thiết kế hệ thống xử lý nước cấp đạt tiêu chuẩn nước uống đóng chai từ nước ngầm có công suất 70 m3ngày

Một số đặc điểm khác nhau giữa nước ngầm và nước mặt: Chất rắn lơ lửng Rất thấp, hầu như không có Thường cao và thay đổi theo mùaChất khoáng hòa tan Ít thay đổi, cao hơn so với nước mặt

KHOA MÔI TRƯỜNGBỘ MÔN KỸ THUẬT MÔI TRƯỜNG

-o0o -ĐỒ ÁN MÔN HỌC

THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC CẤP ĐẠT TIÊU CHUẨN NƯỚC UỐNG ĐÓNG CHAI TỪ

nước ngầm có độ cứng 1000 mg/l, Cl = 900 mg/l, công suất 70 m /ngày với các nội dung:

 Chương 1: Tổng quan

 Chương 2: Các phương pháp xử lý

 Chương 3: Tính toán thiết kế thiết bị chính

 Chương 4: Kết luận

Hệ thống xử lý bao gồm:

- Giàn mưa làm thoáng

- Bồn lọc cát áp lực

- Bể chứa nước sau lọc

- Cột cation khử cứng

- Cột anion khử khoáng

- Cột lọc than hoạt tính

- Cột lọc tinh 5µm

- Thiết bị lọc màng RO

- Thiết bị khử trùng bằng Ozone

LỜI CẢM ƠN ii

TÓM TẮT ĐỀ TÀI iii

MỤC LỤC iv

DANH MỤC BẢNG BIỂU vi

DANH MỤC HÌNH ẢNH vii

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1

I- Đặc điểm nguồn nước: 1

1) Nước ngầm: 1

2) Độ cứng của nước: 3

3) Cl-: 4

II- Tiêu chuẩn về chất lượng nước uống đóng chai: 5

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ 14

I- Các phương pháp xử lý nước ngầm: 14

1) Các phương pháp khử cứng: 14

2) Các phương pháp khử khoáng: 20

3) Các phương pháp khử sắt: 24

II- Một vài công nghệ xử lý nước ngầm thành nước uống đóng chai: 26

1) Công ty nước uống đĩng chai Sài Gịn SAPUWA: 26

2) AQUAFINA (Công ty Pepsico): 27

3) Một quy trình công nghệ điển hình trong thực tế: 30

III- Đề xuất công nghệ xử lý nước ngầm thành nước uống đóng chai: 31

1) Sơ đồ công nghệ: 31

I- Cột trao đổi Ion: 34

1) Bảng thông số đầu vào và sau xử lý cần đạt : 34

2) Đương lượng trao đổi: 34

3) Chu kỳ làm việc: 34

4) Thiết kế cột Cation khử cứng: 34

5) Thiết kế cột Anion khử khoáng: 36

6) Tính lượng hóa chất hoàn nguyên : 37

7) Hệ thống ống phân phối và chụp lọc : 40

8) Tính toán cơ khí cột cation : 43

9) Tính toán cơ khí cột anion: 46

II- Màng lọc RO: 49

1) Chọn màng: 49

2) Tính toán số lượng màng: 51

CHƯƠNG 4: KẾT LUẬN 54

TÀI LIỆU THAM KHẢO 55

PHỤ LỤC 1 56

PHỤ LỤC 2 57

PHỤ LỤC 3 58

PHỤ LỤC 4 59

Bảng 1.2 - Tiêu chuẩn nước uống đóng chai QCVN 06-1:2009/BYT – Phụ lục 1 8

Bảng 1.3 - Tiêu chuẩn nước uống đóng chai QCVN 06-1:2009/BYT – Phụ lục 2 11

Bảng 1.4 - Tiêu chuẩn nước uống đóng chai QCVN 06-1:2009/BYT – Phụ lục 3 13

Bảng 2.1 - Bảng đặc tính thiết bị 31

Bảng 3.1 - Thông số kỹ thuật của màng RO TW30 – 4040, Filmtec, Dow 50

Bảng 3.2 - Kích thước màng RO TW30 – 4040, Filmtec, Dow 51

Hình 2.2 - Quy trình công nghệ Công ty TNHH lọc nước Trường Long – Tân Phú Tp.HCM 30Hình 2.3 - Sơ đồ công nghệ đề xuất 32

CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN

Nguồn nước cần xử lý là nước ngầm có nồng độ Cl- = 900mg/l và độ cứng là1000mg/l, pH=5.6, hàm lượng sắt 0,4 mg/l

1) Nước ngầm:

a Đặc trưng của nước ngầm:

- Độ đục thấp

- Nhiệt độ và thành phần hóa học tương đối ổn định

- Không chứa O2 nhưng chứa nhiều khí: CO2, H2S,…

- Chứa nhiều khoáng chất hòa tan: sắt, Mangan, Canxi, Magie, Flo

Việt Nam là một nước nhiệt đới mưa nhiều, nguồn nước mặt tương đối phong phúnhưng yêu cầu khai thác nước ngầm cũng rất lớn Từ đầu thế kỷ XX, chúng ta đã bắt đầukhai thác nước ngầm phục vụ cho sinh hoạt và công nghiệp ở các thành phố lớn Ở nôngthôn, các hộ gia đình từ lâu đã sử dụng giếng khoan, giếng đào để khai thác nước ngầmdùng cho sinh hoạt Để khai thác và sử dụng nước ngầm một cách bền vững, ta cần nhậnrõ những ưu điểm và nhược điểm sau:

- Chất lượng nước ngầm tốt hơn nước mặt nên xử lý ít phức tạp

- Ở những vùng trũng và lay thụt, khai thác nước ngầm dễ dàng, có thể hạ thấp mựcnước ngầm để cải tạo đất

Nhược điểm

- Lưu lượng nhỏ, khả năng cấp nước nhỏ nên công trình nằm phân tán

- Nước ngầm có độ khoáng hóa cao, nhiệt độ nước ngầm thường không phù hợp vớiyêu cầu dùng nước nên phải xử lý nước trước khi sử dụng.

- Tốn năng lượng để bơm nước ngầm

- Nếu nước ngầm nằm quá sâu, việc khai thác sẽ khó khăn

- Khai thác nước ngầm không hợp lý sẽ làm ô nhiễm môi trường, mất can bằng sinhthái tự nhiên Ở các vùng duyên hải nếu khai thác quá mức, mực nước ngầm hạthấp, nước mặn từ biển sẽ xâm nhập làm ô nhiễm

Nước ngầm tồn tại trong các lỗ hổng và các khe nứt của đất đá, được tạo thành trong giaiđoạn trầm tích đất đá hoặc do sự thẩm thấu, thấm của nguồn nước mặt, nước mưa…

b Một số đặc điểm khác nhau giữa nước ngầm và nước mặt:

Chất rắn lơ lửng Rất thấp, hầu như không có Thường cao và thay đổi theo

mùaChất khoáng hòa tan Ít thay đổi, cao hơn so với

nước mặt

Thay đổi tùy thuộc chấtlượng đất, lượng mưa

Hàm lượng Fe2+, Mn2+ Thường xuyên có trong nước Rất thấp, chỉ có khi nước ở

sát dưới đáy hồKhí CO2 hòa tan Có nồng độ cao Rất thấp hoặc bằng 0

Khí O2 hòa tan Thường không tồn tại Gần như bão hòa

bẩn

SiO2 Thường có ở nồng độ cao Có ở nồng độ trung bình

NO3- Có ở nồng độ cao, do bị

nhiễm bởi phân hóa học Thường rất thấp

Vi sinh vật Chủ yếu do các vi khuẩn sắt

gây ra Nhiều loại vi trùng, virusgây bệnh và tảo

Bảng 1.1 - Bảng so sánh giữa nước ngầm và nước mặt

c Các yếu tố ảnh hưởng đến nước ngầm:

- Yếu tố khí hậu

- Yếu tố thủy văn

- Điều kiện địa hình, địa mạo, thảm phủ trên mặt đất

- Yếu tố về địa chất, thổ nhưỡng

- Các hoạt động của con người

- Áp suất khí quyển

- Ảnh hưởng của thủy triều

2) Độ cứng của nước:

a Sơ lược về độ cứng:

Độ cứng của nước được quyết định bởi hàm lượng chất khoáng hòa tan trong nước, chủyếu là do các muối có chứa ion Ca2+ và Mg2+ Độ cứng của nước được chia làm 2 loại:

 Độ cứng tạm thời hay độ cứng carbonat: Tạo bởi các muối Ca và Mg carbonat vàbicarbonat, trong đó chủ yếu là bicarbonat vì muối carbobat Ca và Mg hầu nhưkhông tan trong nước Gọi là độ cứng tạm thời vì chúng ta có thể giảm được nóbằng nhiều phương pháp đơn giản Trong tự nhiên, độ cứng tạm thời của nước cũngthay đổi thường xuyên dưới tác dụng của nhiều yếu tố, ví dụ như nhiệt độ

 Độ cứng vĩnh viễn: Tạo bởi các muối khác của Ca và Mg như sulphat, clorua chỉcó thể thay đổi bằng các phương pháp phức tạp và đắt tiền

Thông thường người ta chỉ quan tâm đến độ cứng tạm thời của nước vì nó có ảnh hưởngnhiều hơn là độ cứng vĩnh viễn Có nhiều đơn vị đo độ cứng khác nhau, nhưng chủ yếungười ta dùng 3 đơn vị đo: độ pH, mg đương lượng/lít và ppm Để đơn giản, khi đo độ cứngngười ta thường quy về 1 loại muối là CaCO3

Nước có độ cứng tạm thời lớn hơn 100 ppm được coi là nước cứng, dưới mức đó được coi

là nước mềm

d Nguồn gốc nước cứng:

Hầu hết nước có độ cứng cao thường là nguồn nước ngầm Nước đi qua các lớp đất đá, cáclớp đá vôi, trầm tích và các ion gây ra độ cứng (Ca2+ Mg2+ … ) sẽ bị hòa tan trôi theo dòngnước làm tăng độ cứng trong nước Nước ở ao hồ, sông suối cũng có thể bị tăng độ cứng

do nguyên nhân này

e Tác hại của nước cứng:

Độ cứng vĩnh viễn của nước ít ảnh hưởng đến sinh vật trừ phi nó quá cao Tuy nhiênđộ cứng tạm thời lại là một mối quan tâm lớn Các muối gây ra độ cứng là các muối hòatan hoàn toàn nhưng không ổn định, không bền Chúng dễ dàng bị phân hủy thành muốikết tủa (CaCO3, MgCO3) theo PT :

Ca(HCO3)2 => CaCO3 + H2O + CO2Mg(HCO3)2 => MgCO3 + H2O + CO2Khi các phản ứng này xảy ra trong cơ thể sinh vật, các muối kết tủa này là nguyên nhângây ra sỏi thận và một trong các nguyên nhân gây tắc động mạch do đóng cặn vôi ở thànhtrong của động mạch.

Bên cạnh đó độ cứng này chủ yếu ảnh hưởng đến mùi vị của thực phẩm và đồ uống đượcchế biến bằng nước nóng hoặc qua đun nấu Nó cũng là nguyên nhân gây ra cặn lắngtrong các thiết bị gia nhiệt nước

3) Cl - :

Chlor tồn tại trong nước dưới dạng Cl-, tồn tại trong hợp chất NaCl Ở mức nồng độcho phép thì các hợp chất Chlor không gây độc hại, nhưng với hàm lượng lớn hơn 250 mg/

L làm cho nước có vị mặn

Trong nước ngầm, ion này thâm nhập vào nước qua sự hòa tan của muối khoáng, quá trìnhhỗn hợp với nước trầm tích, sự hòa tan NaCl trong các đá hoặc bị ảnh hưởng từ quá trìnhnhiễm mặn các tầng chứa nước ngầm hay ở đoạn sông gần biển Việc dùng nước có hàmlượng Chlorua cao có thể gay ra bệnh về thận Ngoài ra, nước chứa nhiều clorua có tínhxâm thực đối với bêtông

II- Tiêu chuẩn về chất lượng nước uống đóng chai:

Phạm vi áp dụng : các chỉ tiêu sau được áp dụng cho nước uống sản xuất từ các quá trình

lọc, khử trùng và đóng chai

Yêu cầu kỹ thuật :

- Nước uống đóng chai phải được sản xuất từ các nguồn không gây ô nhiễm,được cơ quan y tế có thẩm quyền chứng nhận đảm bảo yêu cầu vệ sinh antoàn và nó được sản xuất theo quy trình công nghệ do cơ quan thẩm quyềnchứng nhận

- Chỉ tiêu cảm quan

- Chỉ tiêu lý, hóa

- Chỉ tiêu vi sinh

Sản phẩm nước uống đóng chai phải đảm bảo chất lượng nước theo QCVN06-1:2009/BYT

PHỤ LỤC I CÁC CHỈ TIÊU HOÁ HỌC CỦA NƯỚC KHOÁNG THIÊN NHIÊN ĐÓNG CHAI

LIÊN QUAN ĐẾN AN TOÀN THỰC PHẨM

4 Borat, mg/l tính theo bor 5 TCVN 6635:2000 (ISO

9390:1990); ISO 11885:2007

A

8288:1986); ISO 11885:2007; ISO15586:2003; AOAC 974.27;

AOAC 986.15

A

6 Crom, tính theo crom

tổng số, mg/l 0,05 9174:1998); ISO 11885:2007; ISOTCVN 6222:2008 (ISO

15586:2003

A

8288:1986); ISO 11885:2007; ISO15586:2003; AOAC 960.40

B

6703-1:1984); TCVN 7723:2007 (ISO

A

Tên chỉ tiêu Giới hạn

A

8288:1986); ISO 11885:2007; ISO15586:2003; AOAC 974.27

Tên chỉ tiêu Giới hạn

20 Các hydrocarbon thơm

(2) Theo điểm b, khoản 2.3.3, mục 2 của Quy chuẩn này

(3) Phải nhỏ hơn giới hạn định lượng quy định trong các phương pháp thử tương ứng

Bảng 1.2 - Tiêu chuẩn nước uống đóng chai QCVN 06-1:2009/BYT – Phụ lục 1

PHỤ LỤC II CÁC CHỈ TIÊU HOÁ HỌC CỦA NƯỚC UỐNG ĐÓNG CHAI LIÊN QUAN

ĐẾN AN TOÀN THỰC PHẨM

Tên chỉ tiêu Giới hạn

Tên chỉ tiêu Giới hạn

(5)Tỷ lệ nồng độ của mỗi chất so với giới hạn tối đa: Cnitrat/GHTĐnitrat +

Cnitrit/GHTĐnitrit 1

Bảng 1.3 - Tiêu chuẩn nước uống đóng chai QCVN 06-1:2009/BYT – Phụ lục 2

PHỤ LỤC III CÁC CHỈ TIÊU VI SINH VẬT CỦA NƯỚC KHOÁNG THIÊN NHIÊN ĐÓNG

CHAI VÀ NƯỚC UỐNG ĐÓNG CHAI

I Kiểm tra lần đầu

chỉ tiêu (6)

1 E coli hoặc coliform

chịu nhiệt

1 x 250 ml Không phát hiện được

trong bất kỳ mẫu nào

TCVN 1:2009 (ISO 9308-1:2000, With Cor1:2007)

6187-A

2 Coliform tổng số 1 x 250 ml

Nếu số vi khuẩn (bàotử) 1 và 2 thì tiến hànhkiểm tra lần thứ haiNếu số vi khuẩn (bàotử) > 2 thì loại bỏ

TCVN 1:2009 (ISO 9308-1:2000, With Cor1:2007)

6461-A

II Kiểm tra lần thứ hai

lấy mẫu

loại chỉ tiêu (6)

n (7) c (8) m (9) M (10)

(ISO 9308-1:2000,With Cor 1:2007)

(6) Chỉ tiêu loại A: bắt buộc phải thử nghiệm để đánh giá hợp quy

(7) n: số đơn vị mẫu được lấy từ lô hàng cần kiểm tra.

(8) c: số đơn vị mẫu tối đa có thể chấp nhận hoặc số đơn vị mẫu tối đa cho phép vượt quá chỉ tiêu vi sinh vật m Nếu vượt quá số đơn vị mẫu này thì lô hàng được coi là không đạt.

(9) m: số lượng hoặc mức tối đa vi khuẩn có trong 1 gam sản phẩm; các giá trị vượt quá mức này thì có thể được chấp nhận hoặc không được chấp nhận.

(10) M: là mức vi sinh vật tối đa được dùng để phân định giữa chất lượng sản phẩm có thể đạt và không đạt.

Bảng 1.4 - Tiêu chuẩn nước uống đóng chai QCVN 06-1:2009/BYT – Phụ lục 3

CHƯƠNG 2: CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ

I- Các phương pháp xử lý nước ngầm:

1) Các phương pháp khử cứng:

a Phương pháp nhiệt:

Ít dùng trong thực tế vì chi phí cao nhưng hiệu quả thấp Phương pháp này chỉ khửđược độ cứng tạm thời và tiến hành ở nhiệt độ 100oC

Ca(HCO3)2  CaCO3 + H2O + CO2Mg(HCO3)2  MgCO3 + H2O + CO2MgCO3 + H2O  Mg(OH)2 + CO2

b Phương pháp vôi-soda:

Khử cứng theo phương pháp vôi – sô đa : nhằm làm tăng pH của môi trường từ vôi vàtăng nồng độ CO32- từ soda

CO2 + Ca(OH)2  CaCO3 + H2OCa(HCO3)2 + Ca(OH)2  2CaCO3 + 2H2OMg(HCO3)2 + Ca(OH)2  CaCO3 + MgCO3 + 2H2OMgCO3 2 + Ca(OH)2  CaCO3 + Mg(OH)2 (pH = 10.3)CaCl2 + Na2CO3  CaCO3 + 2NaCl

MgCl2 + Ca(OH)2  Mg(OH)2+ CaCl2 (pH = 11)

So với quá trình khử cứng bằng vôi – sô đa thì lợi thế của phương pháp trao đổi ion là đơngiản, thao tác dễ dàng, loại bỏ độ cứng triệt để nhưng giá thành ban đầu cao và nướckhông có chất hữu cơ và cặn lơ lửng

Ca(HCO3)2 + 2Na-R  Ca-R + 2NaHCO3(khử cứng)

Ca-R + NaCl  2Na-R + CaCl2 (tái sinh nhựa cationit)Quá trình trao đổi ion có thể thực hiện theo 2 phương thức : ngắt đoạn hay liên tục Quátrình liên tục được thực hiện trong cột chứa tầng cố định chất trao đổi ion, nước cho chảyqua cột từ trên xuống Quá trình tái sinh diễn ra theo chiều ngược lại, dùng lực đẩy củadòng xáo trộn hạt nhựa để tăng kha năng tái sinh

c Phương pháp trao đổi ion:

c.1 Giới thiệu:

Phương pháp trao đổi ion được sử dụng rộng rãi trong các quá trình xử lý nước thảicũng như nước cấp Trong xử lý nước cấp, phương pháp trao đổi ion thường được sử dụngđể khử các muối, khử cứng, khử khoáng, khử nitrat, khử màu, khử kim loại và các ion kimloại nặng và các ion kim loại khác có trong nước

Nhược điểm chính của phương pháp này là chi phí đầu tư và vận hành khá cao nên ít được

sử dụng cho các công trình lớn và thường sử dụng cho các trường hợp đòi hỏi chất lượngxử lý cao

Ưu điểm của phương pháp là rất triệt để và xử lý có chọn lựa đối tượng.

c.2 Cơ sở của phương pháp:

Là quá trình trao đổi ion dựa trên sự tương tác hoá học giữa ion trong pha lỏng và iontrong pha rắn Trao đổi ion là một quá trình gồm các phản ứng hoá học đổi chỗ (phản ứngthế ) giữa các ion trong pha lỏng và các ion trong pha rắn (là nhựa trao đổi) Sự ưu tiênhấp thu của nhựa trao đổi dành cho các ion trong pha lỏng nhờ đó các ion trong pha lỏngdễ dàng thế chổ các ion có trên khung mang của nhựa trao đổi Quá trình này phụ thuộcvào từng loại nhựa trao đổi và các loại ion khác nhau

Có hai phương pháp sử dụng trao đổi ion là trao đổi ion với lớp nhựa chuyển động , vậnhành và tái sinh liên tục ; và trao đổi ion với lớp nhựa trao đổi đứng yên ,vận hành và táisinh gián đoạn Trong đó trao đổi ion với lớp nhựa tĩnh là phổ biến

c.3 Nhựa trao đổi ion:

Nhựa trao đổi ion còn gọi là ionit, các ionit có khả năng hấp thu các ion dương gọi làcationit, ngược lại các ionit có khả năng hấp thu các ion âm gọi là anionit Còn các ionitvừa có khả năng hấp thu cation ,vừa có khả năng hấp thu anion thì được gọi là ionit lưỡngtính

Về cấu tạo: trong cấu tạo của chất trao đổi ion, có thể phân ra hai phần Một phần gọi là

gốc của chất trao đổi ion, một phần khác gọi là nhóm ion có thể trao đổi (nhóm hoạttính ) Chúng hoá hợp trên cốt cao phân tử

Dùng phương pháp tổng hợp hoá học, người ta chế tạo được chất trao đổi ion hữu cơ gọi lànhựa trao đổi ion (resin) .Resin được tạo ra bởi sự trùng ngưng từ styrenvàdivinylbenzen(DVB) Phân tử styren tạo nên cấu trúc cơ bản của Resin DVB là nhữngcầu nối giữa các polime có tính không hoà tan và giai bền Cầu nối trong Resin là cầu nối

3 chiều Trong Resin có cấu trúc rỗng

Phân loại : có 4 loại Resin

 Resin Cation acid mạnh

 Resin Cation acid yếu

 Resin Anion bazơ mạnh

 Resin Anion bazơ yếu

Tính chất vật lý:

 Màu sắc : vàng, nâu, đen, thẩm Trong quá trình sử dụng nhựa , màu sắc của nhựamất hiệu lực thường thâm hơn một chút

 Hình thái : nhựa trao đổi ion thường ở dạng tròn

 Độ nở : khi đem nhựa dạng keo ngâm vào trong nước ,thể tích của nó biến đổi lớn

 Độ ẩm : là % khối lượng nước trên khối lượng nhựa ở dạng khô (độ ẩm khô) , hoặc

ở dạng ướt (độ ẩm ướt)

 Tính chịu nhiệt : các loại nhựa bị ảnh hưởng bởi nhiệt độ đều có giới hạn nhất định,vượt quá giới hạn này nhựa bị nhiệt phân giải không sử dụng được Nhiệt độ hoạtđộng tốt từ 20-500C.

 Tính dẩn điện : chất trao đổi ion ẩm dẩn điện tốt, tính dẫn điện của nó phụ thuộcvào dạng ion

 Kích thước hạt : Resin có dạng hình cầu d= 0,04 -1,00 mm

 Tính chịu mài mòn : trong vận hành các chất trao đổi ion cọ sát lẫn nhau và nởngót , có khả năng dể vỡ vụn Đây là một chỉ tiêu ảnh hưởng đến tính năng thựcdụng của nó

 Tính chịu oxy hoá: chất oxy hoá mạnh có thể làm cho nhựa bị lão hoá (trơ)

Tính chất hoá học:

Dung lượng trao đổi là đại lượng biểu thị lượng ion được hấp thụ trong một loại chất traođổi Đây là chỉ tiêu kỹ thuật quan trọng của chất trao đổi ion Có hai phương pháp biểu thịdung lượng trao đổi:

lượng của vật liệu trao đổi - mgđl/g

 Phương pháp biểu thị thể tích: lượng ion được hấp thu trong một đơn vị thể tích vật

liệu - đlg/m3 hay mđlg/l

Do hình thái của chất trao đổi ion khác nhau, khối lượng và thể tích của nó cũng khácnhau Do đó, khi biểu thị dung lượng trao đổi ion, để thống nhất, ta dùng cation dạng HRvà anion dạng RCl làm chuẩn Khi cần thiết, phải ghi rõ dạng nào Dung lương trao đổithường dùng những loại sau:

 Tổng dung lượng trao đổi (E): chuyển toàn bộ gốc hoạt tính trong chất trao đổi

thành ion Sau đó, xác định tổng dung lượng của những ion này ta được tổng dunglượng trao đổi Chỉ tiêu này biểu thị lượng gốc hoạt tính có trong chất trao đổi Đốivới cùng một loại chất trao đổi ion, tổng dung lượng trao đổi là hằng số Dunglượng trao đổi được chủ yếu dùng để nghiên cứu chất trao đổi ion

 Dung lượng trao đổi cân bằng (B): cho chất trao đổi (sau khi tái sinh hoàn toàn) tác

dụng với dung dịch nước có thành phần nhất định đến trạng thái cân bằng Xácđịnh dung lượng đã trao đổi ta được dung lượng trao đổi cân bằng Chỉ tiêu nàybiểu thị dung lượng lớn nhất của chất trao đổi ion trong một loại dung dịch xácđịnh Do đó, dung lượng trao đổi cân bằng không phải là hằng số mà phụ thuộc vàoloại dung dịch cần trao đổi

Dung lượng trao đổi cân bằng và tổng dung lượng trao đổi có quan hệ với nhau Tổngdung lượng trao đổi là giá trị lớn nhất của dung lượng trao đổi cân bằng Ví dụ, cho chấttrao đổi HR tác dụng với dung dịch NaR Khi cân bằng, lượng Na+ chứa trong chất trao đổilà BNa mgđl/g, thì dung lượng trao đổi cân bằng là BNa Nếu khi này, dạng HR còn dư lạitrong chất trao đổi BH mgđl/g thì BNa và BH bằng tổng dung lượng trao đổi của chất traođổi ion này, có nghĩa là E = BNa + BH Khi hàm lượng Na+ trong dung dịch rất nhiều làmcho dạng HR còn dư lại trong chất trao đổi khi cân bằng BH  0 thì E  BNa

a Dung lượng trao đổi làm việc: là dung lượng trao đổi xác định được dưới điều kiện

vận hành thực tế xử lý nước ở qui mô trong phòng thí nghiệm Tiến hành thínghiệm, đem chất trao đổi ion cho vào cột trao đổi trạng thái động Cho nước cầnxử lý qua cột trao đổi cho đến khi nước đạt đến hàm lượng ion mong muốn thìdừng Khi đó, dung lượng trao đổi của chất trao đổi được gọi là dung lượng trao đổilàm việc Có rất nhiều nhân tố ảnh hưởng tới dung lượng làm việc: như nồng độion trong nước vào, chỉ tiêu khống chế điểm trao đổi cuối cùng, độ cao lớp nhựa,tốc độ dòng nước….Dung lượng trao đổi làm việc thường dùng thể tích biểu thị, tứclà đlg/m3 hoặc mgđl/l

Tính thuận nghịch của phản ứng trao đổi ion:

Phản ứng trao đổi ion là phản ứng thuận nghịch Dựa trên tính chất này người ta dùngdung dịch chất hoàn nguyên, thông qua chất trao đổi ion đã mất hiệu lực để khôi phục lạinăng lực trao đổi của nó

Ví dụ như nhựa RSO3H và ROH thì dùng dung dịch acid HCl và dung dịch NaOH, phảnứng như sau:

RSO3Na + HCl  RSO3H + NaClRCl + NaOH  ROH + NaClMức độ tái sinh của chất trao đổi ion đối với dung lượng trao đổi có ảnh hưởng rất lớn.Nếu tái sinh đầy đủ, có thể thu được dung lượng trao đổi làm việc lớn nhất

Trong vận hành thực tế, muốn làm cho chất trao đổi tái sinh đầy đủ, lượng chất tài sinhcần rất nhiều, nhưng không kinh tế vì khi tái sinh càng hoàn toàn, lượng dung chất tái sinhtăng lên càng nhiều Vì vậy, lượng chất tái sinh dùng thực tế cần đạt đến một lượng tối ưuđể tái sinh chất trao đổi thu được tương đối tốt Dung lượng trao đổi này phải căn cứ vàotình trạng thiết bị, chất nước của nước nguồn, yêu cầu chất nước của nước ra thông qua thínghiệm để xác định

Tính acid, kiềm: tính năng của chất Cationit RH và chất Anionit ROH ,giống chất điện giải

acid, kiềm

Tính trung hoà và thuỷ phân: tính năng trung hoà và thuỷ phân của chất trao đổi ion giống

chất điện giải thông thường

Tính chọn lựa của chất trao đổi ion: ở hàm lượng ion thấp trong dung dịch, nhiệt độ bình

thường, khả năng trao đổi tăng khi hoá trị của ion trao đổi tăng

c.4 Thứ tự ưu tiên khi trao đổi:

Đối với nhựa Cationit acid mạnh (SAC):

Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+>H+>Li+

Đối với nhựa Cationit acid yếu (WAC):

H+>Fe3+>Al3+>Ca2+>Mg2+>K+> Na+>Li+

Theo thứ tự ưu tiên trao đổi thì Fe3+ luôn được nhựa Cationit trao đổi trước Ca2+ và Mg2+, vìvậy với mục đích khử cứng, đối với nước ngầm người ta thường làm thoáng khử sắt và lọcbỏ Fe3+ trước khi đưa nước vào khử cứng bằng cột trao đổi ion nhằm tránh nghẹt cột.

4) Các phương pháp khử khoáng:

a Trao đổi ion:

Nguyên tắc trao đổi ion để khử khoáng là loại cation trước và anion sau Nhựa trao đổiion H+ cho các cation hòa tan và nhựa trao đổi ion OH- cho các anion hòa tan Giống nhưquá trình khử cứng bằng trao đổi ion nhưng các ion trao đổi không góp phần vào chất rắnhòa tan dòng ra, thích hợp với nước có TDS ≤ 700ppm

f Thẩm thấu ngược RO:

Lọc màng là xu hướng công nghệ mới được phát triển và ứng dụng cuối thế kỷ XX.Lọc màng có thể chia ra làm 4 nhóm chính: vi lọc (microfiltration – MF), với kích thước lỗrỗng ~ 10-7 m; siêu lọc (ultrafiltration – UF), với kích thước lỗ rỗng ~ 10-8 m; lọc phân tửhay lọc nano (nanofiltration – NF), với kích thước lỗ rỗng ~ 10-9 m; thẩm thấu ngược(reverse osmosis – RO), kích thước lỗ rỗng <10-9 m

Nguyên lý lọc màng dựa trên sự phân tách các phần tử trong nước qua lớp vách ngăn (màng) nhờ lực tác dụng Lực tác dụng có thể là chênh lệch áp suất (P), hiệu điện thế (E),nồng độ dung dịch

Màng lọc được chế tạo từ các vật liệu có nguồn gốc vô cơ như gốm nung chảy, các hợpchất cacbon, silic, zircon, hoặc từ nguồn gốc hữu cơ như cao su, vải amiang, axetat xellulo,polyethylene, polypropylene Bề dày màng từ 0,005mm – 2mm Các lỗ nhỏ trên màngđược chế tạo bằng cách chiếu tia phóng xạ, lazer, các phản ứng hóa học… trong điều kiệnnhiệt độ, áp suất thích hợp Để đảm bảo cường độ nước tuần hoàn trên bề mặt lọc, tránhhiện tượng phân cực nồng độ gây tắc, hỏng màng lọc, đồng thời tăng tối đa diện tích bềmặt tiếp xúc với nước và giảm kích thước thiết bị, người ta thường sản xuất các modulemàng lọc và ghép chúng lại với nhau Các module này có thể sản xuất dưới dạng tấmphẳng, ống, cuộn hay sợi rỗng

b.1 Các dạng màng RO:

 Màng cuộn

Chế tạo module bằng cách: đặt tấm xốp mềm giữa 2 tấm màng phẳng, gắn kín 3 viềnmép, viền thứ 4 còn lại gắn vào ống góp Nhiều cặp như vậy xếp chồng lên nhau qua tấmđệm mềm, sau đó cuộn lại thành ống Nước đem đi lọc vào khe của tấm đệm với tốc độđủ lớn, nước từ khe thấm qua màng lọc tập trung vào tấm rỗng và thu gom ống góp.Đường kính mỗi cuộn đến 30cm, chiều dài đến 1,5m Module này gọn chắc và có tổn thatáp lực thấp hơn module dạng tấm

 Màng sợi rỗng

Bề lọc của sợi rỗng chính là màng lọc đường kính của sợi từ vài micro đến vài mm.Góp các sợi lại từ vài nghìn thậm chí vài triệu sợi thành một bó Nước lọc qua màng cóthể từ trong ra ngoài (mặt trong) hoặc từ mặt ngoài vào trong tùy thuộc vào cách gằn cácđầu bó sợi Cách gắn này tạo ra bề mặt lọc rất lớn có thể là vài nghìn m2 cho 1 m3 khônggian

 Màng ống

Màng lọc gắn vào mặt trong ồng đỡ làm bằng vật liệu xốp hoặc ống khoan lỗ cóđường kính khoảng 10 – 40mm sau đó xếp các ống này vào vỏ hình trụ

Ưu điểm: chế độ thủy động lực của dong chảy được xác định là hoàn hảo và tốc độ lưu

thông có thể đạt tới 6 m/s (khi can một chế độ chảy rối mạnh) Kiểu này không cần thiết

bị lọc bụi sơ bộ chất lỏng và cũng rất dễ làm sạch Chúng đặc biệt phù hợp cho việc xử lýchất lỏng có độ nhớt cao

Nhược điểm: độ chặt nhỏ, giá thành cao.

 Màng dạng tấm

Hình thành bằng cách gắn màng lọc vào các tấm đỡ phẳng rồi xếp chồng lên nhau vớikhoảng cách từ 0,5 – 3mm để đảm bảo nước thấm qua màng khi chuyển động giữa cáckhe với tốc độ lớn để tránh phân cực nồng độ

Ưu điểm: với độ xiết chặt trung bình, các module có ưu điểm là dễ tháo gỡ, cũng như thay

thế các màng, khi cần thiết có thể làm sạch toàn bộ

Nhược điểm: chiều dài, hình ngoằn ngoèo của máng vận chuyển làm cho tổn that tải tương

b.5 Cơ chế:

Reverse osmosis (còn gọi là siêu lọc) là dạng lọc cho hiệu quả tốt nhất Quá trình nàycho phép loại đi các phần tử hòa tan có trong dung dịch như các loại ion Ứng dụng làmtinh khiết nước hoặc sản xuất các dung môi hữu cơ như ethanol, glycol; các dung chất nàycó thể đi qua màng lọc trong khi các ion của các chất khác bị giữ lại trên bề mặt màng

RO sử dụng màng bán thấm, loại màng này cho phép nước đi qua và giữ lại các chất ônhiễm có trong nước RO phổ biến sử dụng phương dòng chảy ngang, phương pháp chophép bề mặt màng lọc luôn được làm sạch bởi dòng nước chảy ngang qua bề mặt, hạn chếsự tích tụ các chất ô nhiễm Quá trình đòi hỏi một động lực để chuyển nước đi qua bề mặtmàng, động lực này được tạo ra bởi các loại bơm cao áp; áp suất tạo ra càng cao thì độnglực càng lớn Tuy nhiên, khi động lực càng lớn thì màng lọc sẽ bị nén chặt dẫn đến việcgiảm độ thẩm thấu qua màng Khi nồng độ của dòng chất lỏng đưa vào càng cao thì đòi

hỏi động lực tạo ra càng lớn RO có khả năng loại trừ các vi sinh vật, khoáng chất đường,protein, thuốc nhuộm và đặc biệt là các muối vô cơ; các hợp chất này có phân tử lượng từ

150 – 250 daltons và kích thước tứ 1 – 10 Ao Quá trình tách các chất bởi RO được tăngthêm hiệu quả bởi diện tích của chính các phần tử, nghĩa là các ion hòa tan mang điện tíchcàng lớn càng dễ bị màng giữ lại loại trừ ra khỏi dòng thấm, chẳng hạn như các hợp chấtkhoáng thì dễ bị loại trừ ra khỏi dòng chảy khi đi qua màng hơn so với các hợp chất hữu cơkhông mang điện

b.6 Hiệu suất loại bỏ tạp chất của màng RO:

Với cấu tạo đặc biệt, màng RO loại bỏ hầu như tất cả những chất có trong nước

b.7 Các yếu tố ảnh hưởng:

 Bản chất của nước nguồn

 Bản chất của màng RO

 Giá trị pH

 Nhiệt độ của nước

 Quá trình tiền xử lý

 Khả năng rửa màng và mức độ đóng cặn

5) Các phương pháp khử sắt:

Trong xử lý nước ngầm cần quan tâm đến việc khử sắt vì hàm lượng sắt trong nướcngầm thường cao và phân bố không đồng đều trong các lớp trầm tích dưới đất sâu Nướccó hàm lượng sắt cao, làm cho nước có mùi tanh và có màu vàng gây ảnh hưởng không tốtđến chất lượng nước ăn uống sinh hoạt và sản xuất

Trong nước ngầm sắt thường tồn tại dưới dạng ion Fe2+ ở các hợp chất vô cơ: FeS,Fe(OH)2, FeCO3, Fe(HCO3)2, FeSO4…

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử sắt : pH , O2, CO2 , độ kiềm, nhiệt độ, tốc độphản ứng

Thời gian oxy hóa và thủy phân sắt trên công trình phụ thuộc vào trị số pH của nước:

Thời gian tiếp xúc cần thiết

(thời gian lưu nước) trong

bể lắng và bể lọc, phút 90 60 45 30 25 20 15 10

Thời gian tiếp xúc cần thiết

lưu nước trong bể lọc tiếp

xúc và bể lọc trong, phút

a Phương pháp làm thoáng:

 Lấy oxy từ không khí để oxy hóa Fe2+ và Mn2+ hòa tan trong nước

 Khử khí CO2 nâng cao pH của nước đẩy nhanh quá trình oxy hóa và thủy phânsắt và Mangan trong day chuyền công nghệ

 Làm giàu oxy để tăng thế oxy hóa khử của nước, khử các chất bẩn ở dạng khíhòa tan trong nước

 Có các phương pháp làm thoáng:

 Làm thoáng bằng giàn mưa tự nhiên

 Làm thoáng cưỡng bức

g Khử sắt bằng hóa chất:

Khử sắt bằng vôi: có thể áp dụng cho cả nước mặt và nước ngầm, thường kết hợp vớiquá trình ổn định nước bằng kiềm, làm mềm nước bằng vôi kết hơp với soda

Khử sắt bằng các chất oxy hóa mạnh như : Cl2, O3 , KMnO4 ,…

Quá trình dùng KMnO4 khử sắt xảy ra rất nhanh vì Mangan (IV) hydroxyt vừa được tạothành sẽ là nhân tố xúc tác cho quá trình khử

h Khử sắt bằng cách lọc qua lớp vật liệu đặc biệt:

Các vật liệu đặc biệt có khả năng xúc tác, đẩy nhanh quá trình oxy hóa khử Fe2+ thành

Fe3+ và giữ lại trong tầng lọc Quá trình diễn ra nhanh chóng và hiệu quả cao Cát đen làtrong những chất điển hình

i Khử sắt bằng phương pháp trao đổi ion:

Phương pháp được kết hợp với quá trình khử cứng Khi sử dụng thiết bị trao đổi ion để khửsắt, nước ngầm không được tiếp xúc với không khí vì Fe3+ sẽ làm giảm khả năng trao đổicủa các ionic Chỉ có hiệu quả khi hàm lượng sắt thấp

j Biện pháp khử sắt bằng phương pháp vi sinh:

Một số loại vi sinh có khả năng oxy hóa sắt trong điều kiện mà quá trình oxy hóa hóa họcxảy ra rất khó khăn Cấy mầm khuẩn sắt trong lớp cáy lọc của bể lọc, thông qua hoạtđộng của các vi khuẩn sắt được loại ra khỏi nước Thường sử dụng thiết bị lọc chậm đểkhử sắt

2Fe2+ + Cl2 + 6H2O  2Fe(OH)3  + 2Cl- + 6H+

5Fe2+ + MnO4- + 8H+  5Fe3+ + Mn2+ + 4H2O

Fe(HCO3)2 + O2 + H2O + Ca(OH)2  Fe(OH)3 + Ca(HCO3)2

Fe(HCO3)2 + Ca(OH)2  FeCO3 + CaCO3