Tính toán dây chuyền sản xuất nước đóng chai

ĐAMH : Tính Tốn Dây Chuyền Sản Xuất Nước Đóng Chai trang PHẦN I : TỔNG QUAN MỤC ĐÍCH ĐỀ TÀI Hiện nay, nhu cầu dùng nước người dân ngày tăng Đặc biệt nhu cầu nước cho sinh hoạt ăn uống Ngoài ra, với sống tấp nập hối tiện nghi sinh hoạt có sẳn Do đó, nhu cầu nước uống tinh khiết, đóng chai cần thiết với tình hình Nhưng sở sản xuất nước uống chưa trọng chất lượng nước họ trọng đến lợi nhuận mà không cần quan tâm đến chất lượng nên số sở xử lý sơ sài, không đảm bảo an tồn cho người sử dụng Mục tiêu đề tài thiết kế hệ thống xử lý vừa đảm bảo chất lượng cung cấp cho sinh hoạt vừa cấp cho dây chuyên nước uống đóng chai TỔNG QUAN VỀ NGUỒN NƯỚC NGẦM 4.1 Nguồn nước ngầm Đây hai nguồn nước cung cấp cho nhu cầu nước sinh hoạt người dân Nhưng hầu hết chất lượng chưa đảm bảo đặc điểm địa chất tầng đất Ở nơi có độ sâu khác thành phần cấu tạo hóa học khác nhau, đồng thời với phát triển công nghiệp cộng với khai thác nước ngầm mức làm cho chất ô nhiễm thấm sâu vào tầng đất ngầm Tuy việc đun sơi, nấu nướng loại bỏ vi khuẩn vài chất có hại đồng thời làm phân hủy số khoáng chất nước ngầm, kim loại nặng số chất độc hại cịn Do đó, cần kiểm tra chất lượng nước nói chung trước sử dụng vào mục đích sinh hoạt ăn uống Nước ngầm tồn tầng nước lịng đất, có hai loại tầng : tầng giới hạn tầng không giới hạn  Tầng không giới hạn lớp đất đá xốp khơng phủ lớp đất đá khơng thấm nước, tầng có hai vùng : vùng bão hịa nước vùng khơng bão hịa phân chia ranh giới mực nước đó, vùng khơng bão hịa chứa nhiều oxy - Nước ngầm tầng khơng giới hạn có nguồn gốc từ nước mưa thấm xuống, nằm độ sâu khơng lớn Nó dễ bị nhiễm bẫn tạp chất sinh hoạt, công nghiệp nông nghiệp Nước tầng dạng mạch nước ngầm nong, nước suối, lớp khơng bão hịa nằm mực nước mặt đất, có khả loại bỏ số tạp chất vai trò chủ yếu lớp nước kìm hãm tốc độ di chuyển tạp chất xuống tầng nước Lớp nước tầng không giới hạn bổ sung từ nước mưa Do đó, vết nứt hay lỗ khoan khơng qui cách khơng cịn hoạt động mà không bịt lại phá vỡ tính kìm hãm di chuyển tạp chất lớp khơng bão hịa - Tầng khơng giới hạn có trữ lượng nước cao tầng giới hạn Nước tầng giới hạn chứa nitrat, chất hữu vi sinh vật Nguồn nước sử dụng có nguồn khác thay chi phí khai ĐAMH : Tính Tốn Dây Chuyền Sản Xuất Nước Đóng Chai trang thác cao liên quan đến yếu tố chất lượng nước : nhiều muối nguồn sâu, nhiều Fe, Mn, H2S, CO2 thiếu oxy  Tầng nước giới hạn tầng bị phủ lớp đất hay đá khơng có khả thấm nước Nước tích tụ dịng chảy ngang, chậm từ tầng khơng giới hạn đến, khơng có lớp khơng bão hịa, có cấu trúc kiểu banh kẹp lớp không thấm nước Ap lực thủy tĩnh tầng giới hạn lớn nên khoan hay đào giếng nước phun lên, áp lực giảm khơng có nước bổ sung Chất lượng nước ngầm phụ thuộc vào yếu tố sau : chất lượng nước mưa, chất lượng nước ngầm tơn thời gian dài lịng đất, chất lớp đất đá nước thấm qua, chất lớp đá chứa tầng nước Thông thường, nước ngầm chứa tạp chất hữu cơ, vi sinh giàu thành phần vô : Ca, Mg, K, Fe, Mn, cacbonat, bicacbonat, sunfat clorua  Nước ngầm vùng đá vôi, đá phấn chứa nhiều canxi, bicacbonat vùng đá dolomit chứa nhiều magie, bicacbonat  Nước ngầm vùng đá sa thạch, cát kết chứa nhiều NaCl vùng đá granit chứa nhiều mangan, sắt  Nước ngầm ven vùng thị, có nguồn thải chảy qua, nơi chôn rác chứa nhiều tạp chất sản phẩm trình phân hủy vi sinh : nitrit, amoniac, nitrat, hydro sunfua, photphat So với nước mặt, độ dẫn điện (nồng độ ion) nước ngầm cao tăng với độ sâu nguồn nước nguồn nước sâu bổ sung, hòa trộn với nguồn nước thời gian tiếp xúc lâu với đất đá tạo điều kiện hịa tan khống vật tầng Ở nguồn nước sâu, già cỗi nồng độ ion cao vùng đồng dễ bị nhiễm mặn Nồng độ muối cao khai thác mức điều kiện bổ sung hạn chế, co thể nước ngầm có sẳn muối hay xâm nhập mặn từ nước biển TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC NGẦM 3.1 Khử sắt (Fe) Mangan (Mn) 3.1.1 Phương pháp làm thoáng Trong nước ngầm, sắt tồn chủ yếu dạng ion Fe 2+ thành phần muối hòa tan : Fe(HCO3)2 , FeSO4 , FeS, … Thực chất trình khử sắt phương pháp làm thống đuổi khí CO làm giàu oxy cho nước, tăng pH tạo điều kiện để oxy hóa Fe 2+ thành Fe3+ thực trình thủy phân tạo thành chất tan Fe(OH) giữ lại bể lọc Làm thống : làm thống tự nhiên hay làm thoáng nhân tạo Sau làm thoáng, q trình oxy hóa Fe 2+ thủy phân Fe3+ xảy mơi trường tự do, mơi trường hạt hay môi trường xúc tác Các yếu tố ảnh hưởng đến trình khử sắt : pH , O , hàm lượng sắt nước ngầm, CO2 , độ kiềm, nhiệt độ, thời gian phản ứng Khi tất ĐAMH : Tính Tốn Dây Chuyền Sản Xuất Nước Đóng Chai trang ion Fe2+ chuyển hóa thành bơng cặn Fe(OH) chúng loại bỏ bể lọc Khi có đủ hàm lượng oxy để oxy hóa sắt, thời gian oxy hóa cơng trình phụ thuộc vào trị số pH nước pH 6,0 6,5 6,6 6,7 6,8 6,9 ≥ 7,5 Thời gian tiếp xúc cần thiết (thời gian lưu nước) 90 60 45 30 25 20 15 10 bể lắng bể lọc, phút Thời gian tiếp xúc cần thiết lưu nước bể lọc 60 45 30 20 18 14 12 tiếp xúc bể lọc trong, phút (Nguồn : số liệu đúc kết nhiều năm Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Công nghệ cấp – nước) 3.1.2 Dùng hóa chất  Khử sắt chất oxy hóa mạnh : Cl2, O3 , KMnO4 ,… 2Fe2+ + Cl2 + 6H2O  2Fe(OH)3 + 2Cl- + 6H+ 3Fe2+ + KMnO4 + 7H2O  3Fe(OH)3 + MnO2 + K+ + 5H+  Khử sắt vôi : phương pháp thường kết hợp với trình ổn định hay làm mềm nước Fe(HCO3)2 + O2 + H2O + Ca(OH)2  Fe(OH)3 + Ca(HCO3)2 Fe(HCO3)2 + Ca(OH)2  FeCO3 + CaCO3 3.1.3     Các phương pháp khử sắt khác : Khử sắt nhựa trao đổi ion Khử sắt vi sinh vật Khử sắt điện phân Khử sắt lòng đất 3.2 Khử mùi vị 3.2.1 Bằng than hoạt tính : Đây ứng dụng hiệu than hoạt tính Nó chất khử có khả loại bỏ số chất oxy hóa : clo, axít hypocloric, cloamin, ozon, permanganat, cromat 2Cl2 + C* + 2H2O 4HCl + CO2 C* than hoạt tính, clo trước phản ứng hấp phụ bề mặt than HOCl + C* C*O + H+ + ClNH2Cl + C* + H2O C*O + NH3 + H+ + Cl- 2NH2Cl + C*O  C* + 2H+ + 2Cl- + H2O + N2 2NHCl2 + H2O + C* N2 + 4H+ + 4Cl- + C*O ĐAMH : Tính Tốn Dây Chuyền Sản Xuất Nước Đóng Chai trang Tốc độ phản ứng với than hoạt tính : NH2Cl > HOCl > OCl- > NH2Cl 3.2.2 Bằng ozon : Ozon chất oxy hóa mạnh, có khả loại bỏ chất vô gây đục, loại bỏ màu mùi vị nước Ưu điểm lớn ozon xử lý tốt không tạo sản phẩm phụ độc hại nhược điểm giá thành thiết bị đắt nhiều so với than hoạt tính 3.3 Khử cứng Độ cứng nước chủ yếu diện hai ion Ca 2+, Mg2+ , hai tạp chất không gây hại cho sức khỏe gây hại cho thiết bị : đóng cặn nồi hơi, đường ống dẫn ảnh hưởng đến chất lượng đồ uống, trình lên men 3.3.1 Phương pháp nhiệt : Ít dùng thực tế chi phí cao hiệu thấp Phương pháp khử độ cứng tạm thời tiến hành nhiệt độ 100oC Ca(HCO3)2  CaCO3 + H2O + CO2 3.3.2 Mg(HCO Phương pháp học3 + H2O + CO2 ) hóa MgCO 2+ Phương pháp loại Ca2+, Mg khỏi nước dựa vào tính tan thấp MgCO3 + H2O  trừ Mg(OH) + CO 2 CaCO3 Mg(OH)2 tách biện pháp lắng lọc Trong trình hình thành CaCO3 Mg(OH)2 nồng độ cấu tử CO32- , HCO3- , pH đóng vai trị quan trọng việc hình thành kết tủa  Khử cứng theo phương pháp vôi – sô đa : nhằm làm tăng pH môi trường từ vôi tăng nồng độ CO32- từ sô đa Có thể dùng NaOH để cấp OH- giá thành đắt nhiều, phản ứng trình khử bao gồm : Ca(OH)2 + H2O + CO2  CaCO3 + 2H2O Ca2+ + 2HCO3- + Ca(OH)2  CaCO3 + 3H2O Ca2+ + (SO42- + Cl-) + Na2CO3  CaCO3 + 2Na+ + (SO42- + Cl-) Mg2+ + 2HCO3- + 2Ca(OH)2  2CaCO3 + Mg(OH)2 + 2H2O 2+ q trình 2So cứng vơi – sơ đa lợi thế+ +của phương Mgvới + (SO42- + khử Cl-) + Ca(OH)  Mg(OH) + Ca (SO + Clpháp ) 2 trao đổi ion đơn giản, thao tác dễ dàng, loại bỏ độ cứng triệt để giá thành ban đầu đắt nước cần độ định Ca(HCO3)2 + 2Na-R  Ca-R + 2NaHCO3 (khử cứng) Ca-R + NaCl  2Na-R + CaCl2 (tái sinh nhựa cationit) Quá trình trao đổi ion thực theo phương thức : ngắt đoạn hay liên tục Quá trình liên tục thực cột chứa tầng cố định chất trao đổi ion, nước cho chảy qua cột từ xuống Quá trình tái sinh diễn theo chiều ngược lại, dùng lực đẩy dòng xáo trộn hạt nhựa để tăng kha tái sinh 3.4 Khử khống ĐAMH : Tính Tốn Dây Chuyền Sản Xuất Nước Đóng Chai trang 3.4.1 Trao đổi ion Nguyên tắc trao đổi ion để khử khoáng loại cation trước anion sau Nhựa trao đổi ion H + cho cation hòa tan nhựa trao đổi ion OH- cho anion hòa tan Giống trình khử cứng trao đổi ion ion trao đổi khơng góp phần vào chất rắn hịa tan dịng ra, thích hợp với nước có TDS ≤ 700ppm 3.4.2 Thẩm thấu ngược Thực chất phương pháp lọc nước qua màng bán thấm đặc biệt, màng cho nước qua muối hòa tan bị giữ lại Để lọc nước qua màng phải tạo áp lực dư nước nguồn cao áp lực thẩm thấu nước qua màng, để nước lọc qua màng không trở lại dung dịch muối trình thẩm thấu Thẩm thấu ngược sử dụng đặc tính màng bán thấm cho nước qua giữ lại chất hoà tan trừ vài phần tử hữu giống nước ( có trọng lượng phân tử bé độ phân cực lớn) 3.5 Khử trùng : Mục đích : loại bỏ vi khuẩn, vi sinh vật có hại nước 3.5.1 Phương pháp vật lý : UV, vi lọc  Phương pháp chiếu tia cực tím (UV : Ultra violet) Phương pháp chiếu tia UV ngày quan tâm khơng cần đưa thêm hóa chất vào nước Khi tiếp xúc với tia cực tím, axít nucleic thể vi sinh vật bị biến đổi theo chiều hướng bất lợi Vùng ánh sáng có tác dụng diệt khuẩn cao bước sóng 200nm đến 300nm, vùng axít nucleic hấp thụ mạnh chịu biến đổi sâu sắc Khi tế bào hấp thụ tia cực tím, tia cực tím tác động lên nhân tế bào làm cho chúng bị phân hủy, khả phát triển sinh sơi Anh sáng tia cực tím chia làm vùng : Vùng khoảng bước sóng UV – A 315nm – 400nm UV – B 280nm – 315nm UV – C 200nm – 280nm Thiết bị phát tia cực tím đèn phóng điện thủy ngân chân khơng, ánh sáng phát có bước sóng 254nm Năng lượng ánh sáng vùng đủ khả diệt khuẩn thời gian vài giây Đèn cực tím có cấu tạo giống đèn phát sáng hình ống, vỏ thủy tinh làm từ thạch anh có trộn thêm TiO để vó hấp phụ ánh sáng có bước sóng nhỏ 200nm Người ta thường chọn đèn thủy tinh chân khơng hiệu kinh tế cao (chuyển hóa 40% lượng điện thành tia cực tím có tác dụng diệt khuẩn) Để đạt hiệu suất khử trùng cao ngồi thơng số thích hợp thiết bị, ta phải ý đến yếu tố chất lượng nước cần xử lý : độ đục, chất gây màu, yếu tố khác ảnh hưởng đến khả truyền qua tia cực tím Trong yếu tố ảnh huởng mạnh đến khả khử trùng độ nước Chỉ nước có độ truyền qua 80% q trình khử trùng có hiệu hạt lơ ĐAMH : Tính Tốn Dây Chuyền Sản Xuất Nước Đóng Chai trang lửng gặp hạt lơ lửng bị phân tán làm giảm quãng đường truyền nước Ngoài số vi khuẩn bám vào hạt huyền phù khơng tiếp xúc với tia cực tím, số muối tan chất hữu hấp phụ phần tia cực tím làm giảm hiệu suất khử trùng Bề mặt đèn cực tím phải làm để tránh tổn thất mật độ ánh sáng chất bẩn tích tụ Các ưu điểm phương pháp chiếu tia cự c tiếp so với phương pháp khử trùng hóa chất khác :  Thành phần khống nước khơng thay đổi, không tạo thành hợp chất hữu chứa clo  Độ an tồn hoạt động cao, khơng cần dùng hóa chất hấ phụ, thời gian khử trùng ngắn  Không xảy tượng ô nhiễm hóa chất, khơng gây ăn mịn thiết bị, thao tác đơn giản Việc chăm sóc bảo dưỡng đơn giản : lau bề mặt đèn thay đèn hết hạn sử dụng  Đối với thiế bị nhỏ dùng điện acquy hay lượng mặt trời Các khuyết điểm :  Hiệu suất khử trùng độ truyền ánh sáng nước nhỏ 80%, nước có tạp chất hữu số muối tan hấp phụ tia UV  Nhiệt độ lớn 250C làm gảim tính khư tia UV  Nước khử trùng có khả nhiễm khuẩn trở lại  Nước có hàm lượng nitrat khử UV có khả nitrit  Phương pháp vi lọc Thiết bị lọc có dạng hình trụ, cịn gọi nến lọc có độ xốp cao mao quản có kích thước nhỏ kích thước vi sinh cần loại bỏ Nến lọc sản xuất từ diotomit, chất kết dính số phụ gia Với lỗ xốp có kích thước từ 0,2m – 0,3m loại bỏ hầu hết vi sinh có hại nước Để kéo dài thời gian lọc hiệu nước đầu vào cần có độ định, tránh làm tắc, phụ thuôc vào chất lượng nước Theo chu kỳ lọc, nến lọc cần vệ sinh cách rửa hay dùng dung dịch clo để làm vệ sinh Bên thiết bị vi lọc có gắn áp kế để theo dõi tăng áp suất lọc, áp suất tăng đến mức q trình lọc bị tắc nghẽn phải tiến hành rửa lọc Lợi phương pháp việc loại bỏ vi khuẩn :  Tính linh hoạt cao nhiều nến lọc có cơng suất khác lắp đặt song song phù hợp với công suất cần thiết  Thành phần khống, muối nước khơng thay đổi  Giá thành hoạt động thấp Nhược điểm :  Khi giữ lâu nước bị nhiễm khuẩn trở lại  Làm vệ sinh khơng tốt nước bị nhiễm khuẩn  Chỉ thích hợp cho qui mơ nhỏ 3.5.2 Dùng hóa chất : Clo, ozon, … ĐAMH : Tính Tốn Dây Chuyền Sản Xuất Nước Đóng Chai trang  Khử trùng Clo : Khi Clo gặp nước xảy phản ứng tạo thành dạng clo dư tự HClO, ClO- : Cl2 + H2O  HCl + HClO Nếu nước có diện amoniac tạo thành dạng clo dư kết hợp cloamin Hiệu khử trùng dạng tốt dạng clo dư tự : HClO + NH3  NH2Cl + H2O HClO + NH2Cl  NHCl2 + H2O HClO + NHCl2  NCl3 + H2O Yếu tố ảnh hưởng đến khả khử trùng : cạn lơ lửng, độ đục, nhiệt độ, pH Ưu điểm : khử tảo, mùi, váng nhớt có nước rẽ tiền Nhược điểm có mùi tạo chất THM gây ung thư Ngồi người ta sử dụng dạng ClO với hiệu cao khơng tạo THM chi phí đắt dễ nổ  Khử trùng Ozon : liều lượng ozon khử trùng 0,5 – 1,5 mg/l phút Ưu điểm :  Tác dụng tốc độ khử trùng cao clo hợp chất clo  Không tạo sản phẩm phu hữu độc hại  Có thể oxy hóa nhiều chất hữu đến sản phẩm cuối CO nước  Khơng gây mùi khó chịu nồng độ cao Khuyết điểm :  Không bền nước nên dùng khử trùng đường ống clo  Giá thành thiết bị vận hành đắt tiền CÁC TIÊU CHUẨN VỀ NGUỒN NƯỚC 4.1 Tiêu chuẩn chất lượng nước ngầm TCVN 5944 – 1995  Phạm vi áp dụng - Tiêu chuẩn qui định giới hạn thông số nồng độ cho phép chất ô nhiễm nước ngầm - Tiêu chuẩn áp dụng để đánh giá chất lượng nguồn nước ngầm, hay giám sát tình trạng nhiễm nườc ngầm khu vực xác định  Giá trị giới hạn giới hạni hạnn STT Thông số pH Màu Độ cứng (theo CaCO3) Chất rắn tổng cộng Arsen Cadimi Clorua Đơn vị Pt-Co mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l Gái trị giới hạn 6,5 – 8,5 – 50 300 – 500 750 – 1500 0,05 0,01 200 – 600 ĐAMH : Tính Tốn Dây Chuyền Sản Xuất Nước Đóng Chai trang 8 Chì mg/l 0,05 Crom(VI) mg/l 0,05 10 Xianua mg/l 0,01 11 Đồng mg/l 1,0 12 Florua mg/l 1,0 13 Kẽm mg/l 5,0 14 Mangan mg/l 0,1 – 0,5 15 Nitrat mg/l 45 16 Phenol mg/l 0,001 17 Sắt mg/l 1–5 18 Sunfat mg/l 200 – 400 19 Thủy ngân mg/l 0,001 20 Selen mg/l 0,01 21 Fecal coli MPN/100ml 22 Coliform MPN/100ml ( tiêu từ đến 22 tiêu lý – hóa, tiêu 21 22 tiêu vi sinh) STT 10 11 12 13 Thông số pH Độ màu Độ đục Mùi vị Độ cứng Lượng oxy tiêu thụ NH3 Nitrit Nitrat Clorua (NaCl) Sunfat Mangan Sắt Đơn vị TCU NTU mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l mg/l Gái trị giới hạn 6,5 – 8,5 < 15