Nghiên cứu xử lý và thu hồi nước thải rửa lọc cho các nhà máy xử lý nước ngọt

Cấp nước là một ngành thuộc cơ sở kỹ thuật hạ tầng đô thị giữ vai trò quan trọng đối với hoạt động sản xuất và sinh hoạt của xã hội. Trong những năm qua, cùng với quá trình phát triển kinh tế xã hội, nhu cầu sử dụng nước sạch cũng tăng lên, đặc biệt tại các đô thị.

bộ giáo dục và đào tạo

trờng đại học xây dựng hà nội

CHU THị HảI YếN

Nghiên cứu xử lý Và thu hồi nớc thải rửa lọc cho các nhà máy xử lý nớc ngầm

luận văn thạc sĩ kỹ thuật

hà nội, năm 2010

MỤC LỤC

DANH MỤC CÁC BẢNG 3

DANH MỤC CÁC HÌNH 4

PHẦN MỞ ĐẦU 5

1 Sự cần thiết của đề tài 5

2 Mục tiêu của đề tài 6

3 Nội dung nghiên cứu 7

4 Phạm vi và phương pháp nghiên cứu 7

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THU HỒI, XỬ LÝ VÀ TÁI SỬ DỤNG NƯỚC THẢI RỬA LỌC 8

1.1 Đặc điểm nước thải rửa lọc tại các nhà máy nước ngầm ở Việt Nam 8

1.1.1 Sự hình thành nước thải rửa lọc 8

1.1.2 Số lượng, thành phần và tính chất nước thải rửa lọc 15

1.2 Tình hình thu hồi, xử lý và tái sử dụng nước thải rửa lọc ở một số nhà máy nước ngầm 17

1.3 Kết luận chương 1 21

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH KEO TỤ VÀ LẮNG CẶN 22 2.1 Quá trình keo tụ cặn bẩn 22

2.1.1 Bản chất lý hoá của quá trình keo tụ 22

2.1.2 Các phương pháp keo tụ 23

2.1.3 Cơ chế của quá trình keo tụ tạo bông 27

2.1.4 Động học của quá trình keo tụ 28

2.1.5 Keo tụ tiếp xúc 32

2.2 Cơ sở lý thuyết của quá trình lắng 34

2.2.1 Động học của quá trình lắng 34

2.2.2 Các yếu tố ảnh hưởng tới quá trình lắng 42

2.3 Quá trình làm khô bùn 44

2.3.1 Đặc điểm của bùn cặn nước thải rửa lọc 44

2.3.2 Phương pháp làm khô tự nhiên (sân phơi bùn) 44

2.3.3 Làm khô bùn cặn bằng phương pháp cơ học 46

2.3.4 Làm khô bùn cặn bằng nhiệt 47

2.4 Kết luận chương 2 47

CHƯƠNG 3 ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ, THU HỒI và TÁI SỬ DỤNG NƯỚC THẢI RỬA LỌC 49

3.1 Đề xuất một số dây chuyền công nghệ xử lý nước thải rửa lọc 49

3.1.1 Dây chuyền công nghệ cho các nhà máy có diện tích đất nhỏ 49

3.1.2 Dây chuyền công nghệ cho các nhà máy có diện tích dất lớn 51

3.2 Các công trình chính trong dây chuyền 52

3.2.1 Bể chứa điều hòa nước thải 52

3.2.2 Trạm bơm và máy bơm nước thải 53

3.2.3 Làm khô bùn cặn 56

3.3 Kết luận chương 3 56

CHƯƠNG 4 NGHIÊN CỨU XỬ LÝ VÀ THU HỒI NƯỚC RỬA LỌC NHÀ MÁY NƯỚC GIA LÂM 57

4.1 Mô tả nhà máy nước Gia Lâm 57

4.1.1 Giới thiệu chung về nhà máy 57

4.1.2 Dây chuyền công nghệ nhà máy nước Gia Lâm 57

4.1.3 Một số công trình chính trong dây chuyền công nghệ NMN Gia Lâm .59

4.2 Tính toán hệ thống xử lý và thu hồi nước thải rửa lọc khác cho NMN Gia Lâm 64

4.2.1 công trình thu hồi nước xả lọc đầu 65

4.2.2 Công trình xử lý bùn 66

4.3 Đánh giá kinh tế kỹ thuật 70

4.3.1 Khái toán chi phí xây dựng 70

4.3.2 Khái toán chi phí quản lý vận hành 71

4.4 Kết luận chương 4 72

CHƯƠNG 5 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 73

TÀI LIỆU THAM KHẢO 75

DANH MỤC CÁC BẢNG

Bảng 1-1 Lượng nước thải rửa lọc tại một số nhà máy nước ngầm 16Bảng 1-2 Một số nhà máy nước ngầm ở Hà Nội có xây dựng hệ thống thu hồi nướcrửa lọc 18Bảng 4-1 Chất lượng nước thô của từng giai đoạn của nhà máy nước Gia lâm 58Bảng 4-2: Lượng bùn xả ra từ các bể lọc đợt 1 và 2 67

DANH MỤC CÁC HÌNH

Hình 1-1 Dây chuyền công nghệ xử lý nước ngầm điển hình 11

Hình 1-2 Sơ đồ dây chuyền này chủ yếu áp dụng với nguồn nước thô có hàm lượng sắt thấp thông thường dưới 10 mg/l 13

Hình 1-3 Dây chuyền công nghệ xử lý nước thải rửa lọc NMN Nam Dư, NMN KCN điện tử Hanel 19

Hình 1-5 Dây chuyền công nghệ xử lý nước thải rửa lọc NMN Mai dịch, Pháp vân .19

Hình 1-6 Dây chuyền công nghệ xử lý nước thải rửa lọc NMN Tương mai 20

Hình 2-1 Tương quan giữa liều lượng phèn với hiệu quả lắng trong và khử màu trong keo tụ tiếp xúc 33

Hình 2-2 Chuyển động của cặn ở bể lắng đứng trong môi trường động 38

Hình 2-3 Cấu tạo của bể lắng đứng 39

Hình 2-4 Sơ đồ cấu tạo của bể lắng li tâm 42

Hình 2-7 Sân phơi bùn 45

Hình 2-8 Dây chuyền ép bùn băng tải 46

Hình 3-1 Sơ đồ đề xuất dây chuyền công nghệ 1 49

Hình 3-2 Sơ đồ đề xuất dây chuyền công nghệ 2 51

Hình 3-3 Sơ đồ đề xuất dây chuyền công nghệ 2 53

Hình 4-1 Sơ đồ dây chuyền công nghệ NMN Gia Lâm 59

Hình 4-2: Dàn mưa NMN Gia Lâm 60

Hình 4-3: Bể lắng tiếp xúc nhà máy nước Gia Lâm 61

Hình 4-4: bể lọc đợt 1 NMN Gia Lâm 62

Hình 4-4: bể lọc đợt 2 NMN Gia Lâm 63

PHẦN MỞ ĐẦU

1 Sự cần thiết của đề tài

Cấp nước là một ngành thuộc cơ sở kỹ thuật hạ tầng đô thị giữ vai trò quan trọng đối với hoạt động sản xuất và sinh hoạt của xã hội Trong những năm qua, cùng

với quá trình phát triển kinh tế xã hội, nhu cầu sử dụng nước sạch cũng tăng lên,đặc biệt tại các đô thị Đối tượng sử dụng nước sạch gồm nhiều thành phần: cáchoạt động sinh hoạt, dịch vụ, thương mại, sản xuất công nghiệp, các hoạt động

xã hội, Để đáp ứng nhu cầu sử dụng nước sạch, nhiều dự án cải tạo, mở rộng

và xây dựng các nhà máy nước đã và đang được đầu tư theo các quy mô côngsuất khác nhau Tuy nhiên, bên cạnh các mục tiêu kinh tế xã hội đạt được, việcxây dựng và vận hành các nhà máy nước có những tồn tại đang được các nhàquản lý, chuyên môn quan tâm Một trong số đó là vấn đề quản lý và kiểm soátlượng nước thải được xả ra từ quá trình sản xuất trong các khu xử lý

Hiện nay khoảng 30% các đô thị Việt Nam sử dụng nước ngầm làm nguồn cấpnước Tại khu vực Hà Nội cũ có các máy nước ngầm: Nam Dư 60.000 m3/ngđ;Cáo Đỉnh 60.000 m3/ngđ; Gia Lâm GĐ1 30.000m3/ngđ; Yên Phụ 40.000 m3/ngđ;Ngọc Hà 30.000 m3/ngđ; Mai dịch 30.000 m3/ngđ; Pháp Vân 30.000 m3/ngđ;Tương Mai 30.000 m3/ngđ; Hạ Đình 30.000m3/ngđ; Đông Anh 20.000m3/ngđ;Đồn Thuỷ 12.000m3/ngđ Tại phần lớn các nhà máy nước, nước thải rửa lọccùng với các loại nước thải từ các công trình khác, không qua xử lý, được xảtrực tiếp ra nguồn xả, gây tác động xấu đến môi trường xung quanh Theo các sốliệu có được từ thực tế, các chỉ số lý, hóa, của nước thải rửa lọc : hàm lượng cặn

lơ lửng, độ màu, thường vượt quá quy định cho phép xả ra nguồn nước mặttheo QCVN 24:2009/BTNMT Thêm vào đó, lượng nước thải rửa lọc, nước xảcặn bể lắng xả ra ngoài đã làm mất đi một lượng nước lớn, thông thường từ 5%

÷ 7% (riêng nước thải rửa lọc từ 2% ÷ 3%) công suất nhà máy Điều này thực sựgây lãng phí, đặc biệt tại những nơi hạn chế về nguồn cung cấp nước thô, như :nguồn nước ngầm có trữ lượng ít, thiếu nguồn bổ cập, nguồn nước mặt về mùakiệt, hoặc công trình thu cách xa khu xử lý nước Các nhà máy nước trước đâykhông xây dựng các công trình xử lý nước thải rửa lọc hoặc nếu có thì ở mức rất

sơ bộ, hoặc không hoạt động do nhiều nguyên nhân : công nghệ xử lý, quy môcông trình không hợp lý, chi phí xây dựng và vận hành cao, hiệu quả kinh tếthấp, Như vậy, nhiều công trình xử lý nước thải rửa lọc được đầu tư xây dựng

với kinh phí không nhỏ, nhưng không phát huy được hiệu quả trong quá trìnhvận hành nhà máy nước Đối với một số nhà máy nước mới được xây dựng hoặccải tạo, đã có những công trình xử lý nước thải rửa lọc, nhưng mới chỉ dừng lại

ở mức xử lý sơ bộ theo các quy định về môi trường và xả ra nguồn xả

Công tác nghiên cứu xử lý, thu hồi và tái sử dụng nước thải rửa lọc khi đi vàohoạt động sẽ mang lại nhiều hiệu quả trước mắt và lâu dài:

 Giảm thiểu những tác động xấu đối với môi trường nước, đất xung quanh,hạn chế đáng kể các rủi ro có thể xảy ra đối với môi trường;

 Tiết kiệm nguồn nước thô, đặc biệt tại những nơi nguồn nước thô khanhiếm, hoặc công trình thu cách xa nhà máy nước xử lý Do đó tiết kiệmđược điện năng khai thác nước và có thể giảm chi phí đầu tư ban đầu.Ngoài ra, việc giảm bớt lượng nước khai thác từ nguồn có tác dụng bảo

vệ nguồn nước khỏi bị ô nhiễm

 Góp phần nâng cao chất lượng quản lý các nhà máy nước;

 Phù hợp với mục tiêu hiện đại hóa các nhà máy nước

2 Mục tiêu của đề tài

 Đề xuất được công nghệ xử lý và thu hồi tái sử dụng nước thải rửa lọccác nhà máy xử lý nước ngầm phù hợp với điều kiện Việt Nam;

 Đề xuất được biện pháp thu hồi và tái sử dụng nước thải rửa lọc khác chonhà máy nước Gia Lâm - Hà Nội

3 Nội dung nghiên cứu

 Nghiên cứu tổng quan về nước thải rửa lọc;

 Thu thập và tổng hợp số liệu về thành phần, tính chất và đặc điểm nướcthải rủa lọc tại một số nhà máy nước ngầm ở Hà Nội;

 Tìm hiểu một số nghiên cứu đã có trong thực tế;

 Nghiên cứ cơ sở lý thuyết xử lý, thu hồi nước thải rửa lọc;

 Tổng hợp, đánh giá và đề xuất dây chuyền công nghệ xử lý, thu hồi nướcthải rửa lọc.

4 Phạm vi và phương pháp nghiên cứu

Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu công nghệ xử lý, thu hồi nước thải rửa lọc tạicác nhà máy xử lý nước ngầm

Phương pháp nghiên cứu:

 Nghiên cứu cơ sở lý thuyết;

 Thu thập số liệu về một số công trình hiện có;

 Thu thập tham khảo một số công trình nghiên cứu đã được công bố để kếthừa trong phần nghiên cứu tổng quan;

 Tổng hợp phân tích và đánh giá số liệu, sử dụng các phương pháp thống

kê toán để xử lý số liệu

CHƯƠNG 1 TỔNG QUAN VỀ THU HỒI, XỬ LÝ VÀ TÁI SỬ DỤNG

NƯỚC THẢI RỬA LỌC1.1 Đặc điểm nước thải rửa lọc tại các nhà máy nước ngầm ở Việt Nam

1.1.1 Sự hình thành nước thải rửa lọc

a Nguồn nước ngầm

Nước mưa, nước mặt thẩm thấu vào trong lòng đất tạo thành nước ngầm Nướcngầm được giữ lại hoặc chuyển động trong các lỗ rỗng hay khe nứt của các tầngđất đá nên tầng ngậm nước Khả năng ngậm nước của các tầng sỏi sạn, cát thô,cát trung và cát mịn giảm dần do độ rỗng giảm dần Khả năng ngậm nước củatầng đất đá phụ thuộc vào độ nứt nẻ Các loại đất sét và hoàng thổ không chứanước Trong quá trình thấm qua các lớp đất đá, các tạp chất, vi trùng được giữlại nên nước ngầm thường có chất lượng tốt hơn nước mặt

Nước ngầm có hàm lượng muối cao ở các vùng đồng bằng ven biển, ở các nớikhác có hàm lượng sắt, mangan, canxi và magiê lớn hơn tiêu chuẩn cho phépcần xử lý trước khi đưa vào sử dụng Nước ngầm trong các tầng đá vôi nứt nẻphần lớn có chất lượng tốt Nước ngầm mạch sâu được các lớp bên trên bảo vệnên ít bị nhiễm bẩn bởi các hợp chất hữu cơ hay vi trùng Nước ngầm cũng vìthế mà có nhiệt độ ổn định (18-27oC) Ngoài ra nước ngầm khai thác phân tán, ít

bị ảnh hưởng trực tiếp bởi các hoạt động của con người nên thường được ưu tiênkhi lựa chọn nguồn nước cấp cho ăn uống, sinh hoạt

Nguồn nước ngầm cấp cho các nhà máy nước là nước ngầm mạch sâu, khai thác

ở các địa tầng cuội sỏi Đây là loại nước ngầm nằm trong các tầng chứa nước,

giữa các tầng cản nước Nước ngầm mạch sâu là nước ngầm có áp Do nằm ở độsâu lớn so với mặt đất và được bảo vệ bởi các tầng cản nước nên nó ít chịu ảnhhưởng bởi của môi trường bên ngoài Nước ngầm mạch sâu thường có lưu lượnglớn, ổn định, chất lượng tốt, trữ lượng lớn nên được sử dụng rộng rãi làm nguồn

cung cấp nước cho các nhà máy xử lý nước Dây chuyền công nghệ xử lý nướctrong các nhà máy nước dựa trên các thành phần, tính chất đặc trưng của nguồnnước.

Trong nước ngầm có chứa các cation như Na+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, Mn2+NH4+ và các anion như HCO3-, SO42-,Cl- Các ion Canxy, Magiê thường làmcho nước cứng, có tác hại cho người sử dụng như gây lãng phí xà phòng và cácchất tẩy rửa, tạo cặn lắng bám trên bề mặt các trang bị sinh hoạt, trong côngnghiệp nó gây giảm năng lực truyền nhiệt, giảm tuổi thọ thiết bị…, các ion sắt,mangan thường có vị tanh và tạo cặn bẩn màu vàng làm giảm chất lượng nướcchưa đáp ứng được tiêu chuẩn vệ sinh của nước dùng cho ăn uống, sinh hoạt nênphải xử lý trước khi dùng Trên thực tế tại Việt Nam hiện nay, các nhà máy nướcngầm chủ yếu áp dụng các dây chuyền công nghệ nhằm xử lý sắt và mangan

sẽ chuyển đục, có cặn màu vàng ảnh hưởng đến chất lượng nước cấp cho sinhhoạt và công nghiệp

Để khử sắt 2 hoà tan trong nước ngầm, người ta dựa trên cơ sở chuyển hoá sắthoá trị 2 hoà tan thành sắt hoá trị 3 không hoà tan và tách chúng ra khỏi nướctheo phương trình ôxy hoá khử sau:

4 Fe2+ + O2 + 2H2O  4Fe3+ + 4 OH –

4 Fe + 4OH3+ - + 8H2O  4Fe(OH)3  + 8H+ [1-1]

4 Fe2+ + O2 + 10H2O  4Fe(OH)3  + 8H+

4Fe(OH)3 được hình thành theo phản ứng trên là một chất không tan, có màuvàng và có thể dễ dàng tách chúng ra khỏi nước bằng các quá trình lắng, lọc Đểthực hiện phản ứng trên cần một lượng ôxy : 1 mg Fe3+ cần 0,143 mg O2.

Các công trình để khử sắt cơ bản thường dùng làm thoáng lắng tiếp xúc và lọc

c Quá trình Khử Mangan:

Tiêu chuẩn cấp nước sinh hoạt QCVN 01:2009/BYT quy định mức độ của Mnrong nước sinh hoạt không vượt quá 0,3mg/l Vì vậy, xử lý loại bỏ Mn ra khỏinước sinh hoạt cho đạt tiêu chuẩn chất lượng nước là yêu cầu cơ bản đối với cácdây chuyền xử lý nước sinh hoạt

Trong nước ngầm thường gặp mangan ở dạng hoá trị 2 hoà tan Việc loại bỏmangan ra khỏi nước được tiến hành dựa trên cơ sở chuyển hoá Mangan hoá trị

2 hòa tan thành mangan hoá trị 4 không hoà tan theo phương trình ôxy hoá khửsau:

6 Mn2+ + O2 + 6 H2O  2Mn3O4 + 12H+

6 Mn2+ + 3O2 + 6 H2O 6MnO2  + 12H+

MnO2 được hình thành theo phản ứng trên là một chất không tan, có màu đen và

có thể dễ dàng tách chúng ra khỏi nước bằng các quá trình lắng lọc Để thựchiện phản ứng trên, cần một lượng ôxy: 1mg Mn2+ cần 0,29mg O2

Để xử lý sắt và mangan trong nước ngầm, gần như tất cả các nhà máy nướcngầm được xây dựng trước đây đều áp dụng dây chuyền công nghệ xử lý nướctruyền thống Khi lựa chọn dây chuyền công nghệ xử lý nước thường dựa trênđặc điểm, tính chất nước nguồn, yêu cầu chất lượng nước sau xử lý Các nhàmáy nước ngầm trước đây như NMN Hạ Đình (Hà Nội) - Công suất:25.000m3/ngày; NMN Yên phụ (Hà nội) - Công suất: 80.000m3/ngày trongthực tế phần nhiều áp dụng dây chuyền xử lý nước nêu trên hình 1-1 sau:

Website: http://www.docs.vn Email : lienhe@docs.vn Tel : 0918.775.368

Giếng

khoan

Làm thoáng

Bể chứa

Trạm bơm nước sạch

và rửa lọcNước sạch rửa bể lọc

Clo

Tiếp xúc hoặc lắng tiếp xúc

Bể lọc nhanh

Hình 1-1 Dây chuyền công nghệ xử lý nước ngầm điển hình

Trong dây chuyền, bể tiếp xúc sẽ được sử dụng khi hàm lượng cặn sau làmthoáng nhỏ hơn 20 mg/l đáp ứng tiêu chuẩn nước cấp vào bể lọc Còn khi hàmlượng cặn sau làm thoáng lớn hơn 20 mg/l thì cần phải có các công trình lắngtiếp xúc để làm giảm hàm lượng cặn trong nước đảm bảo bể lọc làm việc hiệuquả

1.1.1.2 Các công trình trong một dây chuyền xử lý nước ngầm thông thường

a Trạm bơm giếng khoan

Với công suất lớn các bãi giếng thường được phân tán Nước thô được bơm vềtrạm xử lý qua các đường ống truyền tải Nước ngầm có đặc tính là hàm lượngcặn và độ màu không cao như nước mặt, các hợp chất hữu cơ cũng như các loại

vi khuẩn chiếm tỷ trọng nhỏ Tại Hà Nội và một số địa phương khác nước ngầmvẫn là nguồn cung cấp chính nước thô cho các nhà máy xử lý

b Hệ thống làm thoáng

Hệ thống làm thoáng có tác dụng thu nhận ôxy trong không khí làm giàu ôxytrong nước ngầm để ôxy hoá sắt và mangan hoá trị 2 hoà tan trong nước thànhsắt hoá trị 3 và mangan hoá trị 4 không hoà tan theo các phưong trình :

4 Fe2+ + O2 + 10H2O  4Fe(OH)3  + 8H+ [1-3]

6 Mn2+ + 3O2 + 6 H2O 6MnO2  + 12H+ [1-4]

Ngoài ra hệ thống làm thoáng còn có tác dụng loại bớt khí CO2, H2S … có trongnước thô, tạo điều kiện cho quá trình ôxy hoá sắt và mangan được thuận lợi hơn.

Hệ thống làm thoáng thường được thiết kế là hệ thống dàn ống phân phối phunmưa đục lỗ hoặc hệ thống phân phối máng răng cưa hoặc sàn phân phối Cường

độ phun mưa của hệ thống làm thoáng thường được lấy từ 5 – 10m3/m2.h

Từ năm 1994, các nhà máy nước ngầm đã áp dụng hệ thống làm thoáng mới Đó

là các thiết bị làm thoáng tải trọng cao được chế tạo sẵn trong các công xưởng.Cường độ làm thoáng của thiết bị này có thể cao gấp 10 – 20 lần dàn mưa thôngthường, tức là có thể đạt từ 200 – 250 m3/m2.h

c Bể lắng tiếp xúc:

Bể lắng tiếp xúc có tác dụng lưu nước sau làm thoáng thêm một thời gian, thôngthường khoảng 30 đến 45 phút để Fe2+ chuyển hoá thành Fe3+ dạng kết tủahiđrôxittrước khi vào bể lọc Bể lắng tiếp xúc có thể thiết kế như bể lắng đứng

và được đặt ngay dưới giàn làm thoáng

Tuy nhiên khả năng lắng cặn sắt trong bể lắng tiếp xúc rất thấp và hầu nhưkhông đáng kể Mặt khác, việc loại bỏ bể tiếp xúc trong dây chuyền xử lý khônglàm ảnh hưởng tiêu cực chất lượng nước sau lọc nên các nhà máy nước ngầmvới nguồn nước thô có hàm lượng sắt thấp ( < 10mg/l ) có thể bỏ công trình bểtiếp xúc, áp dụng với dây chuyền chỉ có làm thoáng đơn giản và lọc (NMN Mỹxuân –Vũng Tàu - Công suất: 20.000m3/ngày; NMN Sơn tây - Hà tây - Côngsuất: 10.000m3/ngày; NMN Bà rịa – Vũng tàu - Công suất: 25.000m3/ngày ).Tuy nhiên dây chuyền này không được sử dụng nhiều trong thực tế Các nhàmáy dù với công suất nào khi tính toán thiết kế vẫn có đủ các công trình xử lýgồm bể phản ứng, lắng, lọc tạo điều kiện cho dây chuyền xử lý làm việc ổnđịnh và an toàn hơn

Hình 1-2 Sơ đồ dây chuyền này chủ yếu áp dụng với nguồn nước thô có hàm lượng

sắt thấp thông thường dưới 10 mg/l.

Bể lọc nhanh trong công nghệ xử lý nước ngầm có tác dụng giữ lại các cặn bẩn

có trong nước nguồn hay được sinh ra trong các hạng mục xử lý trước theo cơchế lọc cơ học, cơ chế lắng Bể lọc còn có tác dụng hấp phụ các Fe2+ chưachuyển hoá hết và các ion khác hoà tan trong nước lên bề mặt các vật liệu lọctheo cơ chế hấp phụ, cơ chế dính bám Vật liệu lọc rất đa dạng nhưng thôngthường đối với các nhà máy nước ngầm, người ta vẫn hay sử dụng cát thạch anh,đường kính hạt lọc d = 0,9 - 1,6mm, chiều dày vật liệu lọc có thể dày từ 1,2m -1,8m Vận tốc lọc của bể lọc thường tính toán từ 5,0 – 7,0 m/h

 Bể chứa: Chứa nước sau xử lý để bơm cấp hai bơm ra mạng đồng thờilàm nhiệm vụ tích nước chữa cháy Dung tích bể chứa thường lấy từ 15 –25% công suất trạm

 Trạm bơm cấp hai: có thể xây dựng kết hợp cả trạm bơm nước rửa lọc vàmáy gió Bơm làm việc phụ thuộc vào chế độ dùng nước trên mạng

Giếng

khoan

Làm thoáng Bể lọc nhanh chứaBể Trạm bơm nước sạch và rửa lọc

1.1.1.3 Các phương pháp rửa lọc

Trong tất cả các quy trình công nghệ làm sạch nước thì quá trình lọc là quá trìnhquan trọng nhất, quyết định chất lượng nước sau xử lý Trong quá trình lọcnước, các tạp chất bị tách ra khỏi nước, chúng được tích luỹ trên các bề mặt cáchạt lọc cũng như trong lỗ rỗng giữa các hạt của lớp vật liệu lọc Quá trình nàylàm giảm độ rỗng của vật liệu lọc, tăng sức cản đối với dòng nước và giảm hiệusuất lọc nước Sau một thời gian, tổn thất qua lớp vật liệu lọc trở nên rất lớn vàhiệu suất lọc giảm đi, người ta phải tiến hành rửa bể lọc

Mục đích của quá trình rửa lọc là tạo điều kiện để :

 Tách cặn bám ra khỏi bề mặt hạt cát lọc bằng lực ma sát và lực cắt dodòng nước với cường độ lớn đi qua bề mặt hạt vật liệu lọc tạo ra

 Làm giãn nở lớp lọc để tăng thể tích các khe rỗng, tạo điều kiện thuận lợicho các hạt cặn đã được tách ra khỏi bề mặt hạt cát chuyển động lên trêncùng với nước để tháo ra ngoài

Ban đầu, do hàm lượng cặn được giữ lại trong bể lọc lớn nên trong những phútđầu tiên, nước thải rửa lọc rất đục; sau một vài phút (thông thường khoảng từ10÷15 phút), hàm lượng cặn trong bể lọc giảm đi, nước thải rửa lọc đã thấy sạchhơn thì ngừng rửa và bể lọc lại bắt đầu một chu kỳ lọc mới

Trong quá trình rửa bể lọc, chất lượng nước thải rửa lọc xấu nhất vào pha rửagió - nước kết hợp và lưu lượng đạt cao nhất vào pha rửa nước thuần tuý

Thông thường có ba phương pháp cung cấp nước rửa chủ yếu sau:

 Cách 1: Lấy nước từ mạng lưới phân phối ngay sau trạm bơm nước sạch

là biện pháp kém an toàn nhất do nước trên mạng lưới thường có áp lựclớn hơn áp lực cần thiết để rửa lọc rất nhiều nên cần phải đặt van giảm áp,gây mất năng lượng tiêu phí trên van giảm áp Nếu van làm việc kémchính xác, lượng nước vào bể lọc lớn hơn yêu cầu sẽ làm cát trôi ra ngoài

Mặt khác khi rửa lọc áp lực trên mạng tụt xuống, không đáp ứng yêu cầudùng nước cho các hộ tiêu thụ

 Cách 2: Nước rửa lọc lấy từ bể chứa nước sạch, rửa lọc bằng máy bơmriêng Công suất của máy bơm nước rửa lọc cần tính cho việc rửa 1 bể.Nước được dự trữ trong bể chứa nước sạch đủ cho 2 lần rửa bể Có thểđặt máy bơm rửa lọc 1hoặc 2 máy làm việc và 1 máy dự phòng ở ngaytrong trạm bơm cấp II hoặc xây trạm bơm rửa lọc riêng tuỳ theo điều kiện

cụ thể ở từng nhà máy nước

 Cách 3: Dùng đài để rửa lọc cho phép tăng hoặc giảm cường độ rửa lọctheo ý muốn bằng cách điều chỉnh van đặt trên ống dẫn từ đài xuống Dung tích đài chứa nước rửa lọc phải tính cho 2 lần rửa nếu rửa 1 bể và định cho

3 lần rửa nếu rửa 2 bể đồng thời Máy bơm đưa nước lên đài trong thời giankhông lớn hơn khoảng thời gian giữa 2 lần rửa ở chế độ làm việc tăng cường.Đường ống dẫn nước từ đài xuống để rửa lọc phải được bảo vệ chống hút khôngkhí vào Đáy đài phải đặt cao hơn mép máng thu nước rửa 1 chiều cao bằng tổng

số các tổn thất áp lực qua hệ thống ống dẫn, ống phân phối, lớp đỡ, lớp vật liệulọc và tổn thất cục bộ

1.1.2 Số lượng, thành phần và tính chất nước thải rửa lọc

là thời gian giữa hai lần thổi rửa gần nhau thì lượng nước thổi rửa bể lọc phải

dùng càng nhiều, cá biệt có những nhà máy nước, chu kỳ lọc chỉ khoảng 14 16giờ Ngoài ra, lượng nước rửa lọc còn phụ thuộc chế độ rửa: Rửa nước thuầntuý hay rửa gió - nước kết hợp

-Số lượng nước thải rửa lọc trong các nhà máy nước nói chung chiếm khoảng từ

3 - 10% tổng công suất của nhà máy

Bảng 1-1 Lượng nước thải rửa lọc tại một số nhà máy nước ngầm [13]

Thành phần nước thải rửa lọc trong các nhà máy nước ngầm cũng rất khác nhau,phụ thuộc vào tính chất nguồn nước thô và phụ thuộc vào các công đoạn xử lýbằn hoá chất và hiệu quả làm việc của bể keo tụ, bể lắng Trong các nhà máynước ngầm, về cơ bản do các bể lọc thiết kế chủ yếu để khử sắt và mangan nênđặc điểm lớn nhất trong nước thải rửa lọc của các nhà máy nước ngầm là chứamột lượng rất lớn là cặn sắt Fe2O3 và cặn mangan MnO2; một số loại cặn khácnhư CaCO3 là không đáng kể

Trong nước thải rửa lọc của một số nhà máy như

 Nhà máy nước Gia Lâm có chỉ số sắt tổng 12 mg/l, chỉ số Man gan tổng1,25mg/l

 Nhà máy nước Cáo Đỉnh có chỉ số sắt tổng 14 mg/l, chỉ số Man gan tổng1,5mg/l

Từ đó thấy rằng, trong nước thải rửa lọc của các nhà máy nước ngầm, do có hàmlượng lớn cặn sắt Fe(OH)3 và cặn mangan nên dẫn đến nước thải rửa lọc có độđục và hàm lượng cặn rất cao, không đáp ứng yêu cầu chất lượng nước thải xả ranguồn theo QCVN 24:2009/BTNMT – Quy chuần kỹ thuật Quốc gia về nướcthải công nghiệp cũng như nước quay về đầu công trình xử lý sắt và mangan.Mặt khác khối lượng nước rửa lọc và xả cặn bể lắng chiếm một số lượng lớn từ

4 – 6 % Nếu ta tuần hoàn lại được lượng nước này ta sẽ tiết kiệm được rất nhiềuchi phí cho điện năng bơm nước thô, cho khối tích công trình và đặc biệt côngsuất giếng, giảm được ô nhiễm tới môi trường

1.2 Tình hình thu hồi, xử lý và tái sử dụng nước thải rửa lọc ở một số nhà máy nước ngầm

Trên thế giới, tại các quốc gia phát triển, luật bảo vệ môi trường phải được tuânthủ nghiêm ngặt nên hầu hết các nhà máy nước ngay từ khi mới bắt đầu xâydựng đều được đầu tư xây dựng các công trình xử lý và thu hồi nước thải rửa lọc

và đó là một hạng mục không thể thiếu được Do các đặc điểm về tự nhiên,phong tục tập quán và khả năng tài chính nên việc xử lý nước thải rửa lọc đượchoạt động với một quy trình nghiêm ngặt, tự động hoá cao và hoàn toàn khépkín, sử dụng các máy móc hiện đại

Tại Việt Nam, trong giai đoạn trước năm 1985, do điều kiện kinh tế thấp và chủyếu là do công tác bảo vệ môi trường chưa được quan tâm đúng mức nên cácnhà máy nước được xây dựng không có các hạng mục xử lý và thu hồi nước thảirửa lọc

Bắt đầu từ khi Nhà nước áp dụng chính sách mở cửa thu hút vốn đầu tư nướcngoài, rất nhiều các tổ chức quốc tế, các chính phủ, các tập đoàn kinh tế đa quốcgia đã viện trợ kinh tế, đầu tư xây dựng giúp Việt Nam cải thiện điều kiện vệsinh môi trường Đã có rất nhiều dự án lớn đầu tư xây dựng hạ tầng cơ sở, cảithiện điều kiện môi trường mà trong đó vốn đầu tư vào việc xây mới, cải tạo,nâng cấp hệ thống cấp nước sạch cho các thành phố lớn tại Việt nam chiếm một

tỷ trọng khá lớn Đi cùng với việc xây dựng và cải tạo các nhà máy nước thì các

hệ thống thu hồi nước rửa lọc cũng đã và đang được xây dựng

Bảng 1-2 Một số nhà máy nước ngầm ở Hà Nội có xây dựng hệ thống thu hồi nước

thải rửa lọc của nhà máy nước đó.[13]

Dây chuyền công nghệ xử lý nước thải rửa lọc tại một số nhà máy nước đượcthiết kế như sau:

bÓ läc träng lùc

bÓ chøa

bÓ ®iÒu hßa

S©n ph¬i bïn

BÓ tiÕp xóc

BÓ ®iÒu hoµ vµ tr¹m b¬m n íc th¶i

Hệ thống xử lý và thu hồi nước thải rửa lọc NMN Mai dịch, Pháp vân đã phải dừnghoạt động ngay sau khi xây dựng xong cho đến nay do hiệu quả lắng cặn rất thấp.Sau bể lắng Lamella, hàm lượng cặn trong nước vẫn còn rất lớn, không thể đưaquay trở lại bể lắng tiếp xúc của dây chuyền xử lý nước cấp Kết quả thí nghiệm tạihiện trường như sau: Chạy trên công trình thực tế với vận tốc lắng là v = 0,11mm/s(vận tốc thiết kế là v = 0,39mm/s), chất lượng của nước thải rửa lọc sau bể lắnglamella là pH = 7,39; Độ đục = 186,3FTU; hàm lượng cặn = 42,86mg/l, không thểthu hồi, đưa trở lại bể tiếp xúc.

Hình 1-5 Dây chuyền xử lý nước thải rửa lọc NMN Tương Mai

Hệ thống xử lý và thu hồi nước thải rửa lọc NMN Tương mai cũng đã phải dừnghoạt động ngay sau khi xây dựng xong cho đến nay do hiệu quả lắng cặn rấtthấp, gần như bằng không Hiệu quả lắng cặn nước thải rửa lọc rất kém

Như vậy, với 5 nhà máy nước có xây dựng hệ thống xử lý nước rửa lọc tại Hànội thì cả 3 nhà máy đều không hoạt động hệ thống này là do áp dụng dâychuyền xử lý không hợp lý, dẫn đến hiệu quả xử lý rất thấp, thậm chí gần nhưkhông

S©n ph¬i bïn

BÓ tiÕp xóc

BÓ ®iÒu hoµ vµ tr¹m b¬m n íc th¶i

1.3 Kết luận chương 1

Lưu lượng nước thải rửa lọc và nước xả bể lắng có lưu lượng lớn thông thường

từ 5% - 7% công suất nhà máy Mặt khác nước thải rửa lọc có độ đục và hàmlượng cặn rất cao vì vậy không đáp ứng yêu cầu xả ra môi trường vì vậy cầnphải xử lý và thu hồi Một số nhà máy nước tại Hà nội đã có hệ thống xử lý vàthu hồi nước thải rửa lọc nhưng hiệu quả không cao Hiện nay một lượng lớnnước thải rửa lọc không qua xử lý được xả thẳng ra môi trường gây tác động xấuđên môi trường xung quanh Vì vậy nước thải rửa lọc cần được xử lý và thu hồi

CHƯƠNG 2 CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH KEO TỤ VÀ LẮNG

CẶN2.1 Quá trình keo tụ cặn bẩn

Trong quá trình lọc nước các phân tử cặn được tách ra khỏi nước được tích luỹtrên bề mặt các hạt cát lọc trong đó có những hạt có đường kính rất nhỏ Sau mộtthời gian khoảng 24h – 48h tiến hành rửa lọc các hạt cặn đó được trôi theo nướcthải rửa lọc Hàm lượng của nước thải rửa lọc có độ đục và hàm lượng cặn cao,chủ yếu là cặn sắt, mangan, ngoài ra còn có các hạt cặn nhỏ dạng hòa tan ở trongnước thải rửa lọc cần xử lý bằng phương pháp keo tụ

2.1.1 Bản chất lý hoá của quá trình keo tụ

Mục đích của quá trình keo tụ và tạo bông cặn là tạo ra các nhân tố có khả năngdính kết các chất bẩn nước ở dạng hoà tan lơ lửng thành các bông cặn có khảnăng lắng cao hơn

Cặn bẩn trong nước thiên nhiên là các hạt cát, sét, bùn, sinh vật phù du, sảnphẩm phân hủy của các chất hữu cơ… Ngoài các hạt cặn lớn có khả năng tự lắngtrong nước còn một số loại cặn có kích thước nhỏ, tồn tại lơ lửng trong nước.Kích thước của các hạt cặn lơ lửng dao động từ vài phần triệu milimét đến vàimilimét Trong kỹ thuật xử lý nước, bằng biện pháp cơ học như lắng tĩnh, lọc,chỉ có thể loại bỏ được các hạt có kích thước lớn hơn 10-4 mm Để loại bỏ đượccác hạt cặn có kích thước bé hơn 10-4 mm cần phải áp dụng các phương pháp xử

lý lý hoá Đặc tính cơ bản của loại cặn bé là do kích thước rất nhỏ lại có bề mặttiếp xúc rất lớn trên một đơn vị diện tích Với bề mặt tiếp xúc lớn, các hạt cặnnày có khả năng dễ dàng hấp phụ, kết bám với các chất xung quanh hoặc lẫnnhau để tạo nên các bông cặn có kích thước lớn hơn Mặt khác đa số các hạt cặnnày đều mang điện tích và chúng có khả năng liên kết với nhau hoặc đẩy nhaubằng lực tương tác phân tử Trong môi trường nước, do chuyển động nhiệtBrown, nên các hạt cặn luôn luôn tồn tại ở trạng thái phân tán lơ lửng Bằng việcphá vỡ trạng thái cân bằng động tự nhiên của môi trường nước, sẽ tạo ra các điều

kiện thuận lợi để các hạt cặn lơ lửng kết dính với nhau thành các hạt cặn lớn và

dễ xử lý hơn Trong công nghệ xử lý nước, biện pháp được áp dụng rộng rãi làcho thêm vào nước các hoá chất làm nhân tố keo tụ các hạt cặn lơ lửng

Tuỳ theo nguồn gốc xuất xứ cũng như bản chất hoá học, các hạt cặn lơ lửng đềumang điện tích âm (-) hoặc dương ((+), ví dụ như các hạt cặn nguồn gốc silic,các hợp chất hữu cơ đều có điện tích âm, ngược lại các hydroxit sắt và nhômmang điện tích dương Khi thế cân bằng điện động của nước bị phá vỡ, cácthành phần mang điện tích sẽ kết hợp, dính kết với nhau bằng lực liên kết phân

tử và điện tử, tạo thành một tổ hợp Các tổ hợp trên được gọi là các hạt keo.Theo thành phần cấu tạo, các hạt keo có thể là keo kỵ nước hoặc keo háo nước.Trong công nghệ xử lý nước bằng chất keo tụ, keo kỵ nước đóng vai trò chủ yếunên ở đây chỉ nghiên cứu cấu tạo và đặc tính của hạt keo kỵ nước

Trong kỹ thuật xử lý nước thường dùng phèn nhôm Al2(SO4)3 và phèn sắt FeCl3,

Fe2(SO4)3 và FeSO4 để keo tụ nước Các loại phèn sắt tuy có hiệu quả keo tụ caonhưng sản xuất, vận chuyển và định lượng phức tạp nên chưa được sử dụng rộngrãi tại Việt Nam Hiệu quả của quá trình keo tụ phụ thuộc vào điều kiện khuấytrộn (càng nhanh càng đều thì hiệu quả keo tụ càng cao), phụ thuộc vào nhiệt độnước (nhiệt độ càng cao càng tốt), phụ thuộc vào pH của nước (pH để keo tụbằng phèn nhôm nằm trong khoảng từ 5,7 – 6,8) phụ thuộc vào độ kiềm củanước cần xử lý

2.1.2 Các phương pháp keo tụ

2.1.2.1 Keo tụ bằng các chất điện ly

Bản chất của phương pháp này là cho thêm vào nước các chất điện ly ở dạng cácion ngược dấu Khi nồng độ của các ion ngược dấu tăng lên thì càng nhiều ionđược chuyển từ lớp khuếch tán vào lớp điện tích kép, dẫn tới việc giảm độ lớncủa , đồng thời lực đẩy tĩnh điện cũng giảm đi Nhờ chuyển động Brown, cáchạt keo với điện tích bé khi va chạm dễ kết dính bằng lực hút phân tử, tạo thànhcác bông cặn ngày càng lớn Khi kích thước của bông cặn đạt đến 1m thì

chuyển động Brown hết tác dụng, nếu muốn cho các bông cặn có kích thước lớnhơn nữa cần phải có tác động phụ để đẩy các hạt cặn xích lại gần nhau Quátrình keo tụ bằng các chất điện ly được đánh giá như một cơ chế keo tụ tối ưu.Kết quả thực nghiệm cho thấy khi sử dụng chất điện ly với các ion có hoá trịcàng lớn thì hiệu qủa keo tụ càng cao và liều lượng chất điện ly càng giảm.Phương pháp keo tụ bằng các chất điện lý đòi hỏi liều lượng chất keo tụ cho vàonước phải rất chính xác Nếu nồng độ các chất điện ly trong nước vượt quá mứccần thiết sẽ gây ra quá trình tích điện trở lại đối với các hạt keo, làm  tăng lên

và hiệu quả keo tụ sẽ giảm đi Mặt khác, các tổ hợp ion có hoá trị cao của nhôm

và sắt chỉ được tạo ra ở môi trường có độ pH thấp, do đó nếu nước có tích điệncao lại phải pha thêm axit để giảm độ pH Do vây, phương pháp keo tụ bằngchất điện ly không được áp dụng trong thực tế xử lý nước

Quá trình keo tụ được thực hiện bằng cách tạo ra trong nước một hệ keo mớitích điện ngược dấu vơí hệ keo cặn bẩn trong nước và các hạt keo tích điện tráidấu sẽ trung hoà lẫn nhau Chất keo tụ thường sử dụng là phèn nhôm, phèn sắt

và được đưa vào nước dưới dạng dung dịch hoà tan, sau phản ứng thuỷ phân,chúng tạo ra một hệ keo mới mang điện tích dương có khả năng trung hoà cácloại keo bẩn mang điện tích âm

Quá trình keo tụ nước bằng phèn nhôm và phèn sắt xảy ra như sau: Khi chophèn vào nước, nó sẽ phân ly thành các ion hoà tan theo phương trình:

Các ion kim loại mang điện tích dương một mặt tham gia vào quá trình trao đổiion với các cation nằm trong lớp điện tích kép của hạt keo tự nhiên mang điệntích âm, làm giảm thế điện động , giúp cho các hạt keo dễ dàng liên kết vớinhau bằng lực hút phân tử, tạo ra các bông cặn lắng Mặt khác, các ion kim loại

tự do lại kết hợp với các phân tử nước bằng phản ứng thuỷ phân:

Al3+ + 3H2O  Al(OH)3 + 3H+ [2-7]

Các phân tử nhôm hydroxit và sắt hydroxit là các hạt keo mang điện tích dương,

có khả năng kết hợp với các hạt keo tự nhiên mang điện tích âm tạo thành cácbông cặn Đồng thời các phân tử Al(OH)3 và Fe(OH)3 kết hợp với các anion cótrong nước và tạo ra các bông cặn có hoạt tính bề mặt cao Các bông cặn này khilắng sẽ hấp phụ, cuốn theo các hạt keo cặn bẩn, các hợp chất hữu cơ, các chấtmùi vị tồn tại ở trạng thái hoà tan hoặc lơ lửng trong nước Như vậy, theo bảnchất có ba loại bông cặn sinh ra trong quá trình keo tụ Loại thứ nhất là tổ hợpcác hạt keo tự nhiên bị phá vỡ thế điện động , vì điều kiện keo tụ của các hạtkeo tự nhiên khác nhau nên loại bông cặn này chiếm số ít Loại thứ hai gồm cáchạt keo mang điện tích trái dấu nên trung hoà về mặt điện tích, không có khảnăng kết dính và hấp phụ trong quá trình lắng tiếp theo, vì vậy số lượng cũngkhông đáng kể Loại thứ ba được hình thành từ các hạt keo do thuỷ phân chấtkeo tụ với các anion có trong nước nên các bông cặn có hoạt tính bề mặt cao, cókhả năng hấp phụ các chất bẩn trong khi lắng tạo thành các bông cặn ngày cànglớn Trong xử lý nước bằng keo tụ, loại bông cặn thứ ba này chiếm đa số và cótính quyết định đến hiệu quả keo tụ, nêncác điều kiện ảnh hưởng đến sự hìnhthành các bông cặn này được quan tâm hơn cả

Từ đó ta thấy nồng độ các phân tử Al(OH)3 và Fe(OH)3 trong nước sau quá trìnhthuỷ phân các chất keo tụ là yếu tố quyết định hiệu quả keo tụ Theo phươngtrình trên, phản ứng thuỷ phân giải phóng ion H+ làm cho nồng độ ion H+ tự dotrong nước tăng lên, đồng thời làm giảm độ pH của nước, đẩy hệ keo mới hìnhthành lệch khỏi điểm đẳng điện và làm giảm tốc độ phản ứng thuỷ phân Vì vậy,cần phải khử ion H+ để điều chỉnh pH Ion H+ thường được khử bằng độ kiềm tựnhiên của nước, khi độ kiềm tự nhiên không đủ để trung hoà H+, pha thêm vôihoặc sôđa vào nước để kiểm hoá do phản ứng kiềm hoá có thể tạo ra CO2 hoàtan nên khi dùng phèn kết hợp với các chất kiềm hoá, cần phải xác định bằngthực nghiệm loại phèn, loại chất kiềm hoá, liều lượng và quy trình pha chúng

Thông thường phèn nhôm có hiệu quả keo tụ cao nhất khi nước có độ pH 5,5 7,5, với phèn sắt có giá trị tương ứng 5,5 - 6,5 và 8 - 9.

-Yếu tố nhiệt độ cũng có ảnh hưởng đến quá trình keo tụ Khi nhiệt độ nước tăng,

sự chuyển động nhiệt của các hạt keo tăng lên làm tăng tần số va chạm và hiệuquả kết dính tăng lên Thực tế cho thấy khi nhiệt độ của nước tăng, lượng phèncần để keo tụ giảm, thời gian và cường độ khuấy trộn cũng giảm xuống theo.Ngoài ra hàm lượng và tính chất của cặn cũng ảnh hưởng đến hiệu quả keo tụ.Khi hàm lượng cặn trong nước tăng lên, lượng phèn cần thiết cũng tăng lênnhững hiệu quả keo tụ lại phụ thuộc vào tính chất của cặn tự nhiên như kíchthước, diện tích và mức độ phân tán Do các yếu tố ảnh hưởng trên, việc tìmkiếm một công thức tính toán chung nhằm xác định chính xác lượng phèn cầnthiết để keo tụ các loại nước khác nhau không thực hiện được Quá trình tạo keocủa phèn nhôm và phèn sắt có thể biểu diễn bằng các phương trình tổng quátsau:

Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2  2Al(OH)3 + 3CaSO4 + 6CO2 [2-9]

Al2(SO4)3 + 3Ca(OH)2  2Al(OH)3 + 3CaSO4 [2-10]2FeCl3 + 3Ca(HCO3)2  2Fe(OH)3 + 3CaCl2 + 6CO2 [2-11]2FeCl3 + 3Ca(OH)2  2Fe(OH)3 + 3CaCl2 [2-12]Trong thực tế, lượng phèn tối ưu sử dụng cho mỗi nguồn nước được xác định cụthể bằng thực nghiệm

Khi độ kiềm của nước không đủ để kiềm hoá quá trình keo tụ, cần pha thêm vôihoặc sôđa để đảm bảo độ pH của nước luôn ở trong khoảng có lợi cho quá trìnhthủy phân phèn Lượng chất kiềm hoá tính theo công thức:

 e1, e2 - Trọng lượng đương lượng của chất kiềm hoá và của phèn

 Kt - Độ kiềm nhỏ nhất của nước (mgđl/l)

 1 - Hệ số dự phòng

 C - Tỷ lệ hoạt tính của hoá chất sử dụng (%)

Nếu lượng hoá chất tính theo công thức trên có giá trị âm, có nghĩa là độ kiềm tựnhiên của nước đủ đảm bảo cho quá trình thuỷ phân phèn diễn ra thuận lợi

2.1.2.3 Tăng cường quá trình keo tụ bằng các hợp chất cao phân tử

Các hợp chất cao phân tử gốc vô cơ như axit silic hoạt hoá, hoặc gốc hữu cơ nhưpolyacrilat, polyacriamit đều có thể dùng như chất tăng cường cho quá trình keo

tụ của phèn Trong một vài trường hợp đặc biệt, các hợp chất này có thể đượcdùng làm chất keo tụ thay phèn Khác với phương pháp keo tụ bằng chất điện lyhoặc hệ keo ngược dấu, cơ chế phản ứng chủ yếu ở đây là các tương tác hoá học

Do có kích thước lớn và dài nên các hợp chất cao phân tử keo tụ các hạt cặn bẩntrong nước dưới dạng liên kết chuỗi Kiểu liên kết này rất thuận lợi cho quá trìnhhình thành và lắng các bông cặn Tuy nhiên do nhiều điều kiện hạn chế như axitsilic hoạt hoá không thể bảo quản được quá 24 giờ sau khi sản xuất, hoặc cáchợp chất cao phân tử hữu cơ đòi hỏi công nghệ sản xuất cao nên biện pháp này ítđược áp dụng trong kỹ thuật xử lý nước ở nước ta hiện nay

2.1.3 Cơ chế của quá trình keo tụ tạo bông

Các cơ chế chính của quá trình keo tụ tạo bông bao gồm:

2.1.3.1 Quá trình nén lớp điện tích kép

Quá trình nén lớp điện tích kép giảm thế điện động Zeta nhờ iôn trái dấu Khi bổsung các iôn trái dấu vào nước/ nước thải với nồng độ cao, các iôn sẽ chuyểndịch đến lớp khuếch tán vào lớp điện tích kép và tăng điện tích trong lớp điệntích kép, giảm thế điện động Zêta và giảm lực tĩnh điện

2.1.3.2 Quá trình keo tụ

Quá trình này thực hiện do hấp phụ iôn trái dấu trên bề mặt, trung hoà điện tíchtạo ra điểm đẳng điện Zêta bằng 0 Trong trường hợp này quá trình hấp phụchiếm ưu thế

2.1.3.3 Quá trình keo tụ hấp phụ cùng lắng trong quá trình lắng

Ở giá trị pH thích hợp, các tác nhân keo tụ là phèn nhôm và phèn sắt cho vàodung dịch sẽ tạo thành Al(OH)3 và Fe(OH)3 và lắng xuống Trong quá trìnhlắng chúng kéo theo các bông keo, các cặn bẩn hữu cơ và vô cơ, các hạt keokhác cùng lắng Cơ chế này được gọi là cơ chế cùng lắng Quá trình này khôngphụ thuộc vào quá trình keo tụ tạo bông và không xảy ra hiện tượng tái ổn địnhhạt keo như trên

2.1.4 Động học của quá trình keo tụ

2.1.4.1 Các giai đoạn của quá trình keo tụ

Quá trình keo tụ các chất cặn bẩn trong nước bằng phèn xảy ra qua các giai đoạnsau:

 Pha trộn các chất keo tụ với nước

 Thuỷ phân phèn đồng thời phá vỡ độ bền vững của hệ keo tự nhiên

 Hình thành bông cặn

Về thực chất ba giai đoạn này xảy ra liên tục và gần như đồng thời Với cácphương pháp keo tụ khác nhau, sự khác biệt có tính chất đặc trưng chủ yếu là ởhai giai đoạn đầu của quá trình keo tụ Khi cho hoá chất vào nước, quá trình thuỷphân, hấp thụ và trao đổi ion của lớp điện tích kép diễn ra rất nhanh chóng (gầnnhư tức thời) và phụ thuộc vào điều kiện môi trường phản ứng như loại hoá chất

sử dụng, độ pH của nước, nồng độ và tính chất của cặn tự nhiên v.v Đồng thời,

hệ keo mới hình thành cũng có những tính chất hoàn toàn khác nhau Do tốc độphản ứng nhanh, nên quá trình hoà trộn phải được thực hiện rất nhanh với hiệuquả cao, thực hiện bằng việc đưa các phần tử hoá chất phân tán đều trong toàn

bộ khối nước trước khi quá trình thuỷ phân xảy ra Theo kết quả nghiên cứu,hằng số tốc độ thuỷ phân của anion và cation trong khoảng 10-10s, thời gian liênkết các sản phẩm thuỷ phân kéo dài 10-3-10-2s, và thời gian hấp thụ trao đổi ionvới các hạt keo tự nhiên mất khoảng 10-4s Sau đó bắt đầu quá trình hình thànhcác bông cặn, hiệu quả của giai đoạn này phụ thuộc chủ yếu vào số lượng vachạm của các hạt cặn Dưới tác động của sự chuyển động nhiệt, các hạt cặn bé

va chạm và dính kết với nhau tạo thành các bông cặn có kích thước lớn dần lêncho đến khi chúng không còn tham gia vào quá trình chuyển động nhiệt Đếnđây muốn cho hiệu quả keo tụ cao hơn nữa cần tạo điều kiện cho các bông cặntiếp tục chuyển động và va chạm nhau Như vậy giai đoạn hình thành các bôngcặn là khâu cuối cùng có tính chất quyết định đến hiệu quả của toàn bộ các quátrình keo tụ bẩn

Thực nghiệm đã chứng minh rằng, để tạo ra bông cặn có kích thước lớn và cókhả năng lắng cao thì quá trình keo tụ bằng khuấy trộn dòng nước có tác độnglớn hơn rất nhiều lần quá trình keo tụ do chuyển động nhiệt và vì thế nó đóngvai trò chủ yếu trong quá trình keo tụ

2.1.4.2 Giới hạn bền vững bông cặn trong quá trình keo tụ khuấy trộn

Quá trình keo tụ nước bằng phèn trong các công trình xử lý nước có những đặcđiểm sau :

 Các hạt cặn bẩn và các hạt keo tạo ra do thuỷ phân phèn cùng tham giavào quá trình keo tụ

 Tốc độ tạo ra bông cặn là hàm số của tốc độ phản ứng hoá học và cường

Vì vậy, muốn thu được các số liệu đúng đắn để thiết kế và quản lý các công trìnhkeo tụ nước phải xét đến toàn bộ các yếu tố trên.

Dựa vào các phương pháp toán học, rút ra được công thức:

0 C G 0 t t

0

n

en

 



Trong đó

 n0 : Nồng độ ban đầu của hạt

 nt = (no - nx) : Nồng độ hạt tại thời điểm t

 0 : Hệ số hiệu quả tương tác (va chạm)

 C0 : Nồng độ thể tích bông cặn trong nước

Từ phương trình trên, nhà bác học Camp đã rút ra kết luận: hiệu quả của quátrình keo tụ được đặc trưng bằng chuẩn số không thức nguyên Gt (chuẩn sốCamp) Một số tác giả nghiên cứu khác đề nghị dùng giá trị C0Gt làm chuẩn sốđánh giá hiệu quả của quá trình keo tụ, vì trong thực tế xử lý nước, chuẩn số Gtdao động trong một khoảng rất lớn đối với các nguồn nước khác nhau nên khôngthể có một giá trị Gt cho mọi trường hợp

Trong thực tế, việc xác định hiệu quả va chạm o trong phương trình là khôngthực hiện được Đồng thời không thể căn cứ vào giá trị của nó để tìm ra giá trịtối ưu của các thông số keo tụ như độ pH, độ kiềm, nhiệt độ, thành phần ion củanước v.v Còn ảnh hưởng của nồng độ cặn n1, liều lượng phèn sử dụng a đặctrưng bằng nồng độ thể tích của bông cặn Co cũng không xác định trực tiếpđược Theo (2.1) hiệu quả của quá trình keo tụ tăng tỷ lệ thuận với cường độkhuấy trộn G và thời gian khuấy trộn t Nhưng (2.1) không cho phép xác địnhđược giá trị tối ưu của các chỉ số G và t Điều này mâu thuẫn hoàn toàn với thực

tế, vì mỗi quá trình keo tụ có hiệu quả đều tương ứng với một giá trị tối ưu nào

đó của G Nếu cường độ khuấy trộn nhỏ hơn giá trị này thì số lượng va chạmgiữa các hạt không đủ để keo tụ hoàn toàn cặn Ngược lại nếu cường độ khuấytrộn lớn hơn giá trị tối ưu sẽ gây sự phá vỡ các bông cặn lớn Mặt khác nếu thời

gian khuấy trộn nhỏ thì tổng số va chạm không đủ cho toàn bộ các hạt cặn dínhkết với nhau, nếu lớn hơn quá sẽ gây ra sự lặp đi lặp lại các va chạm giữa bôngcặn và hạt cặn, làm độ hoạt tính bề mặt của bông cặn giảm đi và hiệu quả dínhkết giảm.

Sau khi phân tích, đánh giá nhiều mô hình toán học thể hiện quá trình keo tụtheo nhiều chuyên gia khác nhau, tác giả đi đến kết luận : Để tính toán hiệu quảcủa quá trình keo tụ một cách chính xác và tin cậy, từ đó tìm ra giá trị tối ưu củacác thông số điều khiển, cần phải nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của tổ hợpcác yếu tố có tính chất quyết định đến hiệu qủa keo tụ, cụ thể phải tìm được sựphụ thuộc của hàm số

Trong đó:

 Mo : Hàm lượng cặn của nước nguồn (mg/l)

 a : Lượng phèn cho vào nước ( mg/l)

 To : Nhiệt độ của nước

 Ki : Độ kiềm của nước nguồn (mg/l)

 G : Cường độ khuấy trộn (s-1)

 t : Thời gian khuấy trộn (s)

 Y : Hiệu quả keo tụ

0 0

bậc 2 Đưa vào phương trình các giá trị của thông số bất biến như Mo vàTo, xácđịnh điểm cực trị của hàm số Y theo các giá trị biến thiên của pH, Ki, G, t và a.Giá trị của các thông số biến thiên (có thể điều chỉnh) tại điểm cực trị sẽ là cácgiá trị tối ưu Sau đó lập các biểu đồ tương quan giữa hàm lượng cặn Mo, nhiệt

độ To với các giá trị biến thiên tối ưu Các biểu đồ này sẽ là cơ sở của công tácthiết kế và quản lý các hệ thống keo tụ cặn bẩn bằng phèn

2.1.5 Keo tụ tiếp xúc

Lợi dụng khả năng kết bám của các hạt cặn lên bề mặt của các vật liệu lọc nhưcát v.v các nhà khoa học Liên xô đã đưa ra phương pháp lọc tiếp xúc dựa trênnguyên lý keo tụ tiếp xúc

Về bản chất sự kết bám của các hạt cặn lên bề mặt vật liệu lọc là quá trình keo

tụ Trong điều kiện thuỷ động thuận lợi, các hạt cặn chuyển động gần bề mặt cáchạt vật liệu lọc, dưới tác động của lực hút phân tử, các hạt này kết bám lên bềmặt vật liệu và dính kết lẫn nhau Quá trình hình thành bông cặn trong môitrường tiếp xúc diễn ra với tốc độ nhanh và hiệu quả hơn sự tạo thành bông cặntrong môi trường chất lỏng Vì cường độ va chạm giữa các hạt cặn với các hạtvật liệu lọc có kích thước lớn cao hơn nhiều so với cường độ va chạm dính kếtgiữa các hạt cặn bé với nhau Ngoài ra các hạt cặn bé tuy còn tích điện nhưng dễdàng dính kết với các hạt lớn không mang điện của lớp vật liệu lọc do lực hútphân tử Thực tế cho thấy ngay cả khi nồng độ các hạt còn chưa đủ để tạo rađiều kiện keo tụ trong môi trường nước, nhưng trong môi trường tiếp xúc quátrình keo tụ đã xảy ra

Quy trình keo tụ tiếp xúc hiệu quả nhất xảy ra ngay sau khi pha chất keo tụ vàonước Diễn biến đặc trưng của quá trình xem biểu đồ hình 2-1

Hình 2-6 Tương quan giữa liều lượng phèn với hiệu quả lắng trong và khử màu

trong keo tụ tiếp xúc

Lúc đầu khi tăng liều lượng phèn, độ đục và độ màu của nước giảm rất ít, sau đókhi đến một liều lượng nhất định, bắt đầu ngưỡng keo tụ, độ đục và độ màu củanước giảm rất nhanh Tiếp theo, nếu tăng liều lượng phèn hơn nữa, hiệu quả xử

lý cũng không tăng lên đáng kể

Trong keo tụ tiếp xúc, liều lượng phèn tương ứng với ngưỡng keo tụ ít hơnlượng phèn dùng để keo tụ khác cặn theo các phương pháp khác, thời gian keo

tụ ngắn hơn và năng suất của công trình cao hơn

Như vậy, phương pháp xử lý, thu hồi nước thải rửa lọc trong các NMN có thể ápdụng là:

 Phương pháp lắng

 Phương pháp keo tụ - lắng:

 Khi keo tụ nước, đối với điều kiện Việt nam, nên chọn phương pháp keo

tụ bằng hệ keo ngược dấu, hoá chất sử dụng là phèn nhôm

 Để có thể xác định đưa ra phương pháp xử lý nước thải rửa lọc một cáchphù hợp thì phải tiến hành thí nghiệm rồi mới đưa ra kết luận cụ thể

2.2 Cơ sở lý thuyết của quá trình lắng

Lắng là một quá trình làm sạch, mà ở đó nước xử lý được giữ lại trong bể vớithời gian tương đối lớn Dưới tác dụng của trọng trường, những hạt cặn có tỷtrọng lớn hơn tỷ trọng của nước sẽ lắng xuống đáy bể Như vậy, những hạt cặn

lơ lửng có trong nước sẽ được giữ lại ở lớp cặn dưới đáy của bể và nước ra khỏi

bể sạch hơn, có độ trong lớn hơn Trong nhiều trường hợp lắng đơn giản sẽ đápứng được mọi yêu cầu, nhưng nếu hàm lượng của các hạt cặn có kích thước nhưnhững hạt keo lớn thì kết quả lắng sẽ tốt hơn khi ta tiến hành keo tụ nước

2.2.1 Động học của quá trình lắng

Trong môi trường nước ở trạng thái tĩnh, dưới tác dụng của trọng lực, các hạtcặn rơi xuống theo phương thẳng đứng Tốc độ rơi của hạt phụ thuộc vào kíchthước, hình dạng, tỷ trọng của hạt, đồng thời phụ thuộc vào các yếu tố môitrường như lực đẩy nổi, lực cản của nước Ngoài ra, trong quá trình rơi, các hạtcặn do có tốc độ rơi khác nhau nên lại tác động lẫn nhau bằng cách cuốn theohoặc liên kết thành các bông cặn lớn hơn

Lắng tự do của các hạt cặn :

Xét 1 hạt cặn lý tưởng hình cầu, có mật độ đồng nhất, trong quá trình lắng khôngthay đổi hình dáng và kích thước, không tham gia vào sự tương tác với các hạtcặn khác Trong môi trường trường tĩnh tốc độ rơi ban đầu của hạt bằng không.Dưới tác dụng của trọng lực, hạt bắt đầu rơi Tại thời điểm t bất kỳ, hạt chuyểnđộng với tốc độ u (mm/s) theo phương thẳng đứng

Các lực tác động lên chuyển động của hạt bao gồm:

 γ : độ nhớt động lực của nước Khi Re thay đổi ϕ0 thay đổi theo Giá trị

Re là đại lượng đặc trưng cho dòng chảy thế chỗ của nước ngược vớiphương rơi xuống của hạt cặn

Xét theo điều kiện dòng chảy ta có:

 Khi Re < 1, điều kiện chảy tầng, sức cản chỉ do lực kết do độ nhớt gây ra,giá trị ϕ0 là:

Thay các giá trị của hệ số sức cản ϕ0 và hệ số Re vào (3.5) ta có: