MỤC LỤC 1 bé gi¸o dôc vµ ®µo t¹o trêng ®¹i häc x©y dùng hµ néi CHU THÞ H¶I YÕN Nghiªn cøu xö lý Vµ thu håi níc th¶i röa läc cho c¸c nhµ m¸y xö lý níc ngÇm luËn v¨n th¹c sÜ kü thuËt 2 hµ néi, n¨m 2010[.]
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: các hoạt 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 công suất khác nhau Tuy nhiên, bên cạnh các mục tiêu kinh tế xã hội đạt được, việc xây dựng và vận hành các nhà máy nước có những tồn tại đang được các nhà quản lý, chuyên môn quan tâm Một trong số đó là vấn đề quản lý và kiểm soát lượng 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 cấp nước Tại khu vực Hà Nội cũ có các máy nước ngầm: Nam Dư 60.000 m 3 /ngđ; Cáo Đỉnh 60.000 m 3 /ngđ; Gia Lâm GĐ1 30.000m 3 /ngđ; Yên Phụ 40.000 m 3 /ngđ; Ngọc Hà 30.000 m 3 /ngđ; Mai dịch 30.000 m 3 /ngđ; Pháp Vân 30.000 m 3 /ngđ; Tương Mai 30.000 m 3 /ngđ; Hạ Đình 30.000m 3 /ngđ; Đông Anh 20.000m 3 /ngđ; Đồn Thuỷ 12.000m 3 /ngđ Tại phần lớn các nhà máy nước, nước thải rửa lọc cùng với các loại nước thải từ các công trình khác, không qua xử lý, được xả trực tiếp ra nguồn xả, gây tác động xấu đến môi trường xung quanh Theo các số liệu 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 mặt theo QCVN 24:2009/BTNMT Thêm vào đó, lượng nước thải rửa lọc, nước xả cặn 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 sự gây 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 mùa kiệt, hoặc công trình thu cách xa khu xử lý nước Các nhà máy nước trước đây không 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 mô công trình không hợp lý, chi phí xây dựng và vận hành cao, hiệu quả kinh tế thấp, 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 trình vận hành nhà máy nước Đối với một số nhà máy nước mới được xây dựng hoặc cải 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 vào hoạt 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 khan hiếm, hoặc công trình thu cách xa nhà máy nước xử lý Do đó tiết kiệm được 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.
Mục tiêu của đề tài
Đề xuất được công nghệ xử lý và thu hồi tái sử dụng nước thải rửa lọc các 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 cho nhà máy nước Gia Lâm - Hà Nội.
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 nước thải 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 nước thải rửa lọc.
Phạm vi và phương pháp nghiên cứu
Phạm vi nghiên cứu: nghiên cứu công nghệ xử lý, thu hồi nước thải rửa lọc tại các nhà máy xử lý nước ngầm.
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 kế thừa 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.
TỔNG QUAN VỀ THU HỒI, XỬ LÝ VÀ TÁI SỬ DỤNG NƯỚC THẢI RỬA LỌC
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
1.1.1.1 Công nghệ xử lý nước tại các nhà máy nước ngầm a Nguồn nước ngầm
Nước mưa, nước mặt thẩm thấu vào trong lòng đất tạo thành nước ngầm Nước ngầm được giữ lại hoặc chuyển động trong các lỗ rỗng hay khe nứt của các tầng đất 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 của tầng đất đá phụ thuộc vào độ nứt nẻ Các loại đất sét và hoàng thổ không chứa nước Trong quá trình thấm qua các lớp đất đá, các tạp chất, vi trùng được giữ lại 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 nới khác có hàm lượng sắt, mangan, canxi và magiê lớn hơn tiêu chuẩn cho phép cần xử lý trước khi đưa vào sử dụng Nước ngầm trong các tầng đá vôi nứt nẻ phần lớn có chất lượng tốt Nước ngầm mạch sâu được các lớp bên trên bảo vệ nên ít bị nhiễm bẩn bởi các hợp chất hữu cơ hay vi trùng Nước ngầm cũng vì thế mà có nhiệt độ ổn định (18-27 o C) 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 tiên khi 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 độ sâu lớn so với mặt đất và được bảo vệ bởi các tầng cản nước nên nó ít chịu ảnh hưởng bởi của môi trường bên ngoài Nước ngầm mạch sâu thường có lưu lượng lớn, 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 nước trong các nhà máy nước dựa trên các thành phần, tính chất đặc trưng của nguồn nước.
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 làm cho nước cứng, có tác hại cho người sử dụng như gây lãng phí xà phòng và các chất tẩy rửa, tạo cặn lắng bám trên bề mặt các trang bị sinh hoạt, trong công nghiệp 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 nước chưa đáp ứng được tiêu chuẩn vệ sinh của nước dùng cho ăn uống, sinh hoạt nên phải xử lý trước khi dùng Trên thực tế tại Việt Nam hiện nay, các nhà máy nước ngầm chủ yếu áp dụng các dây chuyền công nghệ nhằm xử lý sắt và mangan. b Quá trình Khử sắt: Để đáp ứng tiêu chuẩn nước sinh hoạt theo QCVN 01:2009/BYT thì nước ngầm phải được khử sắt.
Trong nước ngầm, do ở điều kiện yếm khí, sắt thường gặp ở dạng Sắt hoá trị 2 là thành phần của các muối hoà tan và thông thường là Fe(HCO3)2 Nước ngầm chứa sắt cao có mùi tanh, ban đầu trong suốt, không màu, để lâu trong không khí sẽ chuyển đục, có cặn màu vàng ảnh hưởng đến chất lượng nước cấp cho sinh hoạt và công nghiệp. Để khử sắt 2 hoà tan trong nước ngầm, người ta dựa trên cơ sở chuyển hoá sắt hoá trị 2 hoà tan thành sắt hoá trị 3 không hoà tan và tách chúng ra khỏi nước theo phương trình ôxy hoá khử sau:
Trạm bơm nước sạch và rửa lọc
Nước sạch rửa bể lọc
Tiếp xúc hoặc lắng tiếp xúc
4Fe(OH)3 được hình thành theo phản ứng trên là một chất không tan, có màu vàng và có thể dễ dàng tách chúng ra khỏi nước bằng các quá trình lắng, lọc Để thực hiện phản ứng trên cần một lượng ôxy : 1 mg Fe 3+ 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 Mn rong nước sinh hoạt không vượt quá 0,3mg/l Vì vậy, xử lý loại bỏ Mn ra khỏi nước sinh hoạt cho đạt tiêu chuẩn chất lượng nước là yêu cầu cơ bản đối với các dây chuyền xử lý nước sinh hoạt.
Trong nước ngầm thường gặp mangan ở dạng hoá trị 2 hoà tan Việc loại bỏ mangan 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 khử sau:
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 thực hiện phản ứng trên, cần một lượng ôxy: 1mg Mn 2+ cần 0,29mg O2. Để xử lý sắt và mangan trong nước ngầm, gần như tất cả các nhà máy nước ngầm được xây dựng trước đây đều áp dụng dây chuyền công nghệ xử lý nước truyền thống Khi lựa chọn dây chuyền công nghệ xử lý nước thường dựa trên đặc điểm, tính chất nước nguồn, yêu cầu chất lượng nước sau xử lý Các nhà máy nước ngầm trước đây như NMN Hạ Đình (Hà Nội) - Công suất:25.000m 3 /ngày; NMN Yên phụ (Hà nội) - Công suất: 80.000m 3 /ngày trong thực tế phần nhiều áp dụng dây chuyền xử lý nước nêu trên hình 1-1 sau:
Tiêu thụ Nước thải rửa lọc
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 làm thoáng nhỏ hơn 20 mg/l đáp ứng tiêu chuẩn nước cấp vào bể lọc Còn khi hàm lượng cặn sau làm thoáng lớn hơn 20 mg/l thì cần phải có các công trình lắng tiếp xúc để làm giảm hàm lượng cặn trong nước đảm bảo bể lọc làm việc hiệu quả.
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 về trạm xử lý qua các đường ống truyền tải Nước ngầm có đặc tính là hàm lượng cặn 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 ngầm vẫn 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 ôxy trong nước ngầm để ôxy hoá sắt và mangan hoá trị 2 hoà tan trong nước thành sắt hoá trị 3 và mangan hoá trị 4 không hoà tan theo các phưong trình :
Ngoài ra hệ thống làm thoáng còn có tác dụng loại bớt khí CO2, H2S … có trong nước 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 phun mưa 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 – 10m 3 /m 2 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 thông thường, tức là có thể đạt từ 200 – 250 m 3 /m 2 h. c Bể lắng tiếp xúc:
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 tuân thủ nghiêm ngặt nên hầu hết các nhà máy nước ngay từ khi mới bắt đầu xây dựng 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 được hoạt động với một quy trình nghiêm ngặt, tự động hoá cao và hoàn toàn khép kín, sử dụng các máy móc hiện đại.
Tại Việt Nam, trong giai đoạn trước năm 1985, do điều kiện kinh tế thấp và chủ yếu là do công tác bảo vệ môi trường chưa được quan tâm đúng mức nên các nhà máy nước được xây dựng không có các hạng mục xử lý và thu hồi nước thải rửa lọc.
Bắt đầu từ khi Nhà nước áp dụng chính sách mở cửa thu hút vốn đầu tư nước ngoài, rất nhiều các tổ chức quốc tế, các chính phủ, các tập đoàn kinh tế đa quốc gia đã viện trợ kinh tế, đầu tư xây dựng giúp Việt Nam cải thiện điều kiện vệ sinh môi trường Đã có rất nhiều dự án lớn đầu tư xây dựng hạ tầng cơ sở, cải thiện 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 rửa lọc
STT Nhà máy nước Công suất thiết kế
1 NMN ngầm Nam Dư – Hà Nội 60.000
2 NMN ngầm Cáo Đỉnh – Hà Nội 60.000
3 NMN ngầm Gia lâm - Hà nội 60.000
4 NMN ngầm Pháp vân - Hà nội 30.000
5 NMN ngầm Tương mai - Hà nội 30.000
6 NMN ngầm Mai dịch - Hà nội 30.000
Mặc dù được đầu tư xây dựng hệ thống thu hồi nước thải rửa lọc nhưng hiện nay chỉ có nhà máy nước Nam Dư, Cáo Đỉnh, Gia Lâm là hoạt động có hiệu quả còn hầu hết các nhà máy nước đều không hoạt động hệ thống này nên nước thải rửa lọc vẫn bị xả thẳng vào hệ thống thoát nước chung Nguyên nhân chủ yếu là do các dây chuyền công nghệ xử lý nước thải rửa lọc và các thông số công nghệ được tính toán và đưa ra chưa thật hợp lý đối với thành phần và tính chất 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 được thiết kế như sau:
N ớc sạch rửa bể lọc
Bể điều hoà và trạm bơm n ớc thải
Trạm bơm n ớc sạch và rửa lọc giÕng khoan tháp làm thoáng bể lắng tiÕp xóc bể lọc trọng lực bể chứa nhanh TBII mạng l ới cấp n ớc bÓ ®iÒu hòa rử a l ọ c lắng đứng sân phơi bùn n ớc thu hồi phÌn PACN ch©m clo phÌn n ớ c t h ả i n ớ c x ả b ể l ắ n g
Hình 1-3 Dây chuyền công nghệ xử lý nước thải rửa lọc NMN Nam Dư, NMN KCN điện tử Hanel
Hệ thống xử lý nước rửa lọc của NMN Nam Dư,Cáo Đỉnh, KCN điện tử Hanel hiện nay đang vận hành đạt kết quả rất tốt
Hình 1-4 Dây chuyền xử lý nước thải rửa lọc NMN Mai Dịch, Pháp Vân
N ớc sạch rửa bể lọc
Bể điều hoà và trạm bơm n ớc thải
Bể lắng ngang và trạm bơm n ớc thải
Trạm bơm n ớc sạch và rửa lọc
Hệ thống xử lý và thu hồi nước thải rửa lọc NMN Mai dịch, Pháp vân đã phải dừng hoạt 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 đưa quay trở lại bể lắng tiếp xúc của dây chuyền xử lý nước cấp Kết quả thí nghiệm tại hiện 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 lắng lamella là pH = 7,39; Độ đục = 186,3FTU; hàm lượng cặn = 42,86mg/l, không thể thu 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 dừng hoạt động ngay sau khi xây dựng xong cho đến nay do hiệu quả lắng cặn rất thấp, 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 Hà nội thì cả 3 nhà máy đều không hoạt động hệ thống này là do áp dụng dây chuyền xử lý không hợp lý, dẫn đến hiệu quả xử lý rất thấp, thậm chí gần như không.
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 hàm lượng cặn rất cao vì vậy không đáp ứng yêu cầu xả ra môi trường vì vậy cần phải xử lý và thu hồi Một số nhà máy nước tại Hà nội đã có hệ thống xử lý và thu hồi nước thải rửa lọc nhưng hiệu quả không cao Hiện nay một lượng lớn nước thải rửa lọc không qua xử lý được xả thẳng ra môi trường gây tác động xấu đên môi trường xung quanh Vì vậy nước thải rửa lọc cần được xử lý và thu hồi.
CƠ SỞ LÝ THUYẾT QUÁ TRÌNH KEO TỤ VÀ LẮNG CẶN 22 2.1 Quá trình keo tụ cặn bẩn
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 năng dính kết các chất bẩn nước ở dạng hoà tan lơ lửng thành các bông cặn có khả năng lắng cao hơn
Cặn bẩn trong nước thiên nhiên là các hạt cát, sét, bùn, sinh vật phù du, sản phẩm phân hủy của các chất hữu cơ… Ngoài các hạt cặn lớn có khả năng tự lắng trong 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 vài milimét 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 được các 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 mặt tiếp xúc rất lớn trên một đơn vị diện tích Với bề mặt tiếp xúc lớn, các hạt cặn này có khả năng dễ dàng hấp phụ, kết bám với các chất xung quanh hoặc lẫn nhau để tạo nên các bông cặn có kích thước lớn hơn Mặt khác đa số các hạt cặn này đều mang điện tích và chúng có khả năng liên kết với nhau hoặc đẩy nhau bằng lực tương tác phân tử Trong môi trường nước, do chuyển động nhiệt
Brown, nên các hạt cặn luôn luôn tồn tại ở trạng thái phân tán lơ lửng Bằng việc phá 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 là cho 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 đều mang 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 nhôm mang điện tích dương Khi thế cân bằng điện động của nước bị phá vỡ, các thành 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 yếu nên 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 cao nhưng sản xuất, vận chuyển và định lượng phức tạp nên chưa được sử dụng rộng rãi tại Việt Nam Hiệu quả của quá trình keo tụ phụ thuộc vào điều kiện khuấy trộn (càng nhanh càng đều thì hiệu quả keo tụ càng cao), phụ thuộc vào nhiệt độ nước (nhiệt độ càng cao càng tốt), phụ thuộc vào pH của nước (pH để keo tụ bằng phèn nhôm nằm trong khoảng từ 5,7 – 6,8) phụ thuộc vào độ kiềm của nước cần xử lý.
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 các ion ngược dấu Khi nồng độ của các ion ngược dấu tăng lên thì càng nhiều ion được chuyển từ lớp khuếch tán vào lớp điện tích kép, dẫn tới việc giảm độ lớn của , đồng thời lực đẩy tĩnh điện cũng giảm đi Nhờ chuyển động Brown, các hạt keo với điện tích bé khi va chạm dễ kết dính bằng lực hút phân tử, tạo thành các bông cặn ngày càng lớn Khi kích thước của bông cặn đạt đến 1m thì chuyển động Brown hết tác dụng, nếu muốn cho các bông cặn có kích thước lớn hơn nữa cần phải có tác động phụ để đẩy các hạt cặn xích lại gần nhau Quá trình 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 trị càng 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 vào nước phải rất chính xác Nếu nồng độ các chất điện ly trong nước vượt quá mức cần 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 điện cao lại phải pha thêm axit để giảm độ pH Do vây, phương pháp keo tụ bằng chất điện ly không được áp dụng trong thực tế xử lý nước.
2.1.2.2 Keo tụ bằng hệ keo ngược dấu
Quá trình keo tụ được thực hiện bằng cách tạo ra trong nước một hệ keo mới tích điện ngược dấu vơí hệ keo cặn bẩn trong nước và các hạt keo tích điện trái dấu 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 các loại keo bẩn mang điện tích âm.
Quá trình keo tụ nước bằng phèn nhôm và phèn sắt xảy ra như sau: Khi cho phèn 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 đổi ion với các cation nằm trong lớp điện tích kép của hạt keo tự nhiên mang điện tích âm, làm giảm thế điện động , giúp cho các hạt keo dễ dàng liên kết với nhau 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:
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 các bông cặn Đồng thời các phân tử Al(OH)3 và Fe(OH)3 kết hợp với các anion có trong nước và tạo ra các bông cặn có hoạt tính bề mặt cao Các bông cặn này khi lắng sẽ hấp phụ, cuốn theo các hạt keo cặn bẩn, các hợp chất hữu cơ, các chất mùi vị tồn tại ở trạng thái hoà tan hoặc lơ lửng trong nước Như vậy, theo bản chất có ba loại bông cặn sinh ra trong quá trình keo tụ Loại thứ nhất là tổ hợp các hạt keo tự nhiên bị phá vỡ thế điện động , vì điều kiện keo tụ của các hạt keo tự nhiên khác nhau nên loại bông cặn này chiếm số ít Loại thứ hai gồm các hạt keo mang điện tích trái dấu nên trung hoà về mặt điện tích, không có khả năng kết dính và hấp phụ trong quá trình lắng tiếp theo, vì vậy số lượng cũng không đáng kể Loại thứ ba được hình thành từ các hạt keo do thuỷ phân chất keo tụ với các anion có trong nước nên các bông cặn có hoạt tính bề mặt cao, có khả năng hấp phụ các chất bẩn trong khi lắng tạo thành các bông cặn ngày càng lớn Trong xử lý nước bằng keo tụ, loại bông cặn thứ ba này chiếm đa số và có tính quyết định đến hiệu quả keo tụ, nêncác điều kiện ảnh hưởng đến sự hình thành 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 trình thuỷ phân các chất keo tụ là yếu tố quyết định hiệu quả keo tụ Theo phương trình trên, phản ứng thuỷ phân giải phóng ion H + làm cho nồng độ ion H + tự do trong nước tăng lên, đồng thời làm giảm độ pH của nước, đẩy hệ keo mới hình thành 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 tự nhiên của nước, khi độ kiềm tự nhiên không đủ để trung hoà H + , pha thêm vôi hoặc sôđa vào nước để kiểm hoá do phản ứng kiềm hoá có thể tạo ra CO2 hoà tan nên khi dùng phèn kết hợp với các chất kiềm hoá, cần phải xác định bằng thực 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 hiệu quả kết dính tăng lên Thực tế cho thấy khi nhiệt độ của nước tăng, lượng phèn cần 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 lên những hiệu quả keo tụ lại phụ thuộc vào tính chất của cặn tự nhiên như kích thước, diện tích và mức độ phân tán Do các yếu tố ảnh hưởng trên, việc tìm kiếm một công thức tính toán chung nhằm xác định chính xác lượng phèn cần thiết để keo tụ các loại nước khác nhau không thực hiện được Quá trình tạo keo của phèn nhôm và phèn sắt có thể biểu diễn bằng các phương trình tổng quát sau:
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 cụ thể bằng thực nghiệm
Khi độ kiềm của nước không đủ để kiềm hoá quá trình keo tụ, cần pha thêm vôi hoặc sôđa để đảm bảo độ pH của nước luôn ở trong khoảng có lợi cho quá trình thủy phân phèn Lượng chất kiềm hoá tính theo công thức:
DK - Lượng chất kiềm hoá tính theo sản phẩm kỹ thuật (mg/l)
a - Lượng phèn sử dụng để keo tụ (mg/l)
e1, e2 - Trọng lượng đương lượng của chất kiềm hoá và của phèn
Kt - Độ kiềm nhỏ nhất của nước (mgđl/l)
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 tự nhiên 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 như polyacrilat, 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 được dùng làm chất keo tụ thay phèn Khác với phương pháp keo tụ bằng chất điện ly hoặc 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 bẩn trong nước dưới dạng liên kết chuỗi Kiểu liên kết này rất thuận lợi cho quá trình hình thành và lắng các bông cặn Tuy nhiên do nhiều điều kiện hạn chế như axit silic hoạt hoá không thể bảo quản được quá 24 giờ sau khi sản xuất, hoặc các hợp chất cao phân tử hữu cơ đòi hỏi công nghệ sản xuất cao nên biện pháp này ít được áp dụng trong kỹ thuật xử lý nước ở nước ta hiện nay.
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 bổ sung các iôn trái dấu vào nước/ nước thải với nồng độ cao, các iôn sẽ chuyển dịch đến lớp khuếch tán vào lớp điện tích kép và tăng điện tích trong lớp điện tích 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 tích tạo ra điểm đẳng điện Zêta bằng 0 Trong trường hợp này quá trình hấp phụ chiếm 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 vào dung dịch sẽ tạo thành Al(OH)3 và Fe(OH)3 và lắng xuống Trong quá trình lắng chúng kéo theo các bông keo, các cặn bẩn hữu cơ và vô cơ, các hạt keo khác cùng lắng Cơ chế này được gọi là cơ chế cùng lắng Quá trình này không phụ thuộc vào quá trình keo tụ tạo bông và không xảy ra hiện tượng tái ổn định hạt keo như trên.
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 đoạn sau:
Pha trộn các chất keo tụ với nước
Thuỷ phân phèn đồng thời phá vỡ độ bền vững của hệ keo tự nhiên.
Về thực chất ba giai đoạn này xảy ra liên tục và gần như đồng thời Với các phương pháp keo tụ khác nhau, sự khác biệt có tính chất đặc trưng chủ yếu là ở hai giai đoạn đầu của quá trình keo tụ Khi cho hoá chất vào nước, quá trình thuỷ phân, hấp thụ và trao đổi ion của lớp điện tích kép diễn ra rất nhanh chóng (gần như 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 độ phản ứng nhanh, nên quá trình hoà trộn phải được thực hiện rất nhanh với hiệu quả 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 liên kết các sản phẩm thuỷ phân kéo dài 10-3-10-2s, và thời gian hấp thụ trao đổi ion với các hạt keo tự nhiên mất khoảng 10-4s Sau đó bắt đầu quá trình hình thành các bông cặn, hiệu quả của giai đoạn này phụ thuộc chủ yếu vào số lượng va chạm 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 lên cho đến khi chúng không còn tham gia vào quá trình chuyển động nhiệt Đến đây muốn cho hiệu quả keo tụ cao hơn nữa cần tạo điều kiện cho các bông cặn tiếp tục chuyển động và va chạm nhau Như vậy giai đoạn hình thành các bông cặn là khâu cuối cùng có tính chất quyết định đến hiệu quả của toàn bộ các quá trình keo tụ bẩn.
Thực nghiệm đã chứng minh rằng, để tạo ra bông cặn có kích thước lớn và có khả năng lắng cao thì quá trình keo tụ bằng khuấy trộn dòng nước có tác động lớn hơn rất nhiều lần quá trình keo tụ do chuyển động nhiệt và vì thế nó đóng vai 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 đặc điểm sau :
Các hạt cặn bẩn và các hạt keo tạo ra do thuỷ phân phèn cùng tham gia vào quá trình keo tụ
Tốc độ tạo ra bông cặn là hàm số của tốc độ phản ứng hoá học và cường độ khuấy trộn.
Kích thước của bông cặn được tạo thành lớn hơn hàng nghìn lần so với hạt cặn tự nhiên.
Bông cặn tạo ra do quá trình keo tụ có các tính chất vật lý và kích thước hình học khác xa bông cạn lý tưởng mà ta xét ở trên
Vì vậy, muốn thu được các số liệu đúng đắn để thiết kế và quản lý các công trình keo tụ nước phải xét đến toàn bộ các yếu tố trên.
Dựa vào các phương pháp toán học, rút ra được công thức:
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 quá trình keo tụ được đặc trưng bằng chuẩn số không thức nguyên Gt (chuẩn số Camp) Một số tác giả nghiên cứu khác đề nghị dùng giá trị C0Gt làm chuẩn số đánh giá hiệu quả của quá trình keo tụ, vì trong thực tế xử lý nước, chuẩn số Gt dao động trong một khoảng rất lớn đối với các nguồn nước khác nhau nên không thể có một giá trị Gt cho mọi trường hợp.
Trong thực tế, việc xác định hiệu quả va chạm o trong phương trình là không thực hiện được Đồng thời không thể căn cứ vào giá trị của nó để tìm ra giá trị tối ưu của các thông số keo tụ như độ pH, độ kiềm, nhiệt độ, thành phần ion của nước v.v Còn ảnh hưởng của nồng độ cặn n1, liều lượng phèn sử dụng a đặc trưng bằng nồng độ thể tích của bông cặn Co cũng không xác định trực tiếp được Theo (2.1) hiệu quả của quá trình keo tụ tăng tỷ lệ thuận với cường độ khuấy trộn G và thời gian khuấy trộn t Nhưng (2.1) không cho phép xác định được 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 chạm giữa các hạt không đủ để keo tụ hoàn toàn cặn Ngược lại nếu cường độ khuấy trộn 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 dính kết với nhau, nếu lớn hơn quá sẽ gây ra sự lặp đi lặp lại các va chạm giữa bông cặn và hạt cặn, làm độ hoạt tính bề mặt của bông cặn giảm đi và hiệu quả dính kết giảm.
Sau khi phân tích, đánh giá nhiều mô hình toán học thể hiện quá trình keo tụ theo nhiều chuyên gia khác nhau, tác giả đi đến kết luận : Để tính toán hiệu quả của quá trình keo tụ một cách chính xác và tin cậy, từ đó tìm ra giá trị tối ưu của các thông số điều khiển, cần phải nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của tổ hợp các yếu tố có tính chất quyết định đến hiệu qủa keo tụ, cụ thể phải tìm được sự phụ thuộc của hàm số
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)
[2-16] Ở đây m là hàm lượng cặn còn lại trong nước sau khi keo tụ và để lắng tĩnh trong một thời gian nào đó (mg/l).
Quan hệ của hàm số Y = f(M o , a, T o , pH, K i , G, t ) có thể xác định bằng thực nghiệm cho mỗi nguồn nước và loại phèn sử dụng để keo tụ Quá trình thực nghiệm phải được tiến hành cụ thể trên các công trình xử lý hiện có hoặc trên mô hình xây dựng theo nguyên lý đồng dạng Bằng phương pháp quy hoạch thực nghiệm theo xác xuất tối ưu tìm ra phương trình hồi quy của hàm số Y ở dạng đa thức bậc 2 Đưa vào phương trình các giá trị của thông số bất biến như Mo vàTo, xác định 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 các giá 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 tác thiết kế và quản lý các hệ thống keo tụ cặn bẩn bằng phèn.
Keo tụ tiếp xúc
Lợi dụng khả năng kết bám của các hạt cặn lên bề mặt của các vật liệu lọc như cát v.v các nhà khoa học Liên xô đã đưa ra phương pháp lọc tiếp xúc dựa trên nguyên 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 các hạt vật liệu lọc, dưới tác động của lực hút phân tử, các hạt này kết bám lên bề mặt vật liệu và dính kết lẫn nhau Quá trình hình thành bông cặn trong môi trường tiếp xúc diễn ra với tốc độ nhanh và hiệu quả hơn sự tạo thành bông cặn trong môi trường chất lỏng Vì cường độ va chạm giữa các hạt cặn với các hạt vật liệu lọc có kích thước lớn cao hơn nhiều so với cường độ va chạm dính kết giữa các hạt cặn bé với nhau Ngoài ra các hạt cặn bé tuy còn tích điện nhưng dễ dàng dính kết với các hạt lớn không mang điện của lớp vật liệu lọc do lực hút phân tử Thực tế cho thấy ngay cả khi nồng độ các hạt còn chưa đủ để tạo ra điều kiện keo tụ trong môi trường nước, nhưng trong môi trường tiếp xúc quá trình keo tụ đã xảy ra.
Quy trình keo tụ tiếp xúc hiệu quả nhất xảy ra ngay sau khi pha chất keo tụ vào nước 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 đó khi đến một liều lượng nhất định, bắt đầu ngưỡng keo tụ, độ đục và độ màu của nước 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 hơn lượng 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 áp dụng là:
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 cách phù hợp thì phải tiến hành thí nghiệm rồi mới đưa ra kết luận cụ thể.
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 với thời gian tương đối lớn Dưới tác dụng của trọng trường, những hạt cặn có tỷ trọng 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 đáp ứng được mọi yêu cầu, nhưng nếu hàm lượng của các hạt cặn có kích thước như những 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 hạt cặn rơi xuống theo phương thẳng đứng Tốc độ rơi của hạt phụ thuộc vào kích thước, hình dạng, tỷ trọng của hạt, đồng thời phụ thuộc vào các yếu tố môi trường như lực đẩy nổi, lực cản của nước Ngoài ra, trong quá trình rơi, các hạt cặn do có tốc độ rơi khác nhau nên lại tác động lẫn nhau bằng cách cuốn theo hoặc 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 không thay đổi hình dáng và kích thước, không tham gia vào sự tương tác với các hạt cặn 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 chuyển động với tốc độ u (mm/s) theo phương thẳng đứng
Các lực tác động lên chuyển động của hạt bao gồm:
Lực cản của môi trường nước:
m : khối lượng riêng của hạt
a : gia tốc rơi của hạt
ρ1, ρ0 : tỷ trọng của cặn và của nước
ϕ : hệ số sức cản cử nước
Theo định luật Newton, có thể viết cân bằng lực lên hạt cặn
Từ phương trình cho thấy với 1 hạt cặn có kích thước xác định, tốc độ rơi của hạt sẽ biến đổi theo thời gian tính từ thời điểm hạt bắt đầu rơi Bằng thực nghiệm, nhiều tác giả xác định được rằng, khi hạt bắt đầu rơi, hạt cặn có tốc độtăng dần cho đến lúc đạt tốc độ ổn định Khoảng thời gian tăng tốc đó rất ngắn (0,2 - 0,5s) và được coi như không đáng kể so với tổng thời gian lắng kéo dài
(30 phút - vài giờ) Do vậy có thể coi chuyển động đều có tốc độ không đổi và biểu thị bằng phương trình:
Hệ số sức cản của nước ϕ 0 trong trường hợp này là hệ số Reynol trong trường lắng
Hệ số Reynol được xác định theo công thức:
à : độ nhớt động học của nước
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 với phương 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:
Khi Re > 2000 dòng chảy ngược của nước là dòng chảy rối hoàn toàn So với lực đẩy của dòng nước, lực nhớt có giá trị không đáng kể và không ảnh hưởng đến sự chuyển động của hạt cặn Giá trị ϕ0 không phụ thuộc vào Re mà là 1 hằng số.
Thay các giá trị của hệ số sức cản ϕ0 và hệ số Re vào (3.5) ta có:
Tốc độ lắng của hạt phụ thuộc vào hình dạng, khối lượng, thể tích, các yếu tố vật lý của nước nhưđộ nhớt, nhiệt độ Do đó việc xác định tốc độ rơi của hạt cặn bẩn trông nước thiên nhiên bằng phương pháp lý thuyết khó có thể thực hiện. Trong thực tế áp dụng phương pháp xác định tốc độ lắng đặc trưng bằng thực nghiệm.
2.2.1.2 Lắng trong môi trường động
Trong kỹ thuật xử lý nước hiện nay các bể lắng tĩnh không còn được áp dụng mà phổ biến rộng rãi phương pháp lắng trong dòng chảy liên tục Theo phương chuyển động của dòng nước quá trình lắng được phân thành lắng đứng và lắng ngang Theo chếđộ thủy lực, quá trình lắng lại có thể xảy ra trong dòng chảy a Lắng đứng:
Trong bể lắng đứng nước chuyển động tự do theo phương chuyển động từ dưới lên, ngược chiều với hướng rơi của hạt cặn Ở điều kiện dòng chảy tầng lý tưởng, nếu gọi tốc độ dòng nước là u0, ta thấy chỉ có các hạt cặn có tốc độ u > u0 mới lắng xuống được đáy bể Các hạt tốc độ rơi u
< u0 chỉ lơ lửng hoặc bị cuốn theo dòng nước lên phía trên được thể hiện trên hình 2-2
Hình 2-7 Chuyển động của cặn ở bể lắng đứng trong môi trường động
Khi nước xử lý chỉ chứa các hạt cặn tự do, hiệu quả lắng sẽ có giá trị đúng bằng tỷ lệ lượng cặn có tốc độ lắng cao hơn tốc độ dòng nước so với hàm lượng cặn của nước Tốc độ dòng nước tính theo công thức:
Q: lưu lượng nước xử lý (m3
F: diện tích mặt bằng bể lắng (m2)
T0 : thời gian nước lưu trong bể lắng, tính bằng thời gian nước từ đáy lên mặt bể (s)
Hình 2-8 Cấu tạo của bể lắng đứng
Bể lắng đứng thường có mặt bằng hình vuông hoặc hình tròn và được sử dụng với công suất làm việc nhỏ (thường tới 3000 m 3 /ngđ) Bể lắng đứng thường được bố trí kết hợp với bể phản ứng xoáy hình trụ Bể có thể xây bằng gạch hoặc bê tông cốt thép ống trung tâm có thể là thép cuốn hàn điện hay bê tông cốt thép Nguyên tắc làm việc của bể lắng đứng như sau : Đầu tiên nước chảy vào ống trung tâm ở giữa bể, rồi đi xuống dưới qua bộ phận hãm làm triệt tiêu chuyển động xoáy rồi vào bể lắng Trong bể lắng đứng, nước chuyển động theo chiều đứng từ dưới lên trên, cặn từ trên xuống đáy bể Nước đã lắng trong được thu vào máng vòng bố trí xung quanh thành bể và được đưa sang bể lọc.
Theo chức năng làm việc, bể chia làm hai vùng: vùng lắng có dạng hình trụ hoặc hình hộp ở phía trên và vùng chứa nén cặn có dạng hình nón hoặc hình chóp ở phía dưới Cặn tích luỹ ở vùng chứa nén cặn được thải ra ngoài theo chu kì bằng ống và van xả cặn
Trường hợp nước chứa cặn kết dính (cặn tự nhiên hoặc do keo tụ) hiệu quả lắng đạt trị số cao hơn Ban đầu các hạt cặn có tốc độ rơi nhỏ hơn tốc độ dòng nước sẽ bị đẩy dần lên, trong quá trình đi lên các hạt cặn kết dính với nhau và tăng dần kích thước cho đến khi tốc độ lắng lớn hơn tốc độ nước và rơi xuống
Như vậy khi lắng keo tụ bằng bể lắng đứng, hiệu quả lắng không chỉ phụ thuộc vào diện tích bể mà còn phụ thuộc chiều cao lắng Chiều cao lắng thường được xác định bằng thực nghiệm theo hiệu quả lắng yêu cầu b Lắng ngang
Thông thường bể lắng ngang ít được áp dụng trong quy trình xử lý nước thải rửa lọc Nó chỉ được áp dụng khi lưu lượng nước thải rửa lọc lớn Q > 5000 m 3 /ngđ. Mục đích chính là sơ lắng và điều hoà lưu lượng nước thải rửa lọc đưa tới các công trình xử lý tiếp theo.
Trong bể lắng ngang, hiệu quả lắng với dòng nước chuyển động theo phương ngang đạt cao hơn Tại đây, một phần các hạt cặn lắng có tốc độ lắng u < u0 = H/
Quá trình làm khô bùn
2.3.1 Đặc điểm của bùn cặn nước thải rửa lọc
Tính chất đặc trưng của bùn khi xử lý nước sinh hoạt bằng công nghệ truyền thống thường có: BOD là 30 ÷ 300 mg/l, COD là 30 ÷ 5000 mg/l, pH = 6-8; tổng chất rắn 0,1 ÷ 4%, bùn cặn có tỷ trọng từ 1,012 -1,04 tấn/m3; bùn cặn thô thường có độ ẩm lớn (>97%) [8, tr496].
Bùn có độ ẩm lớn gây bất lợi cho quá trình lưu trữ cũng như xử lý bùn Vì vậy bùn cần phải tách nước trước khi thải bỏ nhằm giảm độ ẩm của bùn cặn, giảm thể tích từ đó giúp cho việc xử lý, lưu trữ, vận chuyển cũng như thải bỏ sẽ dễ dàng hơn.
2.3.2 Phương pháp làm khô tự nhiên (sân phơi bùn)
Sân phơi bùn có chức năng làm mất nước bùn cặn (giảm độ ẩm bùn cặn chín từ
97 ÷ 98% xuống còn 80%) trong điều kiện tự nhiên Nước tách khỏi cặn bằng cách nén, bay hơi, thấm xuống đất,…
Hình 2-10 Sân phơi bùn Hiện nay người ta phơi bùn trong các loại sân phơi
Sân phơi bùn nền đất tự nhiên khi đất là cát, á cát và mực nước ngầm trên 1,5 m;
Sân phơi bùn nền nhân tạo, kết hợp lắng và rút nước bề mặt, khi đất chắc, ít thấm nước;
Sân phơi và nén bùn.
Sân phơi bùn cần được cấu tạo từ trên xuống là lớp vật liệu lọc và hệ thống thu gom nước thải Diện tích sân phơi phải đủ lớn để tạo điều kiện bốc hơi nước. Sân phơi cần cấu tạo theo nhiều ngăn, để duy trì các hoạt động đổ bùn ướt, phơi khô, lấy bùn khô cùng một thời điểm Các ngăn chứa bùn trong sân phơi bùn tiếp nhận bùn luân chuyển theo chu kỳ Sau một thời gian khi lượng bùn tiếp nhận rút nước và bốc hơi khô đi Sau phơi thể tich bùn giảm 2,5 – 3 lần.
Đơn giản trong thiết kế, xây dựng,
Chi phí đầu tư ở mức vừa phải, có thể tận dụng các ao hồ sẵn có.
Chịu ảnh hưởng của thời tiết,
Hiệu quả không cao, tốn nhiều diện tích.
2.3.3 Làm khô bùn cặn bằng phương pháp cơ học Đốivới các trạm không đủ diện tích đất xây dựng sân phơi bùn, những vùng khí hậu mưa nhiều người ta thường làm khô chúng bằng các thiết bị cơ khí Các loại thiết bị này là:
Máy lọc chân không có khả năng giảm độ ẩm đến 75% ÷ 80%;
Máy ép lọc băng tải giảm độ ẩm đến
Máy quay ly tâm giảm độ ẩm đến 65% ÷ 75%;
Máy xung lọc giảm độ ẩm đến 82% ÷ 94%.
Thiết bị ép bùn băng tải
Hình 2-11 Dây chuyền ép bùn băng tải
Nguyên tắc hoạt động: Bùn và polyme được bơm lên buồng trộn, bên trong buồng trộn bùn sẽ được trộn với polyme, sau khi bùn kết thành khối trên máy ép đai nước sẽ được tách ra, bùn sau khi qua băng tải được xả vào thù chứa bùn.
Hiệu suất cao, khối lượng cặn giảm 12,5 lần
Dùng cho nhiều công suất
Bố trí công trình nhỏ gọn, tốn ít diện tích.
Chi phí đầu tư lớn
Chi phí vận hành cao (chi phí điện, hóa chất).
2.3.4 Làm khô bùn cặn bằng nhiệt
Nguyên tắc hoạt động: Quá trình sấy là quá trình sử dụng năng lượng nhiệt chuyển tới khối bùn để làm bay hơi nước.
Hiệu suất rất cao, khối lượng cặn giảm 60 lần.
Dùng cho công suất suất nhỏ.
Sử dụng rất hạn chế chỉ áp dụng cho hàm lượng cặn nhỏ.
Tiêu tốn nhiệt lượng lớn.
Kết luận chương 2
Như vậy do tính chất của nước thải rửa lọc nên trong quá trình xử lý cần phải xử lý bằng phương pháp keo tụ tạo bông cặn để tăng hiệu quả lắng Quá trình lắng có thể loại bỏ một lượng lớn các chất bẩn trong nước thỉ rửa lọc Quá rình lắng có thể sử dụng nhiều loại bể lắng khác nhau, tùy thuộc vào tính chất và yêu cầu của từng trạm xử lý.
Bùn cặn có độ ẩm lớn (>97%) do đó cần tách nước ra khỏi bùn để giảm thể tích bùn bằng phương pháp tự nhiên hoặc cưỡng bức có thể sử dụng sân phơi bùn,thiết bị ép bùn bằng băng tải…
ĐỀ XUẤT CÔNG NGHỆ XỬ LÝ, THU HỒI và TÁI SỬ DỤNG NƯỚC THẢI RỬA LỌC
Đề xuất một số dây chuyền công nghệ xử lý nước thải rửa lọc
3.1.1 Dây chuyền công nghệ cho các nhà máy có diện tích đất nhỏ
3.1.1.1 Dây chuyền công nghệ n ớc thô đầu vào bể trộn bể phản ứng bể lắng bể lọc nhanh bể điều hòa làm khô bùn n ớ c t h ả i rử a l ọ c n ớc xả rửa bể lắng n ớc thu hồi n ớc bề mặt bể chứa trạm bơm cấp 2 khử trùng cấp n ớc vào mạng bể lắng bùn bùn khô bể điều hòa x ả t rà n xả n ớc lọc đầu ra hệ thống thoát n ớc ch©m phÌn đứng bằng băng tải
Hình 3-12 Sơ đồ đề xuất dây chuyền công nghệ 1
3.1.1.2 Mô tả quy trình hoạt động
Nước thải rửa lọc và nước xả rửa bể lắng được tập trung về bể điều hoà Từ bể điều hoà chúng được bơm lên các bể lắng bùn đứng và được châm phèn và các hoá chất keo tụ, trợ lắng Nước sau quá trình lắng được bơm trở lại dây chuyền xử lý chính hoặc xả ra hệ thống thoát nước Với mỗi nhà máy có đặc điểm nước thô và hiệu suất các công trình khác nhau nên vị trí nước thu hồi quay trở lại dây chuyền chính cũng khác nhau.
Bùn từ các bể lắng bùn đứng sẽ được đưa về dây chuyền ép bùn băng tải Nước được tách ra từ quá trình làm khô bùn có thể được đưa về bể điều hoà để cùng bơm chung về dây chuyền xử lý chính hoặc xả vào hệ thống thoát nước
Xây dựng thêm một bể điều hoà để lưu nước xả lọc đầu và xả tràn bể chứa Sau đó sử dụng bơm trực tiếp bơm về đầu bể lọc trong dây chuyền xử lý chính Việc xây dựng nhiều bể điều hoà có thể làm tăng chi phí xây dựng và chi phí quản lý nhưng đảm bảo cho hệ thống làm việc ổn định hơn, giảm khối tích các công trình, chia nhỏ lưu lượng đưa về các công trình trong dây chuyền xử lý chính. Các bơm kỹ thuật đặt tại các bể điều hoà nên sử dụng các loại bơm nước thải chìm Số lượng bơm và công suất bơm có thể tính toán tuỳ theo công suất xử lý của từng nhà máy Tối đa hoá khả năng tự chảy trong dây chuyền xử lý.
Dây chuyền công nghệ có thể áp dụng đối với những nhà máy có công suất lớn
Nhà máy có diện tích mặt bằng hạn chế;
Nhà máy có trữ lượng nước ngầm ít, thiếu nguồn bổ cập, công trình thu cchs xa nhà máy.
3.1.2 Dây chuyền công nghệ cho các nhà máy có diện tích dất lớn
3.1.2.1 Dây chuyền công nghệ n ớc thô đầu vào bể trộn phản ứng bể lắng bể điều hòa bể lọc nhanh làm khô bùn n ớc thu hồi n ớc bề mặt bể chứa trạm bơm cấp 2 khử trùng cấp vào mạng bể lắng bùn bùn khô ch©m phÌn bể điều hòa x ả t rà n xả n ớc lọc đầu ra hệ thống thoát n ớc bÓ bể điều hòa ly t©m bằng sân phơi bùn n ớ c t h ả i rử a l ọ c n ớ c x ả r ử a b ể l ắ n g
Hình 3-13 Sơ đồ đề xuất dây chuyền công nghệ 2
3.1.2.2 Mô tả quy trình hoạt động
Nước thải rửa lọc và nước xả rửa bể lắng được tập trung thu gom lại và đưa về hai bể điều hoà khác nhau Từ bể điều hoà chúng được bơm lên các bể lắng bùn ly tâm và được châm phèn và các hoá chất keo tụ, trợ lắng Nước sau quá trình lắng được bơm trở lại dây chuyền xử lý chính hoặc xả ra hệ thống thoát nước. Với mỗi nhà máy có đặc điểm nước thô và hiệu suất các công trình khác nhau nên vị trí nước thu hồi quay trở lại dây chuyền chính cũng khác nhau.
Bùn từ các bể lắng bùn đứng sẽ được đưa về dây chuyền ép bùn băng tải Nước được tách ra từ quá trình làm khô bùn có thể được đưa về bể điều hoà để cùng bơm chung về dây chuyền xử lý chính hoặc xả vào hệ thống thoát nước
Nước xả lọc đầu và xả tràn bể chứa có thể tập trung về một bể điều hòa nhỏ hơn sau đó bơm trực tiếp về đầu bể lọc Lượng nước xả lọc đầu này tương đối lớn và có chất lượng tốt không nên đưa xuống bể điều hòa nước thải rửa lọc để rồi bị nhiễm bẩn, bị hòa trộn và lại qua thêm rất nhiều công trình xử lý.
Bùn cặn sau khi làm khô được vận chuyển đem đi chôn lấp hoặc tái sử dụng
Dây chuyền công nghệ có thể áp dụng đối với những nhà máy có công suất lớn
Nhà máy có diện tích mặt bằng hạn chế;
Nhà máy có trữ lượng nước ngầm ít, thiếu nguồn bổ cập, công trình thu cchs xa nhà máy.
Các công trình chính trong dây chuyền
3.2.1 Bể chứa điều hòa nước thải
3.2.1.1 Bể điều hòa nước thải rửa lọc
Bể chứa và điều hòa nước thải rửa lọc: từ đây, nước thải rửa lọc sẽ được tập trung từ hệ thống thu gom để sau đó phân phối đều đến các đơn nguyên bể lắng.Ngoài ra còn có nhiệm vụ điều hòa để ổn định lưu lượng (một phần là chất lượng) nước vào bể lắng Do vậy bể dung tích bể phải được tính toán trong các trường hợp khác nhau, sau đó lựa chọn ra diện tích nhỏ nhất chấp nhận được để giảm tối đa chi phí xây dựng Cấu tạo bể phải tính toán để nước thải không lắng cặn trong bể Trường hợp này có thể sử dụng máy bơm tuần hoàn nước trong bể.
Hình 3-14 Sơ đồ đề xuất dây chuyền công nghệ 2
1.Ống xả nước rửa lọc vào bể; 1 ống tràn; 3 Máy bơm chìm thoát nước; 4. ống dẫn nước lên bể trôn.
Bể điều hoà lưu lượng (Hình 3-3) thường có cấu tạo dạng tròn, ống dẫn nước rửa vào có miệng xả song song với chu vi bể, kh nước vào tạo thành chuyển động xoay, xói và hoà cặn vào hố thu của bơm.
Dung tích bể được tính toán đảm bảo lưu hết toàn bộ lưu lượng nước thải rửa lọc hình thành trong quá trình rửa Thông thường thời gian này lấy bằng thời gian giữa hai lần rửa bể kế tiếp nhau trong một ngày Phụ thuộc vào số bể lọc và tần suất rửa bể trong nhà máy.
3.2.2 Trạm bơm và máy bơm nước thải
Trạm bơm và máy bơm nước thải: lưu lượng, áp lực và số lượng máy bơm phải được lựa chọn để có thể sử dụng tất cả các máy bơm lắp đặt trong trường hợp công suất thiết kế tối đa Khi công suất thấp hơn công suất thiết kế tối đa, các bơm sẽ làm việc luân phiên Phải tính đến trường hợp trạm bơm không hoạt động nhưng nước có thể tự chảy đến công trình tiếp sau, thường xảy ra đối với nhà máy có quy mô công suất lớn. Để nâng cao hiệu suất các trạm bơm sẽ được xây dựng hợp khối với các cụm bể. Công suất bơm sẽ được tính toán phù hợp với thời gian lưu nước trong bể nén bùn đảm bảo hệ thống làm việc điều hòa
Bể lắng: các công đoạn trộn, phản ứng lắng thường được kết hợp tại công trình này Tuy nhiên bể cần cấu tạo để có thể đưa nước đến thẳng công đoạn lắng bỏ qua trộn, phản ứng khi cần Nếu cần thiết và có điều kiện thuận lợi, bể lắng nên đặt tại vị trí đủ cao, để nước và bùn có thể tự chảy đến các công trình tiếp theo. Trong vận hành, cần định kỳ kiểm tra chất lượng nước sau lắng để có thể điều chỉnh các thông số kỹ thuật của bể Các bộ phận xả tràn, xả kiệt, lấy nước mẫu, cần được lắp đặt
Tùy vào công suất xử lý có thể lựa chọn các bể nén bùn đứng hoặc bể nén bùn li tâm Khi công suất xử lý nước thải nhỏ hơn 3000 m3/ngd ta nên sử dụng các loại bể nén bùn đứng Khi công suất xử lý lớn hơn ta sẽ sử dụng các công trình nén bùn bằng li tâm nhằm tiết kiệm diện tích và nâng cao hiệu suất xử lý.
3.2.2.1 Thông số tính toán bể lắng bùn đứng
Tính toán bể lắng bùn đứng :
Diện tích tiết diện ngang của vùng lắng được xác định theo công thức :
Q : lưu lượng nước thải tính toán
vtt : Tốc độ tính toán dòng nước đi lên Chọn vtt < 0,6 với 0,6 là giá trị tốc độ rơi của cặn xác định theo thực nghiệm với nước thải có hàm lượng cặn từ
: Hệ số kể đến việc sử dụng dung tích bể lấy trong giới hạn từ 1,3 – 1,5. Giới hạn dưới lấy khi tỉ số giữa đường kính và chiều cao bể bằng 1 ( = 1,3 khi tỉ số D/H = 1); còn giới hạn trên lấy khi tỉ số này bằng 1,5 ( = 1,5 khi tỉ số D/H = 1,5).
Diện tích tiết diện ngang của bể phản ứng xoáy hình trụ (ống trung tâm) xác định theo công thức sau : f = Q/vt
Trong đó : vt : tốc độ nước dâng trong ống trung tâm Lấy vt = 5 mm/s. Đường kính của bể xác định theo công thức :
Chiều cao vùng lắng xác định tùy theo cao trình của dây chuyền công nghệ, có thể lấy H = 2,6 – 5 m.
3.2.2.2 Tính toán bể lắng bùn li tâm:
Diện tích bề mặt của bể lắng có thể xác định theo công thức thực nghiệm
Q : lưu lượng nước thải tính toán
uo : Tốc độ lắng tính toán (mm/s), được xác định trên cơ sở thực nghiệm, thông thường lấy từ 0,4 – 1,5 mm/s Nước thải rửa lọc và nước xả cặn bể lắng có hàm lượng cặn từ 3000 – 5000 ta chọn uo = 0,6 – 1 mm/s Hàm lượng cặn càng lớn thì giá trị uo càng tăng.
f: diện tích vùng xoáy của bể lắng (m2)
Diện tích vùng xoáy được xác định theo bán kính vùng xoáy : rp: bán kính ngăn phân phối nước hình trụ, lấy rp = 2 (ứng với công suất xử lý dưới 10000 m 3 /ngd)
Bán kính của bể sẽ là : R = √ F π
Chiều cao bể lắng xác định theo công thức :
h : chiều sâu tại thành bể lắng; h = 1,5 – 2,5 m
Với mỗi nhà máy cũng như mức độ yêu cầu về kỹ thuật, chất lượng mà ta có thể lựa chọn riêng hoặc kết hợp nhiều phương pháp khác nhau Một số phương pháp chính là : Sân phơi bùn, thiết bị nén bùn băng tải, làm khô bùn bằng nhiệt
Kết luận chương 3
Đề xuất 2 dây chuyền công nghể xử lý và thu hồi nước thải rửa lọc
dây chuyền công nghệ 1 áp dụng cho các nhà máy có diện tích đất xây dựng nhà máy hạn chế: Nước thải rửa lọc và xả lắng được thu hồi về một bể điều hòa và bơm lên bể lắng bùn đứng, nước sau bể lắng bùn được bơm tuần hoàn lại dây chuyền công nghệ xử lý chính, bùn từ bể lắng bùn được đưa vào dây chuyền ép bùn bằng băng tải.
dây chuyền công nghệ 2 áp dụng cho các nhà máy có diện tích đất xây dựng nhà máy lớn: Nước thải rửa lọc và xả lắng được thu hồi về hai bể điều hòa khác nhau sau đó bơm lên bể lắng bùn ly tâm, nước sau bể lắng bùn được bơm tuần hoàn lại dây chuyền công nghệ xử lý chính, bùn từ bể lắng bùn được bơm ra sân phơi bùn.
Các công trình chính để xử lý, thu hồi nước thải rửa lọc gồm: bể điều hòa nước thải, bể điều hòa nước xả rửa bể lắng, trạm bơm và máy bơm nước thải, bể phản ứng, bể lắng bùn, làm khô bùn cặn.
NGHIÊN CỨU XỬ LÝ VÀ THU HỒI NƯỚC RỬA LỌC NHÀ MÁY NƯỚC GIA LÂM
Mô tả nhà máy nước Gia Lâm
4.1.1 Giới thiệu chung về nhà máy
Nhà máy nước Gia Lâm được xây dựng tại xã Gia Thụy huyện Gia Lâm (nay là quận Long Biên) bên cạnh quốc lộ số 5, diện tích 6,62 ha Giai đoạn 1 của nhà máy được hoàn thành vào năm 1996 với công suất 30.000m 3 /ngđ Hiện nay nhà máy đang cải tạo và mở rộng nâng công suất lên 60.000 m 3 /ngđ Cụm công trình xử lý của giai đoạn 2 có các kết cấu, kích thước, dây chuyền công nghệ, cao trình, cơ bản tương tự như các công trình thiết kế giai đoạn 1
4.1.2 Dây chuyền công nghệ nhà máy nước Gia Lâm
Nguồn nước thô cung cấp cho nhà máy nước Gia Lâm:
Giai đoạn 1: số lượng giếng khoan là 12 giếng ((8 giếng đặt tại bãi giếng ngoài đê sông Hồng tại Phường Bồ Đề, Long Biên và 4 giếng tại khu vực NMN ở Phường Gia Thuỵ, Phúc Đồng) Công suất mỗi giếng khoan khoảng 50l/s.
Giai đoạn 2: số lượng giếng khoan là 10 giếng tại bãi giếng ngoài đê sôngHồng.
Bể lọc 1 đợt I Bể chứa nước sạch Dàn mưa
Thổi khí trong máng bể lọc Phèn Clo
Bảng 4-3 Chất lượng nước thô của từng giai đoạn của nhà máy nước Gia Lâm
Các chỉ tiêu cơ bản pH Tổng độ cứng, dH o
- Bãi giếng ngoài đê sông Hồng (8 giếng).
Bãi giếng trong đê, khu vực NMN (4 giếng)
Bãi giếng ngoài đê sông Hồng (gồm10 giếng: G13, G14, G15,
(Nguồn: Hồ sơ thiết kế nhà máy nước Gia Lâm giai đoạn 2 năm 2010)
4.1.2.2 Dây chuyền công nghệ xử lý nước
Hình 4-15 Sơ đồ dây chuyền công nghệ NMN Gia Lâm
Nước bơm từ giếng khoan lên dàn mưa làm thoáng tự nhiên, sau đó nước qua bể tiếp xúc, lọc cặn sắt, khử amoni tại bể lọc đợt I, lọc Mangan ở bể lọc đợt II. Dùng clo để khử trùng nước Nước sạch tự chảy vào bể chứa và bơm cấp vào mạng lưới phân phối.
4.1.3 Một số công trình chính trong dây chuyền công nghệ NMN Gia Lâm
Tổng công suất của nhà máy nước Gia Lâm là 64200m 3 /ngđ chia làm 2 giai đoạn Riêng cụm xử lý nước (Làm thoáng, lắng, lọc, bể chứa) ở mỗi giai đoạn được xây dựng làm hai đơn nguyên, mỗi đơn nguyên có công suất 16.050 m3/ngày bao gồm các công trình: 1 dàn mưa, 1 bể tiếp xúc, 6 ngăn lọc đợt 1, 4 ngăn lọc đợt 2, 1 bể chứa nước sạch.
Dàn mưa được đặt trên đỉnh bể lắng tiếp xúc Mỗi đơn nguyên dàn mưa có diện tích mặt bằng 288m 2 , kích thước 12mx24m Chiều cao dàn mưa h = 4,0m Tải trọng: 2,4m 3 /m 2 h Nhà máy nước Gia Lâm có 4 giàn mưa.
Hình 4-16: Dàn mưa NMN Gia Lâm
4.1.3.2 Bể lắng tiếp xúc đứng
Bể tiếp xúc được đặt dưới dàn mưa có kích thước BxLxH = 12mx24mx5m Thời gian lưu nước: 45 phút; t=0,75h.
Bể có cấu tạo khối hộp hình chữ nhật có chiều cao H=0.8 m, và khối hộp hình thang có chiều cao H=1.5m Đáy bể độ dốc 60o so với phương đứng Máng phân phối nước trung tâm đặt giữa bể lắng dọc theo chiều dài của bể, bề rộng là 1m Bể có ngăn thu cặn H=2.7m có khối hộp hình thang (xem chi tiết Hình 4-3).
Cả nhà máy có 4 bể lắng tiếp xúc.
Hình 4-17: Bể lắng tiếp xúc nhà máy nước Gia Lâm
Mỗi đơn nguyên trong dây chuyền xử lý nước gồm 6 ngăn lọc Kích thước mỗi ngăn lọc 6,2 x 3,0m, cao 6,1m Bể được xây dựng bằng bê tông cốt thép
Hệ thống thu nước lọc và phân phối nước rửa lọc bằng sàn chụp lọc Rửa bể lọc đợt 1 bằng phương pháp gió, nước kết hợp với cường độ gió 16- 18l/s-m 2 ; cường độ nước rửa lọc là 6,7l/s-m; chu kỳ rửa bể lọc đợt 1, tHh; lượng nước rửa 1 bể: 115 m3/chu kỳ rửa lọc.
Nhà máy nước Gia Lâm có 24 bể lọc đợt 1
Hình 4-18: bể lọc đợt 1 NMN Gia Lâm
4.1.3.4 Bể lọc đợt II (Xử lý mangan)
Sau khi được lọc qua bể lọc đợt 1, nước được chảy qua máng tràn vào bể lọc đợt
Mỗi đơn nguyên trong dây chuyền công nghệ của Nhà máy nước Gia Lâm được thiết kế 4 ngăn lọc đợt 2 Kích thước mỗi ngăn lọc 6,2x3,6m
Hệ thống thu nước lọc và phân phối nước rửa lọc bằng sàn chụp lọc Rửa bể lọc đợt 2 bằng phương pháp gió, nước kết hợp với cường độ gió 18l/s- m 2 ; cường độ nước rửa lọc là 5,6l/s-m 2 ; chu kỳ rửa bể lọc đợt 2, trh; lượng nước rửa 1 bể: 119 m3/ chu kỳ rửa lọc.
Nhà máy nước Gia Lâm có 16 bể lọc đợt 2
Hình 4-19: bể lọc đợt 2 NMN Gia Lâm
Dung tích bể chứa của cả 2 giai đoạn: W 12000 m 3 Giai đoạn 1 có 2 bể (dung tích 6000m 3 ), đến giai đoạn II xây dựng thêm 1 bể có 2 ngăn: 1 ngăn chứa nước sạch dung tích 5509 m 3 và ngăn chứa nước rửa lọc dung tích khoảng 491 m 3 , tổng dung tích bể là 6000 m 3
4.1.3.6 Hệ thống xử lý và thu hồi nước thải rửa lọc của nhà máy nước Gia Lâm
Hiện nay Nhà máy nước Gia Lâm đã có hệ thống xử lý và thu hồ nước thải rửa lọc Bao gồm cụm xử lý nước thải rửa lọc và sân phơi bùn Nước thải ra từ quy trình xử lý nước: xả cặn ở bể lắng tiếp xúc, xả rửa bể lọc được tập trung về bể điều hoà Từ bể điều hoà chúng được bơm lên các bể lắng bùn ly tâm và được châm phèn Nước sau quá trình lắng được bơm trở lại bể lọc đợt 1 của dây chuyền xử lý chính Bùn lắng được bơm ra sân phơi bùn. a Bể điều hoà
Nhà máy nước Gia Lâm có 4 bể điều hoà, mỗi bể có dung tích là 612 m 3 bể chứa điều hoà nước bùn xả được xây dựng bằng bê tông cốt thép (kích thước mỗi bể:
B x L x H = 10m x 18m x 3,4m = 612m 3 ) Từ bể điều hoà nước bùn được bơm lên bể lắng bùn Nước bùn được hoà trộn với phèn nhôm (nồng độ 10%) liều lượng 50mg/l trên ống đẩy của máy bơm dâng nước bùn. b Bể lắng bùn
Nhà máy nước Gia Lâm có 4 bể láng bùn ly tâm có tốc độ nước dâng Vd 9mm/phút = 0,15mm/s.
Kích thước 1 bể : B x L x H = 10m x 10m x 4,0m. c Sân phơi bùn
Sân phơi bùn gồm 6 ngăn, mỗi ngăn sân phơi bùn có kích thước B x L x H 13m x 32m x 2m.
Tổng diện tích sân phơi bùn là 2496m 2
Tính toán hệ thống xử lý và thu hồi nước thải rửa lọc khác cho NMN
Nhà máy nước Gia Lâm thuộc địa bàn thành phố Hà Nội có diện tích đất hạn hẹp, do đó nếu tính toán hệ thống xử lý và thu hồi nước thải rửa lọc áp dụng dây chuyền 1 sẽ giảm được diện tích đất xây dựng sân phơi bùn.
Tính toán hệ thống xử lý và thu hồi nước thải rửa lọc cho nhà máy nước Gia Lâm áp dụng cho dây chuyền đề xuất 1.
Công suất trạm xử lý: 64200 m 3 /ngđ.
Thời gian rửa lọc khi sục gió: 3 phút
Cường độ rửa lọc khi sục gió: 0,4 m 3 /m 2 -phút
Thời gian rửa lọc khi không sục gió: 5 phút
Cường độ rửa lọc khi không sục gió: 0,8 m /m-phút
Lượng nước rửa 1 bể: 115 m3/lần
Bể lọc 2: Diện tích bể: 18,6 m 2 16 bể
Thời gian rửa lọc khi sục gió: 3 phút
Cường độ rửa lọc khi sục gió: 0,36 m 3 /m 2 -phút
Thời gian rửa lọc khi không sục gió: 5 phút
Cường độ rửa lọc khi không sục gió: 0,72 m 3 /m 2 -phút
Thời gian xả nước lọc đầu: 6 phút
Lượng nước rửa 1 bể: 119 m3/lần
Hàm lượng Fe trong nước thô: 12 mg/l
Hàm lượng Fe trong nước sau lọc: 0,05 mg/l
4.2.1 công trình thu hồi nước xả lọc đầu
Nước xả lọc đầu: 22,32m 2 x 7,6m/h x 0,1h x 6 bể = 101,8 m 3
Nước xả lọc đầu được dẫn tập trung về bể điều hòa có dung tích: 110 m 3
Tại bể chứa điều hòa xả nước lọc đầu đặt 2 máy bơm chìm bơm nước trở lại bể lọc đợt (1 bơm hoạt động, 1 bơm dự phòng) có công suất:Q 4,6m 3 /h, H = 12m, N = 2kw
4.2.2 Công trình xử lý bùn
Nước xả rửa bể lắng
Nước rửa lọc bể lọc đợt 1 Q80 m 3 /ngđ
Nước rửa lọc bể lọc đợt 2Q6 m 3 /ngđ
Hình 4-20: dây chuyền hệ thống xử lý và thu hồi nước thải rửa lọc cho nhà máy nước Gia Lâm áp dụng cho dây chuyền đề xuất 1
4.2.2.2 Lưu lượng nước bùn xả ra từ bể lắng tiếp xúc
Lượng cặn bùn được giữ lại hàng ngày trong công trình lắng tiếp xúc tạm tính là 50% tổng lượng cặn và phần còn lại được giữ lại trong bể lọc Tổng lượng cặn giữ lại trong bể lắng là:
Sb = Q x a x x50% = 64200m 3 /ng x 12mg/l x 106,8/55,8 x 50% = 737,2kg/ng Trong đó:
Q = 64200m 3 /ng lưu lượng nước thô cần xử lý.
a = 12mg/l hàm lượng Fe 3+ trong nước thô.
= khối lượng phân tử của Fe = 55,8, Fe(OH)3 = 106,8g/ml.
Khối tích bùn (ứng với nồng độ bùn trong bể lắng là 1,5): 737,2/1,5 = 491,5 m 3 / ng
Bể điều hoà (2 bể) Mỗi bể có W=1.344 m 3
Bể lắng bùn đứng (2 bể) KT: D=8m, H=8,5m
Thiết bị ép khô bùn bằng băng tải (NBD-L125)
Bùn cặn G88/ngđ Nước thu hồi về bể lọc đợt 1 Q&87 m 3 /ngđ
4.2.2.3 Lưu lượng nước bùn xả ra từ hệ thống lọc
Bảng 4-4: Lượng bùn xả ra từ các bể lọc đợt 1 và 2
Bể lọc đợt I Bể lọc đợt II
Khối lượng nước rửa lọc khi sục gió
Khối lượng nước rửa lọc khi không sục gió
Hạ mức nước trong bể trước khi rửa lọc
Tổng cộng lượng nước xả rửa lọc trong 1 ngày* là:
*Chu kỳ rửa lọc cho bể lọc đợt I là 48 h, số bể lọc đợt I là 24 bể như vậy mỗi ngày rửa 12 bể Chu kỳ rửa lọc cho bể lọc đợt II là 72 h, số bể lọc đợt II là 16 bể như vậy mỗi ngày rửa 6 bể.
4.2.2.4 Tính toán các công trình xử lý
Tổng lượng nước bùn xả từ các bể lọc (đợt I và đợt II) trong 1 ngày là:
Tổng lượng nước bùn xả từ các bể lắng và bể lọc trong 1 ngày là:
Xây dựng 2 bể chứa điều hòa nước xả lắng, lọc, mỗi bể có dung tích 1344 m 3 bể dược xây bằng bê tông cốt thép.
Từ bể điều hòa nước bùn được bơm lên bể lắng bùn Nước bùn được hòa trộn với phèn nhôm (nồng độ 10%) liều lượng 50mg/l trên ống đẩy của máy bơm dâng nước bùn.
Tại mỗi bể chứa nước điều hòa xả lắng, lọc đặt mỗi bể 2 máy bơm chìm bơm nước lên bể lắng bùn (1 bơm hoạt động, 1 bơm dự phòng) có công suất: 56m 3 /h,
H = 12m, N = 3,7kw Như vậy tổng số bơm sẽ là 4 máy.
Tính toán bể lắng bùn đứng :
Diện tích tiết diện ngang của vùng lắng được xác định theo công thức :
Q = 112 m 3 /h : lưu lượng nước thải tính toán
vtt =0,5m/s: Tốc độ tính toán dòng nước đi lên
=1,3: Hệ số kể đến việc sử dụng dung tích bể
Diện tích tiết diện ngang của bể phản ứng xoáy hình trụ (ống trung tâm) xác định theo công thức sau : f Q v t ⋅N 112
5⋅2 ,2 m 2 Trong đó : vt : tốc độ nước dâng trong ống trung tâm Lấy vt = 5 mm/s. Đường kính của bể xác định theo công thức :
Chiều cao phần chứa và ép cặn
Tổng chiều cao của bể lắng là:
Hbv: Chiều cao bảo vệ, Hbv =0,8m.
Hệ thống thiết bị làm khô bùn cặn bằng máy ép băng tải
Lượng bùn cặn được giữ lại hàng ngày trong các công trình xử lý là:
Sb=Qx(a-0,05)x = 64200m 3 /ng x (12-0,05)/1000kg/l x 106,8/55,8 = 1468,4kg/ ng
Q = 64200m 3 /ng lưu lượng nước thô cần xử lý.
a = 12mg/l hàm lượng Fe 3+ trong nước thô.
= khối lượng phân tử của Fe = 55,8, Fe(OH)3 = 106,8g/ml.
0,05: hàm lượng sắt sau xử lý
Khối lượng nước thải trong bể chứa bùn = 2687 m 3 /ngđ. Định lượng phèn nhôm (PAl) vào bể lắng bùn là 50mg/l.
Lượng bùn sinh ra từ hoá chất PAl :
Tổng lượng bùn trong sân phơi bùn :G = 1468,4 + 20 88,4kg/ngđ.
Máy ép bùn thường hoạt động 6 giờ một ngày và 7 ngày 1 tuần
Khối lượng và thể tích cặn cần xử lý trong 1 giờ
Chọn máy ép băng tải của hãng Chi-Shun có các thông số kỹ thuật như bản sau:
Nước rửa (m 3 /phút) Kích thước Kích thước cơ bản
125 1250 2-8 6,8 3320 1770 1990 1578 2286 1390 Định lượng hóa chất xử lý bùn
Pha trộn và định lượng hoá chất xử lý bùn: để keo tụ cặn lắng trong bể lắng bùn dùng phèn nhôm, liều lượng tính toán 50mg/l tính theo phèn thô hàm lượng hoạt tính 67% Phèn được hoà trộn thành dung dịch 10% và bơm định lượng vào thiết bị trộn.
Đánh giá kinh tế kỹ thuật
4.3.1 Khái toán chi phí xây dựng
TT Hạng mục Đơn vị
Số lượng Đơn giá (tạm tính) triệu đồng
1 Bể điều hòa nước xả lọc đầu m3 110 2,5 275
2 Máy bơm nước xả lọc đầu
3 Bể chứa điều hòa nước xả lắng, lọc m3 2688 2,5 6.720
4 Máy bơm bơm nước lên bể lắng bùn:QVm 3 /h,Hm,Nkw cái 4 170 680
6 Máy bơm nước sau lắng về bể lọc:
7 Máy bơm cặn ra sân phơi bùn:
4 Thiết bị làm khô bùn cặn Bộ 1 980 980
So sánh với tổng mức đầu tư xây dựng nhà máy nước Gia Lâm giai đoạn 2 là 365.050 triệu đồng để nâng công suất công suất từ 30.000 m 3 /ngày lên 60.000 m 3 /ngày, gía trị đầu tư xây lắp hệ thống xử lý, thu hồi tái sử dụng nước thải rửa lọc chiếm 3,2% kinh phí xây dựng.
4.3.2 Khái toán chi phí quản lý vận hành
Số lượng nhân công không tăng khi trạm xử lý vận hành hệ thống xử lý, thu hồi tái sử dụng nước thải rửa lọc. Điện năng tiêu thụ (tạm tính) cho các máy bơm
Điện năng dùng cho máy bơm nước xả lọc đầu là: 53kw/ngày
Điện năng dùng cho máy bơm nước lên bể lăng bùn: 178kw/ngày
Điện năng dùng cho máy bơm nước lên bể lọc 1: 178kw/ngày
Điện năng dùng cho thiết bị làm khô bùn cặn: 750kw/ngày
Chi phí điện năng tiêu thụ dùng cho quản lý vận hành hệ thống xử lý, thu hồi tái sử dụng nước thải rửa lọc là: 1.159.000 đ/ngày tương ứng với 423.035.000 đ/năm.
Lượng phèn nhôm cần dùng lý vận hành hệ thống xử lý, thu hồi tái sử dụng nước thải rửa lọc là: 73 tấn/năm
Giá phèn tạm tính là 5000đ/kg tương đương 365 triệu/năm
Tổng chi phí vận hành sẽ là: 788.035.000 đ/năm.
Kết luận chương 4
tổng mức đầu tư xây dựng nhà máy nước Gia Lâm giai đoạn 2 là 365.050 triệu đồng để nâng công suất công suất từ 30.000 m 3 /ngày lên 60.000 m 3 /ngày Chi phí xây dựng hệ thống xử lý, thu hồi nước thải rửa lọc cho cả 2 giai đoạn là13.707 triệu đồng, lượng nước tuần hoàn lại là 2.687m 3 /ngày
Mặt khác Nhà máy nước Gia Lâm thuộc địa phận Hà Nội, Diện tích đất của nhà máy hạn chế Do đó nếu áp dụng dây chuyền công nghệ 1, sử dụng thiếp bị ép bùn băng tải sẽ tiết kiệm được diện tích đất để làm sân phơi bùn.
Như vậy ta thấy rằng chi phí xây dựng hệ thống thu hối, xử lý nước thải rửa lọc của nhà máy chỉ chiếm môt phần nhỏ trong chi phí xây dựng toàn bộ trạm Bên cạnh đó còn có các lợi ích khi giảm được công suất bơm giếng, lượng nước thải xả ra môi trường cũng như việc đáp ứng được các quy định của nhà nước về môi trường.
Các khoản chi phí trong vận hành cụm xử lý nước rửa lọc sẽ được bù đắp do giảm được công suất máy bơm nước thô, giảm thiểu cả về công suất máy cũng như lưu lượng khi máy hoạt động, đồng thời giảm được lưu lượng nước bơm về nhà máy tức là giảm được kích thước đường ống, khối tích công trình cấp I, các trạm bơm giếng