NGHIÊN cứu sử DỤNG hệ THỐNG lọc nổi TIỀN xử lý nước THẢI CHĂN NUÔI

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊNKHOA MÔI TRƯỜNG ------Trần Thị Thủy NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HỆ THỐNG LỌC NỔI TIỀN XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy N

Trang 1

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA MÔI TRƯỜNG

- -Trần Thị Thủy

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HỆ THỐNG LỌC NỔI

TIỀN XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI

Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy

Ngành Công nghệ môi trường (Chương trình đào tạo chuẩn)

Hà Nội – 2015

Trang 2

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC TỰ NHIÊN

KHOA MÔI TRƯỜNG

- -Trần Thị Thủy

NGHIÊN CỨU SỬ DỤNG HỆ THỐNG LỌC NỔI

TIỀN XỬ LÝ NƯỚC THẢI CHĂN NUÔI

Khóa luận tốt nghiệp đại học hệ chính quy

Ngành Công nghệ môi trường (Chương trình đào tạo chuẩn)

Cán bộ hướng dẫn: PSG.TS Cao Thế Hà ThS Nguyễn Trường Quân

Hà Nội - 2015

Trang 3

Để thực hiện và hoàn thành được khóa luận tốt nghiệp này, trước tiên em xin gửi lời cảm ơn sâu sắc đến PGS.TS Cao Thế Hà - Phó Giám đốc Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ môi trường và Phát triển bền vững (CETASD) là người đã trực tiếp hướng dẫn truyền đạt cho em những kinh nghiệm quá báu trong suốt quá trình thực tập.

Đồng thời em xin gửi lời cảm ơn chân thành tới ThS Nguyễn Trường Quân cùng tập thể các thầy cô, anh chị thuộc phòng Công nghệ - Trung tâm CETASD đã đồng hành giúp đỡ và tạo mọi điều kiện cho em trong suốt quá trình thực hiện đề tài.

Em cũng xin bày tỏ lòng biết ơn chân thành đến tập thể các thầy cô giáo Khoa Môi trường, Trường Đại học Khoa học Tự nhiên – Đại học Quốc gia Hà Nội truyền thụ những kiến thức quý báu cho em trong suốt 4 năm học qua.

Em xin cảm ơn bác Thái Ngô Đức - chủ trang trại Hòa Bình xanh cùng các anh chị công nhân đã chỉ bảo, quan tâm trong suốt ngày tháng tham gia nghiên cứu

ở trang trại.

Cuối cùng, em xin cảm ơn gia đình, bạn bè, những người luôn quan tâm giúp

đỡ và động viên, khuyến khích em trong suốt thời gian qua để em hoàn thành khóa luận được tốt hơn.

Hà Nội, ngày 2 tháng 6 năm 2015

Sinh viên

Trần Thị Thủy

Trang 4

BOD Nhu cầu oxy sinh hoá (Biochemical Oxygen Demand)BTNMT Bộ tài nguyên môi trường

BXD Bộ xây dựng

CETASD Trung tâm nghiên cứu công nghệ môi trường và phát

triển bền vững (Research Center for Environmental Technology and Sustainable Development)

COD Nhu cầu oxy hóa học (Chemical Oxygen Demand)

TS Tổng chât rắn (Total Solid)

TSS Tổng chất rắn lơ lửng (Total Suspended Solid)

TVTS Thực vật thủy sinh

UASB Bể sinh học kị khí dòng chảy ngược qua lớp

bùn (Upflow Anaerobic Sludge Blanket)

VLL Vật liệu lọc

VS Tổng chất rắn bay hơi (Volatile solid)

R/L Tách rắn - lỏng

Trang 5

DANH MỤC BẢNG ii

DANH MỤC HÌNH iii

MỞ ĐẦU 1

Chương 1 3

TỔNG QUAN 3

Chương 3 25

KẾT QUẢ VÀ THẢO LUẬN 25

KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 38

TÀI LIỆU THAM KHẢO 40

PHỤ LỤC 42

i

Trang 6

Bảng 1: Các nước có số lượng lợn nhiều nhất thế giới năm 2009 [2] 4

Bảng 2: So sánh một số thông số đặc trưng nước thải chăn nuôi lợn của Singapo, Trung Quốc và Việt Nam [3] 5

Bảng 3: Thành phần nước thải của một số trại chăn nuôi tập trung [3] 5

Bảng 4: Một số công trình sử dụng bể lọc VLL nổi đã xây dựng 16 Bảng 5: Danh mục thiết bị 20 Bảng 6: Các chế độ khảo sát 22 Bảng 7: Thành phần nước thải các chuồng ở trại Hòa bình Xanh 25 Bảng 8: Số liệu đo chiều cao tổn thất áp v = 0.5m/h 26 Bảng 9: Chất lượng nước đầu vào, ra của hệ lọc tại v = 0,5m/h 27 Bảng 10: Số liệu đo chiều cao tổn thất áp v = 0.6m/h 28 Bảng 11: Chất lượng nước đầu ra, đầu vào của hệ lọc tại v = 0,6m/h 30

Bảng 12: Số liệu đo chiều cao tổn thất áp v = 0.7m/h 31 Bảng 13: Số liệu chất lượng nước đầu ra, đầu vào của hệ lọc tại 0,7m/h 32

Bảng 14: Số liệu đo chiều cao tổn thất áp v = 0.8m/h 33 Bảng 15: Số liệu chất lượng nước đầu ra, đầu vào của hệ lọc tại 0,8m/h 34

Bảng 16: Số liệu đo chiều cao tổn thất áp v = 0.9 m/h 35 Bảng 17: Số liệu chất lượng nước đầu ra, đầu vào của hệ lọc tại v

= 0,9m/h 36

ii

Trang 7

vận tốc lọc 37

Bảng 19: Hiệu suất xử lý SS 38

DANH MỤC HÌNH

Hình 1: Mô hình lọc với lớp màng lọc tự hình thành 9 Hình 2: Đồ thị mô tả quá trình lọc theo phương trình 1.8 10 Hình 3: Sự gia tăng tồn thất áp ∆ P trong quá trình lọc 12 Hình 4: Diễn biến của độ đục và tổn thất áp suất trong quá trình lọc 12

Hình 5: Bể lọc tự chảy và diễn biến áp lực trong bể lọc tự chảy .14 Hình 6: Bể lọc vật liệu nổi 14 Hình 7: Sơ đồ thiết kế hệ lọc nổi 22 Hình 8: Quan hệ tổn thất áp lực qua lớp VLL nổi theo thời gian v

Trang 8

= 0,9m/h 36

iv

Trang 9

MỞ ĐẦU

Đề tài “Nghiên cứu và ứng dụng công nghệ tiên tiến phù hợp điều kiện Việt

Nam để xử lý ô nhiễm kết hợp tận dụng chất thải của các trang trại chăn nuôi lợn”

của Bộ Khoa học và Công nghệ, đã được tiến hành ở quy mô phòng thí nghiệm tại phòng Công nghệ môi trường của Trung tâm Nghiên cứu Công nghệ môi trường và Phát triển bền vững (CETASD) và hệ pilot ứng dụng tổ hợp các kỹ thuật yếm khí, thiếu - hiếu khí cùng với hệ thực vật thủy sinh tại trang trại chăn nuôi lợn Hòa Bình Xanh (Công ty TNHH Sản xuất Đầu tư và Thương mại Đức Anh, xóm Suối Cốc, xã Hợp Hòa, Lương Sơn, Hòa Bình) đạt được mục tiêu đề ra và đã được nghiệm thu cấp cơ sở Tuy nhiên, trong quá trình nghiên cứu xử lý nước thải bằng công nghệ yếm khí gặp phải vấn đề khó khăn là giá trị TSS rất cao có thể tới 10g/l, chiếm tới trên 80% TS, trong đó thường 80% là hữu cơ Thành phần TSS lớn gây tắc nghẽn

và thất thoát vi sinh trong các hệ xử lý Do đó, để đảm bảo quá trình vi sinh yếm khí, hiếu khí đạt hiệu quả, việc nghiên cứu sử dụng các hệ thống tách R/L phù hợp với điều kiện quy mô nhỏ và chi phí thấp là vô cùng cấp thiết Ở các nước phát triển, đã áp dụng ngay từ đầu các kỹ thuật tách rắn lỏng (R/L) như lắng trọng lực, li tâm, ép bùn, lọc,…Tuy nhiên ép bùn tiêu tốn nhiều năng lượng; li tâm vận hành đơn giản nhưng có yêu cầu đầu tư lớn; còn lắng trọng lực có cơ cấu đơn giản và chi phí vận hành thấp hơn Song các phương pháp này có chất lượng nước ra chưa đảm bảo

về mặt SS (1000 – 3000mg/l) Hiện nay, phương pháp sử dụng bể lọc vật liệu lọc (VLL) nổi đã bắt đầu được nghiên cứu bước đầu thành công với những ưu điểm đơn giản, hiệu quả, chi phí thấp và có tiềm năng ứng dụng rất cao ở nước ta

Bể lọc vật liệu nổi đã được nghiên cứu ở Liên Xô và Tiệp Khắc vào những năm 1973 - 1974 trên mô hình, đến năm 1975 đã được đem áp ra áp dụng trong thực tế để xử lý nước mặt và nước ngầm ở giai đoạn cuối sau lắng Ở Liên Xô, người ta sử dụng loại bể lọc này trong xử lý nước thải ở một vài nghiên cứu bước đầu

Năm 1987, PGS Phạm Ngọc Thái là người đầu tiên nghiên cứu và đưa loại bể lọc này vào sử dụng ở Việt Nam Năm 1988, tại Hội chợ triển lãm toàn quốc lần thứ

4 tổ chức tại Giảng Võ - Hà Nội, công trình trạm xử lý nước mặt với bể lọc vật liệu lọc nổi được nhận giải thưởng huy chương vàng Bể lọc VLL nổi đã được áp dụng trong khoảng 10 năm trở lại đây với quy mô công suất nhỏ từ vài chục tới vài trăm

m3/ngày đêm, đến nay đã phát triển tới quy mô công suất 10000m3/ngày đêm trong

xử lý nước cấp Còn trong xử lý nước thải hầu như chưa có một nghiên cứu chuyên sâu nào đề xuất các thông số tính toán, thiết kế để đưa ra những chỉ dẫn cần thiết

Khóa luận tốt nghiệp 1 Đại học Khoa học Tự nhiên

Trang 10

cho loại bể này một cách cụ thể Việc thiết kế các trạm xử lý nước có sử dụng loại

bể lọc vật liệu nổi mới chỉ tập trung ở một nhóm chuyên gia thiết kế am hiểu lĩnh vực này mà chưa được áp dụng rộng rãi trong giới chuyên ngành xử lý nước thải Việc nghiên cứu sử dụng bể lọc vật liệu nổi trong tiền xử lý nước thải chăn nuôi trong giai đoạn tiền xử lý có ý nghĩa quan trọng và mang tính thực tiễn Chính vì

thế, đề tài: “Nghiên cứu sử dụng hệ thống lọc nổi tiền xử lý nước thải chăn

nuôi” được lựa chọn làm khóa luận.

Nội dung chính của đề tài bao gồm:

- Khảo sát quan hệ về tổn thất áp lực qua lớp VLL nổi theo thời gian và tốc

độ lọc;

- Quan hệ về sự biến đổi chất lượng nước khi lọc qua lớp VLL nổi;

- Thời gian làm việc giới hạn ở các tốc độ lọc khác nhau;

- Tìm ra được tốc độ lọc phù hợp đảm bảo giá trị SS trong khoảng 500mg/l – thông số SS đầu vào của hệ yếm khí cao tải

Trang 11

Chương 1.

TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan về nước thải giàu hữu cơ

Nước thải giàu hữu cơ bao gồm nước thải từ chăn nuôi, các hoạt động sản xuất công nghiệp và nước rỉ rác

Nước thải sinh hoạt hàng ngày của con người, đặc biệt từ các khu dân cư khu hoạt động thương mại, công sở, trường học, chợ cũng có hàm lượng chất hữu cơ

Đặc tính của nước thải giàu chất hữu cơ: nước thải này chủ yếu chứa các hợp chất hữu cơ ít độc có nguồn gốc thực vật hoặc động vật Chất thải có nguồn gốc động vật có thành phần chủ yếu là protein và chất béo, có hàm lượng chất rắn lơ lửng, BOD, COD cao Chất thải có nguồn gốc thực vật có thành phần chủ yếu là các cenlulose và các hợp chất dễ phân hủy Người ta có thể chia nước thải giàu hữu

cơ thành hai loại chính:

 Nước thải giàu hữu cơ đơn giản: thông số SS, BOD, COD (<1000 mg/l ), chứa các chất hữu cơ dễ phân huỷ Đó là các hợp chất protein, hydratcacbon, chất béo có nguồn gốc động vật và thực vật Đây là các hợp chất chính có trong nước thải sinh hoạt, nước thải từ các xí nghiệp chế biến thực phẩm

 Nước thải giàu hữu cơ phức tạp: thông số SS, BOD, COD tương đối cao (hàng nghìn mg/l), chứa các chất hữu cơ khó phân huỷ có vòng thơm (hydrocacbua của dầu khí), các chất đa vòng ngưng tụ, các hợp chất clo hữu cơ, photpho hữu cơ…Chúng tồn tại lâu dài trong môi trường, gây độc cho sinh vật, đòi hỏi phương pháp

xử lý phức tạp hơn Điển hình cho loại nước thải này là nước thải chăn nuôi

1.2 Nước thải chăn nuôi lợn

1.2.1 Tình hình phát triển ngành chăn nuôi

• Trên thế giới và trong khu vực

Theo số liệu thống kê của Tổ chức Nông lương thế giới - FAO năm 2009 số lượng tổng đàn lợn trên thế giới là 887,5 triệu con [2] Tốc độ tăng về số lượng vật nuôi hàng năm của thế giới trong thời gian vừa qua thường chỉ đạt trên dưới 1% năm

Các cường quốc về chăn nuôi lợn của thế giới: bao gồm Trung Quốc 451,1 triệu con/năm, Hoa Kỳ 67,1 triệu con/năm, Brazil 37,0 triệu con/năm, Việt Nam đứng thứ 4 với 27,6 triệu con/năm và thứ năm là Đức với 26,8 triệu con/năm [2]

Theo số liệu thống kê của FAO năm 2009, Châu Á có tổng đàn lợn 534,3 triệu con Các nước có số lượng lợn lớn nhất Châu Á là Trung Quốc, Việt Nam, Ấn

Độ, Philippine và Nhật [1]

Trang 12

Bảng 1: Các nước có số lượng lợn nhiều nhất thế giới năm 2009 [2]

Bình quân mỗi ngày, mỗi đầu lợn thải ra khoảng 2kg phân, 1kg nước tiểu Theo khảo sát của tổ chức JICA và Viện Công nghệ môi trường, lượng nước tiêu thụ từ 10 - 40lít/đầu lợn/ngày đêm Ước tính, mỗi năm ngành chăn nuôi thải ra môi trường một lượng lớn chất thải rắn và lỏng, nếu không được xử lý sẽ gây ô nhiễm môi trường nghiêm trọng

1.2.2 Nước thải của ngành chăn nuôi lợn

Nước thải chăn nuôi lợn là nước tiểu lợn hoà lẫn với phân và nước rửa chuồng Thành phần nước tiểu tuỳ thuộc vào điều kiện dinh dưỡng và khí hậu Tuy

Trang 13

nhiên, nước tiểu lợn giàu đạm, kali… nên nước thải rất giàu dinh dưỡng Thành phần chủ yếu gồm có:

- Chất hữu cơ: 70 - 80% gồm cellulose, protit, axit amin, chất béo, hydratcarbon và các dẫn xuất của chúng Hầu hết các chất hữu cơ dễ phân hủy Các chất hữu cơ bền vững gồm các hợp chất hydrocacbon, vòng thơm, hợp chất đa vòng

- Vi sinh vật gây bệnh: nước thải chăn nuôi chứa nhiều loại vi trùng, virus

và trứng ấu trùng giun sán gây bệnh như: Giun sán, Salmonella, E Coli, Shigella

- Chất vô cơ: chiếm 20 - 30% gồm cát, đất, muối, urê, amoni, muối clorua,

SO4

2 Các chất rắn tổng số trong nước: gồm chất rắn lơ lửng và chất rắn hoà tan, chất rắn bay hơi và chất rắn không bay hơi do các chất keo protein, hydratcacbon, chất béo có trong nước thải hoặc được tạo ra khi gặp điều kiện như: pH, nhiệt độ,

độ cứng thích hợp Lượng chất rắn lơ lửng cao trong nước gây cản trở quá trình xử

lý chất thải

- Chất rắn lơ lửng trong nước thải chăn nuôi chủ yếu là cặn phân vật nuôi trong quá trình vệ sinh chuồng trại, trong phân có nitơ, phốt phát và nhiều vi sinh vật Phần lớn nitơ trong phân ở dạng amoni (NH4 ) và hợp chất nitơ hữu cơ Nếu không được xử lý thì một lượng lớn amoni sẽ đi vào không khí ở dạng amoniac (NH3)

Bảng 2: So sánh một số thông số đặc trưng nước thải chăn nuôi lợn của

Singapo, Trung Quốc và Việt Nam [3]

Trại lợn Đan Phuợng

Trại lợn Thụy Phương

Trại lợn Tam Điệp

Trại lợn Công ty Gia Nam

Trại Hồng Điệp

Trang 14

1.2.3 Các công nghệ xử lý nước thải chăn nuôi đã và đang được áp dụng

Hiện nay, có nhiều phương pháp xử lý nước thải chăn nuôi như phương pháp

xử lý lý học, phương pháp xử lý hóa học và hóa lý, phương pháp xử lý sinh học Trong đó, biện pháp sinh học được coi là phương pháp xử lý hiệu quả, thân thiện với môi trường và được ứng dụng rộng rãi Một cách tổng quát, phương pháp xử lý sinh học có thể phân thành hai loại: phương pháp yếm khí sử dụng nhóm vi sinh vật yếm khí, hoạt động trong điều kiện không có ôxi và phương pháp hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện cung cấp ôxi liên tục

Tuy nhiên, quá trình phát triển sinh khối yếm khí nhỏ hơn nhiều so với hiếu khí nên giảm nhu cầu dinh dưỡng và giảm chi phí xử lý bùn dư Không có chi phí ôxi, điều này giảm cả chi phí thiết bị lẫn vận hành hệ cấp khí (máy nén, hệ phân tán, chi phí điện năng) Khí metan sinh ra có giá trị nhiệt năng lớn, có thể thay thế khí đốt Lợi ích từ giảm phí xử lý bùn, giảm nhu cầu điện năng tiêu thụ, khả năng thu hồi - sử dụng metan nằm trong khoảng 0,053 - 0,132$/m3 nước thải sinh hoạt (Jewell 1987) Lợi ích từ sự giảm phí xử lý bùn và chi phí cấp khí lớn hơn chi phí năng lượng cho bản thân quá trình xử lý yếm khí (Jewell 1987) Hơn nữa phần lớn năng lượng vận hành có thể lấy từ biogas Các quá trình yếm khí chấp nhận tải đầu vào cao hơn nhiều so với hiếu khí, đó là vì không có cản trở do yêu cầu khuếch tán ôxi

Từ sau năm 1970, các công nghệ xử lý yếm khí mới ra đời và đã đạt được những thành tựu nổi bật, làm thay đổi bộ mặt của công nghệ yếm khí xử lý nước thải Trong đó đáng kể nhất, GS.Lettinga đã khởi động những nghiên cứu biến công nghệ yếm khí vốn được coi là công nghệ “phân hủy” bùn cặn năng suất thấp thành công nghệ xử lý nước thải giàu hữu cơ có năng suất rất cao, cao hơn cả công nghệ

xử lý nước thải tiêu chuẩn là công nghệ bùn hoạt tính hiếu khí [19] Theo Van Lier

kĩ thuật yếm khí hiện đại bắt đầu từ bồn khuấy trộn liên tục, tiến bộ hơn là bồn tiếp

Trang 15

xúc (thêm hệ lắng - tuần hoàn bùn), bước ngoặt là hệ UASB (Upflow Anaerobic Sludge Blanket) với lớp vi sinh dạng hạt Vi sinh trong hệ UASB là vi sinh dạng hạt kích thước lớn, mật độ cao nên quá trình lắng rất hiệu quả và cơ cấu lắng trở nên rất đơn giản: chỉ cần tách được khí ra khỏi hạt là hạt lắng rất nhanh

Do khả năng xử lý rất hiệu quả, công nghệ xử lý yếm khí với lớp bùn vi sinh dạng hạt tiếp tục được các nhà khoa học nghiên cứu sâu sắc và hoàn thiện hơn với những kỹ thuật mới được ra đời Biến thể của công nghệ UASB bắt đầu được ra đời với các kỹ thuật mới như EGSB (Expanded Granular Sludge Bed - đệm vi sinh dạng hạt trương nở), IC (Internal Circulation - kĩ thuật tuần hoàn nội), các kĩ thuật này thực sự trở thành một trong những công nghệ xử lý tốc độ cao (“high - rate”)

Tuy nhiên, nước thải chăn nuôi giàu SS chỉ có thể áp dụng các kỹ thuật thấp tải như hệ biogas phổ biến ở Việt Nam hoặc các bồn phân hủy yếm khí phổ biến ở các nước công nghiệp Các kỹ thuật cao tải cho phép xử lý từ vài tới vài chục kgCOD/m3/ngày (tùy loại bùn hoạt tính, bùn bông hay bùn hạt) nhưng các hệ yếm khí cao tải có yêu cầu nồng độ SS, VSS giới hạn, nếu áp dụng ngay cho toàn bộ nước thải thô là không khả thi Giải pháp là phải tách tốt SS trước xử lý yếm khí

Có nhiều phương pháp tiền xử lý được áp dụng để tách rắn - lỏng như: lắng trọng lực, li tâm, ép bùn, lọc,…Tuy nhiên ép bùn tiêu tốn năng lượng, chi phí cao; li tâm vận hành đơn giản nhưng có yêu cầu đầu tư lớn; lắng trọng lực có cơ cấu đơn giản và chi phí vận hành thấp Song các phương án này có chất lượng nước ra chưa đảm bảo về mặt SS Hiện nay, người ta đang bắt đầu nghiên cứu sử dụng bể lọc vật liệu lọc nổi, phương pháp này đơn giản, hiệu quả, chi phí thấp và có tiềm năng ứng dụng rất cao ở nước ta

1.3 Lý thuyết quá trình lọc và bể lọc vật liệu lọc nổi

Trang 16

phía sau và hai là ở công đoạn gần cuối, trước khử trùng: lọc để đảm bảo độ trong - yếu tố hàng đầu của chất lượng nước.

Về môi trường vật liệu lọc có hai nhóm chính:

- Nhóm vật liệu lọc dạng hạt, môi trường lọc là lớp vật liệu lọc dày

- Nhóm vật liệu dạng màng, môi trường lọc có độ dày không đáng kể

a Phương trình lọc:

Phương trình Đacxy (Darcy) - trường hợp lớp vật liệu lọc sạch [4]

Để nghiên cứu và theo dõi định lượng quá trình lọc người ta sử dụng phương trình Đacxy Khi lớp vật liệu lọc còn mới, chưa bám bùn cặn ta có:

Trường hợp lọc với màng lọc hình thành trong quá trình lọc [4]

Đây là trường hợp thông thường, dễ thấy nhất là khi lọc nước có độ đục cao

Khi đó ta sẽ thấy bùn cặn tích luỹ dần trên mặt lớp vật liệu lọc tạo thành lớp màng lọc thứ cấp từ các hạt cặn lơ lửng có trong nước thô (xem hình 1) độ dày của lớp

màng lọc này tăng dần theo thời gian, trở lực tăng, tuy nhiên khả năng lọc trong cũng tăng theo

Trong trường hợp này, yếu tố trở lực R trong phương trình Darcy (1.1) bằng:

Trang 17

Hình 1: Mô hình lọc với lớp màng lọc tự hình thành

RC có thể tính từ: RC = r

S

CV r S

C = mật độ cặn lơ lửng (SS) trong 1 đơn vị thể tích;

V = thể tích nước lọc trong thời gian thiết bị làm việc

Kết hợp pt (1.4) với pt (1.3) ta có:

VL VL

S

CV r R R

(1.5)Thay R từ pt (1.5) vào (1.1) ta có:

)

S

CV r

P v

+

=η

(1.6)Mặt khác: tốc độ lọc v tính bằng thể tích nước lọc trên một đơn vị diện tích lọc trong một đơn vị thời gian, kết hợp pt (1.6) ta có:

CV r

P dt

dV S

1

η (1.7)Giả thiết, nếu trở lực riêng r không đổi (r = const) nghĩa là lớp lọc không bị nén, lấy tích phân pt (1.7) ta có :

Trang 18

Hình 2: Đồ thị mô tả quá trình lọc theo phương trình 1.8

Nếu quá trình lọc kéo dài, quy luật nói trên sẽ bị vi phạm, năng suất lọc sẽ giảm mạnh, t/V sẽ tăng đột ngột (xem hình 2) Đó là vì khi lọc lâu dài, lớp lọc bị nén lại, trở lực lọc riêng của lớp cặn r sẽ tăng theo phương trình:

r = ro + r1PS (1.9)

Trong đó: r = trở lực riêng hay hệ số lọc, m/kg;

ro = là trở lực riêng khi P = 0;

r1 = là trở lực riêng khi P = 1 atm;

s = là thông số thể hiện khả năng nén cặn

Để so sánh khả năng lọc các loại cặn khác nhau có thể dùng đại lượng r0 5

hay trở lực riêng xác định ở áp suất 0,5 atm

b Cơ chế lọc[5]:

Tùy bản chất của cặn cần lọc, kỹ thuật và VLL áp dụng có thể gặp các cơ chế lọc và hiện tượng sau: lưu giữ, bám dính và hiện tượng đánh thủng…

- Các cơ chế lưu giữ

Cơ chế lưu giữ có thể hiểu là cơ chế “lọc” thuần tuý vật lý được ghi nhận trong trường hợp lọc qua lưới lọc, màng lọc có kích thước lỗ đã định Trong trường hợp này lớp lọc hoạt động theo nguyên lý cái rây bột: hạt cặn nhỏ đi qua, hạt lớn bị lưu giữ lại Trong thực tế, hạt nhỏ hơn đường kính lỗ trống cũng có thể bị lưu giữ lại nếu đồng thời nhiều hạt nhỏ cùng qua một lỗ trống, hoặc hạt cần lọc bị tăng kích thước do nhiều nguyên nhân khác nhau

Trong trường hợp này, các cơ chế sau có thể lần lượt hoặc đồng thời xuất hiện:

 Nhiều hạt nhỏ chen nhau cùng qua khe trống nên bị kẹt lại;

 Hạt nhỏ trong khi theo dòng chảy qua lỗ trống bị cọ xát vào lớp vật liệu lọc rắn và bị giữ lại do lực bề mặt (hấp phụ);

 Do gia tốc trọng trường, hạt cặn lắng trên bề mặt VLL ở khu vực không có lỗ trống

Những cơ chế này xuất hiện trong cả kỹ thuật lọc màng và kỹ thuật lọc bằng

lớp vật liệu lọc dạng hạt

- Cơ chế bám dính

Khi tốc độ dòng chảy không lớn, các lực bề mặt có thể gây ra sự bám dính các hạt cặn trên bề mặt VLL Bản chất các lực bề mặt khá phức tạp, phổ biến là lực hút tĩnh điện và lực Van dec Val (Van der Waals)

- Hiện tượng đánh thủng

Trang 19

Trong quá trình lọc qua lớp VLL hạt, do các cơ chế nêu trên nên khe trống giữa các hạt VLL bị lấp đầy dần bởi các hạt cặn bị lưu giữ hoặc bám dính Như vậy, thiết diện chảy thực tế bị thu hẹp dần, tốc độ dòng chảy qua khe sẽ tăng và kéo theo các hạt cặn nhỏ vào sâu trong lớp VLL hạt, thậm chí hạt cặn bị kéo theo nước lọc Trường hợp này nước lọc giảm chất lượng, ta nói lớp lọc bị đánh thủng.

- Hiện tượng “tắc” và sự phục hồi lớp vật liệu lọc

Hiện tượng “tắc” thiết bị lọc do cặn bít dần các khe, lỗ trống mà nước có thể chảy qua theo các cơ chế đã nêu Trong trường hợp này vẫn có thể tiếp tục lọc bằng cách tăng áp suất Ví dụ: nếu lọc trọng lực như đối với bể cát có thể để mực nước trên lớp VLL dâng tới mức độ vài mét Đối với các thiết bị lọc áp lực với lớp VLL

là cát có thể nâng áp lực tới vài atm

Thông thường, khi thiết kế thiết bị lọc có thể chấp nhận một mức độ “tắc” nhất định Để vượt qua hiện tượng này có thể tăng mực nước hoặc mức áp áp vào lớp VLL để giữ tốc độ lọc không đổi

Khi tổn thất áp vượt quá mức độ đã định (do sự tích luỹ lớp bùn cặn) cần phục hồi lại lớp vật liệu lọc về trạng thái ban đầu bằng cách rửa sạch lớp vật liệu lọc khỏi bùn cặn, gọi là rửa lọc Cách rửa phụ thuộc vào loại vật liệu và kỹ thuật lọc áp dụng, có một số kỹ thuật sau:

Rửa ngược là phổ biến nhất và là kỹ thuật duy nhất đối với các thiết bị lọc dùng lớp vật liệu dạng hạt Môi trường để rửa thường là nước sạch và ở các trạm lớn là hỗn hợp khí - nước Đối với các loại màng lọc như màng lọc micro, nano sau rửa ngược thường phải xử lý hoá chất bổ sung

Rửa bằng cách xả cặn bằng trọng lực hay áp dụng đối với kỹ thuật lọc nổi,

kỹ thuật lọc màng điatomit Khi đó chỉ cần dùng lượng nhỏ nước sạch để tráng vật liệu lọc

1.3.2 Thông số kiểm soát động học của bể lọc

Để kiểm soát hoạt động của một hệ lọc ta cần theo dõi một trong hai thông

số hoặc cả hai, đó là tổn thất áp lực khi lọc và độ đục của nước sản phẩm.

Xét một bể lọc trọng lực, tổn thất áp ∆P có thể khảo sát gián tiếp thông qua mức dâng mực nước trên lớp vật liệu lọc hoặc trực tiếp thông qua độ chênh lệch mức nước trong bể lọc và trong ống đo mực nước trong suốt lắp ở ống thu nước gọi

là piezometer Thông thường, đối với những bể lọc trọng lực người ta thiết kế mức tổn thất áp nhỏ hơn hoặc bằng 1,5m [20] hoặc 2,4m [16]

Nếu khảo sát ∆P theo thời gian, bắt đầu từ lúc cát lọc vừa được rửa sạch, tổn thất áp ∆P tăng dần theo thời gian lọc, càng về sau tăng càng nhanh Thời gian để

Trang 20

đạt ∆Pmax tối đa cho phép càng dài càng tốt, cho phép ít nhất là t1 = 12 giờ (TCN 33 - 85), thường được thiết kế là 24h (xem hình 3) để tiết kiệm chi phí rửa lọc.

a Độ đục của nước lọc

Chất lượng nước lọc được đánh giá thông qua đại lượng nghịch của độ trong

là độ đục (đo bằng đơn vị NTU hoặc mg/l) NTU dễ dàng đo được bằng máy đục

kế, thậm chí ở chừng mực nhất định những cán bộ có kinh nghiệm có thể xác định bằng mắt

Khác với ∆P tăng đều suốt quá trình lọc, khi khảo sát độ đục từ điểm bắt đầu lọc theo thời gian, thấy quá trình lọc có thể chia làm 3 giai đoạn (hình 4)

Hình 3: Sự gia tăng tồn thất áp ∆P trong quá trình lọc

Hình 4: Diễn biến của độ đục và tổn thất áp suất trong quá trình lọc

Giai đoạn một từ 0 đến t 1 : trên Hình 4 độ đục giảm dần theo thời gian lọc tới

khi đạt độ đục tối thiểu Đoạn từ 0 đến to nước còn đục cần xả lọc, gọi là xả lọc đầu

Sau to nước trong bắt đầu có thể thu nuớc vào bể Thời gian t1 ứng với điểm chuyển sang giai đoạn hai dài hay ngắn phụ thuộc vào công nghệ lọc được áp dụng và chất lượng nước vào

t

Độ đụcMức tổn thất áp cho

phép

Trang 21

Giai đoạn hai từ t 1 đến t 2: độ đục ổn định ở mức tối thiểu trong thời gian dài

và kết thúc ở t2 khi độ đục bắt đầu tăng Đây là giai đoạn thu nước chính

Giai đoạn ba từ t 2: độ đục bắt đầu tăng dần tới tm vượt mức giới hạn cho phép, lúc này phải dừng lọc để rửa lọc

Thời điểm thu nước có chất lượng đảm bảo bắt đầu từ thời điểm mà nước đạt

độ trong cần thiết, có thể trước t1 và kết thúc ở trước tm là thời điểm độ đục của nước lọc vượt tiêu chuẩn

Để xác định chính xác thời gian làm việc của bể hay thiết bị lọc thường phải xác định tại chỗ bằng thực nghiệm trong quá trình chạy thử để định ra chu trình làm việc cho bể hay thiết bị lọc hoặc có thể dùng các phương trình thực nghiệm

Để tự động hoá quá trình lọc rửa có thể theo dõi một trong hai thông số vừa nêu những thông số thứ nhất - tổn thất áp để thực hiện hơn và có độ tin cậy cao vì tổn thất áp dễ dàng đo được bằng các thiết bị đơn giản như phao định mức hay các đầu đo mức chất lỏng cơ khí hoặc điện tử Gần đây cũng đã xuất hiện các thiết bị giám sát độ đục trên đường ống cho phép kiểm soát qúa trình lọc tự động với độ tin cậy cao

b Diễn biến áp suất dọc lớp cát lọc trong quá trình lọc

Trên Hình 5 mô tả diễn biến tổn thất áp trong quá trình lọc cát: phía trái là

mô hình bể lọc (mặt cắt đứng), A là mức nước trong bể lọc; B là mức mặt cát lọc; D

là mức đáy bể khi kết thúc lớp cát lọc, BD là bề dày lớp cát lọc Trong đồ thị bên cạnh, nếu trục tung và trục hoành có cùng tỷ lệ xích thì đường A’d0 sẽ tạo một góc

450 so với trục hoành Nếu xét áp suất thủy tĩnh thì B’b là áp suất cột nước ở mức B; C’c0 là áp suất thủy tĩnh ở mức C; D’d0 là áp suất thủy tĩnh ở đáy lớp lọc D

A

B C D E

f

Trang 22

Hình 5: Bể lọc tự chảy và diễn biến áp lực trong bể lọc tự chảy

Khi bể lọc bắt đầu làm việc, đường 1 là đường mô tả diễn biến tổn thất áp suất trong cát sạch: C0C1 là tổn thất áp khi nước đi qua đoạn BC; D0D1 là tổn thất áp trên toàn bể dày lớp vật liệu lọc BD Như vậy tổn thất áp ∆P tỷ lệ thuận với ∆H bề dày lớp vật liệu lọc BD như trong pt Dacxy (pt 1.1)

Khi lớp vật liệu lọc bắt đầu có hiện tượng nhiễm bẩn ta có đường số 2: đoạn cong bC2 ứng với C0C2 sẽ là tổn thất áp trên đoạn BC Qua khỏi mức C nước lại gặp lớp cát sạch, khi đó tổn thất áp lại tuân theo pt Dacxy, đường số 2 sẽ song song với đường 1, tới khi ra khỏi lớp cát lọc ở mức D ta có tổn thất áp chung là D0D2

Càng lọc lớp cát càng nhiễm bẩn khi đó mức C sẽ dịch dần về phí đáy D ta

có đường số 3 Như vậy mặt phẳng ở mức C chia lớp cát thành hai phần: phần trên

C là lớp cát bẩn và phần dưới C là lớp cát sạch, gọi C là “biên lọc” Càng lọc biên lọc càng tiến xuống phía dưới theo hướng mặt D đồng thời dịch sang trái Tới D ta

có tổn thất áp bằng DoDf

Nếu tiếp tục lọc tới thời điểm mặt biên lọc sẽ vượt quá đáy D tới mức E, khi

đó tổn thất áp giả tưởng ứng với đoạn D0Ef Trường hợp này lớp lọc bị “đánh thủng” nghĩa là mức C đã bị dịch xuống mức E thấp hơn D - đáy lớp vật liệu lọc, cặn bẩn lọt ra ngoài lớp lọc bảo vệ Như vậy tổn thất áp DoDf là mức tối đa mà bể lọc với lớp cát BD có thể chịu được

Hình ảnh trên cho ta bức tranh hoạt động của bể lọc cát: chỉ được lọc và thu nước lọc tới khi lớp cát còn giữ được cặn hay tới khi tổn thất áp đạt giá trị tới hạn Sau đó phải dừng lọc và rửa lọc

1.3.3 Bể lọc vật liệu lọc nổi

Hình 6: Bể lọc vật liệu nổi

Trang 23

1 - nước thô; 2 - ngăn thu nước lọc; 3 - dàn phân phối nước thô; 4 - thân bể lọc; 5 - máng thu nước lọc; 6 - phao chỉnh lưu lượng; 7 - thu nước lọc; 8 - xả nước rửa lọc.

Bể lọc nổi thực chất là bể lọc tiếp xúc, mọi chức năng nguyên lý của bể tiếp xúc đều có thể áp dụng cho bể lọc nổi Điểm khác nhau cơ bản của hai loại bể lọc này là vật liệu lọc: bể lọc nổi dùng vật liệu lọc là những hạt polystyren tổng hợp có

tỉ trọng đổ đống 10 ÷ 30kg/m3 nên nổi được trong môi trường nước Chính vì nổi được nên muốn cho lớp vật liệu này có tính lọc cần có cấu kết đục lỗ để chắn phía trên, ngoài ra cần có lưới để ngăn hạt vật liệu lọc không bị rửa trôi khi xả kiệt

Cũng như bể lọc tiếp xúc, bể lọc nổi có thể dùng như:

- Bể lọc phá đối với nước thô có hàm lượng SS cao hoặc rất cao;

- Bể lọc cấp 1 đối với nước đã xử lý sơ bộ (lắng);

- Bể lọc tiếp xúc đối với nước ngầm nhiễm sắt, nước mặt có đánh phèn

Như vậy, nếu áp dụng bể lọc nổi sẽ bỏ qua bể trộn phèn - tạo bông - lắng (đối với nước mặt) hoặc lắng tiếp xúc (đối với nước ngầm)

Tốc độ lọc nổi thường thiết kế ở mức 2 ÷ 4m/h;

Rửa lọc

Bể lọc nổi thường được thiết kế theo chế độ tự rửa nhờ áp lực cột nước dư ở phía trên lớp vật liệu lọc Điều này cho phép ta loại bỏ bơm rửa lọc trong thiết kế Cột nước trên lớp vật liêụ lọc nên để khoảng 1 m

Trang 24

1.3.3.1 Tình hình sử dụng bể lọc vật liệu lọc nổi trên thế giới và Việt Nam

Từ những năm 70, một số nước như Liên Xô và Tiệp Khắc đã dùng bể lọc VLL nổi trong lĩnh vực xử lý nước ngầm, nước mặt và nước thải

* Ở Tiệp Khắc: năm 1974, phòng thí nghiệm xử lý nước VELKE ZELNOSEKY đã tiến hành thí nghiệm xử lý nước trên mô hình loại bể lọc VLL nổi

để xử lý nước ngầm có chứa hàm lượng Fe 1,4 mg/L, sau đó được đem ra áp dụng tại huyện LITOMERICE Nhiều công trình xử lý nước đã sử dụng loại bể lọc này

Từ năm 1982 đến năm 1986 PTS Phạm Ngọc Thái đã nghiên cứu bể lọc VLL nổi

sử dụng trong xử lý nước mặt tại trường Đại học BRNO

* Ở Liên Xô: việc nghiên cứu trên mô hình được thực hiện vào những năm

1973 - 1974, đến năm 1975 loại bể lọc VLL nổi đã đưa vào sử dụng [8, 11] Năm

1992, Giáo sư tiến sĩ KHKT M.G.ZURBA đã cho xuất bản cuốn “các thiết bị lọc vật liệu nổi penopolystyrol” (nhà xuất bản xây dựng Matscơva) Tài liệu giới thiệu một số bể lọc VLL nổi với nhiều dạng khác nhau Loại bể lọc có hướng chuyển động của dòng nước từ dưới lên trên là phổ biến mà một số công trình ở Việt Nam

đã sử dụng

* Ở Việt Nam: từ năm 1988 đến nay, bể lọc VLL nổi được sử dụng khá nhiều

cho các trạm xử lý nước công suất nhỏ trong phạm vi cả nước, đến nay đã được phát triển trên tới quy mô công suất 10000m3/ngày tại trạm xử lý nước Thị xã Sóc Trăng Bảng 4 giới thiệu một số trạm xử lý nước ở địa phương, áp dụng cho quy mô công suất khác nhau với hai nguồn nước: nước ngầm, nước mặt

Bảng 4: Một số công trình sử dụng bể lọc VLL nổi đã xây dựng

(m 3 /ngày)

Năm xây dựng

Loại nguồn nước

Trang 25

1.3.3.2 Những ưu việt của bể vật liệu lọc nổi

Việc sử dụng bể lọc VLL nổi trong thực tế có những ưu điểm và mang lại ý nghĩa Kinh tế Kỹ thuật- Xã hội sâu sắc đó là:

- Rửa lớp VLL đơn giản không cần trang bị máy bơm rửa lọc [8, 9, 13]

Đối với những trạm công suất vừa và lớn đương nhiên phải trang bị hệ thống rửa bể lọc Có thể rửa bằng nước thuần tuý hoặc rửa bằng nước và gió kết hợp nhằm tiết kiệm nước rửa Kinh phí cho việc trang bị hệ thống rửa lọc chiếm tỉ lệ nhỏ so với kinh phí toàn bộ công trình Nhưng đối với những trạm công suất nhỏ, phần kinh phí này lại chiếm tỷ lệ cao Mặt khác việc rửa lọc cũng khá phức tạp Do đó, đối với những đối tượng dùng sẽ gặp khó khăn về kinh phí và cách quản lý vận hành Khi dùng bể lọc vật liệu lọc nổi, thực hiện rửa lọc bằng cách tạo ra sức va thuỷ lực nhờ van mở nhanh, không cần dùng máy bơm, việc rửa lọc thuận lợi do đó giảm được kinh phí và thuận lợi trong công tác quản lý

- Tiết kiệm năng lượng và nước rửa VLL [8, 10, 11]

Khi sử dụng bể lọc VLL nổi không cần máy bơm rửa lọc chính là đã tiêt kiệm đươc chi phí điện năng Rửa bể lọc VLL nổi chỉ cần 1 - 2 phút, cường độ rửa khoảng 10 l/s.m2 vì vậy tiết kiệm được rất nhiều nước rửa

- Tiết kiệm cao trình và kinh phí xây dựng [8, 9, 10, 11]

Chiều cao xây dựng bể lọc VLL nổi nhỏ (2,5 ÷ 3 m), độ chênh lệch cao trình giữa bể lọc và bể chứa nhỏ do tổn thất áp lực qua bể nhỏ, thường chỉ lấy độ chênh cao trình mặt nước giữa hai bể là 0,5m, vì thế có thể nâng cao trình của bể chứa, thuận tiện cho thi công

Do tổn thất áp lực qua bể nhỏ nên rất thích hợp với sơ đồ công nghệ lọc nhiều đợt Nếu lọc hai đợt bằng cả hai bể lọc nổi thì chênh lệch cao trình giữa bể lọc đợt một và đợt hai là 0,5m, giữa bể lọc đợt hai và bể chứa là 0,5m thì độ chênh cao trình là 1m Vì vậy các bể lọc VLL nổi và bể chứa đều có thể đặt nổi trên mặt đất, điều đó giảm được kinh phí xây dựng một cách đáng kể

1.3.3.3 Các đặc trưng của vật liệu lọc nổi

Vật liệu nổi có các tên gọi khác nhau là polystyrene (tiếng Tiệp Khắc), penopolystyrol (tiếng Nga), styropo, trong dân gian thường gọi là “xốp”

Nguyên liệu chính cho bọt polystyrene ở thể tạo bọt, được sản xuất bằng phương pháp trùng hợp Trong thương mại thường gọi là Koplen Koplen được chế

Định dạng
Số trang	51
Dung lượng	3,9 MB