a) Quá trình làm thoáng
Bản chất của quá trình làm thoáng là hòa tan oxy từ không khí vào nước để oxy hóa sắt hóa trị II, mangan hóa trị II thành sắt hóa trị III, mangan hóa trị IV tạo thành các hợp chất hydroxyl sắt hóa trị III và hydroxyl mangan hóa trị IV Mn(OH)4
kết tủa dễ lắng đọng để khử ra khỏi nước bằng lắng, lọc. Làm thoáng để khử CO2, H2Scó trong nước, làm tăng pH của nước, tạo điều kiện thuận lợi và đẩy nhanh quá trình oxy hóa và thủy phân sắt và mangan, nâng cao công suất của các công trình lắng và lọc trong quy trình khử sắt và mangan. Quá trình làm thoáng làm tăng hàm lượng oxy hòa tan trong nước, nâng cao thế oxy hóa khử của nước để thực hiện dễ dàng các quá trình oxy hóa các chất hữu cơ trong quá trình khử mùi và mùi của nước.
- Đưa nước vào trong không khí: cho nước phun thành tia hay thành màng mỏng chảy trong không khí ở các dàn làm thoáng tự nhiên, hay cho nước phun thành tia và màng mỏng trong các thùng kín rồi thổi không khí vào thùng như ở các dàn làm thoáng cưỡng bức.
- Đưa không khí vào nước: dẫn và phân phối không khí nén thành các bọt nhỏ theo dàn phân phối đặt ở đáy bể chứa nước, các bọt khí nổi lên, nước được làm thoáng.
- Hỗn hợp hai phương pháp trên: làm thoáng bằng máng tràn nhiều bậc và phun trên mặt nước.
b) Clo hóa sơ bộ
Clo hóa sơ bộ là quá trình cho clo vào nước trước bể lắng và bể lọc. Clo hóa sơ bộ có tác dụng tăng thời gian khử trùng khi nguồn nước nhiễm bẩn nặng, oxy hóa sắt hòa tan ở dạng hợp chất hữu cơ, oxy hóa mangan hòa tan để tạo thành các kết tủa tương ứng, oxy hóa các chất hữu cơ để khử màu, ngăn chặn sự phát triển của rong, rêu, phá hủy tế bào của các vi sinh sản ra chất nhầy nhớt trên mặt bể lọc.
c) Quá trình keo tụ và phản ứng tạo bông cặn
Trong nguồn nước, một phần các hạt thường tồn tại ở dạng các hạt keo mịn phân tán, kích thước của hạt thường dao động trong khoảng 0,1 đến 10m. Các hạt này không nổi cũng không lắng, và do đó tương đối khó tách loại. Vì kích thước hạt nhỏ, tỷ số diện tích bề mặt và thể tích của chúng rất lớn nên hiện tượng hóa học bề mặt trở nên rất quan trọng. Theo nguyên tắc, các hạt nhỏ trong nước có khuynh hướng keo tụ do lực hút VanderWaals giữa các hạt. Lực này có thể dẫn đến sự dính kết giữa các hạt ngay khi khoảng cách giữa chúng đủ nhỏ nhờ va chạm. Sự va chạm xảy ra do chuyển động Brown và do tác động của sự xáo trộn.
Tuy nhiên, trong trường hợp phân tán keo, các hạt duy trì trạng thái phân tán nhờ lực đẩy tĩnh điện vì bề mặt các hạt mang tích điện, có thể là điện tích âm hoặc điện tích dương nhờ sự hấp thụ có chọn lọc các ion trong dung dịch hoặc sự ion hóa các nhóm hoạt hóa. Trạng thái lơ lửng của các hạt keo được bền hóa nhờ lực đẩy tĩnh điện. Do đó, để phá tính bền của hạt keo cần trung hòa điện tích bề mặt của chúng, quá trình này được gọi là quá trình keo tụ. Các hạt keo đã bị trung hòa điện tích có thể liên kết với những hạt keo khác tạo thành bông cặn có kích thước lớn hơn, nặng hơn và lắng xuống, quá trình này được gọi là quá trình tạo bông.
Những chất keo tụ thường dùng nhất là các muối sắt và muối nhôm như: - Al2(SO4)3, Al2(SO4)2.18H2O, NaAlO2, Al2(OH)5Cl, Kal(SO4)2.12H2O, NH4Al(SO4)2.12H2O.
Muối Nhôm: Trong các loại phèn nhôm, Al2(SO4)3 được dùng rộng rãi nhât do có tính hòa tan tốt trong nước, chi phi thấp và hoạt động có hiệu quả trong khoảng pH = 5,0 – 7,5. Quá trình điện ly và thủy phân Al2(SO4)3 xảy ra như sau:
Al3+ + H2O = AlOH2+ + H+
AlOH+ + H2O = Al(OH)2+ + H+
Al(OH)2 + H2O = Al(OH)3(s) + H+
Al(OH)3 + H2O = Al(OH)4- + H+
Ngoài ra, Al2(SO4)3 có thể tác dụng với Ca(HCO3)2 trong nước theo phương trình phản ứng sau:
Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2= Al(OH)3 + 3CaSO4 + 6CO2
Al2(SO4)3 + 6H2O = 2Al(OH)3 + 6H+ +3SO42-
Trong phần lớn các trường hợp, người ta sử dụng hỗn hợp NaAlO2 và Al2(SO4)3 theo tỷ lệ (10:1) – (20:1). Phản ứng xảy ra như sau:
6NaAlO2 + Al2(SO4)3 + 12H2O = 8Al(OH)3 + 2Na2SO4
Việc sử dụng hỗn hợp muối trên cho phép mở rộng khoảng pH tối ưu của môi trường cũng như tăng hiệu quả quá trình keo tụ tạo bông.
Khi sử dụng phèn nhôm cần lưu ý:
- pH hiệu quả tốt nhất với phèn nhôm là khoảng 5,5 – 7,5. - Nhiệt độ của nước thích hợp khoảng 20 – 40oC.
- Ngoài ra, cần chú ý đến : các thành phần ion có trong nước, các hợp chất hữu cơ, liều lượng phèn, điều kiện khuấy trộn, môi trường phản ứng…
Ưu điểm của phèn nhôm:
- Về mặt năng lực keo tụ ion nhôm, nhờ điện tích 3+, có năng lực keo tụ thuộc loại cao nhất trong số các loại muối ít độc hại mà loài người biết.
- Muối nhôm ít độc, sẵn có trên thị trường và khá rẻ.
- Công nghệ keo tụ bằng phèn nhôm là công nghệ tương đối đơn giản, dễ kiểm soát, phổ biến rộng rãi.
Nhược điểm của phèn nhôm:
+ Làm giảm đáng kể độ pH, phải dùng NaOH để hiệu chỉnh lại độ pH dẫn đến chi phí sản xuất tăng.
+ Khi quá liều lượng cần thiết thì hiện tượng keo tụ bị phá hủy làm nước đục trở lại.
+ Phải dùng thêm một số phụ gia trợ keo tụ và trợ lắng.
+ Hàm lượng Al dư trong nước lớn so với khi dùng chất keo tụ khác và có thể lớn hơn tiêu chuẩn với 0,2mg/lít.
+ Khả năng loại bỏ các chất hữu cơ tan và không tan cùng các kim loại nặng thường hạn chế.
+ Ngoài ra, có thể làm tăng lượng SO42- trong nước thải sau xử lí là loại có độc tính đối với vi sinh vật.
Muối Sắt: Các muối sắt được sử dụng làm chất keo tụ có nhiều ưu điểm hơn so với các muối nhôm do:
- Tác dụng tốt hơn ở nhiệt độ thấp.
- Có khoảng giá trị pH tối ưu của môi trường rộng hơn. - Độ bền lớn.
- Có thể khử mùi H2S.
Tuy nhiên, các muối sắt cũng có nhược điểm là tạo thành phức hòa tan có màu do phản ứng của ion sắt với các hợp chất hữu cơ. Quá trình keo tụ sử dụng muối sắt xảy ra do các phản ứng sau:
FeCl3 + 3H2O = Fe(OH)3 + HCl
Fe2(SO4)3 + 6H2O = Fe(OH)3 + 3H2SO4
Trong điều kiện kiềm hóa:
2FeCl3 + 3Ca(OH)2 = Fe(OH)3 + 3CaCl2
FeSO4 + 3Ca(OH)2 = 2Fe(OH)3 + 3CaSO4
Chất trợ keo tụ: Để tăng hiệu quả quá trình keo tụ tạo bông, người ta thường sử dụng các chất trợ keo tụ. Việc sử dụng chất trợ keo tụ cho phép giảm liều lượng chất keo tụ, giảm thời gian quá trình keo tụ và tăng tốc độ lắng của các bông keo. Các chất trợ keo tụ nguồn gốc thiên nhiên thường dùng là tinh bột, dextrin (C6H10O5)n, các ete, cellulose, dioxit silic hoạt tính (xSiO2.yH2O). Các chất trợ keo tụ tổng hợp thường dùng là polyacrylamit (CH2CHCONH2)n. Tùy thuộc vào các nhóm ion khi phân ly mà các chất trợ đông tụ có điện tích âm hoặc dương như polyacrylic acid (CH2CHCOO)n hoặc polydiallyldimetyl-amon. Liều lượng chất keo tụ tối ưu sử dụng trong thực tế được xác định bằng thí nghiệm Jartest.
d) Khử trùng nước
Khử trùng nước là khâu bắt buộc trong quá trình xử lý nước ăn uống sinh hoạt. Mục đích là để tiêu diệt hoàn toàn những vi khuẩn có thể gây bệnh còn sót lại trong quá trình xử lý nước. Trong nước thiên nhiên chứa rất nhiều vi sinh vật và khử trùng. Sau các quá trình xử lý cơ học, nhất là nước sau khi qua bể lọc, phần lớn các vi trùng đã bị giữ lại. Song để tiêu diệt hoàn toàn các vi trùng gây bệnh, cần phải tiến hành khử trùng nước. Hiện nay có nhiều biện pháp khử trùng có hiệu quả như: khử trùng bằng các chất oxy hóa mạnh, các tia vật lý, siêu âm, phương pháp nhiệt, ion kim loại nặng,…
- Khử trùng bằng Clo và các hợp chất của Clo: Clo là một chất oxy hóa mạnh ở bất cứ dạng nào. Khi Clo tác dụng với nước tạo thành axit hypoclorit (HOCl) có tác dụng diệt trùng mạnh. Khi cho Clo vào nước, chất diệt trùng sẽ khuếch tán xuyên qua
vỏ tế bào vi sinh vật và gây phản ứng với men bên trong của tế bào, làm phá hoại quá trình trao đổi chất dẫn đến vi sinh vật bị tiêu diệt.
Khi cho Clo vào nước, phản ứng diễn ra như sau: Cl2 + H2O <=> HOCl + HCl Hoặc có thể ở dạng phương trình phân ly:
Cl2 + H2O <=> H+ + OCl- + Cl-
Khi sử dụng Clorua vôi, phản ứng diễn ra như sau: Ca(OCl)2 + H2O <=> CaO + 2HOCl 2HOCl = 2H+ + 2OCl-
HOCl là một axit không bền có tác dụng khử trùng mạnh. Bản thân HOCl sẽ tự phân li theo phản ứng ion cho ra H+ và Cl- , ion sẽ tiếp tục phân li tạo ra [O] và [Cl-], [O] có tác dụng khử trùng nước. Nước sau khi đã khử trùng muốn chắc chắn rằng nguồn nước đã được khử khuẩn tuyệt đối thì giá trị clo dư là giá trị dùng để nhận biết nguồn nước đã khử trùng. Hàm lượng clo dư khoảng 0,3-0,7 mg/l. Khả năng tiệt trùng của clo phụ thuộc vào hàm lượng HOCl có trong nước. Nồng độ HOCl phụ thuộc vào lượng ion H+ có trong nước hay phụ thuộc vào độ pH của nước khi:
+ pH = 6 : HOCl chiếm 99,5% còn OCl chiếm 0,5% + pH = 7 : HOCl chiếm 79% còn OCl chiếm 21% + pH = 8 : HOCl chiếm 25% còn OCl chiếm 75% Những vấn đề phát sinh khi khử trùng bằng clo: + Phản ứng phụ
+ Hình thành Clorophenol
+ Hình thành T.H.M ( Tri-halogen-methanol)
- Dùng ozone để khử trùng: Ozone là một chất khí có màu ánh tím ít hòa tan trong nước và rất độc hại đối với con người. Ơ trong nước, ozone phân hủy rất nhanh thành oxy phân tử và nguyên tử. Ozone có tính hoạt hóa mạnh hơn Clo, nên khả năng diệt trùng mạnh hơn Clo rất nhiều lần. Thời gian tiếp xúc rất ngắn do đó diện tích bề mặt thiết bị giảm, không gây mùi vị khó chịu trong nước kể cả khi trong nước có chứa phenol.
- Khử trùng bằng phương pháp nhiệt: Đây là phương pháp khử trùng cổ truyền. Đun sôi nước ở nhiệt độ > 100oC có thể tiêu diệt phần lớn các vi khuẩn có trong nước. Chỉ trừ nhóm vi khuẩn khi gặp nhiệt độ cao sẽ chuyển sang dạng bào tử vững chắc. Tuy nhiên, nhóm vi khuẩn này chiếm tỉ lệ rất nhỏ. Phương pháp đun sôi nước tuy đơn giản, nhưng tốn nhiên liệu và cồng kềnh, nên chỉ dùng trong quy mô gia đình.
- Khử trùng bằng tia cực tím (UV): Tia cực tím là tia bức xạ điện từ có bước sóng khoảng 4 – 400nm, có tác dụng diệt trùng rất mạnh. Dùng các đèn bức xạ tử ngoại, đặt trong dòng chảy của nước. Các tia cực tím phát ra sẽ tác dụng lên các phân tử protit của tế bào vi sinh vật, phá vỡ cấu trúc và mất khả năng trao đổi chất, vì thể chúng sẽ 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. Sát trùng bằng tia cực tím không làm thay đổi mùi, vị của nước.
- Khử trùng bằng siêu âm: Dòng siêu âm với cường độ tác dụng không nhỏ hơn 2W/cm2 trong khoảng thời gian trên 5 phút có khả năng tiêu diệt toàn bộ vi sinh vật trong nước.
- Khử trùng bằng ion bạc: Ion bạc có thể tiêu diệt phần lớn vi trùng có trong nước. Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này là: nếu trong nước có độ màu cao, có chất hữu cơ, có nhiều loại muối,…thì ion bạc không phát huy được khả năng diệt trùng.
e) Quá trình xử lý ổn định nước
Mục đích của quá trình xử lý ổn định nước là giữ cho nước luôn ở môi trường trung tính nhằm ngăn ngừa hiện tượng giảm chất lượng nước trong quá trình vận chuyển, đồng thời ngăn ngừa quá trình xâm thực hoặc lắng cặn CaCO3 trong hệ thống đường ống cung cấp, phân phối nước. Nhiệm vụ của quá trình xử lý ổn định nước là loại trừ khả năng xâm thực của CO2 hoạt tính có trong nước, điều chỉnh độ pH của nước.
f) Quá trình làm mềm nước
Độ cứng của nước chủ yếu là do sự có mặt của các ion Ca2+ và Mg2+. Hai thành phần trên không gây độc cho sức khỏe nhưng gây hại cho thiết bị như đóng cặn trong ống dẫn nước, ảnh hưởng đến chất lượng nước. Để khử độ cứng của nước, người ta dựa trên hai phương pháp sau:
Khử cứng theo phương pháp kết tủa: Phương pháp này loại trừ Ca2+ và Mg2+ ra khỏi nước dựa trên cơ sở tan thấp của CaCO3, MgCO3 và Mg(OH)2 và có thể tách chúng ra bằng biện pháp lắng, lọc. Đây là phương pháp thường được sử dụng trong xử lý nước cấp. Trên cơ sở đó người ta có các phương pháp làm mềm nước như:
+ Làm mềm nước bằng phương pháp nhiệt.
+ Làm mềm nước bằng phương pháp hóa học( làm mềm bằng vôi, vôi kết hợp với soda, làm mềm bằng trinatriphotphat).
Khử cứng theo phương pháp trao đổi ion: Khử cứng theo phương pháp trao đổi ion là biện pháp làm mềm nước dựa trên cơ sở trao đổi ion. Nước được cho chảy qua cột lọc và ở đó, ion Ca2+ và Mg2+ được giữ lại trên cột lọc.