Chương 2 xử lý nước cấp (bộ môn quản lý tài nguyên nước)

ðại cương Nguồn nước mặt, nước ngầm thường chứa các tạp chất không phù hợp mục ñích sử dụng sinh hoạt, sản xuất ⇒ cần xử lý.. BM KTMT - Khoa Môi trường – Trường ðHKH Huế Lựa chọn công n

Trang 1

BM KTMT - Khoa Môi trường – Trường ðHKH Huế

Chương 2 XỬ LÝ NƯỚC CẤP

2.1 ðại cương

Nguồn nước mặt, nước ngầm thường chứa các tạp chất

không phù hợp mục ñích sử dụng (sinh hoạt, sản xuất)

⇒ cần xử lý.

ðối tượng xử lý thường gồm:

Các chất rắn lơ lửng (SS)

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

Các chất hữu cơ hòa tan

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

Các quá trình xử lý nước cấp có thể là cơ học, hóa-lý,

hóa học hay sinh học.

Loại các VOC, H 2 S, các khí hòa tan; oxy hóa Fe (II) và Mn (II)

Thông khí (Làm thoáng)

Loại các chất hữu cơ hòa tan như thuốc trừ sâu, dung môi, THMs,

Hấp phuX bằng than hoạt tính

Tiêu diệt các sinh vật gây bệnh

Khưb trùng

Loại các hạt không lắng ñược, có thêb bao gồm cả các vi sinh vật.

Lọc

Loại ñôX cứng Làm mềm

Loại các hạt lắng ñược Lắng

Chuyển các hạt keo thành các hạt có thêb lắng.

Keo tụ/Tạo bông

Loại tảo, thủy sinh vật, các mẩu rắn nhob

Trang 2

Lựa chọn công nghệ xử lý phụ thuộc:

Loại nguồn nước (mặt, ngầm)

ðặc ñiểm chất lượng nguồn nước

Yêu cầu chất lượng nước cấp (theo tiêu chuẩn)

Ví dụ:

Với nguồn nước mặt – chủ yếu xử lý làm trong, khử màu và khử trùng:

Hình 2.1 Sơ ñồ công nghệ ñiển hình xử lý nước mặt Huế

Với nguồn nước ngầm – chủ yếu loại sắt, khử trùng:

Hình 2.2 Sơ ñồ công nghệ ñiển hình xử lý nước ngầm Hà Nội

Kích thước các hạt trong nước và khả năng tách chúng:

Các quá trình cơ học (lắng, lọc, ly tâm) chỉ tách hiệu quả các hạt lơ lửng có

ñường kính hạt >10-3 mm (bùn, cát, tảo, protozoa, )

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

ñại phân tử hữu cơ,…) thường rất khó lắng lọc (mất thời gian dài); ñể tách

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

ðối tượng xử lý chủ yếu của keo tụ là các hạt keo

Hòa tan

10 -4

10 -5 10 -3 10 -2 10 -1 1 10 10 2 10 3 10 4 µm

mm 1

Trang 3

Cấu tạo hạt keo:

Trong nước tự nhiên, các hạt keo có thể mang ñiện tích âm hoặc dương:

•hạt keo có nguồn gốc silicat, các hợp chất hữu cơ có ñiện tích âm (ña số);

•các hydroxit sắt, nhôm mang ñiện tích dương

Xét hạt keo âm Hạt keo mang ñiện âm

• Lớp thứ hai dày hơn, là hỗn hợp các ion

(hầu hết là cation), liên kết lỏng lẻo, gọi

làlớp khuếch tán

Tập hợp hai lớp trên gọi làlớp kép, có

ñiện tích dương Giữa 2 lớp là mặt trượt

Thế ñiện ñộng xuất hiện giữa 2 lớp gọi

làthế zeta

Ở trạng thái tĩnh, ñiện tích hạt ñược bù

PHẦN A CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC CẤP VÀ NƯỚC THẢI

Giữa hai hạt keo luôn luôn tồn tại hai loại lực tương tác:

Lực ñẩy tĩnh ñiệnCoulomb giữa hai lớp kép có ñiện tích cùng dấu,

Lực hútvan der Waalstác ñộng trong một khoảng ngắn

Lực tổng hợp quyết ñịnh trạng thái ổn ñịnh hạt keo:

Khi lực ñẩy > lực hút (lực tổng hợp là ñẩy): hệ keo bền vững;

Khi lực ñẩy ≤ lực hút (lực tổng hợp là hút hay bằng không): không còn

"hàng rào năng lượng“, các hạt keo dính kết với nhau và xảy ra sựkeo

tụ Như vậy, quá trình keo tụ diễn ra khi trạng thái ổn ñịnh của hạt keo bị

phá vỡ

Các hạt keo ñã mất ổn ñịnh hay tập hợp khởi ñầu của chúng sẽ ñược

tăng cường khả năng tập hợp tạo bông cặn kích thước lớn khi có mặt

Keo tụ (coagulation)là sự phá vỡ trạng thái ổn ñịnh của các hạt keo

ñể tạo ra sự tập hợp khởi ñầu các hạt keo

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

Trang 4

Hình 2.5 Sơ ñồ minh họa keo tụ và tạo bông

Các chất keo tuX thường dùng: Al2(SO4)3.18H2O (phèn

nhôm); Fe2(SO4)3.8H2O; FeCl3; Aln(OH)mClx(SO4)y

(Polyaluminium chloride hay PAC).

Cơ chế loại các hạt keo với muối Al (III), Fe (III):

ñiện tích hạt keo ⇒ giảm thế zeta ⇒ keo tuX

duX Al8(OH)204+, Al3(OH)45+, Al13O4(OH)247+…), hấp phuX lên bề mặt

hạt keo ⇒ trung hòa ñiện tích hạt keo ⇒ giảm thế zeta ⇒ keo tuX

các hạt keo lắng xuống

Hiệu quả keo tuX phuX thuộc pH: pH 4,5 – 7,0 với phèn nhôm; pH

8,5 -10,0 với Fe2(SO4)3; pH 4,5 – 7,5 với PAC

Các chất tạo bông (hay trơX keo tuX) thường dùng:

Trang 5

2.2.2 Áp dụng

Hai công ñoạn xử lý nước bằng keo tụ-tạo bông tiến

hành với các ñiều kiện khuấy trộn khác nhau:

500 – 1000 s-1, thời gian khuấy t =30 – 120 s)

= 30 – 60 s-1; t = 15 – 45 phút)

Có thể thực hiện khuấy bằng thiết bị khuấy cơ học hay

theo nguyên tắc thủy lực (dùng vách ngăn tạo dòng chảy

zikzak).

Trước khi áp dụng thực tế, cần tiến hành thực nghiệm

keo tụ trong PTN ñể xác ñịnh các ñiều kiện keo tụ: liều

keo tụ, liều trợ keo tụ, pH, tốc ñộ khuấy, thời gian

khuấy, Thường sử dụng hệ thống JAR TEST.

Hình 2.6.Hệ thống JAR TEST

Trang 6

2.3 Lắng (Sedimentation/Clarification)

2.3.1 Cơ sở lý thuyết

Lắng (còn gọi là làm trong) là quá trình dùng ñể tách các chất rắn có

thể lắng ñược hay các bông cặn sau keo tụ-tạo bông

Nguyên tắc: dưới tác dụng của lực trọng trường, các hạt có khối

lượng riêng lớn hơn khối lượng riêng của nước sẽ lắng xuống ñáy

thiết bị và ñược loại khỏi nước

Lý thuyết lắng

Theo nồng ñộ và sự tương tác giữa các hạt có bốn dạng lắng:

lắng loại 1 hay lắng hạt riêng lẻ (discrete particle settling) - hạt không thay

ñổi kích thước trong quá trình lắng

lắng loại 2 hay lắng tạo bông (flocculent settling) - các hạt kết hợp nhau, kích

thước hạt lớn dần trong quá trình lắng,

lắng loại 3 hay lắng vùng (zone settling)

lắng loại 4 hay lắng nén (compression settling)

Trong xử lý nước, lắng hạt riêng lẻ và lắng tạo bông ñóng vai trò quyết

ρs, ρw- khối lượng riêng của hạt và nước (kg/m3)

ss– tỷ khối của hạt so với nước (không thứ nguyên)

C d g

v

ρ ρ ρ

3

)(

v s= s− w s= s−

ν ρ

ρ

µ

Trang 7

Bể lắng hình hộp, dòng chảy ngang-một hạt trong bể lắng sẽ chịu:

-chuyển ñộng theo dòng chảy - vận tốc vh(=Q/A = lưu lượng/tiết diện)

-lắng do trọng lực - vận tốc lắng vs(tính như trên)

ðiều kiện ñể hạt bị giữ lại trong bể lắng: vs≥ v0

ñến ñiểm dưới cùng ñầu ra vùng bể lắng)

[2.3]

(L: dài, B: rộng, H: sâu)

d0(ứng với vận tốc lắngv0):cỡ hạt thiết kế

Hạt có cỡ hạt ≥ d0 sẽ lắng 100%

Hạt có cỡ hạt dx< d0 sẽ lắng với hiệu quả vx/v0(vx: vận tốc lắng ứng với dx)

Q B H

Bể lắng ñứng dòng chảy ngược (dưới lên)

ðiều kiện ñể hạt bị giữ lại trong bể lắng: vs > vu

vu : vận tốc dòng chảy = Q/A

Thời gian lưu cần thiết:

[2.4]

Thực tế: nước chứa nhiều cỡ hạt khác nhau, không thể

xác ñịnh cỡ hạt, khối lượng riêng Thường tiến hành thí

nghiệm lắng ñể xác ñịnh các thông số thiết kế.

u

v

H Q

H A

Trang 8

Xử lý sơ bộ trước khi lọc nhanh và chậm;

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

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

Các loại bể lắng trong xử lý nước:

8: Ống dẫn bùn ra

Trang 10

Xảy ra ñồng thời keo tụ-tạo bông-lắng trong 1 bể

Áp dụng ñược với nước có ñộ ñục cao, chi phí thấp

Thông số thiết kế: vận tốc chảy ngược ≤ 5 m/h

Trang 11

Lọc ñược sử dụng ñể tách các hạt lơ lửng nhỏ và các vi sinh vật

không loại ñược trong quá trình lắng ra khỏi nước

Lọc là quá trình tách các chất rắn lơ lửng khỏi nước bằng cách cho

chảy qua vật liệu lọc (VLL)

Cơ chế giữ chất rắn trong lớp vật liệu lọc phức tạp, bao gồm các quá

trình vật lý-hóa học và ñôi khi cả sinh học Ví dụ các cơ chế:

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

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

chặn (interception) – dòng nước mang hạt chuyển ñộng ñến gần bề mặt

VLL trong khoảng cách 1 bán kính hạt sẽ bị va ñập và chặn lại

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

(hấp dẫn, hút tĩnh ñiện) hay tạo liên kết hóa học

hoạt ñộng sinh học (biological action) – chất bẩn hữu cơ trong nước

nằm lại trên bề mặt lớp VLL sẽ giữ các vi sinh vật và tạo lớp nhầy

Theo thời gian, SS bám trên bề mặt VLL tăng dần ⇒ khoảng hở cho

tăng ñến giá trị giới hạn phải tiến hành làm sạch, phục hồi khả năng

Các ñặc trưng quan trọng của VLL:

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

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

VLL lọt qua

Hệ số ñồng nhất (UC: Uniformity coefficient) – tỷ số giữa cỡ rây cho phép

60% VLL lọt qua và cỡ hạt hiệu quả

Tùy theo vận tốc lọc, phân biệt 2 loại bể lọc:

Lọc nhanh (Rapid filter)

Lọc chậm (Slow filter)

Trang 12

Ở quy mô nhỏ (nông thôn)

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

Ưu ñiểm: Xử lý trực tiếp nước tự nhiên với hiệu quả loại SS và vi

khuẩn cao, thiết bị và vận hành ñơn giản

Nhược ñiểm: tốn diện tích, khối lượng xây dựng lớn

Lớp cát làm VLL (cỡ hạt hiệu quả 0,2 – 0,35 mm)

Lớp sỏi ñể ñỡ cát lọc, hoặc nhiều lớp mỏng có cỡ hạt lớn dần (lớp trên

gấp 4 lần cỡ hạt cát, lớp tiếp theo gấp 4 lần cỡ hạt lớp trên,…)

Máng thu nước lọc có ñộ dốc

Làm sạch: Cào lớp cát bẩn trên bề mặt 3-5 cm ñể rửa, sau 10-15

lần rửa cần bổ sung cát sạch; sau nhiều năm phải thay cát sạch

Thường lắp 2 hay nhiều bể lọc hoặc chia nhiều ngăn ñể luân phiên

làm sạch

Hình 2.11.Cấu tạo bể lọc chậm

Trang 13

Ở quy mô lớn (các nhà máy nước)

Xử lý nước mặt: sau keo tụ-tạo bông-lắng; nếu ñộ ñục thấp có thể bỏ

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

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

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

Hệ thống rửa ngược (back-washing)

Hình 2.12.Cấu tạo bể lọc nhanh

Trang 14

Nguyên tắc xếp lớp: lớp trên có cỡ hạt lớn hơn, khối lượng riêng (hay tỷ

khối) nhỏ hơn lớp dưới

Khi rửa: khóa van nước vào; cho mức nước ngập bề mặt 15 – 20 cm;

ñóng van nước sạch ra; mở van nước rửa; nước rửa chảy ngược

mang theo cặn bẩn tràn qua máng thu

Các thông số:

Thời gian rửa ngược = 4 - 10 phút

ðộ giãn nỡ thể tích lớp VLL: 10 – 30 %

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

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

nhỏ không ñủ rửa sạch VLL Thực tế:

vW= 0,3 ~ 10D60m/min ñối với cát

0,3 ~ 4,7D60m/min ñối với than anthracite

(D60: cỡ rây cho phép 60% khối lượng hạt lọt qua)

Trang 15

Chi phí vận hành

Thấp hơn (~90 – 99 %)Cao (~99,9 %)

Hiệu quả xử lý vi khuẩn

Nhanh chóngKhó

Khả năng ñiều chỉnh ñầu ra

CaoCao

Chi phí ñầu tư

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

Phương pháp làm sạch

1 – 2 ngày

20 – 90 ngàyThời gian làm việc

≤ 3 m

≤ 1 mTổn thất áp lực (hL)

0,5 – 1,5 mm0,2 – 0,35 mm

0,1 – 0,4 m/h(2,5 – 10 m3/m2/d)

Vận tốc lọc

Lọc nhanh Lọc chậm

Thông số

2.5 Khử trùng

Trong nguồn nước thô chứa nhiều VSV, trong ñó có các VSV gây

bệnh Các quá trình keo tụ-tạo bông, lắng, lọc loại ñược một phần

các VSV

Khử trùng: tiêu diệt các VSV gây bệnh trong nước còn lại ñể phù

hợp nhu cầu sử dụng nước

2.5.1 Các phương pháp khử trùng

2.5.1.1 Các PP vật lý

VSV bị tiêu diệt; 1 số ít sống sót do tạo bào tử

(Hình 2.14); hiệu quả khử trùng giảm nếu hàm lượng chất hữu cơ

Trang 16

2.5.1.2 Các PP hóa học

(1) Khưb trùng bằng clo và các hợp chất clo: Cl2, NaClO (natri hypoclorit),

Ca(ClO)2 (canxi hypoclorit) (chi tiết ở phần 2.5.2)

(2) Khưb trùng bằng ozon:

Ưu ñiểm: thời gian tác dụng nhanh, trong cùng ñiều kiện hoạt tính khử trùng

gấp 600-3000 lần clo, không tạo ra các sản phẩm phụ nguy hại, ít chịu tác

ñộng của yếu tố pH

Nhược ñiểm:giá thành xử lý cao (2-3 lần clo), ít hòa tan trong nước nên khó

duy trì dư lượng ozon ñể tránh quá trình tái nhiễm khuẩn

Hình 2.14.Thiết bị khửtrùng với tia UV

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

tại dạng Cl2⇒ Tác dụng khử trùng là do HClO và ClO-, trong ñó hoạt tính

HClO mạnh hơn ClO-(40 - 80 lần)

Tổng nồng ñộ của HClO và ClO-gọi làclo tự do (free available chlorine) hay

dư lượng clo tự do (free chlorine residual) Dư lượng clo tự do trong nước

Trang 17

ðể tiêu diệt ñược 99% số VK

E.coli có trong nước với liều

lượng 0,1 mg/L clo tự do, thời

gian cần thiết tăng từ 6 phút

ðộ ñục của nước– tiêu thụ một lượng clo tự do, cản trở tiêu

diệt các VSV do chúng có thể hấp phụ và cư trú trên các hạt SS

⇒ giảm hiệu quả khử trùng

Nhiệt ñộ - càng cao tốc ñộ tiêu diệt VSV càng tốt; tuy nhiên

tăng nhiệt ñôX làm giảm sưX hòa tan các khí trong nước ⇒ clo tưX

do sẽ giảm Tốt nhất ở nhiệt ñộ thường

SưX có mặt các chất khưbtrong nước (amoniac/amoni, sunfua,

Fe(II), các chất hữu cơ ) làm giảm hiệu quả của việc khưb trùng

do tiêu thụ một lượng clo tự do

ðặc biệt, clo sẽ oxy hóa các hợp chất hữu cơ hòa tan (DOC) tạo

ra sản phẩm phuX là các THMs (trihalomethanes) có khab năng

gây ung thư!

Trang 18

Khi clo hóa nước có mặt NH3, sẽ xảy ra các phản ứng:

NH3 + HOCl → NH2Cl (monochloramine) + H2O [2.9]

NH2Cl + HOCl → NHCl2(dichloramine) + H2O [2.10]

NHCl2 + HOCl → NCl3(trichloramine) + H2O [2.11]

Các chloramine có hoạt tính khử trùng; clo dưới các dạng

chloramine gọi là dư lượng clo kết hợp (combined chlorine

Trang 19

Ban ñầu ([HOCl]/[NH3] ≤1): tạo thành mono- và dichloramine –dư

lượng clo (dạng dư lượng kết hợp) tăng dần ( ñoạn OA )

Tăng liều clo ([HOCl]/[NH3]>1): xảy ra phản ứng tạo trichloramine

Khi ñã oxy hóa hết NH3([HOCl]/[NH3] =1,5): dư lượng clo lại tăng

lên, lúc này là dạng dư lượng tự do ( ñoạn BC )

ðiểm bắt ñầu tăng dư lượng clo tự do gọi là ñiểm tới hạn hay

ñiểm gãy (breakpoint)

Trang 20

Trang 21

Chloramine-B, Chloramine-T

ðây là 2 hóa chất khử trùng nước ñược sử dụng rộng rãi cho cộng

ñồng, có tác dụng ức chế trao ñổi chất của các vi khuẩn

Tan tốt trong nước

Chậm phân hủy trong không khí

Chloramine-T

C7H7ClNO2SNaSodium p-Toluenesulfonchloramide

Bột trắngTan tốt trong nướcChậm phân hủy trong không khí

CH3

2.6 Loại sắt và mangan

Fe và Mn ñược quan tâm trong nước cấp không phải do ñộc tính mà do ảnh

hưởng ñến ñộ cứng và tính chất cảm quan (màu, mùi vị)

TC nước uống VN: Fe < 0,5 mg/L, Mn <0,5 mg/L; TC nước uống Mỹ: Fe <

0,3 mg/L, Mn <0,05 mg/L

Trong nước tưX nhiên, Fe và Mn thường tồn tại ñồng thời ⇒ xử lý ñồng thời

Xưb lý Fe và Mn trong nước ngầm quan trọng hơn nước mặt: do tồn tại trong

nước mặt ở dạng không tan, trong nước ngầm ở dạng Fe2+, Mn2+tan (muối

CO32-, HCO3-)

2.6.1 Cơ sơ4 lý thuyết

Oxy hóa Fe (II) và Mn (II) thành Fe(III) và Mn(IV) dưới dạng kết tủa, dễ

tách khỏi nước bằng lắng, lọc

Tác nhân oxy hóa có thể là: O2, Cl2, O3, KMnO4 Có ý nghĩa thực tế nhất là

oxy hóa với oxy không khí bằng quá trình làm thoáng hay thông khí:

4Fe2++ O2+ 4H2O → 4Fe(OH)3 + 8H+ [2.12]

2Mn2++ O2+ 2H2O → 2MnO2+ 4H+ [2.13]

Tốc ñôX oxy hóa với O2nhanh ở pH cao: thường oxy hóa Fe, Mn ở pH > 8

Fe (II) dễ bị oxy hóa hơn Mn(II) trong cùng ñiều kiện

Định dạng
Số trang	27
Dung lượng	1,48 MB