CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝNƯỚC NGẦM

1/

3.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝNƯỚC NGẦM

Tùy thuộc vào vị trí, thành phần tính chất của nước mà ta cĩ thể cĩ nhiều cơng nghệ xử lý khác nhau

3.3.1. Khử sắt (Fe) và Mangan (Mn) 3.3.1.1. Phương pháp làm thống

Trong nước ngầm, sắt tồn tại chủ yếu ở dạng ion Fe2+ là thành phần của các muối hịa tan như : Fe(HCO3)2 , FeSO4 , FeS, … Thực chất của quá trình khử sắt bằng phương pháp làm thống là đuổi khí CO2 và làm giàu oxy cho nước, tăng pH tạo điều kiện để oxy hĩa Fe2+ thành Fe3+ thực hiện quá trình thủy phân tạo thành chất ít tan Fe(OH)3 và được giữ lại ở bể lọc. Làm thống cĩ thể là : làm thống tự nhiên hay làm thống nhân tạo. Sau khi làm thống, quá trình oxy hĩa Fe2+ và thủy phân Fe3+ cĩ thể xảy ra trong mơi trường tự do, mơi trường hạt hay mơi trường xúc tác.

• Làm thống đơn giản trên bề mặt lọc: dàn phun mưa cao 0.7m, lỗ phun đường kính 5- 7mm; lưu lượng 10m3/m2h. Lượng oxy hịa tan sau làm thống = 40% lượng oxy hịa tan bão hịa (Ở 250C lượng oxy bão hịa = 8.4 mg/l).

• Làm thống bằng dàn mưa tự nhiên: dàn một bậc hay nhiều bậc với sàn rải xỉ hoặc tre gỗ. Lượng oxy hịa tan sau làm thống = 55% lượng oxy hịa tan bão hịa. Hàm lượng CO2 giảm 50%.

• Làm thống cưỡng bức: tháp làm thống cưỡng bức lưu lượng 30 – 40 m3/h, lượng khơng khí tiếp xúc 4 – 6 m3/m3 H2O. Lượng oxy hịa tan sau làm thống = 70% lượng oxy hịa tan bão hịa. Hàm lượng CO2 giảm 75%.

Trong nước ngầm, ngồi Fe2+ cịn cĩ HS-, S2- (H2S) cĩ tác dụng khử đối với sắt nên ảnh hưởng đến quá trình oxy hĩa sắt.

2H2S + O2→ 2S + 2H2O

Nếu trong nước cĩ oxy hịa tan thì phản ứng oxy hĩa S2- xảy ra trước sau đĩ mới tiếp tục oxy hĩa Fe2+ thành Fe3+. Vì vậy, ta phải tính tốn lượng oxy cung cấp để đủ oxy hĩa Fe2+ thành Fe3+ để đạt tiêu chuẩn cấp nước.

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử sắt : pH , O2 , hàm lượng sắt trong nước ngầm, CO2 , độ kiềm, nhiệt độ, thời gian phản ứng. Khi tất cả các ion Fe2+ đã chuyển hĩa thành các bơng cặn Fe(OH)3 thì chúng sẽ được loại bỏ ở bể lọc.

Khi cĩ đủ hàm lượng oxy để oxy hĩa sắt, thời gian oxy hĩa trên cơng trình sẽ phụ thuộc vào trị số pH của nước.

Bảng 3.1. Mối quan hệ giữa pH và thời gian nước tiếp xúc trong bể tiếp xúc – bể lọc

pH 6,0 6,5 6,6 6,7 6,8 6,9 7 ≥ 7,5

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

60 45 30 20 18 14 12 5

(Nguồn : số liệu đúc kết nhiều năm của Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Cơng nghệ cấp – thốt nước).

3.3.1.2. Dùng hĩa chất

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

3Fe2+ + KMnO4 + 7H2O  3Fe(OH)3 + MnO2 + K+ + 5H+

Khử sắt bằng vơi : phương pháp này thường kết hợp với các quá trình ổn định hay làm mềm nước.

3.3.1.3.Các phương pháp khử sắt khác :

Khử sắt bằng nhựa trao đổi ion. Khử sắt bằng vi sinh vật.

Khử sắt bằng điện phân. Khử sắt trong lịng đất.

3.3.2. Khử mùi vị

3.3.2.1. Bằng than hoạt tính :

Đây là một ứng dụng hiệu quả nhất của than hoạt tính. Nĩ là một chất khử cĩ khả năng loại bỏ một số chất oxy hĩa như : clo, axít hypocloric, cloamin, ozon, permanganat, cromat

Fe(HCO3)2 + Ca(OH)2  FeCO3 + CaCO3

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

C* là than hoạt tính, clo trước khi phản ứng cĩ thể hấp phụ trên bề mặt than. HOCl + C* <=> C*O + H+ + Cl-

2NHCl2 + H2O + C* <=> N2 + 4H+ + 4Cl- + C*O Tốc độ phản ứng với than hoạt tính : NH2Cl > HOCl > OCl- > NH2Cl

NH2Cl + C* + H2O <=> C*O + NH3 + H+ + Cl-

2NH2Cl + C*O  C* + 2H+ + 2Cl- + H2O + N2

2Cl2 + C* + 2H2O <=> 4HCl + CO2

3.3.2.2. Bằng ozon.

Ozon là một chất oxy hĩa mạnh, nĩ cĩ khả năng loại bỏ các chất vơ cơ gây đục, loại bỏ màu và mùi vị của nước. Ưu điểm lớn nhất của ozon là xử lý tốt và khơng tạo ra các sản phẩm phụ độc hại nhưng nhược điểm của nĩ là giá thành thiết bị đắt hơn nhiều so với than hoạt tính.

3.3.3. Khử cứng

Độ cứng của nước chủ yếu do sự hiện diện hai ion Ca2+, Mg2+ , hai tạp chất này khơng gây hại cho sức khỏe nhưng gây hại cho các thiết bị : đĩng cặn nồi hơi, đường ống dẫn và ảnh hưởng đến chất lượng đồ uống, các quá trình lên men.

3.3.3.1. Phương pháp nhiệt

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

3.3.3.2. Phương pháp hĩa học

Phương pháp loại trừ Ca2+, Mg2+ra khỏi nước là dựa vào tính tan thấp của CaCO3 và Mg(OH)2 và cĩ thể tách ra bằng các biện pháp lắng lọc. Trong quá trình hình thành CaCO3 và Mg(OH)2 thì nồng độ cấu tử CO32- , HCO3- , pH đĩng vai trị quan trọng trong việc hình thành kết tủa.

Khử cứng theo phương pháp vơi – sơ đa : nhằm làm tăng pH của mơi trường từ vơi và tăng nồng độ CO32- từ sơ đa. Cĩ thể dùng NaOH để cấp OH- nhưng giá thành sẽ đắt hơn nhiều, các phản ứng chính trong quá trình khử bao gồm :

So với quá trình khử cứng bằng vơi – sơ đa thì lợi thế của phương pháp trao đổi ion là đơn giản, thao tác dễ dàng, loại bỏ độ cứng triệt để nhưng giá thành ban đầu khá đắt và nước cần một độ trong nhất định

Ca(HCO3)2 + 2Na-R  Ca-R + 2NaHCO3(khử cứng) Ca-R + NaCl  2Na-R + CaCl2 (tái sinh nhựa cationit)

MgCO3 + H2O Mg(OH)2 + CO2 Mg(HCO3)2 MgCO3 + H2O + CO2

Ca(HCO3)2  CaCO3 + H2O + CO2

Ca(OH)2 + H2O + CO2  CaCO3 + 2H2O Ca2+ + 2HCO3- + Ca(OH)2  CaCO3 + 3H2O

Ca2+ + (SO42- + Cl-) + Na2CO3  CaCO3 + 2Na+ + (SO42- + Cl-) Mg2+ + 2HCO3- + 2Ca(OH)2  2CaCO3 + Mg(OH)2 + 2H2O

Hình 3.4: Mơ tả cấu tạo hạt nhựa trao dổi ion

Hình 3.5 : Mơ tả quá trình trao dổi ion( làm mềm nước)

 Quá trình trao đổi ion cĩ thể thực hiện theo 2 phương thức : ngắt đoạn hay liên tục. Quá trình liên tục được thực hiện trong cột chứa tầng cố định chất trao đổi ion, nước cho chảy qua cột từ trên xuống. Quá trình tái sinh diễn ra theo chiều ngược

3.3.3.3. Trao đổi ion

Nguyên tắc trao đổi ion để khử khống là loại cation trước và anion sau. Nhựa trao đổi ion H+ cho các cation hịa tan và nhựa trao đổi ion OH- cho các anion hịa tan. Giống như quá trình khử cứng bằng trao đổi ion nhưng các ion trao đổi khơng gĩp phần vào chất rắn hịa tan dịng ra, thích hợp với nước cĩ TDS ≤ 700ppm.

Hình 3.6: Thiết bị trao đổi ion 3.3.4. Thẩm thấu ngược

Thực chất của phương pháp này là lọc nước qua màng bán thấm đặc biệt, màng chỉ cho nước đi qua cịn các muối hịa tan bị giữ lại. Để lọc được nước qua màng phải tạo ra áp lực dư trong nước nguồn cao hơn áp lực thẩm thấu của nước qua màng, để nước đã được lọc qua màng khơng trở lại dung dịch muối do quá trình thẩm thấu.

Thẩm thấu ngược sử dụng đặc tính của màng bán thấm là cho nước đi qua trong khi giữ lại các chất hồ tan trừ một vài phần tử hữu cơ rất giống nước ( cĩ trọng lượng phân tử bé và độ phân cực lớn).

Hình 3.7. Thiết bị lọc thẩm thấu ngược(RO)

Hình 3.8. Cấu tạo màng lọc thẩm thấu ngược(RO) 3.3.5. Khử trùng

3.3.5.1 Phương pháp vật lý : UV, vi lọc.

 Phương pháp chiếu tia cực tím (UV : Ultra violet)

Phương pháp chiếu tia UV ngày càng được quan tâm vì khơng cần đưa thêm hĩa chất vào nước. Khi tiếp xúc với tia cực tím, các axít nucleic của cơ thể vi sinh vật bị biến đổi theo chiều hướng bất lợi. Vùng ánh sáng cĩ tác dụng diệt khuẩn cao nhất là ở bước sĩng 200nm đến 300nm, đây là vùng axít nucleic hấp thụ mạnh nhất và chịu biến đổi sâu sắc. Khi các tế bào hấp thụ tia cực tím, tia cực tím sẽ tác động lên nhân tế bào và làm cho chúng bị phân hủy, mất khả năng phát triển và sinh sơi. Anh sáng tia cực tím chia làm 3 vùng :

Vùng khoảng bước sĩng

UV – A 315nm – 400nm

UV – B 280nm – 315nm

UV – C 200nm – 280nm

Thiết bị phát tia cực tím là đèn phĩng điện thủy ngân chân khơng, ánh sáng phát ra cĩ bước sĩng 254nm. Năng lượng ánh sáng trong vùng này đủ khả năng diệt khuẩn trong thời gian vài giây. Đèn cực tím cĩ cấu tạo giống như đèn phát sáng hình ống, nhưng vỏ thủy tinh làm từ thạch anh cĩ trộn thêm TiO2 để vĩ hấp phụ ánh sáng cĩ bước sĩng nhỏ hơn 200nm. Người ta thường chọn đèn thủy tinh chân khơng vì hiệu quả kinh tế của nĩ cao nhất (chuyển hĩa 40% năng lượng điện thành tia cực tím cĩ tác dụng diệt khuẩn).

Để đạt hiệu suất khử trùng cao ngồi những thơng số thích hợp của thiết bị, ta cịn phải chú ý đến các yếu tố chất lượng nước cần xử lý như : độ đục, chất gây màu, và các yếu tố khác ảnh hưởng đến khả năng truyền qua của tia cực tím. Trong đĩ yếu tố ảnh huởng mạnh nhất đến khả năng khử trùng là độ trong của nước. Chỉ khi nước cĩ độ truyền qua trên 80% thì quá trình khử trùng mới cĩ hiệu quả vì khi các hạt lơ lửng gặp các hạt lơ lửng nĩ sẽ bị phân tán làm giảm quãng đường truyền trong nước. Ngồi ra một số vi khuẩn bám vào những hạt huyền phù khơng tiếp xúc với tia cực tím, một số muối tan và chất hữu cơ cũng hấp phụ một phần tia cực tím làm giảm hiệu suất khử trùng. Bề mặt đèn cực tím cũng phải được làm sạch để tránh sự tổn thất mật độ ánh sáng do các chất bẩn tích tụ trên đĩ.

Các ưu điểm của phương pháp chiếu tia trực tiếp so với các phương pháp khử trùng bằng hĩa chất khác :

• Thành phần khống của nước khơng thay đổi, khơng tạo thành các hợp chất hữu cơ chứa clo.

• Đợ an tồn trong hoạt đợng cao, khơng cần dùng hóa chất hấ phụ, thời gian khử trùng ngắn.

• Khơng xảy ra hiện tượng ơ nhiễm do hĩa chất, khơng gây ăn mịn thiết bị, thao tác đơn giản. Việc chăm sĩc và bảo dưỡng đơn giản : lau sạch bề mặt đèn và thay đèn mới khi hết hạn sử dụng.

• Đối với thiế bị nhỏ cĩ thể dùng điện acquy hay năng lượng mặt trời.

• Các khuyết điểm :

• Hiệu suất khử trùng kém khi độ truyền ánh sáng trong nước nhỏ hơn 80%, nước cĩ tạp chất hữu và một số muối tan hấp phụ tia UV.

• Nhiệt độ lớn hơn 250C làm gảim tính năng khư của tia UV.

• Nước khử trùng cĩ khả năng nhiễm khuẩn trở lại.

• Nước cĩ hàm lượng nitrat khi khử bằng UV cĩ khả năng tại ra nitrit.

 Phương pháp vi lọc

Thiết bị lọc cĩ dạng hình trụ, cịn gọi là nến lọc cĩ độ xốp cao và mao quản cĩ kích thước nhỏ hơn kích thước vi sinh cần loại bỏ. Nến lọc sản xuất từ diotomit, chất kết dính và một số phụ gia. Với lỗ xốp cĩ kích thước từ 0,2µm – 0,3µm cĩ thể loại bỏ hầu hết các vi sinh cĩ hại trong nước. Để kéo dài thời gian lọc hiệu quả thì nước đầu vào cần cĩ độ nhất định, tránh làm tắc, phụ thuơc vào chất lượng nước.

Theo từng chu kỳ lọc, nến lọc cần được vệ sinh bằng cách rửa hay dùng dung dịch clo để làm vệ sinh. Bên ngồi thiết bị vi lọc cĩ gắn áp kế để theo dõi sự tăng áp suất lọc, khi áp suất tăng đến mức nào đĩ thì quá trình lọc bị tắc nghẽn và phải tiến hành rửa lọc.

Lợi thế của phương pháp này trong việc loại bỏ vi khuẩn :

• Tính linh hoạt cao do nhiều nến lọc cĩ cơng suất khác nhau cĩ thể lắp đặt song song phù hợp với cơng suất cần thiết.

• Giá thành hoạt động thấp.

• Nhược điểm là :

• Khi giữ lâu nước cĩ thể bị nhiễm khuẩn trở lại.

• Làm vệ sinh khơng tốt nước cĩ thể bị nhiễm khuẩn.

• Chỉ thích hợp cho qui mơ nhỏ.

3.3.5.2. Dùng hĩa chất : bằng Clo, ozon, …

 Khử trùng bằng Clo :

Khi Clo gặp nước sẽ xảy ra phản ứng tạo thành dạng clo dư tự do là HClO, ClO- :

Cl2 + H2O  HCl + HClO

Nếu trong nước cĩ sự hiện diện amoniac thì sẽ tạo thành dạng clo dư kết hợp là các cloamin. Hiệu quả khử trùng dạng này tốt hơn dạng clo dư tự do :

HClO + NH3  NH2Cl + H2O HClO + NH2Cl  NHCl2 + H2O

HClO + NHCl2  NCl3 + H2O

Yếu tố ảnh hưởng đến khả năng khử trùng : cạn lơ lửng, độ đục, nhiệt độ, pH. Ưu điểm : khử tảo, mùi, váng nhớt cĩ trong nước và rẽ tiền. Nhược điểm cĩ mùi và cĩ thể tạo ra chất THM gây ung thư. Ngồi ra người ta cũng cĩ thể sử dụng dạng ClO2 với hiệu quả cao hơn và khơng tạo ra THM nhưng chi phí đắt và dễ nổ.

 Khử trùng bằng Ozon : liều lượng ozon khử trùng là 0,5 – 1,5 mg/l trong 5

phút.

 Ưu điểm

• Tác dụng và tốc độ khử trùng cao hơn clo và hợp chất clo.

• Khơng tạo ra sản phẩm phụ hữu cơ độc hại.

• Cĩ thể oxy hĩa nhiều chất hữu cơ đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước.

• Khơng gây mùi khĩ chịu ở nồng độ cao

 Khuyết điểm

• Khơng bền trong nước nên khơng thể dùng khử trùng đường ống như clo.

CHƯƠNG 4

LỰA CHỌN CƠNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC TINH KHIẾT CẤP CHO NHÀ MÁY SẢN XUẤT DƯỢC PHẨM