Tự động hóa hệ thống xử lý nước sạch của nhà máy nước thành phố Vinh Nghệ An

MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Từ năm 1982 đến nay, nhờ chƣơng trình cấp nƣớc sinh hoạt và vệ sinh môi trƣờng của Chính phủ, tài trợ của các tổ chức quốc tế, của các nhà tài trợ trong và ngoài nƣớc, kinh phí huy động từ địa phƣơng… nhiều công trình cấp nƣớc sinh hoạt tập trung đã và đang đƣợc xây dựng nhằm phục vụ tốt hơn cho cuộc sống của nhân dân. Tuy nhiên, trong giai đoạn hiện nay, quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đã đặt ra yêu cầu ngày càng cao về cấp nƣớc sinh hoạt đặc biệt là yêu cầu về chất lƣợng nƣớc. Chất lƣợng nƣớc đảm bảo sẽ góp phần nâng cao đời sống, sức khoẻ cho công đồng và là một phần không thể thiếu của con ngƣời. Do vậy, việc nghiên cứu mô hình hóa hệ thống xử lý nƣớc sinh hoạt để điều khiển, giám sát nhằm khắc phục những hạn chế về công nghệ, nâng cao chất lƣợng nƣớc, giảm giá thành sản phẩm, đáp ứng nhu cầu ngƣời tiêu dùng có ý nghĩa hết sức quan trọng. Vì vậy đề tài: Tự động hóa hệ thống xử lý nước sạch của nhà máy nước thành phố Vinh Nghệ An, mang tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 2. Mục đích và phạm vi nghiên cứu 2.1. Mục đích của đề tài - Nghiên cứu xây dựng mô hình giám sát, điều khiển để xử lý nƣớc sinh hoạt mang lại lợi ích kinh tế - kỹ thuật, phù hợp với điều kiện thực tế hiện tại và triển vọng tƣơng lai góp phần vào việc bảo vệ môi trƣờng nƣớc sinh hoạt, nâng cao chất lƣợng cuộc sống cho ngƣời sử dụng. - Ứng dụng mô hình giám sát và điều khiển phục vụ công tác giảng dạy và đào tạo nhằm nâng cao chất lƣợng đào tạo chuyên ngành cấp thoát nƣớc tại trƣờng Cao đẳng Nghề KTCN Việt Nam – Hàn Quốc. 2.2. Phạm vi nghiên cứu - Đánh giá hiện trạng, mô phỏng giám sát hệ thống xử lý nƣớc của Công ty cấp thoát nƣớc Thành phố Vinh – Nghệ An.

MỞ ĐẦU

1 Tính cấp thiết của đề tài

Từ năm 1982 đến nay, nhờ chương trình cấp nước sinh hoạt và vệ sinh môi trường của Chính phủ, tài trợ của các tổ chức quốc tế, của các nhà tài trợ trong và ngoài nước, kinh phí huy động từ địa phương… nhiều công trình cấp nước sinh hoạt tập trung đã và đang được xây dựng nhằm phục vụ tốt hơn cho cuộc sống của nhân dân Tuy nhiên, trong giai đoạn hiện nay, quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đã đặt ra yêu cầu ngày càng cao về cấp nước sinh hoạt đặc biệt là yêu cầu về chất lượng nước Chất lượng nước đảm bảo sẽ góp phần nâng cao đời sống, sức khoẻ cho công đồng và là một phần không thể thiếu của con người

Do vậy, việc nghiên cứu mô hình hóa hệ thống xử lý nước sinh hoạt để điều khiển, giám sát nhằm khắc phục những hạn chế về công nghệ, nâng cao chất lượng nước, giảm giá thành sản phẩm, đáp ứng nhu cầu người tiêu dùng có ý nghĩa hết sức

quan trọng Vì vậy đề tài: Tự động hóa hệ thống xử lý nước sạch của nhà máy nước thành phố Vinh Nghệ An, mang tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực

- Ứng dụng mô hình giám sát và điều khiển phục vụ công tác giảng dạy và đào tạo nhằm nâng cao chất lượng đào tạo chuyên ngành cấp thoát nước tại trường

Cao đẳng Nghề KTCN Việt Nam – Hàn Quốc

2.2 Phạm vi nghiên cứu

- Đánh giá hiện trạng, mô phỏng giám sát hệ thống xử lý nước của Công ty cấp thoát nước Thành phố Vinh – Nghệ An

- Nghiên cứu xây dựng bài giảng phục vụ công tác giảng dạy, đào tạo tại trường Cao đẳng Nghề KTCN Việt Nam – Hàn Quốc

3 Phương pháp nghiên cứu

- Thống kê, đo lường, thu thập số liệu phục vụ cho công tác nghiên cứu

- Ứng dụng công nghệ tự động hoá trong quá trình giám sát, điều khiển hệ thống xử lý nước bằng bình lọc cao áp và khử trùng bằng Clo tại trạm sản xuất nước; xây dựng bài giảng phục vụ công tác đào tạo nhằm nâng cao chất lượng đào tạo và phục vụ công tác nghiên cứu khoa học

4 Nội dung nghiên cứu

- Tổng quan các phương pháp xử lý nước sinh hoạt và xu hướng ứng dụng công nghệ hiện nay

- Nghiên cứu và lập trình điều khiển các thiết bị trong hệ thống bằng PLC để

đo kiểm tra và điều chỉnh nồng độ Clo cho phép có trong nước trước khi sử dụng

- Nghiên cứu, xây dựng chương trình mô phỏng giám sát nồng độ Clo có trong nước trước khi sử dụng

- Nghiên cứu ứng dụng chương trình mô phỏng giám sát và điều khiển hệ thống xử lý nước sinh hoạt tại công ty cấp thoát nước Thành phố Vinh – Nghệ An

- Nghiên cứu xây dựng bài giảng trên cơ sở ứng dụng PLC trong giám sát và điều khiển hệ thống tự động xử lý nước phục vụ công tác đào tạo của trường Cao đẳng Nghề KTCN Việt Nam – Hàn Quốc

5 Ý nghĩa khoa học và thực tiễn

5.1 Ý nghĩa khoa học

Nghiên cứu phương pháp mô hình hóa hệ thống xử lý nước nhằm điều khiển các thiết bị và giám sát nồng độ Clo, trên cơ sở đó xây dựng bài giảng nhằm nâng cao chất lượng phục vụ công tác đào tạo và nghiên cứu khoa học

5.2 Ý nghĩa thực tiễn của đề tài

Đánh giá hiện trạng, mô phỏng giám sát hệ thống xử lý nước của Công ty cấp thoát nước và phục vụ công tác giảng dạy chuyên ngành cấp thoát nước trong trường

6 Những đóng góp mới của đề tài

- Xây dựng được chương trình mô phỏng giám sát nồng độ Clo có trong nước trước khi sử dụng

- Ứng dụng chương trình mô phỏng giám sát và điều khiển hệ thống xử lý nước sinh hoạt tại công ty cấp thoát nước Thành phố Vinh – Nghệ An nhằm nâng cao chất lượng, giảm giá thành sản phẩm, đáp ứng nhu cầu người tiêu dùng

- Xây dựng bài giảng nhằm nâng cao chất lượng đào tạo trường Cao đẳng Nghề KTCN Việt Nam – Hàn Quốc

Chương 1 TỔNG QUAN CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC SINH HOẠT VÀ XU

HƯỚNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HIỆN NAY

- Bể lắng ngang : Nước chuyển động theo chiều ngang từ đầu bể dến cuối bể

- Bể lắng đứng : Nước chuyển động theo chiều đứng từ dưới lên

- Bể lắng ly tâm : Nước chuyển động từ trung tâm bể ra phía ngoài

-Bể lắng lớp mỏng : Có 3 kiểu tùy theo hướng chuyển động của lớp nước và

cặn gồm dòng chảy ngang; dòng chảy nghiêng cùng chiều; dòng chảy nghiêng ngược chiều

- Bể lắng có lớp cặn lơ lửng : Lắng qua môi trường hạt, nước chuyển động

từ dưới lên

1.1.1.2 Bể lọc

Có chức năng loại bỏ cặn, làm trong nước, một phần nhỏ Fe2 chưa O2 hóa tiếp ở đây Nếu pH đủ lớn, những hệ thống lọc có thể lọc được cả mangan Các nhà máy nước đều áp dụng bể lọc nhanh hơn đơn lớp tự chảy, nghĩa là tốc độ lọc khoảng 120 ÷ 144 m3

/m2 Để thực hiện quá trình lọc người ta có thể chia ra một số

loại bể lọc sau:

- Theo tốc độ lọc : Bể lọc chậm(0,0003 ÷ 0,0013 m/s); Bể lọc nhanh (0,014

÷ 0,04 m/s); Bể lọc cao tốc (0,1 ÷ 0,3 m/s)

- Theo chế độ dòng chảy : Bể lọc trọng lực (hở không áp); Bể lọc áp lực (lọc

kín)

- Theo chiều dòng nước: Bể lọc xuôi; Bể lọc ngược; Bể lọc hai chiều

- Theo số lượng lớp vật liệu lọc: Bể lọc một lớp, bể lọc hai lớp hay nhiều lớp

vào nước dưới dạng dung dịch hòa tan

Khi cho phèn nhôm vào nước, chúng phân ly thành các ion Al3+ , sau đó các ion này bị thủy phân thành Al(OH)3.

Al3 = 3H2O = Al(OH)3 + 3H+ (1-1) Trong phản ứng thủy phân trên, ngoài Al(OH)3 là nhân tố quyết định đến hiệu quả keo tụ được tạo thành, còn giải phóng ra các ion H+

Các ion H+ sẽ được khử bằng độ kiềm tự nhiên của nước (được đánh giá bằng HCO3

-) Trường hợp độ kiềm tự nhiên của nước thấp , không đủ để trung hòa ion H+

thì cần phải kiểm hóa nước Chất dùng để kiểm hóa thông dụng nhất là vôi (CAO) Một số trường hợp khác có thể dùng xô đa (Na2CO3); Hoặc xút (NaOH)

1.1.2.2 Khử trùng bằng các chất ôxy hóa mạnh

Clo hóa: Có chức năng sát trùng và bảo vệ nước sau xử lý, chống nhiễm vi

sinh thứ cấp trong quá trình chứa và phân phối tới người sử dụng Các nhà máy nước thường áp dụng kỹ thuật sát trùng bằng clo ở mức xung quanh 1 mg/lít Một

số nhà máy nước sau lọc cấp 1 được clo hóa và lọc cấp 2 bằng cát phủ mangan nên

xử lý rất tốt Bản chất của Clo là một chất oxy hóa mạnh, ở bất cứ dạng nào, nguyên chất hay hợp chất, khi clo tác dụng với nước đều cho các phân tử hypoclorit axit HOCl, một hợp chất có năng lực khử trùng rất mạnh Quá trình hủy diệt vi sinh vật

xảy ra qua hai giai đoạn Đầu tiên chất khử trùng khuyết tán xuyên qua vỏ tế bào

của vi sinh vật, sau đó phản ứng với men bên trong tế bào và phá hoại quá trình trao

đổi chất dẫn đến diệt vong tế bào Tốc độ phản ứng quá trình khử trùng được xác

định bằng động học của quá trình khuếch tán chất diệt trùng qua vỏ tế bào và động

học của quá trình phân hủy men tế bào Tốc độ quá trình khử trùng tăng khi nồng độ

của chất khử trùng và nhiệt độ của nước tăng, ngoài ra tốc độ khử trùng còn phụ

thuộc vào dạng không phân ly của chất khử trùng, vì quá trình khuếch tán qua vỏ tế

bào xảy ra nhanh hơn cả quá trình phân ly Tốc độ khử trùng cũng còn phụ thuộc

vào cả hàm lượng các chất hữu cơ, các cặn lơ lửng và các chất khử khác Khi trong

nước có hàm lượng cao của các chất này thì tốc độ quá trình khử trùng sẽ giảm đi

đáng kể

Khi cho Clo tác dụng với nước, phản ứng đặc trưng xay ra là quá trình thủy

phân Clo, tạo thành axit hypoclorit và axit clohydric:

Cl2 + H2O HOCl + HCl (1-2)

Và ở dạng phân ly ta có :

Cl2 + H2O H + + ClO - + Cl - (1-3) Tượng tự, khi dùng Clorua vôi làm chất khử trùng, ta có phản ứng sau:

Ca(OCl)2 + H2O CaO + 2HOCl (1-4) 2HOCl 2H+ + 2OCl- (1-5) Khi cho clo trực tiếp phản ứng với nước theo phương trình 1-2 nói trên,

người ta cũng nhận thấy rằng, quá trình thủy phân xảy ra theo hai chiều phụ thuộc

vào giá trị pH của môi trường Thành phần của Cl2, HOCL và Cl- có trong nước phụ

thuộc vào pH như trình bày ở trên

Kết quả thực nghiệm cho thấy, quá trình thủy phân Cl2 chỉ xảy ra hoàn toàn

khi pH > 4 Hằng số của quá trình thủy phân clo trong nước ở nhiệt độ 250

C HOCl không phân ly là thành phần khử trùng chính trong nước, thành phần này chỉ có giá

trị cao ở pH thấp, điều đó cũng nói lên rằng quá trình dùng clo để khử nước chỉ có

được hiệu quả cao khi tiến hành ở pH thấp

Xét về hiệu quả theo thời gian, để tiêu diệt được 99% số vi trùng E.coli có

trong nước với liều lượng 0,1 mg/l Clo tự do, thời gian cần thiết tăng từ 6 phút khi

pH = 6 đến 180 phút khi pH = 11

Trong hệ thống khử trùng có chứa amoniac hoặc các hợp chất có chứa nhóm

amon, lượng Clo tham gia phản ứng để tạo thành Cloramin được gọi là Clo kết hợp,

tổng hàm lượng clo tự do dưới dạng Cl2 , HOCl và ClO- và lượng Clo kết hợp khác

nhau mà lượng Clo kết hợp được gọi là clo hoạt tính khử trùng Do khả năng diệt

trùng của Clo tự do và Clo kết hợp khác nhau mà lượng Clo dư cần thiết để đảm

bảo khử trùng triệt để cũng được đánh giá ở các mức khác nhau Mức Clo dư cần

thiết theo các giá trị pH của môi trường Tổng lượng Clo cần thiết cho vào nước để

đảm bảo sau quá trình khử trùng có được lượng Clo dư mong muốn thường được

xác định trực tiếp bằng thực nghiệm theo quy định sau:

Cho mẫu nước với lượng bằng nhau vào các bình nghiệm, theo trình tự tăng

dần cho Clo vào các bình nghiệm, khuấy đều rồi để yên trong 30 phút Phân tích các

mẫu để xác định lượng clo dư Kết quả trình bày trên biểu đồ theo lượng Clo cho

vào và lượng Clo dư thu được như trên Bằng cách đó có thể xác định được lượng

Clo cần cho vào khi quyết định lượng Clo dư sau xử lý Ví dụ, khi lượng Clo dư là

0,3 mg/h, cần có lượng cho cho vào là 0,75 mg/l

Ban đầu Clo phản ứng với các hợp chất chứa nitơ để tạo thành Cloramin, khi

tỷ số phân tử Cl2/NH4+ nhỏ hơn 1,1 quá trình đồng thời tạo ra các mono và

đicloramin, tỷ số nồng độ của các cloramin này phụ thuộcvào giá trị pH của môi

trường Như vậy dư lượng Clo có trong nước ở gia đoạn đầu đều ở dạng Cloramin

Nếu tiếp tục cho clo vào, tỷ số phân tủ Cl2/NH4+ sẽ tăng lên trên 1,1; Lúc này bắt

đầu xảy ra quá trình oxy hóa mono và đicloramin bằng axít HOCl theoc các phản

ứng sau:

NH2Cl + NHCl2 + HOCl 4HCl + N2O ( 1-6)

NHCl2 + HOCl NCl3 + H2O (1-7)

NHCl2 + H2O NH(OH)Cl + HCl (1-8) NH(OH)Cl + 2HOCl HNO3 + 3HCl (1-9)

Như vậy hàm lượng Clo dư kết hợp bắt đầu giảm theo mức độ tăng Clo cho vào nước Khi tỷ số phân tử cl2/NH4+ có trong nước tăng đến 2, nghĩa là có 10 mg

Cl2/1 mg N ở dạng NH4+ thì toàn bộ Cloramin đều bị ôxy hóa hàm lượng Clo dư kết hợp giảm xuống đến gần đến 0 Nếu tiếp tục tăng lượng Clo vào nước sẽ làm cho lượng Clo dư tăng dần lên, lúc này lượng Clo dư hoàn toàn là lượng clo tự do, chúng có độ hoạt tính cao và năng lực khử trùng lớn Như vậy, khi trong nước có chứa amoniac hoặc amon thì lượng Clo cần thiết cho vào nước trước hết phải đủ để oxy hóa hết Cloramin và do vậy cần sử dụng nhiều hơn mới đảm bảo được hiệu quả khử trùng, Phương pháp tăng lượng Clo như thế được gọi là phương pháp Clo hóa điểm cực trị

Nếu hàm lượng amoniac hoặc muối amoon quá lớn, có thể chọn liều lượng Clo cho vào nước Nghĩa là chọn liều lượng Clo vừa đủ để đảm bảo sau 6 phút tiếp xúc vẫn có được Clo dư hoạt tính ở dạng Cloramin Ví dụ khi pH = 6 lượng cloramin hoạt tính không được nhỏ hơn 1 mg/l và khi pH = 7 không được nhỏ hơn 1,5 mg/l

Để khử trùng nước nhiễm bẩn nặng, đặc biệt khi trong nước có nhiều vi trùng có sức đề kháng cao vói các chất oxy hóa và trong trường hợp cần khử màu, mùi, vị của nước, có thể sử dụng liều lượng Clo đến 10mg/l hoặc hơn để đảm bảo

cả hiệu quả khử trùng triệt để và cả việc ôxy hóa các chất gây mùi vị Tuy nhiên, khi lượng Clo dư sau khử trùng quá lớn, nhất thiết phải tìm biện pháp khử bớt Clo

dư xuống đến tiêu chuẩn cho phép, từ 0,3 đến 0,5 mg/l

Khi trong nước có chứa phenol, nếu cho Clo vào sẽ tạo ra clophenol gây mùi

vị khó chịu, trong trường hợp này nhất thiết phải tiến hành amoniac hóa trước khi khử trùng, Quá trình amoniac hóa được thực hiện bằng cách đưa vào nước một lượng amoniac hoặc muối amon với liều lượng 0,5 đến 1,0 g tính theo NH+

cho 1g Clo Kế đó cho Clo vào nước để chúng kết hợp tạo thành Cloramin và clo sẽ không

có khả năng kết hợp với phenol để tạo ra clophenol Nếu pH thấp, phản ứng tạo cloramin xảy ra chậm Nên tiến hành amoniac hóa khi pH > 7 để tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng và ngăn ngừa phản ứng phụ tạo ra Clopheol

Nếu trong nước sau khử trùng có dư lượng NH3, quá trình sinh thành Cloramin cần tiếp tục nhưng sau đó cloramin lại thủy phân thành NH4 + và CLO-theo phản ứng sau:

HOCl + NH3 NH2Cl + H2O (1-10)

NH2Cl + H2O NH4

+

+ ClO- (1-11) Quá trình phân ly cloramin diễn ra chậm vì vậy trong thời gian đầu tác dụng khử trùng có thấp hơn so với Clo, nhưng theo thời gian, tác dụng khử trùng kéo dài

và vẫn có hiệu quả Nếu khử trùng bằng cách kết hợp Clo với amoniac một cách hợp lý sẽ giảm được lượng Clo cần dùng và đạt được hiệu quả cả việc khử mùi vị

Tỷ lệ Clo và amoniac thường chọn theo thực nghiệm tùy theo chất lượng nước nguồn, thường người ta lấy lượng amoniac bằng 10 đến 25% lượng Clo Thời gian tiếp xúc tính từ thời điểm quấy trộn Clo và amoniac trong nước đến thời điểm sử dụng không ít hơn 1 giờ So với dùng Clo tự do, thời gian tiếp xúc cần thiết lớn hơn

2 lần Trích phụ lục 1- Xử lý nước cấp sinh hoạt và công nghiệp – Nguyễn Thị Thu Thủy – NXB KH&KT – Năm 2000

Khử trùng bằng ôzôn : Là phương pháp tiên tiến và ngày càng được áp dụng

rộng rãi Ôzôn trong nước không chỉ phá hủy men tế bào vi sinh vật mà còn có khả năng phá hủy cả nguyên sinh chất của tế bào, trong khi Clo chỉ có thể phá hủy men

tế bào Với các siêu vi trùng là là vi khuẩn không có men thì ôzôn có tác dụng hơn hẳn Clo Với lượng ôzôn dư bằng 0,45 mg/l chỉ sau 2 phút siêu vi trùng có thể bị tiêu diệt, trong khi đó phải cần đến 1mg/l Clo và thời gian tiếp xúc đến 3 giờ Với các vi khuẩn dạng bào tử, so với Clo, ôzôn có tác dụng mạnh hơn 300 đến 600 lần Ngoài ra, ôzôn còn ôxy hóa các hợp chất hữu cơ gây ra màu, mùi vị, trong nước tốt hơn Clo

Ôzôn là chất khí có màu ánh tím, hóa lỏng ở nhiệt độ -112o

C So với Clo, ôzôn ít hoàn tan trong nước, độ hòa tan của ôzôn phụ thuộc vào nhiệt độ Dưới đây

là các số liệu về độ hòa tan của ôzôn theo nhiệt độ

Bảng 1.1.- Nhiệt độ và độ hoà tan của ôzôn

TT Nhiệt độ Độ hòa tan của ôzôn

Ngoài phương pháp Clo hóa và ôzôn ta có thể sử dụng phương pháp dùng nattri hydroclorit NaClO hoặc ion của các kim loại nặng…cho vào nước theo một tỷ

cổ điển, dàn mưa tải trọng cao và tháp làm thoáng cưỡng bức

1.1.3.2 Khử trùng bằng phương pháp tia tử ngoại

Tia tử ngoại hay còn gọi là tia cực tím, là các tia có bước sóng ngắn có tác dụng diệt trùng rất mạnh Nguyên lý khử trùng của tia tử ngoại là dùng các đèn bức

xạ tử ngoại, đặt trong dòng chảy của nước Các tia cực tím phát ra sẽ tác dụng lên các phần tử Protit của tế bào vi sinh vật, phá vỡ cấu trúc và mất khả năng trao đổi chất, vì thế chúng bị tiêu diệt Hiệu quả khử trùng chỉ đạt được triệt để khi trong nước không có các chất hữu cơ và cặn lơ lửng

1.2 Lựa chọn phương pháp xử lý nước

1.2.1 Nguyên tắc lựa chọn phương pháp xử lý nước

Chọn lựa công nghệ xử lý nước phụ thuộc rất nhiều vào chất lượng và đặc trưng của nguồn nước thô, yêu cầu chất lượng nước cất và công suất trạm nước cấp cần xử lý Hầu hết các chất bẩn có trong nước có kích thước hạt từ milimet đến nanomet hoặc nhỏ hơn Các hạt có kích thước nhỏ hơn được gọi là hạt keo (10-4

÷

10-6 mm) Hệ keo gồm các khoáng chất các chất keo phù du kết hợp đất vi trùng, tảo virut, polyme sinh học và các phân tử lớn Các hạt có kích thước nhỏ hơn 10-6

mm

là các chất hòa tan gồm có ion, các phân tử vô cơ đơn giản và các tổ hợp Hình đưa

ra phương án lựa chọn quá trình xử lý dựa vào khích thước hạt

Để có được các thông số chính xác về chất lượng và đặc trưng nguồn nước, người ta sử dụng các phương pháp phân tích khác nhau để phân tích các cỡ hạt trong nước Bảng đưa ra các phương án phân tích kích thước hạt cặn trong nước để

có được những thông số nhằm đánh giá sơ bộ trước khi lựa chọn công nghệ xử lý

Chất lượng của nguồn nước thay đổi theo vị trí và thời gian, từ chỗ này đến chỗ khác và từ mùa này sang mùa khác, do vậy công nghệ xử lý nước và quá trình vận hành cũng phải thay đổi dựa vào tính chất lý, hóa, sinh của nước thô Trong một nguồn nước người ta cố gắng giữ chất lượng nước đưa vào xử lý không thay đổi theo mùa, bằng các quá trình xử lý sơ bộ dựa trên các phương pháp phân tích kích thước hạt trong nước bảng 1-2

Lựa chọn công nghệ xử lý nước trước hết được tiến hành trong phòng thí nghiệm để tìm ra các thông số tối ưu và hóa chất sử dụng, liều lượng sử dụng, độ pH….Sau đó để đánh giá các thông số thiết kế và điều kiện vận hành tối ưu, thử nghiệm công nghệ trên mô hình thực nghiệm là cần thiết Tuy nhiên, các công việc nói trên cần đến nhiều thời gian, đặc biệt khi có xử lý vi sinh

Bảng 1.2 Lựa chon công nghệ xử lý nước

Kỹ thuật Phương pháp thông

thường

Kích thước tương ứng

Thông số kích thước

Thông số phân bổ

Kỹ thuật

quét từng

vùng

-Kính hiển vi -Kính hiển vi điện tử

1 đến 100µm 0,001 đến 5µm

Tiết diện đường kính, diện tích bề mặt

Số hạt

Kỹ thuật

quét dòng

-Phương pháp counter -Phương pháp Hiac -Phương pháp Royeo

0,5 đến 100µm 0,5 đến 1000µm

Thể tích diện tích bề mặt

Số hạt

Sàng -Sàng dây

-Vi sàng

> 40µm 5 đến 40µm

Đường kính sàng

Trọng lượng

Kỹ thuật

lắng

-Ống hút -Máy đo độ lắng quang học -Lắng thăng bằng -Ly tâm

1 đến 6µm

1 đến 6µm

1 đến 6µm 0,05 đến 5µm

Đường kính theo Stockes

Các vấn đề cần được đề cập đến khi thiết kế quá trình xử lý nước bao gồm: chất lượng nước thô, yêu cầu và tiêu chuẩn của nước sau xử lý Dựa vào các số liệu

đã có, so sánh chất lượng nước thô và chất lượng nước sau xử lý để quyết định cần tách gì ra khỏi nước, chọn các thông số chính về chất lượng nước và đưa ra kỹ thuật

xử lý cụ thể, chọn hóa chất và liều lượng hóa chất cần dùng, tối ưu hóa các điều cận cần dùng, tối ưu hóa các điều kiện vận hành cho từng bước xử lý và sắp xếp các bước xử lý cho thật hợp lý Hiệu suất có thể đạt được của các quá trình xử lý thông dụng được thể hiện trong bảng

+ + + + : Tách triệt để + : Tách một phần

+ + + : Tách rất tốt 0 : Không tách được

+ + : Tách tốt nhưng không hết - : Ảnh hưởng ngược lại

Keo tụ tạo bông

Lọc cát Lắng

nhanh

Lọc cát chậm

Clo hóa

+

+ + + + 0

Khử tạp chất hữu cơ + + + + + + + + + + + + + +

1.2.2 Các hình thức xử lý nước

Căn cứ vào các chỉ tiêu phân tích của nước nguồn, yêu cầu chất lượng nước

sử dụng có thể xây dựng được các sơ đồ công nghệ xử lý khác nhau được phân loại như sau:

- Theo bậc quá trình: + Một bậc

+ Nhiều bậc

- Theo chuyển động của dòng nước: + Nước tự chảy

+ Nước có áp

Các khả năng xử lý nước ngầm: Khả năng xử lý nước ngầm bằng các quá

trình khác nhau được thể hiện trong hình 1-1, nguồn nước có thể sử dụng các phương án khác nhau để xử lý nước ngầm đạt chất lượng theo tiêu chuẩn nước sạch sinh hoạt

Hình 1.1 Các khả năng xử lý nước ngầm

1.3 Các phương pháp xử lý nước trên thế giới và Việt Nam

1.3.1 Phương pháp xử lý nước sinh hoạt trên thế giới

Hiện nay trên thế giới ở các nước có nền kinh tế phát triển như Mỹ, Nhật Bản,

Hàn Quốc, Trung Quốc, Đài Loan, Xinhgapo, Các nước thuộc khối liên minh châu

âu (EU) như CHLB Đức, Hà Lan…đã xuất hiện một số công nghệ mới, trong công

đoạn lắng lọc, khử trùng của xử lý nước phục vụ sinh hoạt Như công nghệ thẩm

thấu ngược (Reverse Osmosis-RO) hay công nghệ Nano…chất lượng nước khi áp

dụng công nghệ này đạt tiêu chuẩn nước uống tinh khiết, nhưng chi phí tốn kém, giá

thành cao, năng suất thấp do đó việc xử dụng các phương pháp này còn ít được áp

dụng trong các nhà máy sản xuất nước sinh hoạt có công suất lớn Trên thực tế các

nhà máy hiện đang áp dụng phương pháp sau:

Các phương pháp xử lý nước mặt của một số thành phố ở châu Âu:

Trường hợp áp dụng cho nguồn nước có hàm lượng cặn < 2500mg/l Phương

pháp xử lý nước cấp của thành phố Essen CHLB Đức được sử dụng công nghệ

dùng khí Ôzôn kết hợp chất keo tụ thay cho phương pháp làm thoáng bằng tháp cao

tải hoặc dàn mưa Sau đó nước được đưa đến bể lọc nhanh bằng lớp than hoạt tính

có kích cỡ 3-5mm dày 0,5m và lớp than phía dưới có cỡ hạt 1,6-2,5mm, dày 0,7m

rồi qua lớp cát hạt thô đến bể lọc chậm, tại đây nước được thu bằng các ống thu

nước và được bơm Clo trước khi cấp vào hệ thống sử dụng

Đây là phương pháp đơn giản, phù hợp với nguồn nước thô có chất lượng tốt,

hiệu quả cao khi áp dụng cho những nhà máy xử lý nước

Hình 1.2 Sơ đồ xử lý nước cấp của thành phố Essen (CHLB Đức)

Trong trường hợp nguồn nước thô có hàm lượng cặn > 2500mg/l và nhiều

tạp chất thì quá trình xử lý sẽ phức tạp hơn vì nước xử lý phải qua nhiều công đoạn

Bể trộn Thoát

khí

Chất trợ keo

tụ

Chất keo

tụ

Bể lọc nhanh

Lọc cát chậm

trước khi cấp vào hệ thống sử dụng Phương pháp xử lý nước hồ của Hà Lan (hình

1-3) Nước được xử lý qua nhiều công đoạn trong đó có 3 công đoạn bể chứa; 2

công đoạn lọc; 2 công đoạn khử trùng…do đó nước sau khi được xử lí có chất

lượng rất cao, đáp ứng được yêu cầu khi sử dụng

Hình 1.3 Sơ đồ xử lý nước hồ Zevenbergen (Hà Lan)

Phương pháp xử lý nước ngầm tại thành phố Bergen op zoom Hà Lan

(Hình1.4):

Nước ngầm được chia làm hai loại:

- Nước ngầm hiếu khí (có oxy): Xử dụng trực tiếp vì trong nước đã có oxy;

- Nước ngầm yếm khí (không có oxy): Trong quá trình nước thấm qua các

tầng đất, đá có khe nứt, oxy bị tiêu thụ Khi lượng oxy bị tiêu thụ hết do đó các chất

dễ phản ứng hòa tan với oxy sẽ hình thành như Fe2+

, Mn2+

Tuyển nổi

Lọc nhanh

NaOH; FeCl3,

Bể chứa trung gian

Bể chứa nước sạch

Khử trùng NaOCl

Keo

tụ bông

Bể

nước

thô

Lọc than hoạt tính

Khử trùng NaOCl

Bơm cấp nước sạch

Tóm lại trong nước ngầm có chứa các cation và các chủ yếu là Na+

vi khuẩn Do đó chỉ cần xử lý theo sơ đồ trên là nước đã đảm bảo tiêu chuẩn nước sạch sinh hoạt

Hình 1.4 Sơ đồ xử lý nước ngầm tại thành phố Bergen op zoom (Hà Lan)

Trong công nghệ xử lý nước ngầm (hình 1-5) tại thành phố Bergen op Zoom (Hà Lan) người ta có thể sử dụng nguồn nước thô từ nhiều giếng khoan, nước thô được đưa đến trạm xử lý tập trung hoặc có thể nước được xử lý từ các trạm khác nhau thu

về bể chứa nước sạch dung tích lớn để bơm lên tháp, cấp nước cho hệ thống

Làm thoáng bằng giàn mưa Lọc cát nhanh nước sạch Bể chứa

Từ trạm bơm

giếng tới

Chảy tràn

Hình 1.5 Sơ đồ khối công nghệ xử lý nước ngầm

Thành phố Bergen op Zoom (Hà Lan)

Cho đến nay, các nhà máy xử lý nước sinh hoạt thuộc các nước tiên tiến trên thế giới, vẫn đang sử dụng công nghệ trên Khi sử dụng công nghệ này chất lượng nước cấp cho sinh hoạt luôn đảm bảo theo tiêu chuẩn đánh giá chất lượng nước sinh

hoạt của Tổ chức y tế thế giới WHO thể hiện trong bảng 1-4

5 Độ cứng toàn phần, mg canxi cacbonat mg/l < 600

6 Hàm lƣợng ôxy hòa tan, mg ôxy mg/l > 6

7 Cặn không tan (cặn lơ lửng) mg/l < 30

10 Hàm lƣợng thuốc trừ sâu lân hữu cơ mg/l < 0,01

11 Hàm lƣợng thuốc trừ sâu clo hữu cơ mg/l < 0,1

Nhờ giám sát tốt các quá trình khai thác và bảo quản, việc giữ gìn nguồn nước thô để cung cấp cho các nhà máy luôn ổn định Do đó việc đổi mới công nghệ

xử lý nước cấp phục vụ sinh hoạt chỉ áp dụng khi thực sự cần thiết

1.3.2 Phương pháp xử lý nước sinh hoạt tại Việt Nam

Xử lý nước ngầm:

- Các chất hoà tan trong nước ngầm : O2 hòa tan trong nước ngầm, dựa vào

nồng độ của ôxy trong nước ngầm có thể chia nước ngầm thành hai nhóm:

* Nước yếm khí

Trong quá trình lọc qua các tầng đất đá Ôxy trong nước bị tiêu thụ, khi lượng ôxy bị tiêu thụ hết, các chất hòa tan như Fe2+

, Mn2+ sẽ được tạo thành Hơn nữa, cũng xảy ra các quá trình khử sau: NO3 NH4

+

; SO4 2-

Khí hydro sunfua (H2S) được tạo ra trong điều kiện yếm khí từ ion sunfua

với sự có mặt của vi khuẩn:

2SO42- + 14 H+ 8e vi khuẩn 2H2S + 2 H2O + 6OH

Khí metan CH4 và khí cacbonic CO2 được tạo thành trong điều kiện yếm khí

từ các hợp chất humic với sự tham gia của vi khuẩn:

4C10H18O10 + 2H2O 21CO2 + 19 CH4

Có những nguồn nước ngầm chứa tới 40 mg CH4//l nồng độ các tạp chất chứa trong nước ngầm phụ thuộc vào vị trí địa lý của nguồn nước, thành phần các tầng đất đá trong khu vực, độ hòa tan của các tạp chất trong nước, sự có mặt của các chất

dễ bị phân hủy bằng sinh hóa trong đất đá Nước ngầm cũng có thể bị nhiễm bẩn do các tác động của con người như phân bón, chất thải hóa học, nước thải sinh hoạt và công nghiệp, hóa chất bảo vệ thực vật Các nguồn nước thường chứa các hàm lượng lớn các chất hữu cơ NH4+, PO43- cũng như các loài vi sinh vật gây bệnh Xử

lý nước ngầm nhiễm bẩn là công việc khá klhos khăn để đạt các chỉ tiêu chât lượng nước cho sinh hoạt Do vậy các khu vực khai thác nước ngầm cấp cho sinh hoạt và

công nghiệp cần được bảo vệ cẩn thận, tránh bị nhiễm bẩn nguồn nước Để bảo vệ nguồn nước ngầm cần khoanh vùng khu vực bảo vệ và quản lý tốt các nguồn thải ở khu vực xung quanh.Thành phần chất lượng của nước ngầm phụ thuộc vào nguồn gốc (miền cấp nước) của nước ngầm, cấu trúc địa tầng và bề dày, chiều sâu địa tầng (tầng chứa nước) nơi khai thác nước Ở các khu vực được bảo vệ tốt, ít bị nguồn thải gây ô nhiễm, nước ngầm nói chung được đảm bảo về mặt vệ sinh và có chất lượng khá ổn định Phương pháp xử lý nước ngầm khác so với nước mặt vì chất lượng lượng nước thô có nhiều chất hòa tan trong nước ngầm Nên trước khi làm sạch nước ngầm các chất này phải được xác định để có phương pháp phù hợp

Để xử lý nước sinh hoạt từ nguồn nước ngầm các nhà máy thường áp dụng một trong những phương pháp xử lý nước theo sơ đồ (hình 1-6)

a, Sơ đồ hệ thống xử lý nước có bể lọc nhanh

b, Sơ đồ hệ thống xử lý nước không sử dụng bể lọc nhanh

Hình 1.6 Sơ đồ công nghệ xử lý nước ngầm

- Trường hợp xử lý đơn giản : Trường hợp khi nước ngầm có đủ oxy, có thể

sử dụng trực tiếp không cần xử lý Tuy nhiên, vấn đề làm mềm nước, điều chỉnh độ

PH và khử trùng vẫn rất cần thiết Mô hình đơn giản của quá trình xử lý nước ngầm được thể hiện ở hình dưới đây

Giàn mưa hay thùng quạt gió tiếp xúc Bể lắng nước sạch Bể chứa

Từ trạm bơm

giếng tới

Bể lọc nhanh Chất khử trùng

Tháp làm thoáng cao tải

Bể lọc tiếp xúc nước sạch Bể chứa

Từ trạm bơm

giếng tới

Chất khử

trùng

Hình 1.7: Mô hình đơn giản xử lý nước ngầm

- Phương pháp xử lý tổng hợp : Nếu nước ngầm không có đủ oxy hòa tan thì các hợp chất sắt (II), mangan (II), amoon NH4 và H2S có thể xuất hiện Trong trường hợp đó việc cần trao đổi khí và sau đó là quá trình lọc trở nên rất cần thiết Trong quá trình trao đổi khí sẽ xảy ra sự chậm ôxy, tách CH4, H2S và khử

CO2 Trong quá trình lọc tiếp theo, cac ion sắt và mangan (II) sẽ bị oxy hóa tách ra, đồng thời một lượng nhỏ amoniac (1,5 mg/l) có thể được oxy hóa thành nitrat bằng quá trình sinh học Cần nhấn mạnh rằng, trong các trường hợp này, lọc được coi là một thiết bị phản ứng trong đó quá trình hóa học và sinh học xảy ra Việc điều chỉnh độ pH sau lọc là Ca(OH)2, NaOH hoặc Na2CO3, tùy thuộc vào từng loại nước ngầm để phù hợp với các quá trình nói trên Hình 1-8 mô tả xử lý nước ngầm phức tạp hơn Trong một số trường hợp, thời gian lưu của lọc không đủ để khử sắt (II) kết hợp với ô xy tạo thành sắt (III), giải pháp đề ra là dùng dung dịch chất ôxy hóa khủ

để O2 hóa khử như Cl, K, O3

Chỉnh

PH

Clo hóa

an toàn

Bể chứa nước sạch

Cl 2 Ca(OH) 2

Giếng

Hình 1.8: Các sơ đồ xử lý nước ngầm có làm thoáng và lọc

1 Làm thoáng; 2 Lọc; 3 Điều chỉnh pH; 4 Clo hoá; 5 Bể chứa nước sạch Tách mangan đôi khi cũng là một vấn đề, phương án tốt nhất là tăng pH lên 8,3 trước, tuỳ theo chất lượng khi lọc, vì ở điều kiện đó mangan có thể bị khử với oxy

Để tách hàm lượng lớn amoniac (lớn hơn 1 mg/l), người ta sử dụng phương pháp lọc khô Amoniac cần được oxy hoá hoàn toàn hành nitrat nên cần một lượng oxy khá lớn và lượng oxy đó không có đủ trong quá trình lọc cát nhanh kiểu lọc ướt Lọc khô cũng có thể được sử dụng có hiệu quả để tách sắt và mangan, kể cả khi nồng độ amoniac nước thấp Lọc khô có nhược điểm là vận hành khó khăn hơn lọc nhanh cát ướt, do quá trình rửa ngược chiều phức tạp hơn và năng lượng tiêu hao cũng lớn hơn

Xử lý nước mặt :

Do đặc điểm thời tiết của Việt Nam phân làm hai mùa, đó là mùa mưa và mùa khô, về mùa mưa lượng nước mưa cung cấp cho các hồ, ao, sông, suối là rất lớn, làm cho mực nước tăng nhanh cuốn theo các tạp chất gây ảnh hưởng không tốt

đến nguồn nước (thường nước hay bị đục) đặc biệt là những nơi đang bị ô nhiễm môi trường nên nguy cơ gây ô nhiễm nguồn nước là rất cao Còn về mùa khô, chất lượng nguồn nước tốt hơn xong lại bị hạn chế trong quá trình khai thác do mực nước hạ thấp nhiều

Từ những đặc điểm trên, việc lựa chọn một phương pháp xử lý nước phù hợp phải được khảo sát kỹ, nghiên cứu đầy đủ các yếu tố liên quan ngay tại khu vực khai thác nguồn nước Nhằm đảm bảo sử dụng lâu dài, hiệu quả khi khai thác Do

đó Phương pháp xử lý nước mặt trước khi đưa nước vào bể lắng, lọc, cần áp dụng các quá trình xử lý sơ bộ đặc biệt là trong hồ chứa nước bề mặt và oxy hóa sơ bộ Đồng thời tiêu diệt hết vi khuẩn trước khi cấp nước vào hệ thống ống dẫn nước sạch

sinh hoạt “Xử lý sơ bộ trong hồ chứa nước bề mặt” Nước được dẫn lưu trong hồ

chứa một thời gian dài nhằm mục đích tạo quá trình lắng tự do của các hạt bụi và kim loại nặng, không tách được bằng quá trình keo tụ như Coban, Niken, Chì, Cadimi…đồng thời tách được phần lớn các chất hữu cơ có kích thước nhỏ và các tạp chất vô cơ, tăng hàm lượng oxy trong nước Duy trì độ cứng của nước từ 8,5 đến 9,0ºD Nhờ quá trình lý, hóa, sinh học tự nhiên xảy ra trong hồ nên chất lượng nước trong hồ tốt hơn nước trước khi đưa vào hồ tạo điều kiện thuận lợi cho giai đoạn xử

lý tiếp theo

Các quá trình tự nhiên xảy ra trong hồ có khả năng khử vi khuẩn, virut do nồng độ các chất dinh dưỡng cần thiết cho vi khuẩn ở trong nước thấp Nhiệt độ của nước nhỏ hơn 37ºC nên tốc độ sinh sản của vi khuẩn chậm Các động vật nguyên sinh, nấm thường tiêu diệt vi khuẩn, virut Nhờ ánh sáng mặt trời, những vi khuẩn ở lớp nước bề mặt cũng bị tiêu diệt, mặt khác vi khuẩn, virut thường lắng cùng các hạt cặn trong nước

Trong một số trường hợp, quá trình oxy hóa sơ bộ có tác dụng nâng cao hiệu suất của các quá trình tiếp theo như khử phenol mà trong quá trình keo tụ không thể khử được: tăng hiệu suất tách trong quá trình tiếp theo, giảm số lượng tảo trong nước, tránh phá vỡ trạng thái lọc sớm do tảo điatom, tăng hàm lượng tích tụ cặn bẩn

trong cột lọc: cường độ trong quá trình keo tụ lao bông với các tạp chất như đất, vi trùng, tảo, chất mùn humic, tăng chất lượng nước lọc

Hình 1.9: Bể xử lý nước mặt

Trong xử lý nước uống hiện nay, thường người ta dùng ôzôn là chất oxy hóa cho quá trình oxy hóa sơ bộ vì khi nước thô chứa các chất hữu cơ, nếu dùng clo sẽ dẫn đến sự kết hợp với các chất hữu cơ tạo thành các hydrocacbon clorua, các chất này rất có tác hại cho sức khỏe như các dạng clorofooc khác nhau và các chất hữu

cơ không bay hơi Người ta thấy rằng việc tách các chất mùn còn dễ hơn tách hợp chất clo và chất mùn tạo nền Ngày nay, trên thế giới có rất nhiều nhà máy xử lý nước dùng ôzon cho quá trình oxy hóa sơ bộ

Do đặc tính oxy hóa của ôzôn rất mạnh nên trong xử lý nước ôzôn được ùng nhiều với mục đích: khử trùng, oxy , hóa chất sắt và mangan, loại bỏ các loại tảo, oxy hóa các chất hữu cơ như phenol, các chất tẩy rửa và các hóa chất bảo vệ thực vật, oxy hóa các chất hữu cơ hòa tan, oxy hóa các chất vô cơ như sunfua, nitrit, xyanua, tách độ đục và các chất rắn lơ lửng, xử lý bề mặt lọc( oxy hóa trên cát than

và than hoạt tính) Ôzon còn có tác dụng làm chất trợ keo tụ để phá vỡ trạng thái ổn địnhcủa hệ keo Ôzon còn dùng làm chất trợ lọc để tăng quá trình keo tụ tạo bông

trong lọc tạo bông Sử dụng ôzon thì lượng bẩn tích tụ được nhiều hơn trong cột lọc

so với dùng clo Thông thường người ta chỉ sử dụng clo để khử trùng khi đã tách hết các chất hữu cơ

Một số sơ đồ công nghệ xử lý nước sạch sinh hoạt tại Việt Nam đang được nhiều nhà máy áp dụng (hình 1-10 và 1-11)

Bể chứa nước sạch Chất khử trùng

Bể chứa nước sạch

Chất khử trùng

Hình 1.10 Sơ đồ công nghệ xử lý nguồn nước có hàm lượng cặn <2500mg/l

a, Sơ đồ công nghệ hệ thống xử lý nước sử dụng bể lắng sơ bộ

b, Sơ đồ công nghệ hệ thống xử lý nước sử dụng hồ lắng

Hình 1.11: Sơ đồ công nghệ xử lý nguồn nước có hàm lượng cặn >2500mg/l

Công nghệ xử lý nước cấp phục vụ sinh hoạt hiện nay của Việt Nam nói chung

xử lý tốt sắt ở mức độ nhất định, xử lý đồng thời được mangan, còn các tác nhân

khác thì chưa rõ hoặc không thể Hiện nay các nhà máy đang áp dụng các phương

pháp trên nhằm đáp ứng được tiêu chuẩn nước sạch Việt Nam (Bảng 1-5) tiêu

chuẩn TCVN 5502 : 2003, do Tiểu ban kỹ thuật Tiêu chuẩn TCVN/TC47/SC1 sản

phẩm hóa học biên soạn, Tổng cục tiêu chuẩn đo lường chất lượng đề nghị, Bộ

Khoa học và Công nghệ ban hành

Bể lắng

sơ bộ

Bể phản ứng

Bể lắng Bể lọc nhanh nước sạch Bể chứa

Hồ

sơ lắng

Từ nguồn

tới

Trạm bơm Bể trộn

Chất keo tụ

Chất kiềm hoá

Bể phản ứng

Bể lọc nhanh

Chất khử trùng

Sang

bể chứa

Bể lắng

20 Hàm lƣợng nitrat, tính theo nitơ mg/l 10,0

21 Hàm lƣợng nitrit, tính theo nitơ mg/l 1,0

22 Hàm lƣợng sắt tổng số (Fe2+ + Fe3+) mg/l 0,5

25 Chất hoạt động bề mặt, tính theo Linear

Ankyl benzen Sufonat (LAS)

26 Benzen Mg/l 0,01

27 Phenol và dẫn xuất của phenol Mg/l 0,01

28 Dầu mỏ và các hợp chất dầu mỏ Mg/l 0,1

29 Hàm lượng thuốc trừ sâu lân hữu cơ Mg/l 0,01

30 Hàm lượng thuốc trừ sâu clo hữu cơ Mg/l 0,1

32 E.Coli và coliform chịu nhiệt MPN/100 ml 0

Nhận xét: Qua phân tích, đánh giá, so sánh giữa các phương pháp xử lý

nước của thế giới và Việt Nam, tùy theo điều kiện cụ thể để áp dụng các công nghệ

xử lý phù hợp, đạt được mục đích nước sau khi xử lý đạt các tiêu chuẩn nước sạch sinh hoạt Ở Việt nam nên áp dụng phương pháp được đánh giá là phù hợp nhất đó là:

* Xử lý nước mặt:

- Xử lý nước đơn giản: Dùng bể lắng; bể trộn; bể phản ứng + lắng; bể lọc; khử trùng

- Xử lý nước nhiều cặn : Dùng hồ lắng; bể trộn; bể phản ứng; bể lắng; bể lọc nhanh; bể lọc chậm; khử trùng

* Xử lý nước ngầm:

- Xử lý nước đơn giản: Điều chỉnh pH; Clo hóa an toàn

- Xử lý nước nhiều tạp chất : Điều chỉnh pH; Bể phản ứng; Bình lọc cao áp; Khử trùng

Chương 2 GIỚI THIỆU VÀ ĐÁNH GIÁ HIỆN TRẠNG HỆ THỐNG ĐIỀU KHIỂN VỀ

NHÀ MÁY NƯỚC VINH 2.1 Giới thiệu về nhà máy nước Vinh

2.1.1 Vị trí địa lý

Nhà máy nước Vinh nằm phía Tây Nam của Thành phố Vinh dọc theo tuyến đường quốc lộ 46, cách trung tâm Thành phố Vinh 3km, cách nguồn nước (sông Đào) 2km với diện tích 4000m2 Công suất sản xuất theo thiết kế là 2vạn m3

/ngày đêm Được xây dựng và đưa vào sử dụng vào ngày 15/9/1987 do Đức tài trợ Nguồn nước thô được lấy từ sông Đào (nước mặt) Sau quá trình xử lý cung cấp nước sạch cho nhân dân Thành phố Vinh (gồm 16 phường xã và khu công nghiệp Bắc Vinh) Với sự phát triển không ngừng của thành phố, cùng với nhu cầu sử dụng nước sạch ngày một cao Với công suất đã thiết kế của nhà máy như hiện nay có khả năng không đủ đáp ứng nhu cầu dùng nước cho nhân dân trong sinh hoạt cũng như trong sản xuất Bởi vậy được sự ủng hộ và giúp đỡ của uỷ ban nhân dân tỉnh Nghệ An, nhà máy hiện nay đang được cải tạo lại Công suất danh định là 6 vạn m3/ngày, mục đích nhằm đáp ứng nhu cầu dùng nước cho nhân dân, đồng thời áp dụng công nghệ mới cải tiến kỹ thuật giúp người công nhân vận hành đỡ vất vả, bỏ bớt các công đoạn thao tác xử lý nước không cần thiết, số lượng công nhân trong dây chuyền sẽ được giảm tối đa Nhờ thiết bị điều khiển logic khả lập trình simatic S7-200 có thể

tự động hoá dây chuyền từ công đoạn đầu tiên đến công đoạn cuối cùng của khâu

xử lý nước sạch Với mục tiêu đề ra trên tôi thấy răng đề tài của tôi hy vọng sẽ góp phần cải tiến đươc những tồn tại mà nhà máy xử lý nước sạch của nhà máy nước thành phố Vinh - Nghệ An đang gặp phải, góp phần đáp ứng nhu cầu cần thiết cung cấp đủ nước sạch cho nhân dân thành phố Vinh và các vùng lân cận Góp phần nhỏ nâng cao dân trí và xây dựng thành phố Vinh nói riêng và quê hương Nghệ An nói chung ngày càng giàu đẹp

2.1.2 Sơ đồ công nghệ

Hình 2.1 Sơ đồ công nghệ dây chuyền xử lý nước nhà máy nước Vinh

SƠ ĐỒ CÔNG NGHỆ DÂY CHUYỀN XỬ LÝ NƯỚC – NHÀ MÁY NƯỚC VINH

TRẠM BƠM NƯỚC THÔ

(TRẠM BƠM I)

BỂ

PHẢN ỨNG

2.1.3 Chi tiết các quá trình, thiết bị trong dây chuyền công nghệ

2.1.3.1 Trạm bơm nước thô (trạm bơm I – hình 2.3)

PHÒNG TRỰC TRẠM BƠM

SÔNG ĐÀO

2.1.3.2 Nhà hoá chất

- Vị trí Nhà hoá chất nằm trong khuôn viên nhà máy Nhà hoá chất thực hiện chức năng trích phèn và Clo vào nước thô để xử lý

- Chức năng trích Phèn: Phèn khô dạng bột được pha với nước sạch theo nồng

độ 20%, có 3 bể pha phèn mỗi bể có dung tích 15,31m3

Nước phèn từ bể pha được châm vào nguồn nước thô về nhờ các bơm phèn định lượng (gồm 4 bơm pitông công suất mỗi bơm 0,275kW, nhà cung cấp Alldos, kiểu Primus 226)

- Chức năng châm Clo: Clo được cung cấp từ thùng loại 0,4 tấn 4 thùng clo được nối với thiết bị chuyển đổi tự động, trạm gồm có 3 hệ thống định lượng clo: 1- Công suất 20 kg clo/h cho xử lý sơ bộ

2- Công suất 2x8 kg clo/h cho khử trùng của Nhà máy mới

3- Công suất 2x4 kg clo/h cho khử trùng của Nhà máy cũ

Clo được châm đầu tiên vào nước thô tại đầu vào của ngăn chia nước Tại đây clo được châm với nồng độ từ 0 đếm 6mg/l Nước sau khi lọc được châm them clo

Có 2 cảm biến do clo được lắp trong phòng chứa thùng clo, cảm biến thứ 3 được lắp trong phòng định lượng clo Nếu bất kỳ cảm biến nào phát hiện nồng độ 1,5mg/l clo thì chúng sẽ phát tín hiệu báo động (còi hoặc đèn), nếu nồng độ là 3mg/l thì hệ thống phun nước sẽ được bật nước từ giàn phun sẽ hoà tan clo trong không khí Trong trường hợp khi khí clo thoát ra và hệ thống phun nước đã mở thì có thể tắt bằng cách vặn van từ bên ngoài nhà chứa clo

2.1.3.3 Bể phản ứng (tạo bông)

Nước thô được pha thêm hoá chất ngay trong các đường ống để tận dụng không gian trong đường ống cho thời gian phản ứng tạo bông Bể tạo bông được chia thành ba ngăn cho mỗi đường

Nước chảy từ đáy vào ngăn thứ nhất dâng lên và vượt tường tràn chảy vào ngăn thứ hai, tiếp tục chảy qua đường chìm sang ngăn thứ ba Trong ngăn này nước dâng lên đến đỉnh và chảy qua tường tràn sang bể lắng ngay bên cạnh Góc chảy tràn và khe tường chì trong các tường riêng thay nhau làm nước chảy lệch hướng theo phương thẳng đứng và nằm ngang Điều đó tạo điều kiện tối ưu cho việc tạo bông Toàn bộ thời gian phản ứng tạo bông là khoảng 45 phút Độ sâu của nước trong bể tạo bông là 3m

2.1.3.4 Bể lắng

Đầu chảy ra của bể tạo bông là bể lắng, nước vượt tường tràn chảy vào bể lắng

và được phân bổ đều hơn Ba phễu thu bùn được bố trí nối tiếp nhau ngay đầu vào

bể lắng Phần lớn các chất lắng đọng được lắng trong ba phễu này Chất rắn còn lại

sẽ lắng trong máng chạy dọc theo chiều của bể lắng, có độ dốc nhẹ Các tham số được sử dụng để tính kích thước của bể lắng:

- Lượng chảy tràn < 1,8m3/m2/giờ

- Tỷ lệ dài chia rộng > 1 tới 4

- Độ sâu của nước > 3m

- Thời gian lưu trong bể lắng khoảng 2 giờ

Trong bể lắng, nước dâng theo dọc từ dưới lên đỉnh, chảy tràn sang máng chính trong mỗi bể và chảy tiếp sang bể lọc nhờ trọng lực

Bùn nặng chìm xuống dưới Bùn được thoát ra ngoài nhờ các van vận hành bằng tay, một van cho phễu thu bùn Bùn thoát ra ngoài không liên tục Bùn lắng đọng trong phần bể lắng ngang tích tụ chậm, được làm sạch bằng cách phun nước dồn sang phễu thu bùn

Nước dịch vụ được dùng làm sạch bùn trong phễu, mỗi chỗ có một vòi Việc làm sạch bùn bằng thủ công

2.1.3.5 Bể lọc

Nước chảy từ bể lắng sang khu bể lọc gồm sáu bể với lớp lọc đơn mở có kích thước 6,7 x 6,7m Sáu bể lọc này có diện tích lọc là 270m2 Với công suất 41.000 m3/ngày thời gian hoạt động 24 giờ/ngày, kết quả là:

41.000m3/ngày/24 giờ =1.710m3/giờ

Tỷ lệ lọc là 1.710 m3

/giờ/270m2

= 6,33m/giờ Nếu một bể không hoạt động

1.710 m3/giờ/225m2

= 7,6m/giờ Trong trường hợp vì bất kỳ lý do nào mà một bể không hoạt động thì việc lắng

và lọc sẽ không bị ảnh hưởng trong điều kiện thời gian lưu lại trong bể lắng sẽ ngắn

đi và tốc độ lọc tăng lên

Trong điều kiện nước thô rất xấu (bẩn) thì kết quả xử lý sẽ giảm nghĩa là nước đầu ra của bể lắng sẽ chứa rất nhiều chất rắn hơn và thời gian rửa bể lọc rút ngắn lại

Lớp cát lọc dày 1m, lớp cát trợ lục dày 25cm Cát lọc có cỡ hạt từ 0,7-1, 3mm,

có cấu trúc đơn tinh thể Lớp trợ lọc có cỡ hạt 3, 5-5,5mm

Các van bướm với dẫn động bằng động cơ điện và van cửa dùng để vận hành

và rửa bể lọc

Các van sau đây được lắp đặt:

* Một van cửa để cho nước từ bể lóng sang bể lọc, kích thước 500x500 mm dẫn động bằng cơ điện

* Một van bướm DN250 thu nước đã lọc với dẫn động bằng động cơ điện, độ

mở của van này phụ thuộc vào lượng bùn tích tụ trong cát lọc

- Khởi động rửa bể lọc phụ thuộc vào lượng nước đã lọc, thời gian đã hoạt động hoặc vào góc mở của van kiểm soát đầu ra

Quy trình rửa lọc bao gồm các bước chính sau đây:

Giả thiết các bể lọc đang hoạt động

Bước 1: Chuẩn bị rửa, bể lọc ngừng hoạt động

Bước 2: Hạ mức nước qua lớp cát lọc vào trong bể nước sạch

Bước 3: Sục nước với tốc độ 19m/giờ, khoảng 5 – 15 cho tới khi nước rửa sạch Trong trường hợp nước thô quá đục hoặc bể lọc hoạt động không có bể lắng thì kéo dài bước 2 – 5

Bước 4: Sơ lọc

Bước 5: Đưa bể lọc vào hoạt động

Có các van bướm sau đây phục vụ cho quy trình trên:

1 van bướm DN250 với dẫn động bằng động cơ điện cho khí nén

1 van bướm DN250 với dẫn động bằng động cơ điện cho bước chuẩn bị lọc

1 van bướm DN250 với dẫn động bằng động cơ điện để cung cấp cho nước rửa

1 van bướm DN250 với dẫn động bằng động cơ điện để xả nước đã rửa

Hệ thống rửa lọc được vận hành bằng tay tại bàn vận hành Van, máy thổi khí, bơm được khởi động bằng nhấn nút trên bàn điều khiển

Nguyên lý hoạt động của bể lọc như sau:

- Quá trình lọc: Nước thô vào bể lọc qua van V1 (mở) qua bể lọc và thu nước

sạch bằng van V2 (mở) trong quá trình lọc các van V3 và V4 đóng Quá trình lọc thường diễn ra liên tục trong khoảng 2  3 ngày đêm, khi người vận hành thấy bể thu kém (nước trong bể lọc đầy) thì cho rửa bể, việc theo dõi này chủ yếu dựa vào kinh nghiệm của người vận hành

- Quá trình rửa ngược: Quá trình rửa ngược bắt đầu khi quá trình lọc kết thúc

Quá trình rửa ngược được thực hiện theo trình tự sau:

+ Người vận hành cho đóng van cửa nước thô vào (van V1)

+ Chờ cho mức nước trong bể hạ thấp xuống thì đóng van thu nước sạch (van V2), quá trình này chủ yếu dựa vào kinh nghiệm người vận hành

+ Mở đồng thời 2 van rửa ngược (V3) và van xả nước bẩn (V4)

+ Sau khi mở van V3 và V4 thì bắt đầu chạy máy bơm rửa ngược Thời gian chạy của bơm rửa ngược tuỳ thuộc vào mức độ bẩn của bể lọc, nếu bể lọc bẩn thì chạy lâu hơn còn bể lọc sạch thì chạy thời gian ít hơn thường thời gian chạy bơm rửa ngược là khoảng 4  8 phút Quá trình này cũng phụ thuộc vào kinh nghiệm của người vận hành

+ Khi thấy bể lọc đã sạch thì người vận hành cho đóng các van V3 và V4, sau khi đóng các van đó xong thì dừng máy bơm rửa ngược

+ Mở van V1 cho nước thô vào và mở van V2 để thu nước sạch và kết thúc quá trình rửa ngược chuyển sang quá trình lọc mới

2.1.3.6 Bể chứa

Chức năng chứa nước sạch sau khi lọc để bơm ra mạng cung cấp cho thành phố Vị trí nằm dưới các bể phản ứng, bể lọc, bể lắng Bể chứa có dung tích là 8000m3 Bể chia thành nhiều ngăn là nơi clo tiếp xúc với nước

Bể chứa có kích thước như sau:

Dài: 44m

Rộng: 44m

Sâu: 4,2m

2.1.3.7 Giới thiệu về trạm bơm II (trạm bơm nước sạch)

- Chức năng của Trạm bơm II: Bơm nước sạch cấp ra mạng thành phố

- Vị trí (trong hình vẽ mặt bằng toàn Nhà máy)

- Trạm bơm II bao gồm 4 máy bơm ly tâm trục ngang, trong đó có 2 máy bơm

có công suất động cơ 200kW và 2 máy bơm công suất 110kW (Các động cơ máy bơm đều của Đức sản xuất)

- Số lượng bơm trạm hoạt động tại trạm II tuỳ thuộc vào nhu cầu cấp nước của Thành phó thường là chạy máy công suất 110kW đồng thời (lưu lượng 2300 

2450m3/h)

- Nước sạch được bơm trực tiếp vào mạng thành phố Bơm được khởi động bằng tay từ các bảng điều khiển trong trạm bơm

- Bảng điều khiển hiển thị các giá trị đo sau:

+ Lưu lượng trạm bơm đang cung cấp và tổng số nước đã bơm

+ Áp lực do trạm bơm cung cấp

+ Mực nước trong bể chứa nước sạch

Tổng lượng nước do trạm bơm bơm đi được đo và ghi lại Một van bướm với tay quay được lắp để kiểm soát đầu ra của nhà máy Một cầu trục nâng có công suất

nâng 3 tấn được lắp trong trạm bơm Trong trạm bơm có 2 bơm chìm để bơm nước

rò rỉ Công suất của 2 bơm chìm là 10m3/giờ và 6m3/giờ để có thể chạy luân phiên nhau

- Vị trí lắp đặt các bơm và sơ đồ nối điện

Ngoài ra để cung cấp nước rửa bể lọc trong trạm bơm nước sạch bố trí 2 bơm rửa lọc Hai máy bơm kiểu bơm hai cửa hút trục ngang tầng đơn công suất 850m3

/h, cột áp 12m

Để cung cấp khí cho quá trình rửa bể lọc nhà máy có hai máy thổi khí

Q = 300m3/giờ

H = 5m

2.2 Những đánh giá về tình trạng hệ thống điều khiển của nhà máy nước Vinh

Sau khi xem xét, nghiên cứu quy trình làm việc của hệ thống xử lý nước nhà máy nước Vinh, tôi nhận thấy:

- Quá trình làm việc của bể lọc bao gồm quá trình lọc nước, quá trình rửa bể lọc được vận hành theo một quy trình nhất định, nhưng từng bước của quy trình công nghệ có sự điều chỉnh phụ thuộc chất lượng nước nguồn

- Hệ thống thiết bị phục vụ công tác của bể lọc hầu hết được điều khiển bằng tay, nên chất lượng nước sau khi lọc còn phụ thuộc vào sự tuân thủ các quy trình của người vận hành Mặt khác, khi vận hành, nhất là thực hiện quá trình rửa lọc thông lên bể cần nhiều nhân công

- Độ tin cậy của hệ thống còn nhiều hạn chế, vì thiết bị bảo vệ quá tải cho động cơ còn sơ sài, thậm chí không có Sơ đồ còn sử dụng nhiều tiếp điểm

- Chất lượng nước cung cấp cho sinh hoạt, cho các nhu cầu sản xuất phù hợp

về các phương diện: Trong (độ trong), sạch (mùi vị), không độc hại (độ PH, độ cứng, hàm lượng sắt, man gan, và các chất độc), không chứa các vi trùng gây hại

- Công suất của nhà máy không còn được như thiết kế ban đầu, do máy móc, dây chuyền cũ, nứt hỏng, đường ống cũ vỡ

* Đánh giá về hệ thống điều khiển nhà máy

- Nhà máy nước được thiết kế làm việc với hệ thống điều khiển nối cứng có tiếp điểm dùng các khí cụ điện từ như công tắc tơ, kết hợp với các công tắc,… Các linh kiện hay khí cụ điện này được nối vĩnh viễn với nhau theo một mạch điện cụ thể Do đó, khi muốn thay đổi lại chương trình điều khiển thì phải lắp đặt lại, nối dây lại toàn bộ mạch điện tốn nhiều thời gian, và phải mất khá nhiều nhân công điều khiển và giám sát quá trình hoạt động Khả năng tự động hoá và cơ giới hoá kém

- Công nghệ, trang thiết bị cũ, lạc hậu, sử dụng lâu dễ gây sự cố

- Các linh kiện điều khiển rời rạc, thô kệch do quá nhiều dây dẫn

- Tốn khá nhiều thời gian cho việc thiết kế và lắp đặt

- Sửa chữa bảo trì phức tạp gây tốn kém không cần thiết

- Tốc độ hoạt động chậm

- Công suất tiêu thụ lớn

Với những nhận xét đánh giá chung về hiện trạng công tác của bể lọc cũng như hệ thống điều khiển thiết bị của chúng, và qua kiểm tra thực tế tại nhà máy nước Vinh tôi nhận thấy rằng: Việc tự động hoá quá trình làm việc của bể lọc tiến tới tự động hoá khu xử lý cũng như toàn bộ dây chuyền sản xuất nước là cần thiết Qua nghiên cứu phân tích quy trình làm việc cũng như sơ đồ điều khiển thiết bị tôi chọn giải pháp tự động hoá công tác của bể lọc là:

- Thay thế các sơ đồ điều khiển hệ thống van bể lọc kể trên bằng hệ thống sử dụng bộ điều khiển khả lập trình PLC Loại PLC S7 200 sẽ đáp ứng được các yêu cầu về tự động hoá mà các quá trình làm việc của hệ thống bể lọc đặt ra giúp nâng cao và ổn định chất lượng sản phẩm, tiết kiệm nhân công và khắc phục được các hạn chế của hệ thống điều khiển hiện nay Mặt khác với thiết bị PLC S7 200 sẽ tạo thuận lợi cho việc nghiên cứu, ứng dụng thiết bị khả lập trình PLC vào tự động hoá cho toàn bộ quá trình sản xuất nước sạch sau này

- Để điều chỉnh tự động tốc độ lọc nước, duy trì độ lọc nước không đổi trong suốt chu kỳ làm việc của bể dự kiến vẫn giữ nguyên thiết bị điều chỉnh tốc độ bằng phaovà van thuỷ lực như hiện có

2.3 Hướng dẫn vận hành và các thông số kỹ thuật

2.3.1 Vận hành trạm bơm cấp I Cầu Mượu

2.3.1.1 Vận hành máy:

2.3.1.1.1 Chuẩn bị trước khi vận hành :

Công nhân vận hành trạm bơm cấp I thực hiện theo các trình tự sau:

 Kiểm tra ống thu nước, mực nước sông

 Kiểm tra hệ thống điện động lực và điều khiển các động cơ điện của máy bơm: kiểm tra điện áp 3 pha của nguồn điện, điện áp cho phép vận hành từ 380V – 410V

 Kiểm tra bu lông chân máy, tổ bơm , khớp nối , dầu mỡ v.v…

 Van đầu đẩy của bơm được đóng hết trước khi thực hiện

 Trạm bơm cấp I có 04 máy bơm Khi công suất lớn nhất vận hành 03 máy,

01 máy dự phòng các máy bơm vận hành liên tục là tốt nhất giảm thiểu khởi động

+ Điều chỉnh các van đầu đẩy quan sát đồng hồ áp lực của các bơm đang vận hành, đồng hồ ampe chỉ < 260(A) kim không giao động , tiếng máy êm đạt yêu cầu

kỹ thuật Ngược lại phải dừng bơm kiểm tra nguyên nhân

Thường xuyên kiểm tra thân nhiệt của động cơ và máy bơm ( nhiệt độ trung bình 800c, nhiệt độ tối đa 1000

c), kiểm tra độ rung, tiếng kêu và xem có mùi gì khác thường không Nếu phát hiện điều gì bất bình thường phải cho ngừng máy, báo cho

Tổ Cơ điện để kiểm tra sửa chữa