Chuong 2 Co so cac qua trinh xu ly ly hoc

Theo nồng ñộ và khuynh hướng tương tác giữa các hạt, có 4 dạng lắng ñược phân biệt như sau: lắng ñộc lập, lắng tạo bông, lắng cản trở và lắng trong vùng nén.. Trong thực tế xử lý nước cấ

CHƯƠNG 2

2.1 QUÁ TRÌNH LẮNG

2.1.1 Giới Thiệu Chung

Quá trình lắng và tuyển nổi là các quá trình tách các hạt cặn lơ lửng (phân tích bằng chỉ tiêu SS (mg/L) hoặc ñộ ñục (FTU)) khỏi nước Quá trình tách loại này thường xảy ra sau một khoảng thời gian lưu nước nhất ñịnh trong bể có ñiều kiện thích hợp cho quá trình lắng ñối với hạt nặng hơn nước, hoặc quá trình tuyển nổi ñối với hạt nhẹ hơn nước

Hình 2.1 Quá trình lắng và tuyển nổi

Theo nồng ñộ và khuynh hướng tương tác giữa các hạt, có 4 dạng lắng ñược phân biệt như sau: lắng ñộc lập, lắng tạo bông, lắng cản trở và lắng trong vùng nén Lắng ñộc lập và lắng tạo bông thường xảy ra khi hàm lượng cặn lơ lửng tương ñối thấp Lắng cản trở và nén xảy ra khi nồng ñộ cặn lơ lửng cao Trong thực tế xử lý nước cấp và nước thải, 4 dạng lắng này thường xảy ra ở dạng phối hợp, nhưng khi thiết kế bể lắng, hai dạng lắng ñộc lập và lắng tạo bông ñóng vai trò quyết ñịnh

Hình 2.2 Lắng ñộc lập và lắng tạo bông

Nước ñã tách cặn Lớp ván

Lớp bùn

2.1.2 Ứng Dụng Thực Tế

Quá trình lắng ñược sử dụng rộng rãi trong xử lý nước Trong lĩnh vực cấp nước, quá trình này

ñược ứng dụng ñể xử lý nước ngầm và nước mặt

- Xử lý nước ngầm

* Tách loại bông cặn (Fe(OH)3) sau khi oxi hóa Fe (II) thành Fe (III);

* Xử lý nước ñã dùng trong quá trình rửa lọc

- Xử lý nước mặt

* Lắng là quá trình xử lý sơ bộ trước khi lọc nhanh và lọc chậm;

* Keo tụ/ tạo bông/lắng là quá trình xử lý sơ bộ trước khi lọc nhanh;

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

- Trong xử lý nước thải, quá trình lắng thường dùng ñể:

* Lắng cát (tách cát từ nước cống);

* Lắng cặn lơ lửng trong bể lắng ñợt 1;

* Lắng bông cặn sinh học trong bể lắng ñợt 2, ví dụ sau bể bùn hoạt tính hoặc bể lọc nhỏ giọt;

* Lắng bông cặn hóa học từ quá trình keo tụ

Bể tự hoại về cơ bản là một bể lắng trong ñó quá trình phân hủy kỵ khí xảy ra sau khi lắng bùn

Bùn Nước sạch

D d

22

s

w D

w s

( )

w D

w s

c

gd s

ρ

ρ ρ

3

)(

Bảng 2.1 ðộ nhớt ñộng học biến ñổi theo nhiệt ñộ

Mối liên hệ giữa CD và Re ñối với các hạt có hình dạng khác nhau ñược trình bày trong Hình 2.8 (Fair, Geyer,Okun, 1968)

Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng:

♦ Re < 1 : CD = 24 Re-1 (dòng chảy tầng) (2.6)

♦ 1 < Re < 50 : CD = 24 Re-¾ (dòng chảy trong khu vực chuyển tiếp) (2.7)

♦ 50 < Re < 1620 : CD = 4,7 Re-1/3↓ (dòng chảy trong khu vực chuyển tiếp) (2.8)

w

w s

ρ

ρ ρ ν

−

=

8 0

6 0

8 0

10

1

d

g s

w

w s

6 0

2 0

6 0

13.2

1

d

g s

w

w s

5 0 5

0

83

s

w

w s

Từ những phương trình trên ta có thể kết luận rằng vận tốc lắng phụ thuộc vào kích thước hạt: hạt càng lớn và sự khác biệt giữa tỷ trọng của hạt so với nước càng cao, vận tốc lắng càng lớn Vận tốc lắng cũng phụ thuộc vào ñộ nhớt của chất lỏng Nếu nhiệt ñộ giảm và ñộ nhớt của chất lỏng gia tăng, vận tốc lắng sẽ giảm

Những phương trình trên ñược thiết lập trên một số giả thiết mà trong thực tế sự khác nhau giữa giá trị vận tốc lắng thực nghiệm và vận tốc lắng tính toán ñược xem như không ñáng kể Giả thiết thứ nhất là hạt có dạng hình cầu, ñiều này hiếm khi xảy ra trong thực tế Giá trị CD của hạt không có dạng hình cầu ứng với một giá trị Re xác ñịnh sẽ hơi lớn hơn (Hình 2.8) và tương ứng với vận tốc lắng nhỏ hơn

Giả thiết thứ hai là vận tốc của hạt ổn ñịnh trong suốt quá trình lắng Thực ra, trong giai ñoạn ñầu của quá trình lắng, vận tốc của hạt (trong một khoảng thời gian rất ngắn ) tăng dần cho ñến khi ñạt giá trị ổn ñịnh Tuy nhiên, ảnh hưởng của giả thiết này không ñáng kể

Hơn nữa, khi các hạt rơi xuống sẽ tạo ra dòng chảy ñi lên của chất lỏng trong môi trường xung quanh và làm giảm vận tốc lắng thực của hạt Ảnh hưởng này cũng ñược xem là không ñáng kể trong thực tế xử lý nước cấp và nước thải

(2.10)

(2.11)

(2.12)

(2.13)

XÁC ðỊNH TẦN SUẤT PHÂN BỐ VẬN TỐC LẮNG

Nước trong thiên nhiên chứa các hạt có kích thước, hình dạng, tỉ trọng khác nhau, các hạt này sẽ

có vận tốc lắng khác nhau Với những phương trình như trình bày trên, tần suất phân bố các vận tốc lắng này có thể xác ñịnh ñược khi biết thể tích, khối lượng và hình dạng của hạt Tuy nhiên, hầu như những giá trị này không sẵn có và không dễ xác ñịnh hoặc không thể xác ñịnh ñược Dó

ñó, tần suất phân bố hạt ñược xác ñịnh bằng mô hình thí nghiệm Các thiết bị sử dụng cho thí nghiệm này ñược mô tả trong Hình 2.9 gồm một cột hình trụ tròn, làm bằng thủy tinh dẻo, cao 4

m Nhiệt ñộ xung quanh cột phải ñược duy trì không ñổi ñể tránh sự ñối lưu của dung dịch thí nghiệm Mẫu ñược lấy ở những ñộ sâu khác nhau

ðổ ñầy mẫu nước có chứa cặn lơ lửng cần xác ñịnh vào cột và khuấy bằng cách bơm tuần hoàn

ñể phân bố ñều các hạt theo toàn bộ chiều sâu của cột Bắt ñầu khảo sát khi nước trong cột ñã trở

về trạng thái tĩnh Tại thời ñiểm này và những khoảng thời gian quy ñịnh sau ñó, mẫu nước sẽ ñược lấy ở những ñộ sâu khác nhau ñể phân tích SS, ñộ ñục, ñộ màu, Fe, Al, ñộ cứng, BOD và COD hoặc những chỉ tiêu khác ñặc trưng cho hiệu quả của quá trình lắng

Nguyên tắc lấy mẫu và phân tích ñược trình bày trong Hình 2.10 với giả thiết rằng có 3 loại hạt lắng ở 3 vận tốc lắng khác nhau (hạt 0, X và ρ) Mỗi hạt lắng với vận tốc không ñổi trong suốt quá trình khảo sát, quá trình lắng của các hạt là ñồng nhất Kết quả thí nghiệm ñược tóm tắt trong Bảng 2.2

Hình 2.9 Mô hình thí nghiệm quá trình lắng tĩnh

0 1/3 1/3 2/3 Một cách gần ñúng, vận tốc lắng của hạt có thể xác ñịnh như sau:

ðường cong tần suất phân bố tích tũy (ñường cong p-s) ñối với quá trình lắng ñộc lập có dạng như Hình 2.11

Vận tốc lắng

Hình 2.11 Sự phân bố tần suất tích lũy của vận tốc lắng: ñường cong p-s

XÁC ðỊNH KÍCH THƯỚC BỂ LẮNG NGANG VỚI QUÁ TRÌNH LẮNG ðỘC LẬP

Việc tách loại các hạt cặn lơ lửng bằng quá trình lắng thường ñược thực hiện trong thiết bị có dòng chảy liên tục Mục ñích thiết kế là nhằm tạo ra bể lắng có hiệu quả nhất ñịnh r ứng với lưu lượng cần xử lý Q (m3/s) Như ñã phân tích (Hình 2.12), tất cả các hạt có vận tốc lắng s ≥ s0 sẽ lắng hoàn toàn

H0

s0 = (2.14)

t0

Trong ñó:

- H0 = ñộ sâu của lớp nước trong bể lắng (m);

- t0 = thời gian lưu nước (s)

Các hạt có vận tốc lắng s < s0 chỉ lắng một phần trong lớp nước có ñộ sâu h = s.t0 tính từ ñáy bể Như vậy, tỉ lệ khử những hạt này bằng:

0 0 0 0

0

'

s

s t s

t s H

Hình 2.12 ðường lắng của các hạt lắng ñộc lập trong bể lắng ngang

Tỷ lệ khử tổng cộng r trong bể lắng ngang xác ñịnh cho tất cả các hạt tồn tại trong bể ñược biểu diễn như sau:

dp H

h p

s p

1)1(

p

sdp s

p

Trong ñó, giá trị tích phân ñược ñặc trưng bởi phần ñánh dấu trong Hình 2.13 (bên trái) r cũng có thể ñược tính toán theo phương pháp ñồ thị bằng cách vẽ ñường nằm ngang ñể hai diện tích ñánh dấu bằng nhau (Hình 2.13, bên phải)

v0

s

L

Hình 2.13 Sự phân bố tần suất tích lũy của vận tốc lắng

Hình 2.14 Tỷ lệ khử các hạt có ñường cong p-s như trình bày trong Hình 2.11

Nếu lưu lượng cần xử lý là Q (m3 s-1) và thời gian lưu nước t0 thể tích của bể sẽ là:

V = Q.t0 = A.H0 (2.19) Trong ñó A là diện tích bề mặt (m2), H0 là chiều cao cột nước trong bể (m)

Theo tính toán như trình bày trên, tỷ lệ khử làø hàm số của vận tốc tới hạn:

A

Q H H A

Q t

H

0 0

0 0

s0 là vận tốc lắng tới hạn, còn ñược gọi là tải trọng bề mặt của bể lắng tính bằng m3/m2h hoặc m/s Như vậy, hiệu quả xử lý (r x 100%) ở một lưu lượng Q nhất ñịnh chỉ phụ thuộc vào diện tích

1 - P0 80

bề mặt A (= L x W) và không phụ thuộc vào ñộ sâu của bể H0

Nguyên lý này chỉ ñúng trong trường hợp lắng ñộc lập và không áp dụng trong trường hợp lắng tạo bông Tuy nhiên, r không phụ thuộc vào ñộ sâu của bể không có nghĩa là có thể chọn giá trị

H0 nhỏbất kỳ

Quá trình lắng chỉ có thể ñạt hiệu quả nếu các ñiều kiện thủy lực ñược thỏa mãn ñồng thời: mức

ñộ chảy rối trong bể thấp, dòng chảy ñủ ổn ñịnh và vận tốc theo phương ngang v0 không lớn ñến nổi khiến các hạt ñã lắng bị xáo trộn

ðể tránh hiện tượng chảy rối, số Reynolds phải ñược duy trì trong khoảng nhỏ hơn 2000

20002

1Re

0

H W

Q R v

- v0 : vận tốc dòng chảy theo phương ngang (m/s)

Tính ổn ñịnh của dòng chảy có ý nghĩa quan trọng trong việc ngăn chặn hiện tượng ngắn mạch dòng chảy xảy ra do ảnh hưởng của gió hoặc do chênh lệch tỉ trọng Quá trình ổn ñịnh dòng chảy ñược bảo ñảm dưới những ñiều kiện sau:

5 2

)(

8

w

w s s

gd v

ρ θ

ρ ρ

1

d v

g s

w

w s

bị xáo trộn ðối với các hạt lắng tạo bông có khối lượng riêng 1030 kg/m3:

4 / 1.215,

Trong ñó, s là vận tốc lắng của hạt mịn nhất ñược giữ lại

2.1.5 Quá Trình Lắng Tạo Bông

Quá trình lắng tạo bông xảy ra khi, trong quá trình lắng, các hạt dần dần kết hợp với những hạt khác tạo thành những bông cặn lớn hơn và lắng xuống Do ñó, vận tốc lắng của các hạt tăng dần theo ñộ sâu lắng Hiện tượng lắng tạo bông ñược mô tả trong Hình 2.15 và Hình 2.16 (Huisman 1997) Trái với quá trình lắng ñộc lập, hiệu quả xử lý của bể lắng tạo bông có khuynh hướng tăng theo ñộ sâu Kích thước của bể lắng trong trường hợp lắng tạo bông cũng ñược xác ñịnh bằng mô hình thí nghiệm sử dụng cột lắng cao khoảng 3 m và có ñường kính 0,15 m Tỉ lệ khử r ñược tính toán bằng phương pháp ñồ thị theo phương trình sau:

))(

.(

2/1

1)1

+

−

n i

i

i i n

n

H p

rn biểu thị tỷ lệ tách loại ở ñộ sâu Hn

Hình 2.15 Quá trình lắng tạo bông

Hình 2.16 Quá trình tạo bông liên tục

2.1.6 Xác ðịnh Kích Thước Bể Lắng

Trong một bể lắng thường tồn tại 4 vùng: vùng nước vào, vùng lắng, vùng thoát nước sau khi lắng và vùng lưu trữ và thải bùn Thiết kế hợp lý mỗi vùng này có ý nghĩa quan trọng ñối với hiệu suất của bể lắng

ðối với một lưu lượng Q cần xử lý cho trước, những thông số cơ bản của vùng lắng như thể tích (V), ñộ sâu (H0), diện tích bề mặt (A) có thể xác ñịnh dựa trên khảo sát trong phòng thí nghiệm hoặc từ thực tế như ñã trình bày ở trên Tuy nhiên, việc thiết kế ñầy ñủ sẽ gồm nhiều bộ phận khác như vùng vào, vùng thoát nước sau xử lý, vùng trữ và thải bỏ bùn ðể thiết kế ñầy ñủ những

bộ phận này, tham khảo sách giáo khoa Fair, Geyer và Okun (1968) và Metcaf và Eddy (1979)

2.2 QUÁ TRÌNH LỌC

2.2.1 Một Số Ứng Dụng

Quá trình lọc ñược ứng dụng trong các trường hợp sau:

- Xử lý nước mặt làm nước uống:

♦ Lọc nhanh : khử các hạt cặn trong nước;

♦ Lọc chậm : khử chất hữu cơ và vi sinh vật có trong nước

- Xử lý nước ngầm làm nước uống: khử sắt và mangan

- Xử lý nước thải:

♦ Lọc nhanh nước sau xử lý bậc hai;

♦ Lọc chậm, gián ñoạn, nước sau xử lý sơ bộ;

Lọc nước thải (Nước sau khi lắng sơ bộ) Kích thước hạt cát (d10, mm) 0,5 – 2 0,15 – 0,45 0,2 –1

Chu kỳ lọc (ngày) 0,3 - 3 30 - 200 Không làm tắt vật liệu lọc

Vai trò của quá trình lọc trong xử lý nước uống ñược trình bày trong Bảng 2.4 Phương pháp lọc nhanh thích hợp ñể khử cặn (Bảng 2.4, biểu diễn bằng “ñộ ñục”) từ nguồn nước mặt và khử sắt

và mangan từ nguồn nước ngầm (tạo bông oxít sắt và oxit mangan) Quá trình tách cặn xảy ra ñồng thời với những biến ñổi sinh học trong quá trình lọc chậm Quá trình lọc chậm có khả năng khử vi sinh vật gây bệnh rất hiệu quả Do ñó, phương pháp này ñược sử dụng rộng rãi ñể xử lý nước ở những vùng nông thôn của các nước ñang phát triển

Bảng 2.4 Hiệu quả xử lý nước cấp của một số công trình đơn vị

Thổi khí Keo

tụ-Tạo bơng Lắng

Lọc nhanh

Lọc chậm

Than hoạt tính Clo hĩa

Chất hữu cơ khơng cĩ khả năng

phân hủy sinh học

• Chuyển hĩa sinh học;

• Chuyển hĩa hĩa học

3Lắng

4Quán tính

5

Bị chặn

Vật liệu lọc thông dụng nhất là cát Kích thước hiệu quả của hạt cát (de) thường dao ñộng trong khoảng 0,15 mm ñến vài mm Kích thước lỗ rỗng ñược tính toán bằng 0,07 – 0,1*de(Amirtharajah) nên thường có giá trị nằm trong khoảng 10 – 100 µ m Kích thước này lớn hơn nhiều so với kích thước của nhiều hạt cặn nhỏ cần tách loại, ví dụ như vi khuẩn (0,5 – 5 µ m) hoặc vi rút (0,05 µ m), do ñó, những hạt này có thể chuyển ñộng xuyên qua lớp vật liệu lọc Quá trình sàng lọc xảy ra ở bề mặt lớp vật liệu lọc khi nước cần xử lý chứa các hạt cặn có kích thước quá lớn không thể xuyên qua lớp vật liệu lọc ñược Quá trình sàng lọc có ý nghĩa quan trọng ñối

với lọc cát chậm (do sử dụng cát lọc mịn và sự tạo thành Schmuzdecke) hơn so với lọc nhanh

Những hạt cặn lơ lửng có kích thước khoảng 5 µ m và khối lượng riêng ñủ lớn hơn khối lượng riêng của nước ñược tách loại theo cơ chế lắng trong các khe rỗng của lớp vật liệu lọc Tuy nhiên, quá trình lắng không có khả năng khử các hạt keo mịn có kích thước khoảng 0,001 – 1 µ

m

Các hạt keo ñược tách loại theo cơ chế hấp phụ Quá trình này xảy ra theo hai giai ñoạn: vận chuyển các hạt trong nước ñến bề mặt vật liệu lọc (theo cơ chế lắng, quán tính, khuếch tán và bằng các lực thủy ñộng học) và sau ñó kết dính các hạt vào bề mặt hạt vật liệu lọc Quá trình này chịu ảnh hưởng của lực hút (hoặc lực ñẩy) giữa vật liệu lọc và các hạt cần tách loại Lực hút quan trọng là lực Van der Waals và lực hút tĩnh ñiện

Quá trình dính kết giữa các hạt có thể bị cản trở khi lực ñẩy tĩnh ñiện giữa vật liệu lọc và các hạt cặn chiếm ưu thế hơn so với lực hút Van der Waals và lực hút tĩnh ñiện

Các nghiên cứu cho thấy rằng hạt cát sạch mang ñiện tích âm nên không thể liên kết với các hạt keo có cùng ñiện tích Tuy nhiên, sau một thời gian lọc, các hạt cát trở nên tích ñiện dương và quá trình tách cặn có thể xảy ra

Trong nhiều trường hợp cần thêm chất tạo keo tụ như FeCl3 hoặc Al2(SO4)3 ñể khử lực ñẩy giữa các hạt keo với nhau và giữa hạt keo và vật liệu lọc Những hạt mịn khi ñó kẹo tụ thành những bông cặn lớn hơn dễ dàng tách loại bằng quá trình lọc

Hoạt tính sinh học của các thiết bị lọc có khả năng dẫn ñến sự oxy hóa các chất hữu cơ, các hợp chất NH4+, sulphide sắt và mangan Quá trình chuyển hóa sinh học hoàn toàn xảy ra khi nhiệt ñộ

và thời gian lưu nước trong thiết bị lọc ñược duy trì thích hợp Do ñó, trong thiết bị lọc chậm, hoạt tính sinh học ñóng vai trò quan trọng hơn trong thiết bị lọc nhanh

Trong quá trình lọc, vi sinh vật gây bệnh tồn tại trong nước cần xử lý bị khử theo các cơ chế trên Thiết bị lọc là môi trường bất lợi ñối với một số loại vi sinh vật gây bệnh do thiếu thức ăn và do

có mặt nguyên sinh ñộng vật cũng như những loại vi sinh vật ñối kháng

2.2.4 Mô Hình Hóa Quá Trình Lọc: Dòng Chảy Từ Trên Xuống

Trong quá trình lọc, các hạt cặn tách khỏi nước ñược giữ lại trong các khe hở của lớp vật liệu lọc Quá trình này xảy ra dần dần từ lớp vật liệu lọc phía trên xuống ñáy thiết bị Sự tích tụ các chất cặn bẩn làm gia tăng tổn thất áp lực trong thiết bị lọc và giảm dần hiệu quả lọc

Mô hình lọc mô tả mối liên hệ giữa các biến số: nồng ñộ (C) theo ñộ sâu của thiết bị lọc, sự tích

tụ chất rắn (σ), ñộ tăng tổn thất áp lực (∆H) và hệ số lọc (λ) Trong ñó, chỉ có giá trị C và ∆H có thể ño ñạc trực tiếp

Quá trình khử các hạt cặn theo ñộ sâu (z) của thiết bị lọc có thể mô tả theo phương trình sau:

u : vận tốc chất lỏng trong các khe rỗng của lớp vật liệu lọc (m/s);

z : khoảng cách từ vị trí ñang xét trong lớp vật liệu lọc ñến ñỉnh của thiết bị lọc (giả sử dòng chảy ñi từ trên xuống) (m);

Quá trình khử hạt cặn theo ñộ sâu ñược biểu diễn như sau:

(2.30) Dạng vi phân:

(2.31)

L là ñộ sâu của thiết bị lọc (m)

Nếu các hạt là vi sinh vật và quá trình chết dần của chúng trong pha lỏng cũng ñóng vai trò quan trọng:

(2.32) Trong ñó, Kd là hệ số chết dần của vi sinh vật (s-1)

Phương trình này cho thấy hiệu quả xử lý phụ thuộc vào các quá trình phân tách (biểu diễn bằng

hệ số lọc λ) và quá trình chết dần (die-off) của vi sinh vật gây bệnh tồn tại trong pha lỏng (Ku/u) Quá trình die-off chỉ trở nên quan trọng ở lưu lượng thấp ðây là trường hợp lọc cát chậm, lọc nước thải gián ñoạn và lọc qua lớp cát (u = 0,05 – 2 m/ngày) Hệ số lọc λ ñược biểu diễn dưới dạng toán học như hàm số của σ

Hình 2.18 và Hình 2.19 (Amirtharajah, 1988) cho thấy:

• Sự biến thiên hệ số lọc λ theo σ;

• Sự biến thiên nồng ñộ theo ñộ sâu và thời gian

Hình 2.18 cho thấy hiệu quả lọc giảm và như vậy, chất lượng nước sau xử lý xấu ñi theo quá trình bít kín các khe rỗng sau khi hơi tăng ở giai ñoạn ñầu σu là phần lắng ñặc biệt cuối cùng: phần thể tích lớn nhất của các khe rỗng bị chiếm chỗ bởi cặn lắng

0

∂

∂+

∂

∂

t z

C

C z