Đò án môn học xử lý nước ngầm cấp cho sinh hoạt

4Fe2+ + 8HCO3- + O2 + 2H2O → 4FeOH3↓ + 8CO2↑ Trong quy trình xử lý sắt trong nước ngầm, điều quan trọng là biết được điều kiện để chuyển sắt hóa trị II thành sắt hóa trị III và hyđroxit

CHƯƠNG I: TỔNG QUAN



I GIỚI THIỆU NƯỚC NGẦM:

Nước ngầm là nước xuất hiện ở tầng sâu dưới đất, thường từ 30 – 40, 60 – 70 có khi 120 – 150 và cũng có khi tới 180m

Nước ngầm được thấm từ trên xuống, hoặc có thể từ nơi xa chảy về Dòng nước ngầm xuất hiện trên một lớp đất hoặc đá hoàn toàn không thấm nước Qua các lớp cát sỏi đã bị hấp phụ hết các tạp chất nên chất lượng nước ngầm sạch, ổn định Nước ngầm có thể có những túi lớn nằm rải rác trong lòng đất, cũng có thể chảy thành mạch Trữ lượng nước ngầm khá lớn và rất quan trọng cho nước cấp ở thành phố và nông thôn vùng phèn, mặn…

Nước ngầm được khai thác từ các tầng chứa nước dưới đất, chất lượng nước ngầm phụ thuộc vào thành phần khoáng hóa và cấu trúc địa tầng mà nước thấm qua Do vậy nước chảy qua các địa tầng chứa cát và granit thường có tính axit và chứa ít chất khoáng Khi nước ngầm chảy qua địa tầng chứa đá vôi thì nước thường có độ cứng và độ kiềm hyđrocacbonat khá cao Ngoài ra đặc trưng chung của nước ngầm là:

- Độ đục thấp

- Nhiệt độ và thành phần hóa học tương đối ổn định

- Không có oxy nhưng có thể chứa nhiều khí như: CO2, H2S…

- Chứa nhiều khoáng chất hòa tan chủ yếu là: sắt, mangan, canxi, magie và flo

- Không có sự hiện diện của vi sinh vật

Theo báo cáo của Liên Hiệp Quốc, chỉ có khoảng 2/3 (60%) dân số Việt Nam được sử dụng nước sạch theo tiêu chuẩn chất lượng nước của Liên Hiệp Quốc (Báo cáo diễn biến môi trường nước Việt Nam 2003)

II CÁC THÀNH PHẦN TRONG NƯỚC NGẦM:

Chất lượng nước ngầm nói chung là tốt, ít có trường hợp bị nhiễm bẩn hữu cơ, ở nhiều vùng có thể sử dụng trực tiếp không cần làm sạch Tuy nhiên, nước ngầm thường có tổntg khoáng hóa cao, nhiều khi chứa các chất khí hòa tan, có nhiều chất sắt và mangan Hàm lượng sắt dao động từ vài mg/l đến hàng chục mg/l

Ở nhiều vùng có nguồn bị nhiễm mặn hoặc có độ cứng cao

Một loại nước ngầm tồn tại trong đất (phạm vi từ 1m đến 15m) thực chất là nước mặt, thường được gọi là nước ngầm “mạch nông” Chất lượng nước ngầm mạch nông ở nhiều vùng khá tốt, nhưng nhiều vùng cũng chỉ khá hơn nước mặt một chút vì bị ảnh hưởng trực tiếp của nước mặt bị ô nhiễm và thời tiết Tuy nhiên, hiện nay hiện nay ở nhiều vùng dân cư nông thôn chỉ dựa vào loại nguồn nước này để

phục vụ cho các nhu cầu đời sống hàng ngày Nước dưới đất nhìn chung là nguồn nước tốt, thuận lợi khi khai thác sử dụng cho các mục đích sinh hoạt, ăn uống.

Chất lượng nước ngầm phụ thuộc vào nguồn gốc của nước ngầm, cấu trúc địa tầng của khu vực và chiều sâu địa tầng nơi khai thác nước Ở các khu vực được bảo vệ tốt, ít có nguồn thải gây nhiễm bẩn, nước ngầm nói chung được bảo vệ về mặt vệ sinh và chất lượng khá ổn định

1 Các ion có thể có trong nước ngầm:

a Ion canxi Ca 2+ :

Nước ngầm có thể chứa Ca2+ với nồng độ cao Trong đất thường chứa nhiều CO2 do quá trình trao đổi chất của rễ cây và quá trình thủy phân các tạp chất hữu cơ dưới tác động của vi sinh vật Khí CO2 hòa tan trong nước mưa theo phản ứng sau:

c Ion natri Na + :

Sự hình thành của Na+ trong nước chủ yếu theo phương trình phản ứng sau:

2NaAlSi3O3 + 10H2O → Al2Si2(OH)4 + 2Na+ + 4H4SiO3

Na+ cũng có thể có nguồn gốc từ NaCl, Na2SO4 là những muối có độ hòa tan lớn trong nước biển

d Ion NH 4 + :

Các ion NH4+ có trong nước ngầm có nguồn gốc từ các chất thải rắn và nước sinh hoạt, nước thải công nghiệp, chất thải chăn nuôi, phân bón hóa học và quá trình vận động của nitơ

e Ion bicacbonat HCO 3 - :

Được tạo ra trong nước nhờ quá trình hòa tan đá vôi khi có mặt khí CO2

Sắt trong nước ngầm thường tồn tại dưới dạng ion Fe2+, kết hợp với gốc bicacbonat, sunfat, clorua; đôi khi tồn tại dưới keo của axit humic hoặc keo silic Các ion Fe2+ từ các lớp đất đá được hòa tan trong nước trong điều kiện yếm khí sau:

4Fe(OH)3 + 8H+→ 4Fe2+ + O2 + 10H2OKhi tiếp xúc với oxy hoặc các tác nhân oxy hóa, ion Fe2+ bị oxy hóa thành ion Fe3+ và kết tủa thành các bông cặn Fe(OH)3 có màu nâu đỏ.Vì vậy, khi vừa bơm ra khỏi giếng, nước thường trong và không màu, nhưng sau một thời gian để lắng trong chậu và cho tiếp xúc với không khí, nước trở nên đục dần và đáy chậu xuất hiện cặn lắng màu đỏ hung

Trong các nguồn nước mặt sắt thường tồn tại thành phần của các hợp chất hữu cơ Nước ngầm trong các giếng sâu có thể chứa sắt ở dạng hóa trị II của các hợp chất sunfat và clorua Nếu trong nước tồn tại đồng thời đihyđrosunfua (H2S) và sắt thì sẽ tạo ra cặn hòa tan sunfua sắt FeS Khi làm thoáng khử khí CO2, hyđrocacbonat sắt hóa trị II sẽ dễ dàng bị thủy phân và bị oxy hóa để tạo thành hyđroxit sắt hóa trị III

4Fe2+ + 8HCO3- + O2 + 2H2O → 4Fe(OH)3↓ + 8CO2↑

Trong quy trình xử lý sắt trong nước ngầm, điều quan trọng là biết được điều kiện để chuyển sắt hóa trị II thành sắt hóa trị III và hyđroxit sắt (II) và hydroxit sắt (III) được tạo thành từ trạng thái hòa tan sang cặn lắng

Với hàm lượng sắt cao hơn 0,5 mg/l, nước có mùi tanh khó chịu, làm vàng quần áo khi giặt, làm hỏng sản phẩm của các ngành dệt may, giấy, phim ảnh, đồ hộp Trên dàn làm nguội, trong các bể chứa, sắt hóa trị II bị oxy hóa sắt hóa trị III, tạo thành bông cặn, các cặn sắt kết tủa có thể làm tắc hoặc giảm khả năng vận chuyển của các ống dẫn nước Đặc biệt là có thể gây nổ nếu nước đó dùng làm nước cấp cho các nồi hơi Một số ngành công nghiệp có yêu cầu nghiêm ngặt đối với hàm lượng sắt như dệt, giấy, sản xuất phim ảnh…

Nước có chứa ion sắt, khi trị số pH < 7,5 là điều kiện thuận lợi để vi khuẩn sắt phát triển trong các đường ống dẫn, tạo ra cặn lắng gỗ ghề bám vào thành ống làm giảm khả năng vận chuyển và tăng sức cản thủy lực của ống

i.Ion mangan:

Mangan thường tồn tại song song với sắt ở dạng ion hóa trị II trong nước ngầm và dạng keo hữu cơ trong nước mặt Do vậy việc khử mangan thường được tiến hành đồng thời với khử sắt Các ion mangan cũng được hòa tan trong nước từ các tầng đất đá ở điều kiện yếm khí như sau

6MnO2 + 12H+→ 6Mn2+ + 3O2 + 6H2OMangan II hòa tan khi bị oxy hóa sẽ chuyển dần thành mangan IV ở dạng hyđroxit kết tủa, quá trình oxy hóa diễn ra như sau:

2Mn(HCO3)2 + O2 + 6H2O → 2Mn(OH)4↓ + 4H+ + 4HCO3

-Khi nước ngầm tiếp xúc với không khí trong nước xuất hiện cặn hyđroxit sắt sớm hơn vì sắt dễ bị oxy hóa hơn mangan và phản ứng oxy hóa sắt bằng oxy hòa tan trong nước xảy ra ở trị số pH thấp hơn so với mangan Để oxy hóa mangan

trị số pH cần thiết > 9,5 Cặn mangan hóa trị cao là chất xúc tác rất tốt trong quá trình oxy hóa khử mangan cũng như khử sắt Cặn hyđroxit mangan hóa trị IV Mn(OH)4 có màu hung đen.

Trong thực tế cặn và chất lắng đọng trong đường ống, trên các công trình là do hợp chất sắt và mangan tạo nên, vì vậy, tùy thuộc vào tỷ số của chúng, cặn có thể có mà từ hung đỏ đến màu nâu đen Quá trình oxy hóa diễn ra ngay với các chất dễ oxy hóa, do vậy , để oxy hóa hàm lượng mangan xuống đến 0,2 mg/l, pH của nước phải có giá trị xấp xỉ bằng 9

Kết quả thực nghiệm cho thấy khi pH < 8 và không có chất xúc tác thì quá trình oxy hóa mangan (II) thành (IV) diễn ra rất chậm, độ pH tối tưu thường trong khoãng từ 8,5 đến 9,5

Với hàm lượng tương đối thấp, ít khi vượt quá 5 mg/l Tuy nhiên, với hàm lượng mangan trong nước lớn hơn 0,1 mg/l sẽ gây nhiều nguy hại trong việc sử dụng giống như trường hợp nước chứa sắt với hàm lượng cao

2 Các chất khí hòa tan trong nước ngầm:

a O 2 hòa tan:

Tồn tại rất ít trong nước ngầm Tùy thuộc vào nồng độ của khí oxy trong nước ngầm, có thể chia nước ngầm thành 2 nhóm chính sau:

+ Nước yếm khí: trong quá trình lọc qua các tầng đất đá, oxy trong nước

bị tiêu thụ, khi lượng oxy bị tiêu thụ hết, các chất hòa tan như Fe2+, Mn2+ sẽ tạo thành nhanh hơn Hơn nữa, cũng xảy ra quá trình khử sau: NO3- → NH4; SO42- →

PO43- cũng như các vi sinh vật gây bệnh Xử lý nước nhiễm bẩn là công việc khá

khó khăn để đạt được các chỉ tiêu chất lượng nước sinh hoạt Do vậy các khu vực khai thác nước ngầm cấp cho sinh hoạt và công nghiệp cần phải được bảo vệ cẩn thận, tránh bị nhiễm bẩn nguồn nước Để bảo vệ nguồn nước ngầm cần khoanh vùng khu vực bảo vệ và quản lý, bố trí các nguồn thải ở khu vực xung quanh.

Tóm lại, trong nước ngầm có chứa các cation chủ yếu là Na+, Ca2+, Mg2+,

Fe2+, Mn2+, NH4+ và các anion HCO3-, SO42-, Cl- Trong đó các ion Ca2+, Mg2+ chỉ tồn tại trong nước ngầm khi nước này chảy qua tầng đá vôi Các ion Na+, Cl-, SO42- có trong nước ngầm trong các khu vực gần bờ biển, nước bị nhiễm mặn Ngoài ra, trong nước ngầm có thể có nhiều nitrat do phân bón hóa học của người dân sử dụng quá liều lượng cho phép Thông thường thì nước ngầm chỉ có các ion Fe2+, Mn2+, khí

CO2, còn các ion khác đều nằm trong giới hạn cho phép của TCVN đối với nước cấp cho sinh hoạt

III CÁC CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC NGẦM:

Tùy thuộc vào vị trí, thành phần tính chất của nước mà ta có thể có nhiều công nghệ xử lý khác nhau

1 Xử lý nước ngầm nhiễm mặn:

Ở những cửa sông và các vùng ven biển, nơi gặp nhau của các dòng nước ngọt chảy từ sông ra, các dòng thấm từ đất liền chảy ra hòa trộn với nước biển Do ảnh hưởng cùa thủy triều, mực nước tại chỗ gặp nhau lúc ở mức nước cao, lúc ở mức thấp và do sự hòa trộn giữa nước ngọt và nước biển làm cho độ muối và hàm lượng huyền phù trong nước ở khu vực này luôn thay đổi và có trị số cao hơn tiêu chuẩn nước cấp cho sinh hoạt và thấp hơn nước biển Tuy nhiên, vào những tháng hạn, nước từ sông chảy ít dẫn đến hiện tượng xâm nhập của nước mặn vào sâu trong đất liền làm cho nguồn nước ở gần bị nhiễm mặn Đặc biệt là ở vùng đồng bằng sông Cửu Long

Khử mặn có thể đạt được bằng những phương pháp: Chưng cất, đóng băng, điện phân, lọc qua màng bán thấm, chiết li, trao đổi ion Khi chọn phương pháp khử mặn và khử muối cần tính đến: hàm lượng muối của nguồn nước, công suất yêu cầu của trạm xử lý, giá thành nguyên liệu đốt, giá thành điện năng và các vật liệu cần thiết Trong thực tế thường gặp các trường hợp khử mặn đối với nguồn nước có hàm lượng muối từ 2000 – 35000 mg/l

Hàm lượng muối

(mg/l) Cách xử lý kinh tế

2000 – 3000 Trao đổi ion (lọc qua bể lọc cationit và bể lọc anionit)

3000 – 10000 Điện phân

10000 – 35000 Chưng cất hoặc đóng băng nước hoặc phương pháp lọc qua màng bán thấm

+ Khử muối trong nước bằng phương pháp trao đổi ion:

Khử muối bằng phương pháp trao đổi ion tức là lọc nước qua bể lọc H+ – cationit và OH- – anionit Khi lọc nước qua bể lọc H+ – cationit kết quả của trao đổi ion, ta được các axit tương ứng

RH + NaCl → RNa + HCl2RH + Na2SO4→ 2RNa + H2SO4

2RH + Ca(HCO3)2→ R2Ca + 2CO2 + 2H2OVà khi lọc tiếp nước đã được khử cation ở bể H+ – cationit qua bể lọc anionit, các hạt anionit sẽ hấp thụ từ ước các anion của các axit mạnh như Cl-, SO42-

và nhả vào nước một lượng tương đương anion OH

-[An]OH + HCl → [An]Cl + 2H2O2[An]OH + H2SO4→ [An]2SO4 + 2H2O

Hình 1.1: Sơ đồ trạm xử lý nước nhiễm mặn bằng trao đổi ion

Tuy nhiên, để xử lý đạt hiệu quả cao người ta thường dùng nhiều bể lọc kết hợp với nhau, cách làm này có thể giảm tổng hàm lượng muối xuống đến 0,1 – 0,2 mg/l trong đó hàm lượng axit silixic giảm đến 0,02 – 0,1 mg/l Việc khử hoàn toàn muối hòa tan trong nước có thể đạt được trên các trạm lọc ion ba bậc

Ngoài ra, người ta vẫn có thể xử lý nước nhiễm mặn bằng phương pháp thẩm thấu ngược Cùng với việc khử muối, khi lọc nước qua màng bán thấm, các chất hữu cơ hòa tan, vi khuẩn, virút cũng được loại trừ Như vậy, so với các phương pháp khử muối khác, phương pháp này có ưu điểm là chất lượng nước tinh khiết hơn và quá trình sản xuất an toàn hơn

2 Xử lý nước ngầm nhiễm phèn:

Nước nhiễm phèn thường có màu trong xanh, khi hàm lượng sắt trong nước cao thì sẽ có màu vàng đục, pH thấp do trong nước có tồn tại ion SO42- Theo

Nước cần khử mặn

Nước đã khử mặn 1-Bể lọc H-cationit; 2-thùng đựng dung dịch axit hoàn nguyên; 3- tháp làm thoáng khử khí CO2; 4-Bể tập

trung nước; 5-quạt gió; 6-máy bơm; 7-bể lọc anionit; 8-thùng đựng dung dịch xút hoàn nguyên OH

đánh giá của nhân dân trong khu vực nước bị nhiễm phèn, hầu hết người dân đều mắc bệnh đau bao tử, các dụng cụ chứa trong nhà đều bị ăn mòn, tắm rửa bị rộp da, loại nước vàng đục do chứa nhiều sắt gây mỹ quan không tốt Loại nước trong xanh có chứa nhiều phèn nhôm, pH thấp Nếu dùng sẽ hư men răng, hệ tiêu hóa vì nước quá chua.

Qua kinh nghiệm của nhân dân trong khu vực, về mùa khô, khi lượng nước ít thì họ lọc nước nhiễm phèn qua tro bếp để dùng Liều lượng tro thay đổi từ

5 – 10 mg/l tro bếp có khả năng làm tăng pH, giữ lại một phần sắt, nhôm Tuy nhiên nước vẫn còn phảng phất mùi tanh

Theo các tài liệu xử lý nước, việc xử lý nước chua phèn chưa được đặt

ra Do tính chất nguồn nuớc quá xấu, khó xử lý được hoặc có điều kiện để chọn lựa nguồn nước khác tốt hơn nên xử lý nước nhiễm phèn chưa được các nhà khoa học quan tâm

Để xử lý nước nhiễm phèn, ta cần kiềm hóa để nâng pH nước lên, khử nhôm và sắt Tro bếp có khả năng nâng pH và xử lý một phần nhôm, sắt Tuy nhiên do chất lượng tro bếp không đồng đều, thời gian lắng nên nước sau xử lý có biến động về hàm lượng khoáng, pH, độ kiềm Vì vậy, người ta tổng hợp hóa chất gồm FeCl3, Na2CO3, PAC có tác dụng tạo môi trường để ion Al3+ chuyển qua dạng keo như Al(OH)SO4, Al2(OH)4SO4 Sau khi xử lý, lượng SO42- trong nước giảm đi, nâng hiệu quả keo tụ và lắng Đặc biệt hóa chất này tạo được bông cặn to, nặng và dễ lắng Nước sau khi lắng đạt tiêu chuẩn nước cấp cho ăn uống sinh hoạt Tuy nhiên khi trong nước nhiễm phèn có hàm lượng sunfat cao thì hiện nay các nhà khoa học chưa tìm được cách xử lý triệt để

3 Xử lý nước ngầm nhiễm sắt:

Tùy thuộc vào hàm lượng Fe2+ có trong nước ngầm mà ta có thể lựa chọn các phương pháp khử sắt khác nhau:

a Làm giàu oxy cho nước, tạo điều kiện để oxy hóa Fe 2+ thành Fe 3+

+ Làm thoáng đơn giản trên bề mặt lọc: dàn phun mưa cao 0.7m, lỗ phun đường kính 5- 7mm; lưu lượng 10m3/m2h Lượng oxy hòa tan sau làm thoáng = 40% lượng oxy hòa tan bão hòa (Ở 250C lượng oxy bão hòa = 8.4 mg/l)

+ Làm thoáng bằng dàn mưa tự nhiên: dàn một bậc hay nhiều bậc với sàn rải xỉ hoặc tre gỗ Lượng oxy hòa tan sau làm thoáng = 55% lượng oxy hòa tan bão hòa Hàm lượng CO2 giảm 50%

Hình 1.2: Dàn làm thoáng tự nhiên1-ống dẫn nước

2-máng phân phối chung 3-máng tràn răng cưa

4-lớp vật liệu tíếp xúc

5-sàn thu nước 6-ống thu nước 7-nan chớp lấy không

+ Làm thoáng cưỡng bức: tháp làm thoáng cưỡng bức lưu lượng 30 – 40

m3/h, lượng không khí tiếp xúc 4 – 6 m3/m3 H2O Lượng oxy hòa tan sau làm thoáng

= 70% lượng oxy hòa tan bão hòa Hàm lượng CO2 giảm 75%

Trong nước ngầm, ngoài Fe2+ còn có HS-, S2- (H2S) có tác dụng khử đối với sắt nên ảnh hưởng đến quá trình oxy hóa sắt

2H2S + O2→ 2S + 2H2ONếu trong nước có oxy hòa tan thì phản ứng oxy hóa S2- xảy ra trước sau đó mới tiếp tục oxy hóa Fe2+ thành Fe3+ Vì vậy, ta phải tính toán lượng oxy cung cấp để đủ oxy hóa Fe2+ thành Fe3+ để đạt tiêu chuẩn cấp nước

b Khử sắt bằng hóa chất:

Nguồn nước có hàm lượng tạp chất hữu cơ cao, các hợp chất hữu cơ này tạo lớp màng dạng keo bảo vệ ion sắt nên cần phá vỡ màng hữu cơ bảo vệ bằng chất oxy hóa mạnh Trong nước ngầm, hàm lượng Fe2+ quá cao, tồn tại đồng thời cả

H2S thì lượng oxy thu được bằng làm thoáng không đủ để oxy hóa toàn bộ H2S và sắt nên cần dùng hóa chất để khử bổ sung

+ Khử sắt bằng vôi: Khi cho vôi vào, pH của dung dịch tăng, Fe2+ thủy phân thành Fe(OH)2, thế oxy hóa khử tiêu chuẩn của Fe(OH)2/Fe(OH)3 giảm, Fe2+

chuyển thành Fe3+ Fe(OH)3 kết thành bông cặn, lắng trong bể lắng và được tách riêng

Phương pháp này đòi hỏi thiết bị pha chế cồng kềnh, quản lý phức tạp Tuy nhiên có thể kết hợp khử sắt với quá trình xử lý khác (Ổn định nước bằng kiềm hóa, làm mềm nước bằng vôi kết hợp sôđa …)

+ Khử sắt bằng Clo: Khi cho clo vào nước, clo sẽ oxy hóa sắt (II) thành sắt (III)

2Fe(HCO3)2 + Cl2 + Ca(HCO3)2 + 6H2O → 2Fe(OH)3 + CaCl2 + 6H+ + 6HCO3

-Quá trình oxy hóa bằng clo tăng nhanh khi giảm [H+], tức là pH tăng Do clo là chất oxy hóa mạnh nên phản ứng vẫn xảy ra nhanh ở pH ≥ 5

Hình 1.3: Tốc độ oxy hóa sắt II trong nước bằng oxy của không khí, clo, cloramin

Ngoài ra, trong nước còn có amoni hòa tan, clo sẽ kết hợp tạo thành cloramin làm quá trình oxy hóa chậm lại Ở pH =7, quá trình oxy hóa sắt (II) bằng cloramin kết thúc sau 60 phút Vì vậy, với nước có hàm lượng hợp chất amoni hòa tan nồng độ đáng kể, sử dụng clo để khử là hoàn toàn không hiệu quả Liều lượng clo cần thiết phụ thuộc hàm lượng chất hữu cơ có trong nước, cần bổ sung lượng clo đề khử tạp chất hữu cơ

MCl = 0.5 [O2] (mg/l)

[O2]: độ oxy hóa bằng kali permanganat của muối tính chuyển ra oxy.+ Khử sắt bằng KMnO4: Khi khử sắt bằng KMnO4, quá trình khử sắt kết thúc rất nhanh vì cặn mangan (IV) hyđroxit vừa được tạo thành là nhân tố xúc tác cho phản ứng khử

5Fe2+ + MnO4- + 8H+ → 5Fe3+ + Mn2++ 4H2OTrong quá trình oxy hóa sắt, các ion Fe3+ được tạo thành sẽ bị thủy phân và tạo bông cặn ngay nên nồng độ Fe3+ hòa tan trong nước còn lại không đáng kể

Do đó, phản ứng trên là phản ứng không thuận nghịch, xảy ra nhanh và triệt để Vì vậy, khử sắt bằng KMnO4 là quá trình khử sắt tốt nhất, tuy nhiên, nó có nhược điểm là gây ra nước có màu, nên ít được mọi người dùng

Thời gian oxy hóa (phút)

Ngoài ra, còn có nhiều phương pháp khử sắt khác nhau như phương pháp điện phân, trao đổi ion Các công nghệ này khử sắt tốt hơn, xử lý nhiều hơn nhưng có nhược điểm là đắt tiền nên đối với nhà máy có công suất nhỏ ít sử dụng.

CHƯƠNG II: LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ



I CƠ SỞ LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ:

Để lựa chọn công nghệ xử lý nước cấp có thể dựa vào các điều kiện sau :

- Dựa vào lưu lượng, thành phần, tính chất nguồn nước

- Yêu cầu mức độ xử lý đạt tiêu chuẩn cấp nước cho ăn uống sinh hoạt của bộ y tế

- Các điều kiện tự nhiên, khí tượng và thuỷ văn tại khu vực

- Tình hình thực tế và khả năng tài chính

- Qui mô và xu hướng phát triển

- Khả năng đáp ứng thiết bị cho hệ thống xử lý

- Chi phí đầu tư xây dựng, quản lý, vận hành và bảo trì

- Tận dụng tối đa các công trình sẵn có

- Quỹ đất, diện tích mặt bằng sẵn có của các nhà máy

II ĐỀ XUẤT DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ:

Tiêu chuẩn chất lượng nước cấp cho ăn uống sinh hoạt (QĐ 505 BYT/QĐ ngày 13/04/1992)

3 Độ oxy hóa mg/l O2 0,5 – 2 4

4 Độ cứng toàn phần mg/l 300 20

Hình 2.1: Sơ đồ công nghệ xử lý nước ngầm

III Các công trình đơn vị:

1 Dàn mưa:

Nhiệm vụ của dàn mưa là:

- Hòa tan oxy từ không khí vào nước để oxy hóa sắt II thành sắt III, mangan II thành mangan hóa trị IV để dễ dàng kết tủa dể lắng đọng để khử ra khỏi nước bằng lắng và lọc

- Khử khí CO2, H2S có trong nước, làm tăng pH của nước, tạo điều kiện thuận lợi và đẩy nhanh quá trình oxy hóa và thủy phân sắt và mangan, nâng cao năng suất của các công trình lắng và lọc

- Tăng lượng oxy hòa tan trong nước, nâng cao thế oxy hóa khử của nước để thực hiện dễ dàng các quá trình oxy hóa

2 Bể trộn đứng:

Nhiệm vụ của bể trộn là tạo điều kiện phân tán nhanh và đều hóa chất vào toàn bộ khối lượng nước cần xử lý So với khối lượng nước xử lý, lượng hóa chất sử dụng thường chỉ chiếm một tỉ lệ rất nhỏ, khoảng vài chục triệu Mặt khác phản ứng của chúng lại xảy ra rất nhanh ngay sau khi tiếp xúc với nước Vì vậy, cần phải khuấy trộn để phân phối nhanh và đều hóa chất ngay sau khi cho chúng vào nước, nhằm đạt hiệu quả xử lý cao nhất

3 Bể lắng:

Lắng là khâu quan trọng trong dây chuyền công nghệ xử lý nước Các loại bể lắng được thiết kế để loại trừ ra khỏi nước các hạt cặn lơ lửng có khả năng

Dàn mưa

Bể trộn đứng

Bể lắng đứng

Bể lọc

Bể nén bùn

Bể chứa

Hóa chất khử trùng

Máy ép bùn

Tiếp xúc Clo

Trạm bơm cấp II

Mạng lưới cấp nướcNước ngầm

Đem đi đổ

Chỉnh pH

lắng xuống dưới đáy bể lắng bằng trọng lực Nhiệm vụ của bể lắng là tạo điều kiện tốt để lắng các hạt cát kích thước lớn hơn hoặc bằng 0,2 mm và tỷ trọng lớn hơn hoặc bằng 2,6, để loại trừ hiện tượng bào mòn cá cơ cấu chuyển động cơ khí và giảm lượng cặn nặng tụ lại trong bể lắng.

4 Bể lọc:

Lọc là quá trình không chỉ giữ lại các hạt cặn lơ lửng trong nước có kích thước lớn hơn kích thước các lỗ rỗng tạo ra giữa các hạt lọc mà còn giữ lai keo sắt, keo hữu cơ gây độ đục độ màu Bể lọc thường được dùng để lọc một phần hay toàn bộ cặn bẩn có trong nước tùy thuộc vào yêu cầu đối với chất lượng nước Bể lọc đây được thiết kế gồm hai lớp: lớp cát thạch anh và lớp sỏi

Nước cấp khi qua bể lắng hầu hết các cặn lơ lửng đều được giữ lại, chỉ còn khoảng 20% cặn lơ lửng không lắng được ở bể lắng mà tiếp tục đi vào bể lọc Bể lọc có nhiệm vụ giữ lại tất cả các cặn không thể lắng được

5 Bể chứa nước sạch:

Dùng để chứa nước sau khi lọc, tại đây ta châm thêm một lượng clo đủ nhằm bảo đảm chỉ tiêu vi sinh và khử trùng trong đường ống, ngăn chặn tảo phát triển trong đường ống làm tắc nghẽn đường ống Bể chứa nước sạch được đặt gần bể lọc và trạm bơm cấp II Ngoài ra, cốt mực nước trong bể chọn phù hợp với điều kiện địa hình, cao độ mực nước ngầm và có thể tự mồi cho các máy bơm cấp II

6 Trạm bơm cấp II:

Nhiệm vụ phân phối nước ra mạng tiêu thụ, bơm nước rửa lọc, máy gió rửa lọc… Trạm bơm cấp II phải đảm bảo việc phân phối nước theo yêu cầu về công suất và độ tin cậy

Khi bố trí trạm bơm cấp II cần các yêu cầu:

- Diện tích choán chỗ và chiều cao trạm bơm

- Cao độ trục bơm so với cốt mực nước thấp nhất trong bể bơm

- Cốt nền trạm bơm

- Vị trí trạm bơm thuận tiện và an toàn cho việc bố trí các tuyến cấp điện, ống hút và ống đẩy, chừa hành lang sữa chữa thiết bị ống

- Trước trạm bơm phải có vị trí để đặt các thiết bị hoặc tháp chống va

- Trạm bơm và nhà điều hành là hai công trình tạo dáng kiến trúc và cảnh quan chung cho nhà máy xử lý nước

CHƯƠNG III: TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC

CÔNG TRÌNH ĐƠN VỊ



I LÀM THOÁNG:

Công suất nhà máy: 500 m3/ngđ ≈ 21 m3/h

Ta có độ oxy hóa = 4 ≤ + 

+

528

Fe2

mg/l = 5.54

- Nhu cầu oxy:

Xét phản ứng: 4Fe2+ + O2 + 2H2O + 8OH-→ 4Fe(OH)3

Ta có để oxy hóa 1mg sắt (II) thành sắt (III) tiêu tốn khoảng 0,143 mg O2.Ngoài ra: 2H2S + O2→ 2S + 2H2O

Do H2S có tính khử hơn sắt nên H2S sẽ tác dụng với O2 trước, để oxy hóa 1mg H2S cần khoảng 0,47 mg O2

⇒ Nhu cầu oxy: 4 + 0,47x0,1 + 0,15x15 = 6,3 mg/l.

Độ kiềm nước ngầm :1,9 meg/l >  + 

+

128

Fe2

= 1,54 meq/l; pH = 6,0 < 6,8.Hàm lượng Fe2+ = 15 mg/l Sắt tổng = 20 mg/l

- Xác định tổng hàm lượng CO2 có trong nước = Co + 1,6Fe2+, trong đó:1,6Fe2+ là lượng CO2 bổ sung do thủy phân sắt tạo ra, cứ 1mg Fe2+ bị thủy phân tạo ra 1,6mg CO2 và làm giảm độ kiềm một lượng bằng 0,036 meq/l

Co: hàm lượng CO2 ban đầu trong nước ngầm

l/mg10

xK

K44

1

) l meq (

K: độ kiềm của nước nguồn (meq/l)

µ: lực ion của dung dịch, µ = 22.10-6P

P: tổng hàm lượng muối khoáng (mg/l); nếu hàm lượng muối khoáng ≤

1000 → µ = 0,022

K1: hằng số phân ly bậc 1 của axit cacbonic

Bảng 3.1: Hằng số phân ly bậc 1 của axit cacbonic

K1 3,34.10-7 4,05.10-7 4,31.10-7 4,52.10-7

(Nguồn: Cấp nước tập 2 – Trịnh Xuân Lai)

⇒ Nồng độ CO2 trong nước ngầm cần xử lý:

l mg x

x

x

1010.31,4

9,144

022 , 0 6 7

Khử khí oxy và CO2 trong nước bằng phương pháp làm thoáng tự nhiên theo nguyên tắc rơi trọng lực (hình 1.2) Dàn mưa có cường độ tưới 10 m3/m2h Dàn

mưa có ba sàn ống và một sàn tung cuối cùng rơi xuống sàn thu nước Chiều cao giữa các sàn là 0,8 m Nồng độ CO2 ban đầu là 162 mg/l, nồng độ oxy là 0 mg/l Nồng độ bão hòa CO2 = 1 mg/l, của oxy là 9 mg/l.

Hàm lượng CO2 còn lại sau dàn mưa theo công thức

O S

C

Bảng 3.2: Hệ số K 2 t với khí O 2 và CO 2

Kiểu dàn làm thoáng K2t đối với khí

O2 CO2

Phun qua lỗ, qua khe kẹp rơi trực tiếp xuống sàn h =

Phun qua lỗ hoặc khe hẹp rơi xuống dàn ống nhựa

φ25 mm cách nhau 25 mm thành 10 lớp, lớp trên vuông

góc với lớp dưới, với tổng chiều cao lớp ống nhựa 250

tưới thực (10a1 )

(Nguồn: Cấp nước tập 2 – Trịnh Xuân Lai)

Dựa vào bảng trên ta có trị số K2t của toàn dàn làm thoáng:

- Đối với CO2:

K2t = 3 sàn x 0,431 x

1010

1x6,0

8,

0

+ 1 sàn x 0,357 x

1010

1x6,0

6,

0

= 2,081

Nồng độ CO2 còn lại trong nước sau làm thoáng:

l/mg21e

)1621(1

8,

6,

0

= 5,96

Nồng độ O2 còn lại sau làm thoáng:

l/mg98,8e

)09(9

h/m21

Xác định pH sau làm thoáng:

µ +

= pH

1.10K

K44

144,144lg

Ta có pH = 6,6 không phải là điều kiện thuận lợi cho quá trình oxy hóa mangan Vì vậy ta phải cho thêm hóa chất vào, ở đây ta sử dụng vôi, vôi được hòa trộn vào trong nước sau khi qua dàn mưa và đi vào bể trộn đứng

II BỂ TRỘN ĐỨNG:

Sử dụng vôi sữa để kiềm hóa nước, nâng pH lên, tạo điều kiện để oxy hóa

Mn2+ thành Mn4+ dễ dàng lắng được trong bể lắng ngang

Hình 3.1: Cấu tạo một bể trộn đứng:

4

2

3

5 1

1-ống dẫn nước vào 2-ống dẫn nước sang bể phản ứng

3-ống dẫn hóa chất 4-máng thu nước 5-ống xả

Bể trộn đứng có hình dạng mặt bằng có thể hình vuông hoặc tròn, phần dưới cấu tạo hình chóp hay nón với đáy 30 – 40o và cho nước chảy từ dưới lên

Tốc độ dòng nước ra khỏi ống dẫn đi vào đáy bể trộn bằng 1 – 1,5 m/s Tốc độ ở chỗ thu nước trên bằng 25 mm/s Việc thu nước có thể thực hiện bằng dàn ống hoặc máng có khoan lỗ Tốc độ nước ở cuối ống hoặc máng thu nước lấy bằng 0,6 m/s Thời gian lưu nước trong bể trộn không vượt quá 2 phút (Theo TCXD 33 : 1985)

Với trạm xử lý nước có công suất 500 m3/ngđ

Q = 500 m3/ngđ ≈ 21 m3/h = 0,006 m3/s

Diện tích tiết diện ngang ở phần trên của bể trộn tính với vận tốc nước dâng bằng 25 mm/s = 0,025 m/s là:

006,

0v

Qf

bt = ≈

Do bể trộn có kích thước nhỏ nên ta sẽ kết hợp bể trộn với bể lắng Tức là ta sẽ cho dung dịch kiềm hóa vào chung một ống dẫn với nước ngầm cần xử lý vào trong bể lắng để phản ứng trong bể lắng

III BỂ LẮNG ĐỨNG:

Trong bể lắng đứng nước chuyển động theo phương thẳng đứng từ dưới lên, còn các hạt cặn rơi ngược chiều chuyển động của dòng nước từ trên xuống Khi xử lý nước không dùng hóa chất keo tụ, các hạt cặn có tốc độ rơi lớn hơn tốc độ dâng của dòng nước sẽ lắng xuống được Còn các cạt cặn có tốc độ rơi nhỏ hơn hoặc bằng tốc độ dâng của dòng nước, sẽ chỉ lơ lửng hoặc bị cuốn theo dòng nước lên trên phía trên bể Khi sử dụng nước có dùng chất keo tụ, tức là trong nước có chứa các cặn kết dính, thì ngoài các hạt cặn có tốc độ rơi ban đầu lớn hơn tốc độ rơi của dòng nước lắng xuống được còn có các hạt cặn khác cũng rơi xuống được Nguyên nhân là do trong quá trình các hạt cặn có tốc độ rơi nhỏ hơn tốc độ dòng nước bị đẩy lên trên, chúng đã kết dính lại với nhau và tăng dần kích thước, cho đến khi nào có tốc độ chuyển động của dòng nước sẽ rơi xuống

Bể lắng đứng thường có hình vuông hoặc hình tròn và được sử dụng cho những trạm xử lý có công suất nhỏ (đến 3000 m3/ngđ) Bể lắng đứng hay bố trí kết hợp với bể phản ứng xoáy hình trụ Bể có thể xây dựng bằng bê tông cốt thép hoặc bằng gạch Ống trung tâm có thể là thép cuốn hàn điện hay bê tông cốt thép

Hình 3.2: Cấu tạo bể lắng đứng

1-Ngăn phản ứng xoáy 2-Vùng lắng

3-Vùng chứa cặn 4-Ống nước vào 5-Vòi phun 6-Tấm hướng dòng 7-Máng thu 8-Ống nước ra 9-Ống xả cặn