu không khí trong nước sau keo tụ đã đạt mức bão hoà thì hệ số

k bằng 0 Trường hợp này thường xảy ra nhưng không phải lúc nào cũng vậy, đặc biệt khi nước được lấy từ đáy các hồ chứa có mức ô nhiễm Mesotrophic hay Eutrophic, có sự thiếu hụt oxy đáng kể Tốt hơn cả là dòng nước trước DAF đã bão

hoà oxy, để tránh mất một lượng khí cấp vào thùng bão hoà tiêu hao, bù đắp cho

sự thiếu hụt oxy đó, mà không phải để tạo bọt khí, dẫn đến tăng giá thành sản xuất nước do phải tăng lưu lượng nước tuần hoàn Làm thoáng sơ bộ là một giải pháp

C Φ



Số lượng bọt khí Để xác định số lượng bọt, cần biết kích thước bọt

Các bọt khí nhỏ hình thành ngay lập tức sau khi dòng nước bão hoà áp lực cao được châm vào dưới đáy vùng tiếp xúc Kích thước bọt tạo thành chủ yếu phụ thuộc vào áp suất bão hoà, cấu tạo chi tiết châm (vòi phun, kim phun hay van cửa)

và lượng nước tuần hoàn Vòi phun thường được sử dụng nhất để châm hỗn hợp nước bão hoà vào vùng tiếp xúc, cho phép tạo các bọt khí có kích thước đồng nhất hơn loại kim phun hay van cửa Sự chênh lệch áp suất dọc theo vòi phun là yếu tố chính ảnh hưởng đến kích thước bọt Về lý thuyết, kích thước bọt tạo ra càng nhỏ nếu áp suất bão hoà càng tăng Trong thực tế, các thùng bão hoà thường làm việc với với áp suất 60 đến 85 psi (414 đến 586 kPa), cho phép tạo các bọt khí có kích thước từ 10 đến 100 m, trong đó các bọt có kích thước 40-80 m chiếm đa số Kích thước bọt khí trung bình 60 m thường được sử dụng để mô hình hoá vùng tiếp xúc (6), giả thiết rằng kích thước bọt là không đổi khi hỗn hợp chuyển động

R

k R C C e

Trang 31

dọc theo chiều cao ngăn tiếp xúc, bỏ qua ảnh hưởng của áp suất thuỷ tĩnh (giảm dần) Các bọt khí lớn thường thấy ở vùng tách bẩn Lượng bọt khí được tính theo công thức (4)

c Giai đoạn thứ ba là giai đoạn hình thành các tổ hợp tuyển nổi "phần tử

chất bẩn - bọt khí", gắn liền với sự hình thành các bọt khí, cơ chế tạo các tổ hợp tuyển nổi và sơ đồ công nghệ của thiết bị

Có thể phân thành ba phương pháp hình thành các tổ hợp tuyển nổi "phần

tử chất bẩn - bọt khí": nhờ sự va chạm giữa các bọt khí với các phần tử chất bẩn; tạo bọt khí ngay trên bề mặt các phần tử chất bẩn; và sự kết hợp giữa các bọt khí lớn, nằm tự do, với các bọt khí nhỏ hơn, hình thành trên bề mặt các phần tử chất bẩn nhưng không đủ sức nâng chúng lên trên mặt nước

Cơ chế thứ nhất xảy ra khi bão hòa không khí trong nước có lẫn các tạp chất (chất bẩn) Trong trường hợp này, vào thời điểm hạ áp suất, các phân tử khí lập tức khuyếch tán về phía bề mặt các phần tử chất bẩn, đóng vai trò các nhân hình thành bọt khí Cơ chế thứ hai - xảy ra khi hình thành các tổ hợp tuyển nổi trong một dung dịch đồng nhất, sau đó hỗn hợp này được hòa trộn với nước thải

Cơ chế thứ ba - kết tụ - diễn ra trong hai giai đoạn, khi hòa trộn không khí với nước thải có chứa các chất bẩn, trên bề mặt của chúng có các bọt khí nhỏ, đóng vai trò nhân tuyển nổi

S atu rato r P res su re (kP a)

Trang 32

Chính ba phương pháp hình thành các tổ hợp "phần tử chất bẩn - bọt khí" trên là cơ sở cho việc đề xuất ba sơ đồ công nghệ tuyển nổi áp lực khác nhau: sơ

đồ xuôi dòng, sơ đồ tuần hoàn và sơ đồ tuyển nổi nhiều bậc với phân nhánh dòng dung dịch đã bão hòa không khí Các phương án sơ đồ công nghệ tuyển nổi áp lực theo những nguyên tắc nêu trên được giới thiệu trên Hình 2.5

Phương pháp tạo các tổ hợp tuyển nổi từ các bọt khí hình thành trên bề

mặt các phần tử chất bẩn (các sơ đồ 2.5 a được coi là đơn giản hơn cả Chúng cho

phép toàn bộ lượng nước cần xử lý được bão hòa không khí, nhờ vậy tạo điều kiện tối ưu cho việc kết tụ bọt khí, vận hành đơn giản và không yêu cầu những thiết bị

bổ sung Tuy nhiên chi phí năng lượng cho phương pháp này lớn Không nên áp dụng sơ đồ này để tách các chất bẩn dạng keo và bông keo tụ, vì chúng sẽ bị phá

vỡ

Sơ đồ 2.5b dựa trên nguyên tắc của phương pháp tạo tổ hợp tuyển nổi thứ

hai Cũng trên cơ sở những sơ đồ này, sơ đồ tuyển nổi nhiều bậc được đề xuất (sơ

đồ 2.5 c) Bên cạnh hai phương pháp hình thành các tổ hợp tuyển nổi nói trên

phương pháp tạo tổ hợp tuyển nổi thứ ba cũng đóng một vai trò quan trọng Các kết quả nghiên cứu cho thấy rằng, với cùng một loại nước, sơ đồ tuyển nổi tuần hoàn đạt kết quả cao hơn so với sơ đồ xuôi dòng Sơ đồ tuần hoàn thường cho phép đạt hiệu suất cao đối với các loại nước thải có nồng độ chất bẩn không lớn Ngoài ra, trong sơ đồ này dòng nước bão hòa không khí trong thùng áp lực là nước đã qua xử lý, do vậy hạn chế được khả năng tắc và xâm thực đường ống trong hệ thống

Sử dụng sơ đồ tuyển nổi nhiều bậc cho phép đạt hiệu suất xử lý cao nhất Theo kết quả nghiên cứu, bằng sơ đồ tuyển nổi hai bậc nối tiếp với dòng bão hòa phân nhánh, với áp suất bão hòa 4 atm., thời gian bão hòa 3 min., theo sơ đồ và hệ

số tuần hoàn nước sau bể tuyển nổi 0,5, thời gian tuyển nổi 20 min., có thể giảm được lượng các chất bẩn trong nước thải của các nhà máy chế biến thực phẩm như sau: theo mỡ: 88,2 % ( từ 432 mg/l (giá trị trung bình) xuống còn 51 mg/l), theo chất lơ lửng: 94% (từ 663 mg/l xuống còn 40 mg/l)

d Giai đoạn cuối cùng của quá trình tuyển nổi là tách tổ hợp tuyển nổi ra

khỏi nước Một trong những điều kiện cần thiết đảm bảo sự tách hỗn hợp khỏi nước, đó là sự khác biệt về vận tốc chuyển động của các tổ hợp và vận tốc dòng nước: Un < Ub Trong hai đại lượng trên, vận tốc dòng nước dễ được điều chỉnh hơn, bằng cách thay đổi công suất của bể tuyển nổi Điều kiện để cho bọt tuyển nổi có thể nổi lên trên mặt nước là: sức nâng của bọt khí phải thắng trọng lượng của hạt chất bẩn

Có thể tính giá trị Ub theo công thức (6):



 9

gr U

2 k

(ký hiệu - xem Bảng 2.1)

a/ IV

Trang 33

Hình 2.6 Các sơ đồ công nghệ tuyển nổi áp lực

a/ Sơ đồ tuyển nổi xuôi dòng

b/ Sơ đồ tuyển nổi tuần hoàn: bão hòa một phần nước thải sau xử lý

c/ Sơ đồ tuyển nổi tuần hoàn nhiều bậc với dòng bão hòa phân nhánh

I - Nước cần xử lý; II - Không khí nén; III - Nước sau xử lý;

IV - Bọt tuyển nổi; V - Nước tuần hoàn; 1 - Thùng bão hòa;

Thực chất của quá trình tuyển nổi là dính kết phần tử của chất bẩn với bề mặt phân chia giữ khí và nước Sự dính kết diễn ra được là do có năng lượng tự do trên bề mặt phân chia đó và nhờ hiện tượng bề mặt đặc biệt gọi là hiện tượng tẩm

Trang 34

ướt Hiện tượng này xuất hiện ở những nơi tiếp xúc giữa ba pha (lỏng – rắn – khí) tức là xuất hiện theo chu vi tẩm ướt

a) Trong nước các phần tử chất bẩn chỉ dính bám vào bề mặt bọt khí khi chúng không hoặc kém bị tẩm ướt đối với nước Khả năng tẩm ướt một số chất lỏng nói chung tuỳ thuộc vào độ phân cực của nó Độ phân cực của chất lỏng càng cao thì nó càng khó tẩm ướt đối với vật rắn Nước có thể tẩm ướt tất cả các vật trừ một số mỡ hữu cơ

Khả năng tẩm ướt của chất lỏng được đánh giá bằng giá trị của sức căng bề mặt của nó tại biên giới phân chia khí – lỏng, đồng thời bằng sự phân cực ở biên giới lỏng - rắn Sức căng bề mặt của chất lỏng và hiệu phân cực càng nhỏ thì vật rắn càng dễ bị tẩm ướt

Mức độ tẩm ướt chất lỏng đối với chất rắn (khi tẩm ướt không hoàn toàn) được biểu thị bằng đại lượng gọi là góc tẩm ướt biên  tính từ phía pha lỏng

Góc này được đo bằng giọt nước rỏ trên bề mặt vật rắn khô hoặc bằng bọt không khí dính vào bề mặt vật rắn dưới giọt nước

Khi chất bẩn dính vào bọt thì năng lượng bề mặt tự do sẽ thay đổi theo phương trình:

Sự tương tác với oxi có thể làm tăng độ tẩm ướt do tạo thành lớp oxit, còn sự tương tác lưỡng cực của nước sẽ tạo ra một màng hiđrat hoá (dày tới 0,1m) nên

sẽ làm tăng độ tẩm ướt ngăn cản sự dính bám của bọt khí

Có thể tạo thành các màng hiđrat khi năng lượng liên kết giữa các cực của nước với nhau nhỏ hơn năng lượng liên kết giữa các cực của nước với bề mặt hạt rắn Các màng hiđrat rất mỏng (0 – 400A) thì không cản trở sự dính kết của bột khí

Như vậy sự tẩm ướt là do tính chất của chất lỏng quyết định và phụ thuộc vào tính chất của chất rắn

Đối với nước, chất rắn có thể chia thành các chất kỵ nước, ưa nước hay ở

vị trí trung gian

Những chất kỵ nước là những chất có cấu tạo phân tử theo kiểu không phân cực và do đó không có khả năng hiđrat hoá Chúng có độ tẩm ướt nhỏ nhất

và do đó dễ dàng tuyển nổi nhất Hạt càng khó hiđrat hoá thì màng hiđrat càng dễ

vỡ ra khi hạt đến gần bọt không khí và do đó dễ dính vào bọt khí (vì ở trạng thái

đó năng lượng tự do của hạt đạt giá trị nhỏ nhất) Những chất ưa nước cấu tạo

Trang 35

theo kiểu phân cực thì rất dễ hiđrat hoá trong nước nên rất dễ bị tẩm ướt và khó tuyển nổi

Những chất có cấu tạo phân tử kiểu dị cực (một đầu phân cực, một đầu không phân cực) thì phía nhóm phân cực sẽ có khả năng bị hiđrat hoá, còn phía các nhóm hiđrocacbon sẽ kỵ nước và có thể dính vào các bọt khí (chất hoạt động

bề mặt) Những chất như vậy đóng vai trò quan trọng trong việc tuyển nổi

Đối với các hạt ưa nước, để có thể tuyển nổi được người ta tạo cho chúng tính kỵ nước Muốn vậy người ta cho vào nước chất tập hợp tức là chất hoạt tính

bề mặt với các phần tử phân cực Những chất này sẽ hấp phụ trên bề mặt của hạt

kỵ nước Các nhóm hiđrocacbon kỵ nước sẽ quay ra phía môi trường xung quanh tạo thành lớp hấp phụ và do đó làm hạt trơ thành kỵ nước, tạo điều kiện tốt cho quá trình tuyển nổi

Trong thực tế tuyển nổi, các chất tập hợp phổ biến nhất được phân ra theo cấu tạo của các nhóm ưa nước của chúng:

- Dầu mỡ và hỗn hợp các sản phẩm chế biến từ dầu, than đá, gỗ (dầu lửa, keroxin, dầu mazut, nhựa, …)

- Axit với các gốc hiđrocacbon (axit béo và muối của chúng natri olenat, axit naphtenoic, axit oleic, axit stearic, axit palminoic,…)

- Các hợp chất chứa lưu huỳnh hoá trị hai ở phần phân cực (mecaptan, xantozen, đitiocacbonat, tritiocacbonat, đitiophotphat,…)

- Các hợp chất chứa anion của axit sunfuric ở phần có cực (ankylsunfat, ankylsunfonat,…)

- Các hợp chất chứa nitơ hay photpho ở nhóm phân cực (amin, muối amon, etanolamin, muối piridin,…)

Có thể tăng độ kỵ nước và độ tuyển nổi của các chất bằng nhiều cách khác nhau nữa Chẳng hạn, bằng cách hấp phụ phân tử khí hoà tan lên bề mặt của các hạt rắn Việc hấp phụ như vậy ở mức độ nào đó sẽ giảm được độ hiđrat hoá của các chất rắn Song màng hiđrat lại mất khả năng hoà tan và độ phân cực của nước

sẽ càng tăng lên Kết quả là phân tử khí rất khó khuyếch tán tới bề mặt các hạt đã

bị hiđrat hoá

b) Vấn đề tạo bọt khí và ổn định bọt khí Việc tạo bọt khí có những kích thước nhất định và ổn định các bọt khí đó có ý nghĩa rất lớn đối với quá trình tuyển nổi

Độ tuyển nổi phụ thuộc vào kích thước bọt khí Tổng bề mặt của các bọt khí càng lớn nghĩa là diện tích tiếp xúc giữa chúng với các hạt chất bẩn càng lớn thì quá trình tuyển nổi diễn ra càng tốt, hiệu suất tuyển nổi càng cao

Cùng một thể tích không khí trong một đơn vị thể tích nước nhưng nếu kích thước các bọt khí tồn tại khác nhau thì tổng bề mặt của chúng sẽ khác nhau Nếu các bọt khí có kích thước lớn thì tổng tổng bề mặt của chúng sẽ nhỏ hơn và

Trang 36

hiệu suất tuyển nổi sẽ thấp hơn so với khi tạo ra các bọt khí có kích thước nhỏ hơn

Kích thước các bọt khí tuỳ thuộc sức căng bề mặt ở biên giới phân chia nước – khí ( 1-2) và được xác định theo công thức:

Có nhiều chất hoạt tính bề mặt vừa có tính tập hợp vừa có tính tạo bọt Trong nước thải có nhiều chất hoạt hoá hoặc cũng có nhiều chất khử quá trình tuyển nổi

Tuyển nổi áp lực cho phép điều chỉnh độ bão hoà trong một khoảng rộng

hơn với hiệu suất mong muốn Nước đi từ bể chứa được bơm hút vào và đẩy lên thùng áp lực rồi vào ngăn tuyển nổi hở Không khí cũng được dẫn vào ống hút của máy bơm từ máy nến khí hoặc êzectơ Khi qua thùng áp lực do áp suất tăng lên không khí hoà tan trong nước nhiều hơn Dung tích thùng áp lực được tính với thời gian cần thiết để bão hoà không khí (0,5 – 5 phút) Nếu bơm đặt xa ngăn tuyển nổi (thường đối với các công trình có lưu lượng lớn) thì thời gian cần thiết

để bão hoà không khí trong nước có thể thực hiện ngay trong ống đẩy của máy bơm nên có thể đặt thùng áp lực với dung tích nhỏ hơn hoặc không cần lắp đặt thùng áp lực

Áp lực của máy bơm có thể đạt được từ 1,5 – 4 at, thông thường từ 2 – 3 at Với áp suất đó và ở nhiệt độ 20 – 25oC có thể hoà tan 20 – 30 l không khí trong

P P

2 1

2 1 min

C C H

R



(10)

Trang 37

Trong đó:

+ H – hằng số Henri + C – C1 – lượng khí quá bão hoà trong nước + P - áp suất bọt khí với nồng độ C

+ P1 - áp suất môi trường ngoài bọt khí với nồng độ C1

+ P – P1 - độ chêng áp lực

Độ hoà tan x của không khí trong nước ở thời điểm quá bão hoà được biểu thị bằng công thức:

) 1 ( b e kt p

Trong đó:

+ x – nồng độ khí trong nước, mg/l + b – nồng độ khí trong nước ứng với lúc bão hoà hoàn toàn f (ở nhiệt độ cho trước và áp suất khí quyển), mg/l

+ p – áp suất khi thực hiện bão hoà, at + t – thời gian bão hoà, phút

+ k – hệ số tỷ lệ là hằng số tốc độ hoà tan khí trong nước, 1/phút

Nhưng phương trình (11) chỉ dùng khi nước được hoàn toàn bão hoà khí Trong thực tế, một phần oxi đã bị tiêu thụ để oxi hoá chất bẩn, còn nitơ hoàn toàn bão hoà trong nước

Khi đó lượng không khí hoà tan trong nước được xác định bằng phương trình:

kt

a e b pb pb

Ở đây hằng số tốc độ hoà tan không khí trong nước k có thể xác định bằng thực nghiệm Với nhiệt độ của nước trong khoảng 9 – 30oC thì hằng số tốc độ hoà tan không khí trong nước ở nhiệt độ T đang xét có thể xác địmh theo công thức:

T T

b

b K

20

Trong đó:

Tiêu đề	Nghiên Cứu Áp Dụng Tuyển Nổi Áp Lực Trong Công Nghệ Xử Lý Nước Cấp Với Nguồn Nước Mặt Sông Đáy
Tác giả	Phạm Văn Ánh
Người hướng dẫn	PGS.TS. Nguyễn Việt Anh
Trường học	Trường Đại học Xây dựng
Thể loại	luận văn

Định dạng
Số trang	74
Dung lượng	2,04 MB