đồ án kỹ thuật cấp thoát nước Hệ thống xử lý nước cấp từ nguồn nước ngầm công suất 500m3 ngày

Khu vực này chỉ có 29.62% số hộ gia đình được cấp nước sạch từ hệ thống cấp nước thành phố, còn lại hầu hết các hộ gia đình sử dụng nước từ các giếng khoan, từ việc trao đổi mua bán nước

CHƯƠNG 1

TỔNG QUAN VỀ TÌNH HÌNH CẤP NƯỚC

1.1. Nhu cầu sử dụng nước

- Theo quyết định được phê duyệt năm 2001 của thủ tướng chính phủ về Quy hoạch tổng thể hệ thống cấp nước thành phố Hồ Chí Minh đến năm 2010 và định hướng đến năm

2020, thì tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt chi thành phố được định ra như sau

- Tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt:

 Đến năm 2005 là 160 - 180 lít/người/ngày đêm;

 Đến năm 2010 là 180 - 200 lít/người/ngày đêm;

 Đến năm 2020 là 200 - 220 lít/người/ngày đêm

- Tỷ lệ dân được cấp nước cho năm 2005 là 85%; năm 2010 là 95%; năm 2020 là 100%

- Chỉ tiêu giảm lượng nước thất thoát, thất thu tiền nước: Đến năm 2005 còn 28%; năm

2010 còn 26%

1.2. Tình hình cung cấp nước hiện tại

- Theo báo cáo “Kế hoạch đầu tư phát triển hệ thống cấp nước và quy hoạch cấp nước ” của tổng công ty cấp nước Sài Gòn thì hiện trạng hệ thống cấp nước của khu vực TpHCM đến cuối năm 2006 như sau:

 Về sản xuất nước:

Công suất cấp nước Công suất hiện hữu

(m 3 /ngày)

Sản lượng bình quân năm 2006 (m 3 /ngày)

- Như vậy, đến năm 2006, tổng công suất của hệ thống cấp nước thành phố chỉ đạt

thủ tướng chính phủ mặc dù theo định hướng của thủ tướng chính phủ thì đến năm 2010 dân số thành phố mới ở mức 7.880.000 người trong khi đó hiện nay, dân số của thành phố là hơn 8.000.000 người, tính cả người dân nhập cư và làm việc theo mùa vụ Điều đó cho thấy, hệ thống cấp nước khu vực thành phố Hồ Chí Minh hiện nay thiếu ít nhất

 Về cung cấp nước:

Khu vực

Số hộ dân sử dụng nước sạch năm 2005

Tổng số hộ dân năm 2006

Số hộ dân được

sử dụng nước sạch năm 2006

- Theo đó, chỉ 86.53% số hộ gia đình ở Thành phố Hồ Chí Minh được cung cấp nước sạch

và chủ yếu là ở khu vực nội thành Điều đó cho thấy, Thành phố Hồ Chí Minh đang ở

Khu vực này chỉ có 29.62% số hộ gia đình được cấp nước sạch từ hệ thống cấp nước thành phố, còn lại hầu hết các hộ gia đình sử dụng nước từ các giếng khoan, từ việc trao đổi mua bán nước ở các vùng có chất lượng nước ngầm không tốt như huyện Nhà Bè, quận 7.

Sơ đồ mạng lưới cấp nước của thành phố Hồ Chí Minh (Nguồn [9])

1.3. Một số khó khăn trong việc cấp nước của thành phố

 Chất lượng nguồn nước mặt đang suy giảm nghiêm trọng

- Sông Sài Gòn và Sông Đồng Nai là 2 con sông chính cung cấp nước cho thành phố, nhưng hiện nay, chất lượng nước của cả 2 dòng sông này đều đang bị ô nhiễm nghiêm trọng và chuyển biến theo hướng ngày càng tệ hơn, chất thải kim loại nặng vượt chỉ tiêu nhiều lần, chất hữu cơ vượt mức báo động, các loại thuốc trừ sâu và phân bón, các chỉ tiêu về độ đục, mangan, coliform đều vượt chỉ tiêu cho phép

- Đây thật sự là một khó khăn trong hệ thống cấp nước của thành phố, chất lượng nước không được đảm bảo và nếu tình hình này còn tiếp tục xấu đi thì tình hình thiếu nước sạch để sinh hoạt của người dân thành phố sẽ ngày càng nghiêm trọng hơn

 Tình trạng thất thoát nước

- Tình hình thất thoát nước lớn do nhiều nguyên nhân khác nhau như sự mục rỉ đường ống, thi công không đúng kỹ thuật cũng góp phần làm cho việc cung cấp nước khó khăn, người dân thiếu nước sử dụng Ước tính tỉ lệ thất thoát nước của thành phố năm 2006 –

m3/ngày)

1.4. Giới thiệu đề tài và ý nghĩa đề tài

- Trong bối cảnh khó khăn về việc cung cấp nước sạch đã nói trên thì thành phố Hồ Chí Minh đã đưa ra chính sách khuyến khích, tạo mọi điều kiện cho các doanh nghiệp tư nhân, các nhà đầu tư và mọi thành phần kinh tế tham gia đầu tư, xây dựng các công trình, nhà máy xử lý, các trạm cung cấp nước sạch cho người dân, đặc biệt là người dân các vùng thiếu nước sạch trầm trọng như Củ Chi, Nhà Bè, Bình Chánh, Cần Giờ

- Và đồ án này thực hiện với đề tài: thiết kế hệ thống xử lý nước cấp từ nguồn nước

ngầm với công suất 500 m 3 /ngày cũng là một nghiên cứu khả năng thực hiện các công

thiếu nước hiện nay của thành phố trong điều kiện nước từ các nhà máy nước không thể đưa đến được.

- Trường hợp các nghiên cứu khả thi về kỹ thuật và kinh tế của đồ án cho được kết quả phù hợp thì mô hình các trạm cung cấp nước nông thôn như thế này có thể được thực hiện rộng rãi ở nhiều địa bàn trên thành phố để khắc phục tình trạng thiếu nước sinh hoạt kể trên

CHƯƠNG 2

NƯỚC NGẦM

thủy phân chất hữu cơ hay do quá trình trao đổi chất của rễ cây sẽ hòa tan trong nước mưa theo phản ứng:

CO2 + H2O  H2CO3

H2CO3 sẽ thấm xuống đất và hòa tan CaCO3 tạo thành Ca2+:

H2CO3 + CaCO3  Ca(HCO3)2  Ca 2+ + 2HCO3

- Mg 2+: chủ yếu là từ các muối magie silicat và CaMg(CO3)2, chúng hòa tan chậm trong nước chứa khí CO2 Mg2+ cùng với Ca2+ tạo nên độ cứng của nước

 Na + : Na+ được hình thành chủ yếu từ phương trình:

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

trong nước biển

 Fe 2+ : các ion Fe2+ được hình thành từ các lớp đất đá được hòa tan trong nước trong điều kiện yếm khí như sau:

4Fe(OH)3 + 8H +  4Fe 2+ + O2 + 10H2O

Khi không bị vi sinh vật tiêu thụ cho các quá trình oxy hóa các chất hữu cơ trong đất (hợp chất humic), sắt hóa trị 3 Fe(OH)3 sẽ bị khử thành sắt hóa trị 2 là Fe2+

 Mn 2+: được hòa tan trong nước từ các tầng đất đá ở điều kiện yếm khí, theo phương trình:

6MnO2 + 12H +  Mn 2+ + 3O2 + 6H2O

nước thải sinh hoạt, nước thải công nghiệp, chất thải chăn nuôi, phân bón hóa học và trong quá trình vận động của nitơ

CO2:

CaCO3 + CO2 + H2O  Ca 2+ + 2HCO3

- SO 4 2-: các ion sunfat có nguồn gốc từ CaSO4.7H2O hoặc do quá trình oxy hóa FeS2

trong điều kiện ẩm với sự có mặt của O2 như sau:

2FeS2 + 2H2O +7O2  2Fe 2+ + 4SO4 2- + 4H +

hoạt

- Việc lựa chọn công nghệ xử lý nước cần dựa vào các yếu tố sau:

 Chất lượng nước nguồn

 Chất lượng nước yêu cầu sau xử lý phụ thuộc vào mục đích của đối tượng sử dụng

 Công suất của nhà máy nước

 Điều kiện kinh tế kỹ thuật

- Công nghệ xử lý nước ngầm thường được áp dụng:

- Bảng sau tóm tắt các quá trình cơ bản xử lý nước ngầm và mục đích của các quá trình đó:

tan trong nước

hóa và thủy phân sắt và mangan trong dây chuyền công nghệ khử sắt và mangan

- Làm giàu oxy để tăng thế oxy hóa khử của nước, khử các chất bẩn ở dạng khí hòa tan trong nước

- Loại trừ rong, rêu, tảo phát triển rên thành các bể trộn, tạo bông cặn và bể lắng, bể lọc.

- Trung hòa lượng amoniac dư, diệt các vi khuẩn tiết ra chất nhầy trên mặt lớp cát lọc

- Quá trình lắng

- Loại trừ ra khỏi nước các hạt cặn và bông cặn có khả năng lắng với tốc độ kinh tế cho phép, làm giảm lượng vi trùng và vi khuẩn

men răng và xương cho người dùng nước

- Ổn định nước

- Khử tính xâm thực và tạo ra màng bảo vệ cách ly không cho nước tiếp xúc trực tiếp với vật liệu mặt trong thành ống dẫn bảo

vệ ống và phụ tùng trên ống

nồng độ yêu cầu

2.3.1 Phương pháp oxy hóa – kết tủa

a Phương pháp oxy hóa sắt

Nguyên lý của phương pháp này là oxy hóa sắt (II) thành sắt (III) và tách chúng ra khỏi nước dưới nước dưới dạng hydroxyt sắt(III) Phương trình phản ứng chung của quá trình oxy hóa sắt:

4Fe 2+ + 8HCO3 - + O2 + H2O  4Fe(OH)3 + 8H + + 8HCO3

-b Khử sắt bằng quá trình ôxy hóa

 Làm thoáng đơn giản trên bề mặt lọc:

Nước được làm thoáng bằng dàn mưa ngay trên bề mặt lọc, chiều cao dàn phun thường lấy khoảng 0.7m, lỗ phun có đường kính 5-7 mm, lưu lượng tưới khoảng 10m3/m2.h Lượng ôxy hòa tan trong nước sau làm thoáng ở nhiệt độ 25oC lấy bằng 40% lượng oxy hòa tan bão hòa (ở 25oC lượng oxy hòa tan bão hòa bằng 8.1 mg/l)

 Làm thoáng bằng dàn mưa tự nhiên

Nước cần làm thoáng được tưới lên giàn làm thoáng 1 bậc hay nhiều bậc với các sàn rải xỉ hoặc tre gỗ Lưu lượng tưới và chiều cao tháp cũng lấy như trường hợp trên Lượng

làm thoáng giảm 50%

 Làm thoáng cưỡng bức

tiếp xúc lấy từ 4 – 6 m3 cho 1 m3 nước Lượng oxy hòa tan sau làm thoáng bằng 70%

c Khử sắt bằng hóa chất:

để khử

Các hóa chất thường dùng để khử sắt trong nước ngầm là các chất oxy hóa mạnh như vôi, clor và KMnO4

nhanh chóng thành Fe(OH)2, lắng xuống 1 phần, thế oxy hóa khử tiêu chuẩn Fe2+/Fe3+

giảm xuống, do đó sắt (II) dễ dàng chuyển hóa thành Fe(III), kết tụ thành bông cặn, tách khỏi nước

 Clor: quá trình khử sắt được thực hiện nhờ phản ứng sau:

2Fe(CO3)2 + Cl2 + Ca(HCO3)2 + 6H2O  2Fe(OH)3 + CaCl2 + 6H + + 6HCO3

tăng pH cùa nước Tuy nhiên, do clor là chất oxy hóa mạnh nên phản ứng oxy hóa sắt bằng clor vẫn xảy ra nhanh ở pH ≥5.

được tạo thành sẽ xúc tác cho quá trình khử, phản ứng xảy ra như sau:

5Fe 2+ + MnO4 - + 8H +  5Fe 3+ + Mn 2+ + 4H2O

2.3.2 Khử sắt bằng cách lọc qua lớp vật liệu đặc biệt

- Các vật liệu đặc biệt có khả năng xúc tác, đẩy nhanh quá trình oxy hóa khử Fe2+ thành

Fe3+ và giữ lại trong tầng lọc Quá trình này diễn ra rất nhanh chóng và có hiệu quả cao Cát đen là một trong những chất có đặc tính như thế

2.3.3 Phương pháp trao đổi ion

- Phương pháp trao đổi ion được sử dụng khi kết hợp với quá trình khử cứng Khi sử dụng thiết bị trao đổi ion để khử sắt, nước ngầm không được tiếp với không khí vì Fe3+ sẽ làm giảm khả năng trao đổi của các ionic Chỉ có hiệu quả khi khử nước ngầm có hàm lượng sắt thấp

2.3.4 Phương pháp vi sinh

- Một số loại vi sinh có khả năng oxy hóa sắt trong điều kiện mà quá trình oxy hóa hóa học xảy ra rất khó khăn Chúng ta cấy các mầm khuẩn sắt trong lớp cát lọc của bể lọc, thông qua hoạt động của các vi khuẩn sắt được loại ra khỏi nước Thường sử dụng thiết

bị bể lọc chậm để khử sắt

- Lắng là một quá trình làm sạch cơ bản trong công nghệ xử lý nước Trong bể lắng, các hạt cặn có khối lượng riêng lớn hơn khối lượng riêng của nước, dưới tác dụng của trọng lực sẽ tự lắng xuống đáy, tạo thành lớp bùn cặn ở dưới đáy và nước sạch sẽ được thu ở phía trên và đưa qua quá trình xử lý tiếp theo

- Quá trình lắng thường được phân chia thành 2 loại chính là lắng tự do và lắng bông cặn

 Lắng rời rạc hay lắng tự do: còn gọi là lắng ổn định Trong suốt quá trình lắng, các

hạt cát sét không thay đổi về kích thước cũng như trong lượng Tốc độ lắng được xem

là không đổi theo thời gian lắng

 Lắng bông cặn: còn gọi là lắng không ổn định, là quá trình lắng cát hạt cặn có khả

năng keo tụ trong quá trình lắng, các hạt bông cặn sẽ kết dính lại với nhau và tăng

dần về kích thước cũng như trọng lượng Tốc độ lắng cũng tăng dần theo thời gian lắng.

- Ngoài ra, việc lựa chọn công nghệ lắng còn quan tâm đến vấn đề lựa chọn loại bể lắng để thiết kế Các loại bể lắng thường được sử dụng nhất trong xử lý nước cấp là:

 Bể lắng ngang: có thể hình chữ nhật hoặc hình tròn, dùng để lắng cả cặn thô và cặn

keo tụ, nước được dẫn vào bể theo phương ngang So với bể lắng đứng thì bể lắng ngang cho hiệu quả lắng cao hơn

 Bể lắng đứng: có thể hình vuông hoặc hình tròn, dùng để lắng cặn keo tụ Trong bể

lắng đứng, nước đi từ dưới lên, cặn đi từ trên xuống

 Bể lắng có lớp cặn lơ lửng: dùng để lắng cặn keo tụ Nước sau khi trộn đều với chất

keo tụ sẽ đi vào bể lắng, nước chuyển động theo phương thẳng đứng từ dưới lên Các hạt cặn và mầm keo tụ va chạm vào nhau thành hạt lớn hơn, sau một thời gian các hạt cặn lơ lửng trong nước dính kết với nhau tạo thành đám mây cặn lơ lửng Nước tiếp tục đi vào lọc qua lớp cặn lơ lửng trên, các hạt cặn bé sẽ bị giữ lại trong lớp cặn và hiệu quả của quá trình keo tụ tăng lên, nước được làm trong So với bể lắng ngang thì

bể lắng có lớp cặn lơ lửng cho hiệu quả lắng cao hơn

- Lọc là một quá trình làm sạch nước thông qua lớp vật liệu lọc, nhằm tách các hạt cặn lơ lửng, các thể keo tụ và các vi sinh vật ra khỏi nước Sau quá trình lọc, nước sẽ có chất lượng tốt hơn về mặt vật lý, hóa học và sinh học

- Lọc là sự kết hợp giữa ngăn giữ cơ giới và hấp phụ bề mặt Theo cấu trúc vật liệu lọc, tác dụng cơ giới của quá trình lọc chủ yếu là lọc màng mỏng (lọc trên bề mặt) và lọc thẩm thấu (lọc theo chiều sâu), còn tác dụng hấp phụ bề mặt là sự dính bám tiếp xúc giữa các hạt keo và hạt huyền phù có trong nước với các hạt các trong lớp lọc

- Thường trong công nghệ xử lý nước, người ta sử dụng công nghệ lọc sâu, và công nghệ lọc sâu được phân chia theo tốc độ lọc và thời gian hoàn nguyên giữa 2 lần lọc thành lọc nhanh và lọc chậm.

 Lọc nhanh: nước cần xử lý đi qua lớp vật liệu lọc có kích thước trung bình lớn, vật

tốc rất cao, vận tốc lọc từ 2-15 m/h Đối với quá trình lọc nhanh, cần phải tiến hành hoàn nguyên lớp vật liệu lọc theo chu kỳ bằng dòng rửa ngược Lọc nhanh có các tác dụng là: tách các chất gây đục, tách được acid (khi dùng cột lọc CaCO3), oxy hóa tách được sắt và mangan, xử lý NH4+, hữu cơ, carbon, NO2, NO3-

 Lọc chậm: nước xử lý đi qua lớp cát mịn với vận tốc nhỏ, từ 0.1-0.5 m/h Quá trình

lọc chậm thường được áp dụng để lọc nước ăn uống trong quy mô hộ gia đình do thời gian lọc rất dài, có thể là từ vài tuần đến vài tháng hoặc lâu hơn Vật liệu lọc sau đó được hoàn nguyên bằng cách cạo bỏ lớp cặn tích tụ ở trên và lớp cát bẩn ở trên Lọc chậm có nhiều ưu điểm về chất lượng nước sau xử lý hơn so với lọc nhanh, chất lượng nước tốt hơn, lọc được nước tự nhiên không cần hóa chất, không đòi hỏi thiết

bị phức tạp, quản lý vận hành đơn giản, tách tốt các chất vi sinh hữu cơ, giảm lượng carbon hữu cơ hòa tan, tách được các cặn bẩn có kích thước nhỏ Nhược điểm là diện tích lớn, khó cơ giới hóa và tự động hóa Quá trình lọc chậm thường được áp dụng để tách vi sinh, tạp chất hữu cơ, giảm DOC, oxy hóa amoniac và tách các chất gây đục

có kích thước nhỏ

- Khử trùng là một công đoạn bắt buộc trong quy trình xử lý nước cấp, để đảm bào rằng nước sau xử lý không còn các vi sinh vật gây bệnh như các vi khuẩn, virus, vi trùng gây các bệnh tả lị, thường hàn, sốt rét Quá trình khử trùng sẽ tiêu diệt, làm mất khả năng hoạt động của các vi sinh vật gây bệnh đó

- Các chất khử trùng, ngoài tác dụng tiêu diệt các vi sinh vật gây bệnh, cũng là những chất oxy hóa mạnh, còn được dùng để:

 Ngăn cản sự phát triển của VSV và đảm bảo sự ổn định sinh học.

 Ngăn ngừa sự phát triển của tảo trong bể lắng và bể lọc

 Tăng cường hiệu quả keo tụ và lọc

 Giảm thiểu sự tạo thành DBPs

 Khử màu, khử mùi, khử vị

 Khử sắt và mangan

- Có 2 nhóm phương pháp khử trùng chính:

 Phương pháp lý học: khử trùng bằng nhiệt, bằng tai UV, siêu âm, khử trùng bằng

lớp lọc qua sứ xốp hoặc màng bán thấm Phương pháp lý học cho hiệuquả thấp, phù hợp với quy mô nhỏ và hầu như không làm thay đổi tính chất lý hóa của nước

 Phương pháp hóa học: khử trùng bằng chlorine, chloramine, chlorine dioxide,

hiệu quả cao nhưng tạo ra nhiều hợp chất trung gian của quá trình khử trùng, các chất này có khả năng gây bệnh đối với con người, kể cả ung thư

CHƯƠNG 3

LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ

3 LỰA CHỌ N CÔNG NGHỆ XỬ LÝ

3.1.Chất lượng nước đầu vào

- Ta xem xét nguồn nước ngầm có các chỉ tiêu chất lượng như sau:

 Nhiệt độ : 20oC

 pH : 5,6

 Fe : 15,1 mg/l

 Fe2+ = 9.2 mg/l

 Các chỉ tiêu khác đều nằm trong phạm vi cho phép

- Nhận xét về chất lượng nguồn nước: ta thấy rằng nguồn nước ngầm ở đây chủ yếu là nhiễm sắt và pH thấp, do đó, cần lựa chọn công nghệ chủ yếu là để khử sắt và nâng pH của nước

3.2.Tiêu chuẩn chất lượng nước sau xử lý

- Nước sau xử lý phải đạt tiêu chuẩn vệ sinh nước ăn uống (ban hành kèm theo Quyết định của Bộ trưởng bộ Y tế số 1329/2002/BYT/QĐ ngày 14-4-2002) với các tiêu chuẩn cần đạt như sau:

Giới hạn tối đa

- Như đã nói trên, nguồn nước trên chủ yếu là bị nhiễm sắt, do đó, công nghệ lựa chọn để

xử lý là công nghệ khử sắt truyền thống bằng làm thoáng, tiếp theo là các quá trình lắng, lọc và khử trùng để đảm bảo chất lượng nguồn nước Ngoài ra, còn có 2 quá trình phụ để nâng hiệu quả xử lý nguồn nước, đó là quá trình keo tụ và kiềm hóa

- Quy trình công nghệ như sau:

3.4.Sơ đồ công nghệ và thuyết minh sơ đồ công nghệ

- Với quy trình công nghệ được lựa chọn như trên, các công trình đơn vị được lựa chọn để thiết kế như sau:

DÀN MƯA

BỂ LẮNG NGANG

BỂ LỌC NHANH

BỂ CHỨA NƯỚC SẠCH

Nước thô

Chất khử trùng

Trạm bơm, đi phân phối

Cặn lắng

Nước rửa lọc

- Thuyết minh công nghệ:

Nước được khai thác từ các giếng khoan đầu tiên sẽ được đưa qua dàn mưa để khử sắt

dàn mưa, nước sẽ được châm thêm vôi để nâng pH của nước lên đạt yêu cầu đối với tiêu chuẩn nước ăn uống, sinh hoạt là 6.5 – 8.5 và châm chất keo tụ để kết dính các kết tủa sắt được tạo ra trong quá trình trước và các chất lơ lửng có trong nước Sau đó, nước đi vào bể lắng ngang, tại đây, các kết tủa sắt và cặn lơ lửng trong nước nhờ các chất keo tụ sẽ kết dính lại với nhau tạo thành các bông cặn và lắng xuống một cách nhanh chóng Tiếp theo, nước được đưa qua bể lọc nhanh để loại bỏ cặn lơ lửng còn lại Cuối cùng, nước được bổ sung chất khử trùng là chlorine để tiêu diệt các vi sinh vật gây bệnh có trong nước Như vậy, quá trình

xử lý nước đã hoàn thành, nước lúc này được dẫn về bể chứa và chờ phân phối đến người sử dụng

CHƯƠNG 4

TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH

4 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÔNG TRÌNH

4.1.Công suất thiết kế

h

Q Q T

=

Trong đó :

Qh : công suất thiết kế của hệ thống tính theo giờ (m3/h)

Qng : công suất thiết kế của hệ thống tính theo ngày (m3/ngày) Q ng = 500 (m 3 /ngày).

T : thời gian hoạt động của hệ thống trong ngày (20h/ngày).T = 20h/ngày.

- Nước được phun xuống sàn tung nước thứ nhất sẽ gặp lớp vật liệu lọc, sau đó tiếp tục rơi xuống sàn tung nước thứ 2 và thứ 3 Trong quá trình rơi và va chạm, oxy không khí sẽ được hòa tan vào trong nước để oxy hóa Fe2+ thành Fe3+ kết tủa, sẽ bị loại bỏ trong quá

tăng lên, thuận lợi cho quá trình khử sắt