Xử lý nước mặt làm nước cấp sinh hoạt

Nước là nhu cầu thiết yếu cho mọi sinh vật, đóng vai trò đặc biệt trong việc điều hoà khí hậu và cho sự sống trên trái đất. Hàng ngày cơ thể con người cần 3 -10l nuớc cho các hoạt động sống, luợng nước này đi vào cơ thể qua con đường thức ăn, nước uống để thực hiện các quá trình trao đổi chất và trao đổi năng lượng, sau đó thải ra ngoài theo con đường bài tiết. Ngoài ra con người còn sử dụng nuớc cho các hoạt động khác như tắm, rửa,…

Đại học quốc gia Hà NộiTrường Đại học khoa học tự nhiên

Khoa Môi trường

-Tiểu luận

Xử lý nước mặt làm nước cấp sinh hoạt

Giáo viên hướng dẫn : PGS.TS Trịnh Thị Thanh

Sinh viên thực hiện : Nhóm 3

Hà Nội -2007

Tổng quan

I Nhu c u s d ng n ầ ử ụ ướ ở c Vi t Nam ệ

Nước là nhu cầu thiết yếu cho mọi sinh vật, đóng vai trò đặc biệt trong việc điều hoà khí hậu và cho sự sống trên trái đất Hàng ngày cơ thể con người cần 3 -10l nuớc cho các hoạt động sống, luợng nước này đi vào cơ thể qua con đường thức ăn, nước uống để thực hiện các quá trình trao đổi chất và trao đổi năng lượng, sau đó thải ra ngoài theo con đường bài tiết Ngoài ra con người còn sử dụng nuớc cho các hoạt động khác như tắm, rửa,…

Nước ta hiện nay nhu cầu sử dụng nước ngày càng tăng do sự phát triển dân

số và mức sống ngày càng tăng Tuỳ thuộc vào mức sống của người dân và tuỳ từng vùng mà nhu cầu sử dụng nước là khác nhau, định mức cấp nước cho dân đô thị là 150 L/người.ngày, cho khu vực nông thôn là 40 – 70 L/người.ngày

Nguồn nước cung cấp cho nước sinh hoạt ở nước ta chủ yếu là nguồn nước mặt, được lấy từ các sông hồ, sau khi qua xử lý sẽ dẫn đến các hộ dân Hiện nay, hơn 60 % tổng công suất các trạm cấp nước tại các đô thị và khu công nghiệp trên

cả nước dùng nguồn nước mặt với tổng lượng nước khoảng 3 triệu m3/ ngày.đêm, con số này còn tăng lên nhiều trong những năm tới nhằm cung cấp cho các đô thị

và khu công nghiệp ngày càng mở rộng và phát triển

Dự kiến 50 năm nữa nuớc ta sẽ rơi vào tình trạng thiếu nước trầm trọng Sự biến đổi của khí hậu toàn cầu sẽ dẫn đến sự suy giảm của nguồn nuớc Các kết quả nghiên cứu gần đây ở việt Nam cho thấy tổng lượng nuớc mặt của nuớc ta vao năm

2025 chỉ bằng khảng 96 %, đến năm 2070 xuống còn khoảng 90 % và năm 2100 con khoảng 86 % so với hiện nay Với tốc độ phát triển dân số như hiện nay thì dên

2025 lượng nước mặt tính bình quân đầu nguời ở nứơc ta chỉ đạt khoảng 2.830

m3/người.năm Tính cả luợng nuớc từ bên ngoài chảy vào thì bình quân đạt 7.660

m3 người.năm

Tài nguyên nước tại Việt Nam phân bố không đều giữa các vùng Trên 60% nguồn nước tập trụng ở đồng bằng sông Hồng (lưu vực sông Mê Kông) trong khi

toàn phần lãnh thổ còn lại chỉ có gần 40% lượng nuớc nhưng lại chiếm 80% dân số

cả nước và trên 90% khối lượng hoạt động sản xuất kinh doanh, dịch vụ Đặc biệt các địa phương vùng miền Đông Nam Bộ và lưư vực Đồng Nai – Sài Gòn, lượng nứơc bình quân đầu người chỉ đạt khoảng 2.900 m3/người.năm, bằng 28% so với mức trung bình của cả nước

Bên cạnh đó, tài nguyên nước của Việt Nam cũng phân bố không đều theo thời gian trong năm và giữa các năm Lượng nước trung bình trong 4 đến 5 tháng mùa mưa chiếm khoảng 75 – 85% trong khi những tháng mùa khô (kéo dài đến 7 –

8 tháng) lại chỉ có khoảng 15 – 25% lượng nuớc của cả năm

Theo đánh giá của các nhà nghiên cứu, tốc độ tăng trưởng kinh tế cao không

đi đôi với việc làm tốt công tác bảo vệ môi trường đã gây ra những ảnh hưởng tiêu cực tới tài nguyên nước ở nứơc ta Tình trạng ô nhiễm nguồn nước mặt ngày càng tăng về múc độ và quy mô, một số khu vực đồng bằng đã có biểu hiện ô nhiễm do các chất hữu cơ khó phân huỷ và hàm lượng vi khuẩn cao Các biểu hiện suy thoái, cạn kiệt nguồn nước đang trở lên rõ rệt và phổ biến ở nuớc ta

Với những đặc điểm về tính không bền vững của tài nguyên nước của nuớc

ta, công tác quản lý nhà nước với tài nguyên quý báu này cần phải đựơc tăng cường

ở tất cả các cấp ngay từ bây giờ trước khi quá muộn

II ánh giá ngu n n Đ ồ ướ c m t c a Vi t Nam ặ ủ ệ

Nước ta có mạng lưới sông ngòi khá dày đặc, trong đó phải kể tới các sông lớn, trong đó có hệ thống sông Mê Kông, tiếp theo là hệ thống sông Hồng, Đồng Nai, sông Mã, sông Cả, sông Hương, sông Thái Bình, sông Thu Bồn, …, với diện tích lưu vực mỗi sông trên 10.00 km2, lưu lượng các sông chính vào khoảng 880

Nhìn chung, các sông ở nước ta có trữ lượng lớn có khả năng cung cấp cho các đối tượng dùng nứơc trước mắt và cho tương lai.Tuy nhiên để đảm bảo sử dụng nguồn nước mặt đựơc lâu dài cần phải có chiến lược sử dụng hợp lý và bảo vệ nguồn nước mặt do các tác động của con người gây ra.

Ngoài nguồn nứơc mặt là các sông, hồ thì ở miền núi nguồn nước suối cũng đong vai trò quan trọng trong việc cung cấp cho người dan vùng cao.Nguồn nứoc suối áo trứ lượng nước và chất luợng nước thay đổi theo mùa Mùa mưa nước có độ đục lớn, hàm luợng cậnco và cũng chứa nhiều chất hữu cơ Tuy vậy nhưng tính chất của cặn khác nước sông Cặn ở đây là cặn thô, dễ lắng đọng, thời gian lắng nhanh hơn nuớc sông

Đặc điểm của các nguồn nước mặt ở nước ta có thể tóm tắt như sau:

a Nước sông:

Chất lượng nước sông ở Việ Nam thay đổi theo mùa và theo vùng địa lý Do dòng chảy bào mòn bề mặt khu vực tạo lên các chất trôi theo dòng chảy gồm cát, bùn, phù sa,

Nước sông có hàm luợng cặn cao vào mùa mưa Tổng lượng cặn do các sông

đổ ra biển trung bình hằng năm khoảng 200 – 250 triệu tấn, trong đó 90% đựơc tạo

ra vào mùa lũ Vào mùa lũ, độ đục cao, hàm lượng cặn lớn và thay đổi theo từng thời kỳ Độ đục cao nhất xuất hiện trong tất cả các tháng của mùa lũ Các tháng mùa cạn, khi các sông có vận tốc dòng chảy nhỏ nhất thì nước có độ đục nhỏ nhất, đôi khi độ đục gần đạt tiêu chuẩn nước sinh hoạt và ăn uống theo tiêu chuẩn cấp nước cho các đô thị

Thành phần chính của nước sông:

- Khoáng chất: Hàm lượng khoáng chất của cá sông ở Việ Nam còn thấp ( 200 – 500 mg/L

- Độ pH: Nước ở các sông chính có đọ kiếm trung tính (7 – 8)

- Độ cứng: Nước thuộc nước mềm

- Hàm lượng các ion chính: Chủ yếu là các ion Ca2+, Mg2+, K+, SO42-, CL-, HCO3-,

b Nước hồ:

Nước ta có nhiều hồ tự nhiên như hồ Ba Bể, hồ Núi Cốc, và một số hồ nhân tạo để phục vụ việc tưới tiêu cho nông nghiệp Đặc biệt một số hồ có dung tich trữ nước lớn của các công trình thuỷ điên Thác Bà, Hoà Bình,

Nhìn chung các hồ tự nhiên có trữ lượng nhỏ, chỉ một vài hồ lớn có khẳ năng cung cấp nước cho các đối tượng vừa và nhỏ Các hồ thuỷ điện có khẳ năng cung cấp cho các đối tượng lớn

Nước hồ có hàm lưọng cặn nhỏ hơn nước sông vì đã đựoc lắng tự nhiên và khá ổn đinh Tuy nhiên hàm lượng cặn cũng dao động theo mùa, mùa mưa có hàm lượng cặn lớn, mùa khô hàm lượng cặn nhỏ, có hồ độ trong gần đảm bảo tiêu chuẩn

độ trong của nước sinh hoạt và ăn uống Sự dao động về chất lượng nước thường xảy ra ở các vùng ven bờ và phụ thuộc vào địa hình của vùng ven bờ Vùng xa bờ

và giữa hồ có chất lượng nước ổn định hơn

Nước hồ có độ màu cao do rong, rêu, tảo Hàm lưọng chất hữu cơ trong hồ thường cao do xác động thực vật ở quanh hồ gây nên

Nhìn chung chất lượng nước hồ tốt, dây chuyền công nghệ xử lý nước có thể đơn giản hơn công nghệ xử lý nước sông, lượng hoá chất dùng để keo tụ ít, do vậy giá thành xử lý nuớc hồ thường rẻ hơn nước sông

Sơ đồ công nghệ xử lý nước bề mặt

Nước thô (sông hô…)

- Diệt khuẩn gây bệnh

- Hạn chế mùi vị

- Phá vỡ thế ổn địnhhệ keo

- Tạo bông nhỏ

- Kết dính các bông cặn nhỏ thành bông cặn lớn

- Lắng tách bôngcặn

- Lọc các bông cặn còn lại

- Tiêu diệt loại bỏ vi sinh

MỤC ĐÍCH

Ti n x lý ề ử

Xử lí sơ bộ nước bề mặt rất quan trọng Trước khi dẫn nước vào dây chuyền

xử lí, người ta lưu nước một thời gian dài với mục đích:

- Tạo qúa trình lắng tự do của các hạt bụi và các kim loại nặng có nồng độ cao trong nước thô không tách được bằng quá trình keo tụ như côban, niken, xyanua (CN-), chì,cađimi và các kim loại độc hại khác cũng lắng xuống đáy

- Xúc tiến làm sạch tự nhiên để tách được phần lớn các chất hữu cơ nhỏ và các tạp chất vô cơ

- Cps thể dùng các biện pháp trao đổi khí nhân tạo để tăng hàm lượng oxy hòa tan trong nước

-Xử lý sơ bộ với dịch vôi để duy trì độ cứng của nước từ 8.5-9.00 D

Tóm lại, nhờ các quá trình hóa, lý, sinh học tự nhiên xảy ra trong hồ nên chất lượng nước trong hồ tốt hơn nguồn nước đã đưa vào hồ Nhờ bổ sung quá trình nhân tạo nên nồng độ tảo thấp, độ cứng và nồng độ kim loại độc hại giảm đi, kết quả là giảm đi rất nhiều chi phí cho giai đoạn tiếp theo

I.1 Khử vi khuẩn virut nhờ các quá trình tự nhiên trong hồ chứa nước

Các quá trình tự nhiên xảy ra trong hồ chứa nước có thể giảm đáng kể lượng

vi sinh vật gây bệnh có mặt trong nước , bởi vì:

- Nồng độ chất dinh dưỡng cần thiết cho vi khuẩn trong nước rất thấp

- Nhiệt độ của nước nhỏ hơn 370C nên tốc độ sinh snar của vi khuẩn vi rút rất chậm

- Các động vật nguyên sinh, nấm trong nước thường là kẻ thù của vi khuẩn vi rút

- Các động vật nguyên sinh, nấm trong nước thường là kẻ thù của vi khuẩn,

vi rút

- Tia cực tím của ánh sáng mặt trời tiêu diệt vi khuẩn ở lớp bề mặt

- Vi khuẩn, vi rut thường bị lắng cùng với các hạt cẳntong nước

- Cá chất vô cơ, các chất độc trong nước có thể hủy hoại vi khuẩn, độ pH không thích hợp cho vi khuẩn.

I.2 Ngăn ngừa sự phát triển của tảo

Để ngăn ngừa sự phát triển của tảo trong cá nguồn nước có thể sử dụng các phương pháp sau đây:

a Sử dụng hóa chất để diệt tảo

Người ta dùng các hóa chất như CuSO4 nồng độ từ 0.1-10mg/l, những hợp chất của clo nông độ từ 0.3 đến 1.0 mg/l, natri sunfat, chất diệt cỏ 2.4 D Tuy nhiên, đưa hóa chất đặc biệt là các hóa chất bảo vệ thực vật vào các hồ chứa không phải là biện pháp tối ưu

b Giảm chất dinh dưỡng cho tảo trong nước

Các chất dinh dưỡng như nitơ, photphat trong nước có thể được giảm bớt bằng cách ngăn ngừa việc thải nước thải sinh hoạt, chất thải của con người và động vật cũng như các chất thải có chứa NH4+, NO3-, PO43- vào nguồn nước Hoặc có thể

áp dụng các phương pháp tách chất dinh dưỡng ra nguồn thải như sau:

-Xử lý sinh hóa kết hợp với khử NO3- trong điều kiện yếm khí

Clo hóa nâng pH hoặc là làm thoáng khí

- Tách photphat ra khỏi nước bằng cách kết tủa với Fe3+, Al3+ hoặcCa(OH)2

c Giảm cường độ ánh sáng tới hồ chứa

cường độ ánh sáng xuyên qua nưốc theo phương trình

II.Keo t - t o bông ụ ạ

Dung dịch keo là hệ bền (khó lắng) nhờ cấu trúc đặc biệt của các hạt keo

Trong nhóm này phải kể đến virus, các chất có phân tử lượng lớn có nguồn gốc tự nhiên như axit humic Hạt keo có kích thước nhỏ (< 0,5 µm) nên bằng mắt và hiển

vi thông thường không thể nhìn thấy

Hạt keo kị nước có độ bền nhờ lớp điện kép tích điện cùng dấu Hạt keo ưa nước có độ bền nhờ tương tác hạt-nước thông qua các chóm chức ưa nước trên các phân tử hạt keo

II.1 C u t o h t keo v tính b n c a h keo ấ ạ ạ à ề ủ ệ

Theo Atkins hệ keo là tên gọi cổ điển của các hệ phân tán dị thể của các hạt

có kích thước nhỏ hơn 500 nm trong môi trường khác về chất so với chất hạt (ở đây

ta chỉ đề cập đến môi trường lỏng)

Tuy nhiên kích thước không phải là yếu tố quyết định mà cấu tạo hạt keo mới là yếu tố quyết định đến tính bền của các hệ keo

Tuỳ vào cấu tạo hạt và nguyên nhân gây ra độ bền ta có hai loại hạt keo: loại

ưa dung môi cụ thể là ưa nước (hydrophilic) và loại kị dung môi hay kị nước

(hydrophobic)

Loại ưa nước là các dung dịch cao phân tử với các phân tử chất hữu cơ hoà tan có kích thước lớn và chứa nhiều nhóm chức phân cực, có ái lực cao với các phân tử nước

Loại kị nước là các loại keo có gốc ôxit hoặc hyđroxit kim loại Do kích thước hạt rất nhỏ hệ keo có bề mặt cực lớn, vì vậy về mặt nhiệt động chúng không

bền và có xu thế co cụm để giảm năng lượng bề mặt Mặt khác do hạt keo có cấu tạo đặc biệt của lớp điện kép tạo nên lực đẩy tĩnh điện hạt-hạt nên chúng khó tiếp

cận gần nhau, hút nhau và co cụm thành hạt lớn hơn đủ nặng để có thể lắng được

nên hệ này có tính bền

Cấu tạo đặc biệt của hạt keo có thể được làm rõ trên cơ sở ví dụ keo Fe(III):Khi hoà tan FeCl3 trong nước sẽ xảy ra phản ứng thủy phân:

FeCl3 + 3H2O → Fe(OH)3 + 3HCl (1)

Kết tủa Fe(OH)3 co cụm dưới dạng tập hợp hạt [mFe(OH)3] rất nhỏ, được gọi

là hạt nhân, nó có khả năng hấp phụ những ion giống các thành phần tạo ra nó, ví

dụ hấp phụ các ion Fe3+, tạo thành lớp ion Fe3+ trên bề mặt hạt được gọi là lớp hấp phụ hay là lớp ion quyết định dấu:

[mFe(OH)3] + nFe3+ → [mFe(OH)3]nFe3n+ (2)

Như vậy, ta có một hạt mới mang điện tích 3n+, nó có xu thế hút 3n các ion trái dấu (Cl−) trong dung dịch để trung hoà điện tích 3n+ Trong thực tế không phải tất cả 3n hạt Cl− bám chặt vào nhân mà chỉ có 3(n-x) hạt Cl− bám vào, lớp ion Cl−

bám vào này được gọi là lớp điện tích trái dấu Cùng với lớp n ion Fe3+ đã hấp phụ

cố định ta có 3(n-x) ion Cl− bám theo hạt [mFe(OH)3] tạo thành lớp điện kép gồm

3n điện tích dương và 3(n-x) điện tích âm, kết quả là hạt keo (phần giữa dấu {}) mang điện tích 3x+:

[m Fe(OH)3]nFe3n+ + 3(n-x)Cl− → {[mFe(OH)3]nFe3n+3(n-x)Cl−}3x+ (3)Phần còn lại 3x hạt Cl− “trôi nổi” trong dung dịch ở khoảng không gian gần

hạt, tạo nên lớp khuyết tán Như vậy, nếu viết dưới dạng công thức hoá học hạt keo

có cấu tạo tổng thể như sau:

{[mFe(OH)3]nFe3n+3(n-x)Cl−}3x+3xCl− hạt nhân

lớp hấp phụ (lớp ion quyết định dấu)

lớp điện tích trái dấu

lớp khuếch tán

gần nhất tạo thành lớp ion nghịch và mặt biên A-A, các điện tích trái dấu – phần còn lại nằm ở lớp khuếch tán khá linh động, vây quanh hạt keo tích điện như đám mây quanh trái đất.

Hình 2.1- Cấu tạo hạt keo và sự thay đổi thế ξ theo khoảng cách từ bề mặt hạt keo

Tóm lại, để hạt keo trung hoà về điện hạt keo phải có hai lớp điện tích trái dấu có cùng lượng điện tích: lớp hấp phụ (ví dụ, nFe3+) nằm trên bề mặt hạt nhân tích điện dương hoặc âm (trong trường hợp nFe3+ là dương), điện thế tương ứng của

nó là thế nhiệt động hay là thế Nernst, ϕ o; tiếp theo là lớp ion trái dấu tích điện

ngược lại (âm hoặc dương) Hai lớp điện tích này tạo nên một cấu trúc tương tự như hai bản cực song song của một tụ điện, trong đó một bản cực tích điện dương

X A

A A

Lớp ion trái dấu

Lớp ion quyết định dấu hay lớp hấp phụ

Thế nhiệt động ,

Thế dzeta ,

Lớp điện kép Hạt nhânϕ

(hoặc âm) gắn chặt với hạt nhân là lớp ion quyết định dấu, còn bản cực kia tích

điện trái dấu và tạo nên lớp điện kép Đây là cấu tạo thông thường của tụ điện phẳng.

Kĩ thuật xử lí nước cấp từ nước tự nhiên, và kể cả một số công đoạn trong dây chuyền xử lí nước thải thông thường là kĩ thuật lắng – lọc Để hình dung tốc độ lắng của những hạt không tích điện dưới tác dụng của trọng trường và đánh giá khả năng sử dụng bể lắng để xử lí làm trong nước xem bảng 2.1

Ta thấy các kỹ thuật lắng - lọc thông thường trong ngành nước chỉ có hiệu quả nhất định đối với hạt có kích thước cỡ µm, trong trường hợp lọc tốt nhất là lớn hơn 0,1 µm Đối với những hạt cỡ 0,1 µm trở xuống rất khó lắng và không thể lọc được bằng lọc cát thông thường Để có thể lọc chúng bằng lọc cát thông thường phải biến chúng thành những hạt lớn hơn Phương pháp phổ biến để thực hiện việc

này là phương pháp keo tụ nghĩa là xử lí nước bằng những chất keo tụ trước khi

Ghi chú: Tính theo phương trình Stoke

II.2 C ch keo t - t o bông ơ ế ụ ạ

Đối với hệ phân tán có diện tích bề mặt riêng lớn (bụi trong không khí, bùn, phù sa trong nước ) các hạt luôn có xu hướng co cụm lại tạo hạt lớn hơn để giảm năng lượng bề mặt (tương tự hiện tượng giọt nước, giọt thủy ngân luôn tự vo tròn

để giảm diện tích bề mặt)

Hiện tượng các hạt keo cùng loại có thể hút nhau tạo thành những tập hợp hạt có kích thước và khối lượng đủ lớn để có thể lắng xuống do trọng lực trong thời

gian đủ ngắn được gọi là hiện tượng keo tụ Hiện tượng này xảy ra khi thế ξ được

triệt tiêu Hiện tượng keo tụ có tính thuận nghịch nghĩa là hạt keo đã keo tụ lại có thể tích điện trở lại và trở nên bền (xem phần tiếp theo) Các hoá chất gây keo tụ

thường là các loại muối vô cơ và được gọi là chất keo tụ.

Một cách khác làm các hạt keo co cụm thành bông cặn lớn dễ lắng là dùng các tác nhân thích hợp “khâu” chúng lại thành các hạt lớn hơn đủ lớn, nặng để lắng

Hiện tượng này được gọi là hiện tượng tạo bông được thực hiện nhờ những phân tử

các chất cao phân tử tan trong nước và có ái lực tốt với các hạt keo hoặc các hạt cặn nhỏ Khác với keo tụ có tính thuận nghịch, các chất có khả năng tạo bông được gọi

là các chất tạo bông hay trợ keo tụ, quá trình tạo bông là bất thuận nghịch.

Như vậy, để kết tủa hệ keo có thể sử dụng các cách sau đây:

1 Phá tính bền của hệ keo (do lực đẩy tĩnh điện) bằng cách thu hẹp lớp điện kép tới mức thế ξ = 0, khi đó lực đẩy tĩnh điện hạt – hạt bằng không, tạo điều kiện cho các hạt keo hút nhau bằng các lực bề mặt tạo hạt lớn hơn dễ kết tủa Cách này

có thể thực hiện khi cho hạt keo hấp phụ đủ điện tích trái dấu để trung hoà điện tích hạt keo Điện tích trái dấu này thường là các ion kim loại đa hoá trị

2 Tạo điều kiện cho các hạt keo va chạm với các bông kết tủa của chính chất keo tụ nhờ hiện tượng hấp phụ − bám dính (hiệu ứng quét)

3 Dùng những chất cao phân tử – trợ keo tụ để hấp phụ “khâu” các hạt nhỏ

lại với nhau tạo hạt kích thước lớn (gọi là bông hay bông cặn) dễ lắng.

Việc xử lý nước bằng phèn nhôm, FeCl3 và PAA nhằm thực hiện đồng thời một, hai hay cả ba giải pháp trên

Hình2- Các đường keo tụ đối với bốn loại chất keo tụ

Lôi kéo hạt keo bằng bông cặn

Hình 2.3- Mô hình quá trình keo tụ − tạo bông

(a)

(b)

(c)

(a) Sự đẩy giữa các hạt keo cùng dấu; (b) Hiện tượng co lớp điện kép và sự hút nhau giữa các hạt keo bị trung hoà về điện; (c) Hiện tượng tạo bông nhờ PAA: các hạt keo âm bị phân tử PAA “khâu lại” thành bông lớn.

II.3.1 Phèn nhôm Al2(SO4)3.nH2O (n = 14 ÷ 18)

Đây là chất keo tụ phổ biến nhất, đặc biệt là ở Việt Nam Khi dùng phèn nhôm làm chất keo tụ sẽ xảy ra phản ứng thuỷ phân:

Al2(SO4)3 + 6H2O → 2Al(OH)3↓ + 6H+ + 3SO42− (5)

Hình 2 4- ảnh hưởng của pH và liều lượng đến khả năng gây keo tụ của phèn nhôm

Nếu trong nước thiếu độ kiềm (ĐK), pH sẽ giảm; nếu đủ ĐK sẽ có phản ứng:

Liều lượng (mg/L)

Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 → 2Al(OH)3↓ + 3CaSO4 + 6CO2 (6)

Theo phương trình (6) cứ 342 mg Al2(SO4)3 khan, hàm lượng 100% cần 6 mdl ĐK (HCO3–) Nếu ĐK trong nước không đủ thì cần bổ sung vôi hoặc sôđa để

bù, nếu không pH sẽ hạ Lượng kiềm cần (K) tính theo công thức:

ĐK = độ kiềm của nước, mđl/L

Để chuyển đổi ra đơn vị g/L, đối với vôi K sau khi tính theo pt (7) cần nhân với 37; đối với sôđa nhân với 58

Khi sử dụng phèn nhôm hay bất kì chất keo tụ nào khác cần lưu ý nồng độ và vùng pH tối ưu (hình 4), pH hiệu quả tốt nhất với muối nhôm là khoảng 5,5 ÷ 7,0

Có thể dùng phèn kép KAl(SO4)2.12H2O để thay phèn nhôm, mọi quy luật tương tự phèn nhôm song giá đắt hơn nhiều Không dùng NH4Al(SO4)2 trong xử lí nước cấp vì gây nhiễm amôni

ở các nước công nghiệp người ta có đòi hỏi rất cao về độ trong của nước lọc Nếu đo bằng độ đục kế thì độ đục nước lọc phải nhỏ hơn hoặc bằng 0,1 đến 3 NTU (AWWA Task Group 225 M)

Thậm chí khi nước có độ đục rất thấp 0,1 NTU vẫn có rất nhiều cặn không thể thấy bằng mắt thường Nó có thể là những hạt cặn rất tinh chưa bị tác động của chất keo tụ hoặc bản thân những mảnh vỡ nhỏ của các bông kết tủa chất keo tụ không thể lắng – lọc được Người ta đã xác định được ứng với SS = 0,1 mg/L có thể có tới 200 triệu hạt cỡ 0,1 µm là các mảnh của bông cặn Al(OH)3 có ρ = 1,01 Tuy nhiên đây là đại lượng không nguy hiểm vì chỉ ứng với hàm lượng Al3+ bằng 0,06 mg/L (theo QĐ BYT 1329/2002, hàm lượng Al ≤ 0,2 mg/L)

Ở Việt Nam phèn nhôm được sản xuất ở các nhà máy hoá chất Việt Trì, Tân Bình và có hàm lượng nhôm quy về Al2O3 là khoảng 14% (đối với hoá chất tinh khiết là 15,1%) Do độ ngậm nước rất thay đổi nên cần định lượng hàm lượng nhôm khi sử dụng.

II.3.2 Muối sắt Fe2(SO4)3.H2O hoặc FeCl3.nH2O (n = 1 ÷ 6)

Muối sắt chưa phổ biến ở Việt Nam nhưng rất phổ biến ở các nước công nghiệp Hoá học của muối sắt tương tự như muối nhôm nghĩa là khi thuỷ phân sẽ tạo axit, vì vậy cần đủ độ kiềm để giữ pH không đổi

Fe2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 → 2Fe(OH)3↓ + 3CaSO4 + 6CO2 (8)

So với phèn nhôm muối sắt có ưu thế là vùng pH tối ưu rộng hơn, từ 5 đến 9, bông cặn bền hơn và nặng hơn nên lắng tốt hơn, lượng sắt dư thấp hơn

II.3.3 Các polime nhôm, sắt

Sự hình thành các hạt polyme nhôm trong dung dịch được làm rõ từ những năm 1980 Đây là cơ sở khoa học để sản xuất PAC cũng như ứng dụng PAC

Hoá học của quá trình keo tụ:

Thông thường khi keo tụ chúng ta hay dùng muối clorua hoặc sulphát của Al(III) hoặc Fe(III) Khi đó, do phân li và thuỷ phân ta có các hạt trong nước: Al3+, Al(OH)2+, Al(OH)2+, Al(OH) phân tử và Al(OH)4-, ba hạt polime: Al2(OH)24+, Al3(OH)45+ và Al13O4(OH)247+ và Al(OH)3 rắn Trong đó Al13O4(OH)247+ gọi tắt là Al13 là tác nhân gây keo tụ chính và tốt nhất

Với Fe(III) ta có các hạt: Fe3+, Fe(OH)2+, Fe(OH)2+, Fe(OH) phân tử và Fe(OH)4-, polime: Fe2(OH)24+, Fe3(OH)45+ và Fe(OH)3 rắn Các dạng polime Fex(OH)y(3x-y)+ hoặc FexOy(OH)x+r(2x-2y-r)+

Trong công nghệ xử lí nước thông thường, nhất là nước tự nhiên với pH xung quanh 7 quá trình thuỷ phân như đã nêu xảy ra rất nhanh, tính bằng micro giây, khi đó hạt Al3+ nhanh chóng chuyển thành các hạt polime rồi hyđroxit nhôm trong thời gian nhỏ hơn giây mà không kịp thực hiện chức năng của chất keo tụ là trung hoà điện tích trái dấu của các hạt cặn lơ lửng cần xử lí để làm chúng keo tụ

Khi sử dụng PAC quá trình hoà tan sẽ tạo các hạt polime Al13, với điện tích vượt trội (7+), các hạt polime này trung hoà điện tích hạt keo và gây keo tụ rất mạnh, ngoài ra tốc độ thuỷ phân của chúng cũng chậm hơn Al3+ rất nhiều, điều này tăng thời gian tồn tại của chúng trong nước nghĩa là tăng khả năng tác dụng của chúng lên các hạt keo cần xử lí, giảm thiểu chi phí hoá chất Ngoài ra, vùng pH hoạt động của PAC cũng lớn gấp hơn 2 lần so với phèn, điều này làm cho việc keo

tụ bằng PAC dễ áp dụng hơn Hơn nữa, do kích thước hạt polime lớn hơn nhiều so với Al3+ (cỡ 2 nm so với nhỏ hơn 0,1 nm) nên bông cặn hình thành cũng to và chắc hơn, thuận lợi cho quá trình lắng tiếp theo

II.3.4 Chất trợ keo tụ - tạo bông

Có bốn nhóm chất trợ keo tụ: các chất hiệu chỉnh pH, dung dịch axit silixic hoạt tính, bột đất sét và polime

1 Các chất hiệu chỉnh pH

Như đã nêu quá trình keo tụ thường kèm theo sự tiêu thụ ĐK, nếu độ kiềm của nước nguồn thấp gây giảm pH Chất hiệu chỉnh pH thường là vôi Vôi sống là CaO, khi dùng phải tôi nghĩa là hoà vào nước để tạo Ca(OH)2 Do độ tan của vôi thấp (trong khoảng 20÷30 oC, độ tan của Ca(OH)2 bằng 1,65÷1,53 g/L) vôi thường được sử dụng dưới dạng huyền phù Ca(OH)2

Sử dụng vôi ngoài khả năng ổn định pH tăng hiệu quả keo tụ bằng phèn còn tăng cường xử lí các axit humic, độ cứng

2 Axit silixic hoạt tính (AS)

AS thường được điều chế tại chỗ bằng cách trung hoà thuỷ tinh lỏng Na2SiO3 bằng axit ở những điều kiện cụ thể Axit silixic tạo thành thực chất là polime vô cơ, mang điện tích âm Khi vào nước các phân tử AS âm điện nhanh chóng hút các hạt bông cặn nhỏ mang điện dương của kết tủa hyđroxit nhôm hoặc sắt tạo bông lớn

3 Bột đất sét

Bột sét tác dụng tương tự AS do chúng mang điện tích âm, hơn nữa chúng còn có khả năng, tuy yếu, hấp phụ một phần các chất hữu cơ gây màu, bông cặn tạo

thành cũng nặng hơn Cũng như AS, bột sét ở liều lượng thích hợp dùng tốt khi phối hợp với phèn nhôm và muối sắt.

4 Các chất tạo bông hữu cơ - cao phân tử

Đây là nhóm chất có tác dụng tạo bông tốt nhất Các polyme dùng làm chất tạo bông cho quá trình xử lý nước phải đáp ứng các yêu cầu sau:

- Tan tốt trong nước;

- Không độc;

- Có khả năng tạo bông tốt nhờ ái lực cao đối với hạt keo và bông cặn nhỏ trong nước xử lí

Tùy vào bản chất nhóm chức mà người ta phân ra làm 3 loại:

- Loại không phân ly (nhóm chức amid −CONH2)

- Loại tạo anion (nhóm chức axit −COO−)

- Loại tạo cation (nhóm chức amin bậc cao ≡N+Cl-)

Tạo bông hữu cơ bao gồm các hợp chất tự nhiên và các hợp chất tổng hợp.Các hợp chất tự nhiên chủ yếu có cấu trúc đuờng, bao gồm:

so với sử dụng keo tụ vô cơ

Thường gặp bốn nhóm hợp chất:

- Sản phẩm trùng ngưng melaminphoocmaldehit:

và kích thước bông cặn cũng như độ bền bông cặn hơn hẳn bông cặn phèn.

PAA còn được sử dụng phổ biến trong xử lí nước thải, xử lí bùn và nhiều ngành công nghiệp với liều dùng lên tới 5-50 g/m3

Nhược điểm chính của PAA là sản phẩm nhập, đắt và phải lựa chọn chủng loại PAA và liều lượng cho phù hợp với từng loại nước bằng thực nghiệm

Công thức cấu tạo của các loại PAA phổ biến cho ở hình 7.

Loại không phân li (non-ionic):

n

CH 2

NH 2 C=O CH

Loại anion (anionic):

CH C=O

NH2

C=O CH

Na O

Hình 2.5- Công thức cấu tạo của các loại PAA xử lý nước

II.4 Các y u t nh h ế ố ả ưở ng đế n quá trình keo t ụ

Ngoài yếu tố bản chất của chất keo tụ (nhất là giá trị và dấu điện tích) và tạp chất có trong nước các yếu tố sau là quan trọng nhất

II.4.1 Y u t pHế ốMỗi chất keo tụ, dù là muối nhôm hay sắt, đều có khoảng pH tối ưu cho sự hình thành kết tủa hyđroxit tương ứng Thấp hơn giá trị này các bông Me(OH)3 tạo thành sẽ bị hoà tan bởi axit Cao hơn giá trị này sẽ tạo thành các muối bazơ khó kết tủa

Đối với các chất điện li polime pH sẽ ảnh hưởng đến khả năng phân li của các nhóm chức, gây tăng hoặc giảm mật độ các nhóm chức hoạt động làm thay đổi khả năng tương tác phân tử polime − hạt keo

II.4.2 Y u t h u cế ố ữ ơ

Khi xử lý nước bằng chất keo tụ cần lưu ý hiện tượng làm bền keo bởi các

chất bị hấp phụ hữu cơ Các chất hữu cơ tự nhiên (ví dụ, axit humic − AH) phổ biến trong nước có tính làm bền keo rõ rệt nhờ khả năng tạo phức với Fe2/3+, ngoài ra lớp màng chất hấp phụ hữu cơ vây quanh hạt keo ngăn cản tương tác giữa các hạt keo với các tác nhân keo tụ ta chủ động đưa vào, giảm rõ rệt tác dụng làm trong nước của chất keo tụ Về phần mình, lượng HA trong keo đất có thể đánh giá qua pH, bảng 2.2 cho ta thấy tỉ lệ HA thường gặp trong keo đất phụ thuộc vào pH như thế nào

Đây chính là trường hợp ta gặp khi nước có mầu (do chất hữu cơ tan trong nước) Cách xử lý thường là nâng pH bằng vôi để giảm tỉ lệ HA/đất hoặc tiền xử lý bằng các chất ôxy hoá như clo, ôzôn để phá hủy một phần chất hữu cơ trước khi keo tụ

Bảng 2.2 - Sự phụ thuộc tỉ lệ HA/đất (phần HA/100 phần đất) vào pH môi trường nước

Quá trình keo tụ – tạo bông thường áp dụng trước lắng hoặc lọc để:

- Làm trong nước, xử lí một phần độ màu trước khi lọc (xử lí nước cấp): các chất keo tụ trong xử lí nước cấp thường là phèn nhôm, gần đây xuất hiện Poly-Aluminium-Chloride (PAC) là muối nhôm dạng polime, các chất trợ keo tụ PAA Muối nhôm thường sử dụng ở mức trên 10 mg/L, PAC sử dụng ở mức bằng 1/2÷1/4 muối nhôm, PAA sử dụng ở mức 0,2÷0,5 ppm

- Giảm hàm lượng SS trước khi vào xử lí sinh học (xử lí nước thải)

- Tăng cường khả năng lắng của bể lắng cấp 2 trong xử lí nước thải

- Lọc trực tiếp nếu SS không quá cao

Trong một số trường hợp các chất keo tụ ở liều cao có thể áp dụng để xử lí màu trong nước thải công nghiệp, ví dụ nước thải dệt nhộm, nước thải giấy

Quá trình keo tụ được thực hiện bằng cách trộn nước với chất keo tụ trong các thiết bị khuấy trộn nhanh, sau đó nước được đưa vào bể tạo bông với sự khuấy trộn nhẹ nhàng nhằm tăng cường tiếp xúc hạt - hạt làm cho bông phát triển kích thước, tránh vỡ bông Tiếp theo nước vào bể lắng thực hiện quá trình tách rắn/lỏng

Sự keo tụ - tạo bông được coi là hiệu quả nếu bông cặn tạo ra dễ dàng nhìn thấy bằng mắt thường (kích thước gần 1 mm trở lên), khi đó nước sẽ lắng trong nhanh trong ống quan sát trong vòng 10 - 15 phút để yên

Ngoài những ứng dụng trong xử lí nước chất keo tụ tạo bông còn áp dụng nhiều trong việc xử lí bùn nhằm tăng khả năng tách nước khỏi bùn, áp dụng trong công nghiệp giấy nhằm điều chỉnh đặc trưng lưu biến của hỗn hợp bột

15.7.1 Khuấy trộn

Khuấy trộn là quá trình mà hầu hết các hệ phản ứng đều cần thực hiện Mục đích chính của nó là tạo tiếp xúc tối đa giữa các phân tử, ion, các thành phần phản ứng, giảm thiểu cản trở gây ra do khuếch tán chậm

Đối với hệ lỏng hoặc rắn(ít)/lỏng(nhiều) ta dùng thuật ngữ khuấy (hoặc cả khuấy trộn), đối với hệ rắn/rắn hoặc rắn(nhiều)/lỏng(ít) ta thường dùng thuật ngữ trộn.

Ngoài việc tạo điều kiện cho phản ứng xảy ra nhanh hơn, giảm thiểu tác động của yếu tố khuếch tán, khuấy trộn còn có các tác dụng quan trọng khác như:

- Làm đều hỗn hợp (trong công nghệ vật liệu bột)

- Làm vỡ các hạt, giọt lớn (trong công nghệ hoá học)

- Tăng cường tốc độ truyền nhiệt, giảm nhẹ hiện tượng tăng giảm nhiệt độ cục bộ

Trong quá trình keo tụ – tạo bông khuấy trộn nhằm:

- Phân bố nhanh, đều chất keo tụ, tạo bông trong toàn thể tích nước cần xử lý

- Tăng hiệu quả xử lí, suy ra giảm chi phí trong quá trình keo tụ.

- Tăng tiếp xúc hạt – hạt nhỏ, thúc đẩy tạo bông

- Làm lơ lửng các hạt rắn trong lỏng (trong hệ xử lí vi sinh) hoặc khí

Khi đó cần phân biệt: đối với quá trình phản ứng, cần phân bố đều hoá chất nhanh tối đa nên ta sử dụng quá trình khuấy nhanh; đối với quá trình tạo bông hyđroxit kim loại khuấy nhanh sẽ làm vỡ bông cặn, khi đó ta cần khuấy nhẹ nhàng Hiệu quả quá trình khuấy phụ thuộc vào công suất khuấy

Tính công suất khuấy

Để định lượng quá trình khuấy ta dùng đại lượng građien vận tốc G Trong

giới hạn nhất định, đại lượng G càng lớn sự khuấy càng tiến tới lý tưởng G chính

là hàm của công suất khuấy áp cho một đơn vị thể tích cần khuấy:

V

P G

số va chạm hạt – hạt) đo bằng Gto, trong đó to là thời gian lưu nước trong vùng khuấy

Bảng 2.3, 2.4 cho ta các dữ liệu kinh nghiệm để tính các đại lượng G, Gto ứng với mỗi quá trình

Bảng 2.3 – Các giá trị G để tính khuấy nhanh

Các giá trị thời gian lưu t o

Bảng 2 4 – Các giá trị Gt o để tính bể tạo bông

Phân loại các phương pháp khuấy nhanh:

- Khuấy cơ khí bằng máy khuấy (tốt nhất)

- Khuấy bằng khí nén

- Khuấy bằng cách bơm chất lỏng tuần hoàn

- Khuấy tĩnh: tận dụng các cơ cấu dòng chẩy, ví dụ: khuấy trong ống trộn; khuấy kiểu rãnh thu – dãn (rãnh Parshall); ”thác” nước; vách đục lỗ, vách đảo chiều

Bồn khuấy trộn cơ học

26

Nước ra Động cơ

Hình 2.6 - Bồn khuấy nhanh cơ khí

Bồn khuấy nhanh thường có thời gian lưu thuỷ lực cỡ 10 ÷ 30 s, G ở mức

600 ÷ 1000 s-1, thể tích giới hạn ở 8 m3 Bồn khuấy thường có hình trụ, để tăng hiệu quả khuấy thường bố trí thêm 2 ÷ 4 vách chắn nhỏ dọc thành bể để tăng hiệu quả khuấy, đôi khi có vách ngang chống tạo xoáy

Máy khuấy gồm: động cơ điện, hộp số giảm tốc, trục khuấy, cánh khuấy.Cánh khuấy thường dùng loại turbin hoặc mái chèo (xem h 9) Hoá chất phải cho vào vùng ngay dưới cánh khuấy, nơi được khuấy mạnh nhất

Hình 2 7- Một số dạng cánh khuấy

Một số quy tắc kinh nghiệm:

- Độ sâu mức nước: 0,5 ÷ 1,1 lần đường kính bồn

- Đường kính cánh khuấy: 0,3 ÷ 0,5 lần đường kính bồn, thường ≤ 1m

- Tấm chắn dọc rộng ∼ 0,1 lần đường kính bồn.

- Nếu mức nước = 1,1 ÷ 1,6 lần đường kính bồn cần lắp 2 tầng cánh khuấy, khi đó khoảng cách giữa hai cánh khuấy (theo trục khuấy) gấp hai lần đường kính cánh khuấy

- Hai bộ cánh khuấy đồng trục gây ra công suất khuấy ≈1,9 lần so với một bộ nếu dùng một môtơ

Tuốc bin quạt, 6 cánh nghiêng 45o 1,65

Tuốc bin vòng, với stator, không vách chắn 1,12

Do chất lượng nước vào thay đổi nên cần thiết kế sao cho có thể thay đổi G được 2 ÷ 3 lần mà không quá thay đổi kết cấu bể tạo bông Bông càng lớn, mật độ bông càng cao ta càng cần G lớn (9) Đối với cặn của quá trình làm mềm bằng vôi – sôđa, tỷ khối nặng hơn cặn keo tụ nên G cao nhất Khi mật độ SS tăng, giá trị G cũng tăng tương ứng

Cánh khuấy thường dùng là loại cánh hướng tâm do cánh khuấy loại này tạo

G có giá trị đều nhất trong toàn thể tích

Có thể khuấy tạo bông bằng các cánh khuấy dạng tấm phẳng, hệ bồn nhiều vách ngăn đảo chiều

Vách cố định

Hướng dòng xoay

Khuấy nhanh

Hình 2 8 - Bể tạo bông với cánh khuấy dạng tấm phẳng

Bồn/bể tạo bông tốt nhất là hình chữ nhật, chia 3 vùng Đại lượng G phân chia sao cho giảm dần từ đầu vào tới đầu ra (h 2.10) G lấy theo bảng 2.5

Một số quy tắc kinh nghiệm:

- Cánh khuấy mái chèo có đường kính=0,2 ÷ 0,5 bề rộng bể, tối đa= 3m

- Tính công suất khuấy dùng biểu thức Rushton:

Một kiểu bể tạo bông khác, khá đơn giản và hiệu quả là bể tạo bông kiểu Alabama (hình 9) Đây thực chất là một thiết bị phản ứng khuấy trộn bằng thuỷ lực,

dòng nước được đảo chiều nhiều lần nhờ hệ thống ống hướng dòng Hệ thống ống đảo chiều dòng nước có thể được thay bằng hệ vách ngăn với cùng chức năng, khi

đó ta gọi là thiết bị phản ứng với vách ngăn đảo chiều

thiết bị phản ứng với vách ngăn đảo chiều

L B

H

V~0.5 m/s

hf

D