CHƯƠNG 4: TỔNG QUAN V Ề NGUỒN NƯỚC TRONG KHU VỰC
4.1. T ổng quan về nguồn nước
4.1.3. Tính ổn định của nước
Nước ổn định sẽ không làm ăn mòn đường ống hoặc đóng cáu cặn trong quá trình vận chuyển và lưu trữ. Trong thực tế, có 2 phương pháp đánh giá tính ổn định của nước:
Phương pháp Langlier:
Dựa vào chỉ số pHs
I = pH
là trị số pH của nước tương ứng với trạng thái cân bằng của các hợp chất của axit cacbonic và được gọi là pH bão hòa:
0 - pH Trong đó pH
s
0
pH
là pH thực của nước.Nếu:
0 < pHs, I < 0 : nước có tính xâm thực bêtông.
pH0 = pHs, I = 0 : nước ổn định, không xâm thực cũng không lắng đọng CaCO3
pH .
0 = pHs, I > 0 : nước có xu hướng lắng đọng CaCO3
Trong thực tế do khó điều chỉnh chất lượng nước nên có thể chấp nhận giá trị I từ – 0.5 đến +0.5. Cần chú ý là phương pháp Langlier chỉ xác định tính xâm thực bêtông do CO
.
2 gây ra. Giá trị pH s có thể xác định bằng thực nghiệm hoặc dùng phương pháp đồ toán với các đại lượng cho biết là nhiệt độ, độ cứng Canxi, độ kiềm và tổng chất khoáng hòa tan có trong nước.
Phương pháp Marble Test:
Dựa vào sự thay đổi pH và độ kiềm sau khi bảo hòa nước với CaCO3
Ngoài ra, để đánh giá tính ăn mòn kim loại của nước có thể dùng phương pháp xác định độ ăn mòn kim loại. Nguyên tắc cơ bản của phương pháp này là ngâm sắt kim loại trong dung dịch nước (không có oxy) để đánh giá khả năng hòa tan của kim loại sau một thời gian thí nghiệm (24 giờ). Kết quả có thể cho biết mức độ ăn mòn của nước.
trong 24 giờ. Với phương pháp này có thể đánh giá tính ổn định của nước đối với bêtông và xác địnhđược pH tại mức ổn định.
4.2. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC MẶT:
Hiện nay, có rất nhiều phương pháp xử lý nước mặt đang được áp dụng hiện nay tại Việt Nam, tùy theo tính chất của nguồn nước. Sau khi tham khảo các tài liệu chuyên ngành và các công trình xử lý nước mặt đang được hoạt động tại Việt Nam, các sơ đồ công nghệ xử lý nước mặt được tóm tắt như sau:
Khi nước nguồn có hàm lượng cặn ≤ 2500 mg/l, có thể sử dụng các sơ đồ sau:
Bể trộn Bể lọc
nhanh Bể phản
ứng
Beồlaộng Từtrạm
bôm cấp I tới
Chaỏt keo tuù
Chất kiềm hóa
Chất khử trùng
Bể chứa nước sạch
Bểtrộn Bểlọc nhanh Từtrạm
bôm cấp I tới
Chaỏt keo tuù
Chất kiềm hóa
Chất khử trùng
Bể chứa nước sạch Bể lắng trong có lớp
cặn lơ lửng
Bể trộn Bể chứa
nước sạch Từ trạm
bôm cấp I tới
Chaỏt keo tuù
Chất kiềm hóa
Bể lọc tiếp xúc
Khi nước nguồn có hàm lượng cặn ≥ 2500 mg/l, có thể sử dụng các sơ đồ sau:
Bể trộn
Bể chứa nước sạch Từ nguồn tới
Chaỏt keo tuù
Chất kiềm hóa Trạm
bôm
Bể phản ứng
Bể lắng Bể lọc nhanh Chất khử trùng
Hoà sô laéng
4.3. TỔNG QUAN VỀ CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC NGẦM:
4.3.1. Quá trình khử sắt:
4.3.1.1. Các trạng thái của sắt thiên nhiên:
Trong thiên nhiên, kể cả nước mặt và n ước ngầm đều có sắt. Hàm lượng sắt và dạng tồn tại của chúng tùy thuộc vào từng loại nguồn nước, điều kiện môi trường và nguồn gốc tạo thành của chúng. Trong nước mặt, sắt tồn tại ở dạng hợp chất Fe3+, thường là Fe(OH)3 không tan ở dạng keo hay huyền phù, hoặc ở dạng hợp chất hữu cơ
phức tạp ít tan. Trong nước ngầm, sắt tồn tại ở dạng ion, sắt có hóa trị II (Fe2+) là thành phần của các muối hòa tan như: Fe(HCO3)3; Fe(SO4
4.3.1.2. Sơ lược các phương pháp khử sắt thường gặp trong nước ngầm:
). Hàm lượng sắt trong nước ngầm thường cao, phân bố không đều trong các lớp trầm tích dưới sâu.
Hiện nay, có nhiều phương pháp khử sắt của nước ngầm, có thể chia thành 3 nhóm chính như sau:
Khử sắt bằng phương pháp làm thoáng Khử sắt bằng phương pháp dùng hóa chất.
Các phương pháp khử sắt khác.
a. Khử sắt bằng phương pháp làm thoáng:
Thực chất của phương pháp khử sắt bằng làm thoáng là làm giàu oxy cho nước, tạo điều kiện để Fe2+ oxy hóa thành Fe3+, sau đó Fe3+ thực hiện quá trình thủy phân để tạo thành hợp chất ít tan Fe(OH)3
Trong nước ngầm, sắt (II) bicacbonat là muối không bền vững, thường phân li dưới dạng sau:
, rồi dùng bể lọc giữ lại, quá trình oxy hóa Fe2+
có thể xảy ra trong môi trường tự do, môi trường hạt hay môi trường xúc tác.
( 3)2 2 3 2
Fe HCO = HCO−+Fe +
Nếu trong nước có oxy hòa tan, quá trình oxi hóa và thủy phân diễn ra như sau:
2
2 2 3
4Fe ++O +10H O=4Fe OH( ) +8H+ Đồng thời xảy ra phản ứng phụ:
3 2 2
H++HCO =H O CO+
Phản ứng trên là nguyên nhân làm giảm độ pH và độ kiềm của nước, làm chậm trể quá trình khử sắt, do đó cần phải đuổi CO2 tự do ra khỏi nước. Quá trình oxy hóa Fe2+ và thủy phân Fe3+ thành Fe(OH)3
Tốc độ phản ứng được biểu thị theo phương trình sau:
sẽ xảy ra nhanh chóng và triệt để khi độ pH của nước sau làm thoáng đạt 7 ÷7.5
2 2
[ ][ 2]
[ ]
(3.1) [ ]
Fe O
v d Fe K
dt H
+ +
= = +
Trong đó:
v: tốc độ oxy hóa [Fe2+], [H+], [O2
K: hằng số tốc độ phản ứgn, phụ thuộc vào nhiêt độ và chất xúc tác.
]: nồng độ các ion Fe2+, H+, và oxy hòa tan trong nước.
Theo phương trình trên, tốc độ oxy hóa Fe2+ tỷ lệ thuận với [Fe2+] và [O2], tỷ lệ nghịch với [H+]. Ngoài ra quá trình chuyển hóa còn phụ thuộc nhiều yêu tố như nhiệt độ, độ kiềm, thời gian phản ứng, thế oxy hóa khử tiêu chuẩn khử E0.
Các yếu tố này ảnh hưởng đến quá trình oxy hóa Fe2+ thành Fe3+ theo mối quan hệ sau: quá trình thủy phân giải phóng H+, nếu môi trường quá nhiều H+ (tức pH thấp) thì phản ứng sẽ bị kiềm hãm. Mặt khác trong nước đã có sẵn ion HCO-3, sẽ tác dụng với H+ vừa được giải phóng để tạo thành H2O và CO2. Hàm lượng HCO-3 càng lớn (tức độ kiềm lớn) thì tốc độ phản ứng sảy ra càng nhanh. Ngoài ra độ kiềm còn cần thiết cho quá trình thủy phân Fe3+ở dạng ion thành hydroxit Fe(OH)3
Nếu trong nước tồn tại các chất hòa tan như: H
.
2S, NH3, các chất bẩn hữu cơ, chúng sẽ gây cản trở quá trình oxy hóa Fe2+. Do đó khi làm thoáng phải đuổ i hết H2
Khi tất cả các ion Fe
S để quá trình làm thoáng xảy ra được thuận lợi hơn.
2+ hòa tan trong nước đã chyển hóa thành các bông cặn Fe(OH)3
Khử sắt bằng hóa chất:
. Việc loại bỏ bông cặn ra khỏi nước được thực hiện ở bể lọc chủ yếu theo cơ chế giữ cặn. Đây chính là cơ chế của quá trình lọc nhanh để khử sắt trong nước ngầm.
Nguồn nước có hàm lượng tạp chất hữu cơ cao, các hợp chất hữu cơ này tạo lớp màng dạng keo bảo vệ bằng chất oxy hóa mạnh. Trong nước ngầm, hàm lượng Fe2+
quá cao, tồn tại đồng thời cả H2
b. Khử sắt bằng vôi:
S nên cần dùng hóa chất để khử bổ sung.
Khi cho vôi vào, pH của dung dịch tăng, Fe2+ thủy phân thành Fe(OH)2, thế oxy hóa khử tiêu chuẩn của Fe(OH)2/ Fe(OH)3 giảm, Fe2+ chuyển thành Fe3+. Fe(OH)3
Phương pháp này hỏi thiết bị pha chế cồng kềnh, quản lý phức tạp. Tuy nhiên có thể kết hợp khử sắt với quá trình xử lý khác (ổn định nước bằng kiềm hóa, làm mềm nước bằng vôi kết hợp với Soda … ).
kết thành bông cặn, lắng trong bể lắng và được tách riêng.
Lượng vôi cần thiết [CaO] = 0.8[CO2 Trong đó:
] + 1.8[Fe]
[CaO]: lượng vôi cần thiết (mg/l) [Co2]: hàm lượng CO2
[Fe]: tổng lượng sắt trong nước (mg/l)
trong nước nguồn (mg/l).
c. Khử sắt bằng clo:
( 3) 2 ( 3) 2 3 2 3
2Fe HCO +Cl +Ca HCO +6H O→2Fe OH( ) +CaCl +6H++6HCO− Để oxy hóa cần 0.64 mg Cl2
Quá trình oxy hóa bằng Clo tăng nhanh khi giảm [H+], tức là pH tăng. Do Clo là chất oxy hóa mạnh nên phản ứng vẫn sảy ra nhanh ở pH ≥ 5.
/ 1 mg Fe2+, độ kiềm giảm 0.018 mgđl/l.
Ngoài ra, trong nước còn có amoni hòa tan, Clo sẽ kết hợp tạo thành Cloramit làm quá trình oxy hóa chậm lại. Ở pH = 7, quá trình oxy hóa sắt (II) bằng Cloramin kết thúc sau 60 phút. Vì vậy, với nước có hàm lượng hợp chất amoni hòa tan nồng độ đáng kể, sử dụng Clo để khử là hoàn toàn không hiệu quả. Liều lượng Clo cần thiết
phụ thuộc vào hàm lượng chất hữu cơ có trong nước, cần bổ sung lượng Clo để khử tạp chất hữu cơ:
MCl = 0.5 [O2 Với: [O
] (mg/l) (3.2)
2
d. Khử sắt bằng KMnO
]: độ oxy hóa bằng kali permanganat của muối tính chuyển ra oxy.
4
Xảy ra nhanh vì cặn Mangan(IV) hydroxit được tạo thành là nhân tố xúc tác cho phản ứng khử
:
2 3 2
4 2
5Fe ++MnO−+8H+ →5Fe++Mn ++4H O Hệ số cân bằng:
2 3
63.5 2
4
[ ][ ]
10 (3.3)
[ ][ ][ ]
Mn Fe K MnO Fe H
− +
− + +
= =
Nồng độ ion do phản ứng tạo ra gấp 63.5 lần nồng độ ion bị oxy hóa. Ion Fe3+ bị thủy phân, tạo bông cặn nên ion Fe3+ giảm đáng kể. Phản ứng không sảy ra thuận nghịch, theo chiều thuận triệt để.
Liều lượng cần 0.564 mg KMnO4
4.3.2. Quá trình khử Mangan:
/1 mg Fe.
Mangan thường tồn tại song song với sắt ở dạng ion hóa trị II trong nước ngầm và ở dạng keo hữu cơ trong nước mặt. Do vậy việc khử Mangan được tiến hành đồng thời với khử sắt.
Mangan (II) hòa tan khi bị oxy hóa sẽ chuyển dần thành Mangan (III) và (IV) ở dạng hydroxit kết tủa, quá trình diễn ra như sau:
( )2 2 2 4 3
2Mn HCO +O +6H O→2Mn OH( ) +4H++4HCO−
Kết quả thực nghiệm cho thấy khi pH < 8 và không có chất xúc tác thì quá trình oxy hóa Mangan (II) thành Mangan (IV) diễn ra rất chậm. Độ pH tối ưu thường trong khoảng từ 8.5 – 9.5.
Các phương pháp khử Mangan:
a. Khử Mangan bằng phương pháp làm thoáng:
Công nghệ khử mangan bằng phương pháp làm thoáng cũng bao gồm các công đoạn tương tự như khử sắt: làm thoáng, lắng tiếp xúc và lọc. Trong quá trình lọc, lớp vật liệu lọc đưôc phủ dần 1 lớp Mn(OH)4 tích điện âm, lớp hydroxit mangan có tác dụng như lớp xúc tác hấp thụ Mn2+
Ngoài ra còn có các phương pháp khử Mangan khác:
và oxy hóa chúng. Cũng do quá trình oxy hóa mangan diễn ra chậm hơn sắt, nên trong bể lọc, lớp vật liệu lọc phải cát bề dày 1.2 – 1.5 m.
- Phương pháp dùng hóa chất: Sử dụng các chất oxy hóa mạnh như: clo, ozôn, kali permanganat, để oxy hóa Mn2+ thành Mn4+.
- Phương pháp sinh học: Cấy 1 loại vi sinh vật có khả năng hấp thụ mangan trong quá trình sinh trưởng lên trên bề mặt 1 lớp vật liệu lọc. Xác vi sinh vật sẽ tạo thành lớp màng oxit mangan trên mặt hạt vật liệu lọc. Lớp màng này có tác dụng xúc tác quá trình khử mangan.
4.4. TỔNG QUAN VỀ CÁC CÔNG TRÌNH XỬ LÝ NƯỚC MẶT:
Căn cứ vào chỉ tiêu chất lượng của từng loại nguồn nước, có thể có biệm pháp xử lý hóa học khác nhau, kết hợp với biệm pháp xử lý cơ học để có thể tạo nên một số dây chuyền công nghệ xử lý nước phù hợp. Thành phần các công trình trong dây chuyền công nghệ xử lý nước lấy theo tiêu chuẩn TCXDVN 33 : 2006
Trong dây chuyền xử lý nước mặt, chủ yếu là các công trình làm trong nước và khử trùng nước. Làm trong nước tức là khử đục và khử màu của nước, được thực hiện trong các bể lắng và bể lọc. Để tăng nhanh và nâng cao hiệu quả làm trong nước, người ta thường cho thêm vào trong nước chất phản ứng (phèn nhôm, phèn sắt). Khi đó dây chuyền công nghệ xử lý nước mặt có thêm các công trình như bể trộn và bể phản ứng.
4.4.1. Công trình thu nước mặt:
a. Trạm bơm và công trình thu nước mặt ven bờ:
Công trình thu nước mặt ven bờ là cửa lấy nước nằm sát bờ sông. Thường sử dụng với bờ sông hoặc bờ hồ tương đối dốc, ven bờ có đủ độ sâu cần thiết để thu nước và chất lượng nước ven bờ tốt.
Công trình thu được xây dựng bằng bêtông cốt thép. Mặt trước được đặt trực tiếp ở lòng sông. Mặt sau nằm trong bờ sông. Mặt bằng của công trình có thể có dạng hình chử nhật, hình tròn, hoặc hình elip tùy theo vị trí đặt công trình thuận tiện cho việc thi công, giữ cho công trình, bờ và lòng sông ổn định, không gây trở ngại đến giao thông đường thủy.
Nước từ sông hoặc hồ được thu qua cửa thu vào ngăn thu. Sau đó qua cửa thông vào ngăn hút. Từ đây nước sẽ được bơm cấp I bơm lên trạm xử lý hoặc cấp thẳng cho đối tượng tiêu dùng.
Công trình thu nước mặt ven bờ được phân làm 2 loại:
Loại phân li: Do điều kiện địa chất nên trạm bơm phải đặt lùi xa vào trong bờ, cách xa công trình thu.
Loại kết hợp: Công trình thu và trạm bơm bố trí kết hợp trong một nhà.
b. Trạm bơm và công trình thu nước mặt xa bờ:
Công trình thu nước mặt xa bờ là ngăn thu, ngăn hút đặt ở bờ sông còn đầu thu nước đặt ở lòng sông. Nước được thu qua họng thu rồi theo ống tự chảy hoặc ống xi phông chảy về ngăn thu.
Tùy thuộc vào cấu tạo địa chất của bờ sông mà công trình thu có thể bố trí kết hợp hoặc phân li so với trạm bơm cấp I.
Họng thu nước là bộ phận đầu tiên của công trình thu nước xa bờ. Nó có nhiệm vụ thu đủ nước yêu cầu với chất lượng đảm bảo để dẫn qua ống tự chảy hoặc ống xi phông về công trình.Ống tự chảy cũng là một bộ phận quan trọng của công trình thu nước mặt xa bờ.
Theo cách dẫn nước về ngăn thu, công trình có thể chia làm 4 loại sau:
Loại dùng ống tự chảy: Loại này được sử dụng khi bờ sông hoặc bờ hồ thoải, độ sâu đặt ống không lớn lắm.
Loại dùng ống xi phông: Được sử dụng khi bờ sông không thoải lắm.
Loại kết hợp thu nước ven bờ và xa bờ: Loại này được ứng dụng với dạng bờ sông tương đối dốc hoặc có thềm.
Loại bơm trực tiếp: Được sử dụng khi lưu lượng của công trình nhỏ, nước sông tương đối trong sạch và ít rác có thể dùng bơm hút trực tiếp nước sông.
4.4.2. Bể trộn:
Sau khi đưa hóa chất vào nước, cần phải hòa trộn đều chất phản ứng với nước.
Quá trình trộn phải được tiến hành rất nhanh chóng trong một khoảng thời gian ngắn trước lúc tạo thành những bông cặn kết tủa. Thời gian đó thường lấy bằng 1 ÷2 phút.
Phương pháp trộn chia làm 2 loại: trộn cơ học và trộn thủy lực Phương pháp trộn cơ học:
Biệm pháp chủ yếu trong trộn cơ học là dùng máy khuấy hoặc có thể thực hiện được nhờ cánh hay bản lá của máy bơm trong trạm bơm cấp I.
Thời gian trộn cơ học lấy từ 30 ÷ 60 giây. Nước và hóa chất đi vào ở phần đáy bể, sau khi hòa trộn được thu lại ở phía trên mặt bể và đưa sang bể phản ứng.
Phương pháp trộn thủy lực:
Phương pháp trộn thủy lực là phương pháp dùng các loại vật cản để tạo ra sự xáo trộn trong dòng chảy hỗn hợp nước và hóa chất để hòa tan chúng với nhau. Trộn thủy lực có thể được thực hiện ngay trên ống đẩy của máy bơm cấp I hoặc trong các bể trộn.
Trộn trong các bể trộn thường được sử dụng chủ yếu là các bể trộn:
- Bể trộn đứng: Sử dụng trong trường hợp có dùng vôi sữa để kiềm hóa nước với công suất bất kì. Nước đưa vào xử lý chảy từ dưới lên trên.
- Bể trộn có tấm chắn khoan lỗ: Thực chất là một cái máng, bên trong có 3 tấm chắn thẳng đứng, trên các tấm chắn có khoan nhiều hàng lỗ. Thường được sử dụng cho những trạm xử lí có công suất vừa và lớn. Nước chuyển động theo chiều ngang từ đầu bể đến cuối bể.
- Bể trộn vách ngăn ngang có cửa thu hẹp: Có cấu tạo như một hình chữ nhật.
Trong máng đặt ba vách ngăn có cửa thu hẹp. Ap dụng thích hợp với công suất vừa và nhỏ. Nước chuyển động xoáy nhờ có cấu tạo các cửa thu hẹp so le.
4.4.3. Bể phản ứng:
Nước và chất phản ứng sau khi đã được hòa trộn đều trong bể trộn sẽ được đưa sang bể phản ứng. Bể phản ứng có chứa năng hoàn thành nốt quá trình keo tụ, tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tiếp xúc và kết dính giữa các hạt keo và cặn bẩn trong nước để tạo nên những bông cặn đủ lớn và được giữ lại trong bể lắng.
Hiện nay có nhiều loại bể phản ứng được sử dụng, thời gian nước lưu lại trong bể kéo dài từ 6 ÷ 40 phút tùy theo từng kiểu bể.
Các loại bể phản ứng hiện nay thường gặp là:
- Bể phản ứng xoáy: Có hai kiểu cấu tạo đó là xoáy hình trụ và xoáy hình phểu.
- Bể phản ứng xoáy hình trụ gồm một ống hình trụ đặt ở tâm bể lắng đứng. Loại bể này thường áp dụng cho trạm xử lý có công suất nhỏ (đến 3000 m3
- Bể phản ứng xoáy hình phễu có dạng như một cái phễu lớn. Nước đi từ phía dưới đáy bể đi lên và phải được tách hết khí hòa tan trong nước tránh hiện tượng bọt khí dâng lên sẽ làm phá vỡ các bông kết tủa vừa tạo thành. Thích hợp với những trạm xử lí có công suất nhỏ và có thể tách riêng hay kết hợp với bể lắng ngang.
/ngđ).
Nước theo đường ống có gắn vòi phun chảy quanh bể tạo thành chuyển động xoáy từ trên xuống.
- Bể phản ứng kiểu vách ngăn thường được kết hợp với bể lắng ngang. Nguyên lý cấu tạo cơ bản của bể là dùng các vách ngăn để tạo ra sự đổi chiều liên tục của dòng nước. Thường được sử dụng cho các trạm xử lí có công suất lớn hơn hoặc bằng 30.000 m3
- Bể phản ứng có lớp cặn lơ lững thường đặt ngay trong đầu của bể lắng ngang.
Chiều rộng của bể bằng chiều rộng của bể lắng ngang. Nước trước khi đưa vào bể phải được đưa qua bộ phận tách khí. Nước từ bể phản ứng có lớp cặn lơ lững sang bể lắng ngang phải chảy qua tường tràn ngăn cách giữa hai bể. Nước chuyển động theo chiều ngang từ đầu bể đến cuối bể. Bể chỉ áp dụng cho nguồn nước có nhiệt độ tương đối ổn định và phải có ống xả kiệt. Thường được sử dụng cho các trạm xử lí có công suất vừa hoặc bằng 36.000 m
/ngđ. Nước chuyển động theo chiều ngang từ đầu bể đến cuối bể.
3
- Bể phản ứng cơ khí: Bộ phận chính của bể phản ứng tạo bông kết tủa cơ khí là các cánh khuấy có dạng bản phẳng đặt đối xứng qua trục quay và có thể đặt theo phương nằm ngang hay thẳng đứng. Nguyên lí làm việc của bể là quá trình tạo bông kết tủa diễn ra nhờ sự xáo trộn của dòng nước trong bể bằng biệm pháp cơ khí. Bể phản ứng tạo bông kết tủa cơ khí được chia thành nhiều ngăn, mỗi ngăn lại chia thành 3 ÷ 4 buồng. Nước từ bể phản ứng được dẫn bằng
/ngđ.