Đề tài: Lắng và lọc trong xử lý nước cấp

Tài nguyên nước là thành phần chủ yếu của môi trường sống, góp phần vào sự thành công trong các chiến lược, quy hoạch, kế hoạch phát triển kinh tế - xã hội, bảo đảm quốc phòng, an ninh quốc gia

TRƯỜNG ĐẠI HỌC KHOA HỌC HUẾ

KHOA MÔI TRƯỜNG

- -

Sinh viên thực hiện:

Nguyễn Xuân Thành Nguyễn Văn Nghĩa

Huế, 10/2011

MỞ ĐẦU

Tài nguyên nước là thành phần chủ yếu của môi trường sống, góp phần vào sự thành công trong các chiến lược, quy hoạch, kế hoạch phát triển kinh tế - xã hội, bảo đảm quốc phòng, an ninh quốc gia Hiện nay, nguồn tài nguyên thiên nhiên quý hiếm và quan trọng này đang phải đối mặt với nguy cơ ô nhiễm và cạn kiệt Nguy cơ thiếu nước, đặc biệt là nước ngọt và nước sạch là một hiểm họa lớn đối với sự tồn vong của con người cũng như toàn bộ sự sống trên trái đất Do đó, con người cần phải có các biện pháp bảo vệ và sử dụng hợp lý nguồn tài nguyên nước Phải giữ cho nguồn nước sạch, thậm chí hứng từng giọt nước; tái chế nước bẩn thành nước sạch

Vai trò của nước đối với sản xuất và đời sống là vô cùng quan trọng nhưng hiện nay vấn đề đặt ra với chúng ta là phải bảo vệ nguồn nước nhất là nước ngọt một cách triệt để nhất vì cuộc sống của chúng ta và tương lai Chính vì vậy để đáp ứng nhu cầu sử dụng nước cho người dân thì việc xử lí nước cấp là hết sức quan trọng để đảm bảo chất lượng của bộ Y Tế Việt Nam quy định Hiện nay đã có nhiều phương pháp xử lí nước, bên cạnh một số phương pháp hiện đại như tuyển nổi, phương pháp màng…thì phương pháp truyền thống lắng, lọc vẫn được áp dụng rộng rãi cho các nhà máy xử lí nước và đạt hiệu quả cao

I Lắng và các loại bể lắng

1 Khái niệm chung

Lắng là quá trình làm sạch cơ bản trong công nghệ xử lý nước Nước cần xử lý được đưa vào bể và giữ lại đó trong suốt quá trình làm việc Nhờ diện tích tiết diện bể lớn, tốc độ dòng chảy nhỏ mà quá trình xảy ra trong bể gần như ở trạng thái tĩnh Dưới tác dụng của lực trọng trường, các hạt cặn có khối lượng riêng lớn hơn khối lượng của nước bao quanh nó sẽ tự lắng xuống

Bằng biện pháp nhân tạo, người ta có thể làm tăng kích thước hạt nhờ quá trình tạo bông keo, như vậy sẽ làm tăng tốc độ lắng của hạt, khi chúng có khả năng tiếp xúc với

nhau, để lại tạo ra các hạt có kích thước lớn hơn Khi xét đến khả năng liên kết giữa các hạt trong nước, người ta phân chia quá trình lắng tự do theo hai loại: lắng tự do của hạt không liên kết và lắng tự do khi các hạt có khả năng liên kết với nhau Lắng tự do của các hạt riêng lẻ (không liên kết) xảy ra khi khả năng liên kết tự nhiên của các hạt không đáng kể, ví dụ trường hợp các hạt cát Trong quá trình này các hạt cặn luôn duy trì tính đồng nhất, không thay đổi kích thước, không thay đổi khối lượng riêng và như vậy tốc

độ lắng của chúng được xem như không đổi Ngược lại, trong quá trình lắng kèm theo quá trình tạo bông keo thì các hạt tương tác với nhau, tạo ra bông keo và do vậy kích thước và trọng lượng có thể thay đổi, vận tốc lắng cũng do vậy mà thay đổi

2 Lý thuyết lắng các hạt riêng lẻ

Lắng các hạt riêng lẻ xảy ra khi trong suốt quá trình lắng các hạt không thay đổi kích thước, hình dạng và trọng lượng của chúng Trong chất lỏng các hạt như vậy sẽ chuyển động rơi thẳng đứng khi khối lượng riêng của nó lớn hơn khối lượng riêng của chất lỏng bao xung quanh nó Chuyển động của các hạt sẽ tăng tốc dần cho đến khi lực

ma sát của chất lỏng bằng với lực rơi Sau đó vận tốc thẳng đứng của hạt so với chất lỏng lơ lửng sẽ không đổi

- Vận tốc lắng của hạt tuân theo phương trình Newton:

Hoặc trong trường hợp riêng, theo phương trình Stokes:

Hình vẽ: Đồ thị xác định vận tốc lắng theo đường kính và khối lượng riêng của hạt lắng ở 10 o C

Vận tốc lắng của hạt hình cầu trong nước tĩnh ở các nhiệt độ khác nhau

3 Lý thuyết lắng các hạt keo tụ

Lắng có keo tụ tạo bông xảy ra khi nước là một huyền phù chứa nhiều hạt với kích thước khác nhau và có vận tốc lắng khác nhau Khi hàm lượng hạt lớn, trong quá trình lắng chúng sẽ va chạm vào nhau, hấp phụ và kết dính với nhau tạo thành hạt có kích thước lớn hơn và có vận tốc lớn hơn Kết quả là phần ở trên bể lắng, vận tốc lắng nhỏ hơn, càng xuống dưới đáy vận tốc càng cao vì kích thước hạt tăng lên

Hình vẽ: Mô tả quá trình lắng có bông cặn theo thời gian và chiều sâu của bể

Do các bông cặn lớn dần lên nên lực ma sát do nước chuyển động ngược chiều với hạt cũng tăng lên, tỷ lệ nghịch với kích thước của bông cặn Ngoài ra, khi bông cặn lớn lên thì lực kéo trên một đơn vị diện tích tiết diện bông cặn cũng lớn lên và tỷ lệ thuận với kích thước của bông cặn Khi bông cặn lớn đến một kích thước nhất định, lực kéo

đủ lớn để phá vỡ bông cặn làm cho kích thước bông cặn không thể tăng được nữa Từ thời điểm đó vận tốc lắng sẽ không thay đổi và hiệu quả lắng không tăng, dù thời gian lắng có thể kéo dài hơn

Khi thiết kế bể lắng có lưu lượng Q (m3/s), thời gian lắng To và vận tốc lắng so thì kích thước bể tính như sau:

V = Q*To ; A = Q/so ; H= so*To

 Cấu tạo bể lắng ngang

Bể lắng ngang có dạng hình chữ nhật, có thể làm bằng gạch hoặc bê tông cốt thép

(1) Ống dẫn nước từ bể phản ứng sang

(2) Máng phân phối nước

(3) Vách phân phối đầu bể

 Căn cứ vào biện pháp thu nước lắng người ta chia bể lắng ngang làm hai loại:

- Bể lắng thu nước cuối bể: Thường kết hợp với bể phản ứng có vách ngăn hoặc

Để đảm bảo việc phân phối đều trên toàn bộ diện tích bể lắng, cần đặt vách ngăn

có đục lỗ ở đầu bể Phía dưới ở trên mặt của vùng chứa nén cặn không cần phải khoan

lỗ

Các lỗ của ngăn phân phối nước có thể tròn hoặc vuông, đường kính hay kích thước cạnh 50*150mm, vận tốc nước qua lỗ 0,2-0,3 m/s

 Xả cặn:

Cặn ở bể lắng ngang thường tập trung ở nửa đầu bể, vì lượng cặn lớn nên việc xả cặn là rất quan trọng Nếu việc xả cặn không kịp thời sẽ làm giảm chiều lắng của bể Mặt khác cặn có chứa chất hữu cơ, khi lên men tạo nên bọt khí làm phá vỡ và vẫn đục nước đã lắng

- Xã cặn bằng cơ giới:

- Xã cặn bằng thủy lực:

Ưu điểm: Gọn, có thể làm hố thu cặn ở đầu bể và cũng có thể làm nhiều hố thu cặn

dọc theo chiều dài của bể Hiệu quả xử lý cao

Nhược điểm: Giá thành cao, có nhiều hố thu cặn tạo nên những vùng xoáy làm

giảm khả năng lắng của các hạt cặn, chiếm nhiều diện tích xây dựng

4.2 Bể lắng đứng

 Điều kiện để hạt giữ lại trong bể lắng

Trong bể lắng đứng nước chuyển động tự do theo phương chuyển động từ dưới lên ngược chiều với hướng rơi của hạt

Ở điều kiện dòng chảy lý tưởng, nếu gọi tốc độ dòng nước là vu thì các hạt có tốc

độ lắng vs>vu mới lắng xuống được

 Nguyên tắc làm việc

Nước chảy vào ống trung tâm giữa bể, đi xuống dưới vào bể lắng Nước chuyển động theo chiều từ dưới lên trên, cặn rơi từ trên xuống đáy bể Nước đã lắng trong được thu vào máng vòng bố trí xung quanh thành bể và đưa sang bể lọc

Cặn tích lũy ở vùng chứa cặn được thải ra ngoài theo chu kỳ bằng ống và van xả cặn

Ưu điểm: Thiết kế nhỏ gọn, diện tích đất xây dựng không nhiều, thuận tiện trong việc xả bùn hoặc tuần hoàn bùn

Nhược điểm: Hiệu quả xử lý không cao bằng bể lắng ngang, chi phí xây dựng tốn kém, hiệu suất xử lý không cao

4.3 Bể lắng lamellar

 Cấu tạo bể lắng lamellar

Có cấu tạo giống bể lắng ngang thông thường, nhưng khác với bể lắng ngang là trong vùng lắng của bể lắng lamellar được đặt thêm các bản vách ngăn bằng thép không

rỉ hoặc bằng nhựa Các bản vách ngăn này nghiêng một góc 45-60o so với mặt phẳng nằm ngang và song song với nhau

 Tác dụng và cơ chế của quá trình lắng

Nước từ bể phản ứng vào bể lắng sẽ chuyển động giữa các bản vách ngăn nghiêng theo hướng từ dưới lên và cặn lắng xuống đến bề mặt bản vách ngăn nghiêng sẽ trượt xuống theo chiều ngược lại và tập hợp về hố thu cặn, từ đó theo chu kỳ xả đi

Ưu điểm: Do cấu tạo thêm các bản vách ngăn nghiêng nên bể lắng loại này hiệu quả xử lý cao hơn bể lắng ngang

Nhược điểm: Chi phí lắp ráp cao, phức tạp Việc vệ sinh bể định kỳ khó khăn Theo thời gian thì các tấm lamellar sẽ cũ, xiêu vẹo

4.4 Bể lắng tiếp xúc ( bể lắng tạo bông)

 Nguyên tắc hoạt động

Nước sau khi trộn với phèn hoặc hóa chất khác, tiếp xúc với cặn đã lắng của bể lắng sẽ đẩy nhanh quá trình tạo ra bông cặn của các chất bẩn có trong nước

Trong thực tế có hai loại kết cấu của bể lắng tiếp xúc

- Loại thứ nhất: Kiểu bể có quá trình tạo bông và lắng xảy ra đồng thời Khi nước chuyển động từ dưới lên trên đi qua lớp cặn với tốc độ đủ lớn để giữ cặn trong tình trạng lơ lửng, nhưng bé hơn tốc độ lắng tự do của từng bông cặn trong môi trường tĩnh, để những bông cặn này không cuốn ra khỏi bể

- Loại thứ hai: Kiểu bể có quá trình phản ứng tạo bông cặn và lắng tách rời, ngăn phản ứng đặt ở tâm bể lắng Nước và hóa chất được trộn lẫn trong bể phản ứng, tại đây hỗn hợp các hạt cặn và nước được đưa sang bể lắng theo hướng dưới lên các hạt cặn tiếp xúc với nhau và tạo các bông cặn và lắng xuống

 Cấu tạo bể lắng:

- Loại thứ nhất:

- Loại thứ hai:

Ưu điểm:

- Hiệu quả xử lý cao, ít tốn diện tích xây dựng

- Đối với loại thứ nhất không cân bể phản ứng, bởi vì quá trình phản ứng và tạo bông xảy ra trong điều kiện tiếp xúc ngay trong lớp cặn lơ lửng của bể lắng

Nhược điểm:

- Kết cấu phức tạp, chi phí xây dựng cho loại thứ hai tốn kém

- Chế độ quản lý chặt chẽ, đòi hỏi công trình làm việc liên tục suốt ngày đêm

- Nhạy cảm với sự giao động lưu lượng và nhiệt độ của nước

4.5 Bể lắng li tâm (Radian)

Trong các bể lắng đứng và lắng ngang ạt cặn lắng xuống đấy bể dưới tác dụng của lực trọng trường có gia tốc bằng 9,81 m/s2 Khi quay một khối lượng nước có chứa các hạt cặn bẩn, các hạt bị văng ra xa tâm quay dưới tác dụng của lực ly tâm có gia tốc a bằng: a = v2/R (m/s2)

Trong đó: v- Vận tốc quay vòng của nước khi quay (m/s)

ra khỏi nước trong các thiết bị ly tâm hay xiclon thủy lực sau một khoảng thời gian bé hơn nhiều so với các bể lắng khác

 Cấu tạo bể ly tâm

Bể lắng ly tâm có dạng hình tròn, đường kính từ 5m trở lên, thường dùng để sơ lắng nguồn nước có hàm lượng cặn cao, Co>2000mg/l

 Nguyên lý làm việc

Nguồn nước đi vào xiclon ở phần trên theo phương tiếp tuyến với tiết diện ngang

và quay xung quanh trục của xiclon rồi đi vào ống thu đặt trên đỉnh đồng trục với xiclon Cặn bị văng ra thành xiclon trượt xuống dưới đi vào côn thu rồi từ đó được tháo liên tục ra ngoài qua ống đặt ở đáy côn

5 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lắng

 Lưu lượng nước thô

 Nồng độ pH trong nguồn nước

 Thời gian lắng( thời gian lưu)

 Khối lượng riêng và tải lượng tính theo SS

 Tải lượng thủy lực

 Sự keo tụ các hạt rắn

 Vận tốc dòng chảy trong bể

 Nhiệt độ của nước thải

II Lọc và các loại bể lọc

1 Khái niệm chung

- Lọc nước được sử dụng để tách các hạt lơ lủng nhỏ và các vi sinh vật không loại được trong quá trình lắng ra khỏi nước

- Qúa trình lọc: là cho nước đi qua lớp vật liệu lọc với một chiều dày nhất định

đủ để giữ lại trên bề mặt hoặc giữa các khe hở của lớp vật liệu lọc các hạt cặn và VSV trong nước

+ Làm giản nở lớp lọc để tăng thể tích các khe rỗng

+ Tạo điều kiện thuận lợi cho các hạt cặn đã tách ra khỏi bề mặt hạt các

chuyển động đi lên cùng nướcdẫn ra ngoài

- Tổn thất áp lực ban đầu trong lớp vật liệu lọc phụ thuộc vào tốc độ lọc, độ nhớt của nước, kích thước và hình dạng của nước lỗ rỗng trong lớp vật liệu lọc, chiều dày lớp vật liệu lọc Trong quá trình lọc số lượng cặn bẩn trong nước do vật liệu lọc giữ lại ngày càng tăng, cho nên tổn thất áp lực qua lớp vật liệu lọc cũng không ngừng tăng lên, khi đến 1 trị số giới hạn lớp vật liệu lọc bị nhiễm bẩn hoàn toàn vật liệu lọc có thể

là các hạt hoặc lưới cứng, màng lọc hoặc gạch xốp

- Quá trình lọc được đặc trưng bởi:

+Tốc độ lọc: là lượng nước qua một đơn vị diện tích bề mặt của bể lọc trong

1 đơn vị thời gian

+ Chu kì lọc: Khoảng thời gian giữa hai lần rửa bể lọc

+ Lượng than antraxit có đường kính cỡ hạt nhỏ hơn qui định không

được vượt quá 5%

+ Lượng than antraxit có đường kính cỡ hạt lớn hơn qui định không

được vượt quá 10%

Chì Pb < 10 ppm Kẽm Zn < 50 ppm Cadmi Cd < 1 ppm Arsenic As < 2 ppm

Độ ẩm < 8% tính theo khối lượng

Tỷ trọng > 0,36 g/cm

3

- Sỏi đá: (2-20mm h:100mm),(20-40mm h=150mm)

- Các loại vật liệu tổng hợp(polime)

* Yêu cầu chung đối với vật liệu lọc:

- Có tính chất hóa học ổn định

- Độ bền cơ tốt và không bị vỡ vụn

- Cỡ hạt thích hợp,rẽ tiền,dễ kiếm…

* Để xác định vật liệu lọc phải dựa vào một số chỉ tiêu:

- Độ bền cơ học:là chỉ tiêu chất lượng quan trọng vì nếu vật liệu lọc có độ bền

cơ học không đạt yêu cầu khi rửa lọc, các hạt nằm trong tình trạng hỗn loạn, va chạm vào nhau sẽ bị bào mòn và vỡ vụn,làm rút ngắn thời gian của chu kỳ lọc và chất lượng nước lọc xấu đi

- Độ bền hóa học: là chỉ tiêu quan trọng, đảm bảo cho nước lọc không bị nhiễm bẩn bởi các chất có hại cho sức khoẻ con người hoặc có hại cho quy trình công nghệ của sản phẩm nào đó khi dùng nước

- Hình dạng hạt

- Kích thước hạt

3 Lý thuyết quá trình lọc nước:

- Khi lọc nước qua vật liệu lọc , cặn bẩn bị lớp vật liệu lọc giữ lại, còn nước được làm trong, cặn tích luỹ dần trong các lỗ rỗng làm tăng tổn thất thuỷ lực của lớp lọc Lọc trong nước là quá trình làm việc cơ bản của bể lọc, còn tăng tổn thất áp lực

của lớp vật liệu lọc là quá trình đi kèm với quá trình lọc Nên cả 2 quá trình cần phải tính đến khi tính toán, thiết kế và quản lý bể lọc Hiệu quả lọc nước của mỗi lớp lọc nguyên tố là kết quả của hai quá trình ngược nhau

+ Cặn bẩn tách ra khỏi nước và gắn lên bề mặt của hạt dưới tác dụng của lực dinh kết

+ Tách các hạt cặn bẩn ra khỏi lóp hạt vật liệu lọc vào nước dưới tác dụng của lớp thủy động

- Quá trình lọc xảy ra cho đến khi mà cường độ dính kết các hạt cặn bẩn vào bề mặt hạt > cường độ tách chúng Do quá trình tích luỹ ngày càng nhiều cặn bẩn trong các lỗ rỗng của cát lọc, cường độ tách cặn do lực thuỷ động gây ra ngày càng tăng

- Các hạt cặn không có khả năng dính kết lên bề mặt lớp vật liệu lọc, sau thời gian lọc, số lượng cặn tích luỹ trong lớp vật liệu lọc tăng lên, số lượng cặn đã bám vào

bề mặt các hạt cát lọc bị dòng nước đẩy xuống dưới cũng ngày càng tăng và vai trò các lớp vật liệu nằm gần sát bề mặt trong quá trình lọc giảm dần

- Thời gian làm việc mà lớp vật liệu lọc có chiều dày L đảm bảo lọc nước đến độ

trong quy định gọi là thời gian bảo vệ của lớp vật liệu lọc.Quy chuẩn tbv=0.5tgh

- Phân loại theo số lượng vật liệu lọc:

+ Bể lọc 1 lớp

+ Bể lọc 2 hay nhiều lớp vật liệu lọc

5 Đặc điểm của một số bể lọc:

a Bể lọc chậm:

Tốc độ lọc: v= 0,1-0,5m/h.Bể lọc chậm làm việc tốt với nguồn nước tự nhiên có

độ đục tính theo hàm lượng cặn cao nhất là 50mg/l.Nếu nước có hàm lượng cặn cao hơn cần có biện pháp lắng sơ bộ trước khi cho vào bể lọc.Nếu nguồn nước bị nhiễm bẩn rong tảo cần có biện pháp ngăn ngừa sự phát triển của rong tảo tảo bằng mái che hoặc

xử lí hóa chất

* Cấu tạo: Bể lọc chậm có thể xây bằng gạch hoặc bêtông cốt thép có dạng hình

chữ nhật hoặc vuông Chiều rộng mỗi ngăn của bể không được lớn hơn 6m và bề dài không lớn hơn 60m Số bể lọc chậm không ít hơn 2 Đáy bể có độ dốc 5% về phía van

xả đáy Khi có nhiều bể phải có hệ thống máng phân phối để đảm bảo phân phối nước đều vào mỗi bể Lớp cát làm vật liệu lọc( cỡ hạt hiệu quả 0,2-0,35mm,đơn lớp).Lớp sỏi

để đỡ lớp cát lọc( lớp trên gấp 4 lần cỡ hạt dưới)

Bảng 1-: Cấu tạo lớp cát lọc và lớp sỏi đỡ trong bể lọc chậm

Tên vll và lớp đỡ Cỡ hạt của vật liệu(mm) Chiều dày lớp vật

- Trước khi cho bể vào làm việc, phải đưa nước vào bể qua ống thu nước ở dưới

và dâng dần lên nhằm dồn hết không khí ra khỏi lớp cát lọc Khi mực nước dâng lên trên mặt cát lọc từ 20-30cm thì ngừng lại và mở van cho nước nguồn vào bể đến ngang cao độ thiết kế Mở van điều chỉnh tốc độ lọc và điều chỉnh cho bể lọc làm việc đúng tốc độ