2.3.1. Điều hịa lưu lượng:
Điều hịa lưu lượng được dùng để duy trì dịng thải vào gần như khơng đổi, khắc phục những vấn đề vận hành do sự dao động lưu lượng nước thải gây ra và nâng cao hiệu suất của các quá trình ở cuối dây chuyền xử lý. Các kĩ thuật điều hịa được ứng dụng cho từng trường hợp phụ thuộc vào đặc tính của hệ thống thu gom nước thải. Các phương án bố trí bể điều hịa lưu lượng cĩ thể là điều hịa trên dịng thải hay ngồi dịng thải xử lý.
Phương án điều hịa trên dịng thải cĩ thể làm giảm đáng kể dao động thành phần nước thải đi vào các cơng đoạn phía sau, cịn phương án điều hịa ngồi dịng thải chỉ giảm được một phần nhỏ sự dao động đĩ.
Vị trí tốt nhất để bố trí bể điều hịa cần được xác định cụ thể cho từng hệ thống xử lý. Vị trí tối ưu của nĩ phụ thuộc vào loại xử lý, đặc tính của hệ thống thu gom và đặc tính của nước thải.
Bể điều hịa thường được thiết kế với chiều sâu từ 1,5÷2m. Thể tích bể điều
hịa cĩ thể tính theo cơng thức sau:
. ln 1 d d n n Q V k k τ = − [4] Trong đĩ: n max tb cf tb C C k C C − = −
Q: Lưu lượng nước thải, m3/h. kn: hệ số dập tắt dao động. τd: thời gian thải đột biến.
Cmax, Ctb, Ccf: nồng độ lớn nhất, trung bình và cho phép của chất gây ơ nhiễm (g/m3).
Thể tích bể điều hịa dùng để dập tắt sự dao động cĩ chu kì của thành phần các chất ơ nhiễm sẽ được tính theo cơng thức sau: Vđ = 0,16.kn.Q.τd
Tuy nhiên, trong một số trường hợp khi khơng xác định được nồng độ max và trung bình của nước thải đầu vào người ta cĩ thể tiến hành tính tốn thể tích bể điều hịa thơng qua thời gian lưu t của nước trong bể cĩ tính đến hệ số khơng điều hịa β (β = 1,5÷2,5) theo cơng thức V = Q. β.t. [4]
2.3.2. Lắng:
* Quá trình lắng của hạt: Trong xử lý nước thải, quá trình lắng được sử dụng để loại bỏ các tạp chất dạng huyền phù thơ ra khỏi nước. Sự lắng của các hạt xảy ra dưới tác dụng của trọng lực. Để tiến hành quá trình này, người ta thường dùng các loại bể lắng khác nhau (bể lắng ngang, bể lắng đứng, bể lắng Radian). Trong cơng nghệ xử lý nước thải, theo chức năng, các bể lắng được phân thành: bể lắng cát, bể lắng cấp I và bể lắng trong (cấp II). Bể lắng cĩ nhiệm vụ tách bùn, bơng keo ra khỏi nước thải. Các bể lắng đều phải thỏa mãn yêu cầu: cĩ hiệu suất lắng cao và xả bùn dễ dàng. Nước thải nĩi chung thường là hệ dị thể đa phân tán hợp thể khơng bền. Trong quá trình lắng, kích thước, mật độ, hình dạng của các hạt và cả tính chất vật lý của hệ bị thay đổi. Ngồi ra, khi hịa nhập vào nước thải cĩ thành phần hĩa học khác nhau cũng cĩ thể tạo thành các chất rắn, trong đĩ cĩ các chất đơng tụ. Những quá trình này sẽ làm ảnh hưởng tới hình dạng và kích thước hạt, gây phức tạp cho việc thiết lập quy luật thực của quá trình lắng.
Các tính chất của nước thải khác nhiều so với nước sạch. Nĩ cĩ khối lượng riêng và độ nhớt cao. Độ nhớt và khối lượng riêng của nước thải chỉ chứa các hạt rắn được tính theo cơng thức sau: [4]
0(1 2,5. )0 nt C µ =µ + ( ) . 1 nt r ρ = −ρ ρ −ε
Với: μnt; μo: độ nhớt động lực học của nước thải và nước sạch, Pa.s C0: nồng độ thể tích của các hạt lơ lửng, kg/m3.
ρ, ρnt: khối lượng riêng của nước sạch và nước thải, kg/m3 ε: phần thể tích của pha lỏng, ε được tính theo cơng thức sau:
L L R V V V ε = −
Với: VL; VK: thể tích của pha lỏng và pha rắn trong nước thải, m3.
Tùy thuộc vào nồng độ và khả năng tác động tương hỗ lẫn nhau giữa các hạt rắn, cĩ thể xảy ra 3 loại lắng chính (hay cịn gọi là vùng lắng): lắng từng hạt riêng rẽ, lắng keo tụ và lắng vùng bao gồm lắng tập thể và lắng chen:
+ Lắng loại I (lắng từng hạt riêng rẽ): đĩ là quá trình lắng của các hạt trong hỗn hợp huyền phù ở nồng độ thấp (loại cát, sỏi). Các hạt lắng hồn tồn riêng biệt khơng cĩ tác động qua lại với nhau. Cơ sở của quá trình lắng loại này là các định luật cổ điển: Định luật Newton và Stockes với giả thiết là các hạt hình cầu.
+ Lắng loại II (lắng keo tụ): Đĩ là quá trình lắng của các hạt kết tụ trong hỗn hợp huyền phù hơi lỗng, khi nồng độ các hạt rắn trong dung dịch tương đối thấp, chúng sẽ lắng khơng giống nhau và sẽ kết hợp lại với nhau trong quá trình lắng. Ảnh hưởng này chỉ cĩ thể xác định bằng thực nghiệm: người ta sử dụng cột lắng cĩ chiều cao bằng chiều sâu thực của bể lắng. Loại lắng này thường được áp dụng để loại một phần chất rắn lơ lửng trong xử lý nước thải chưa xử lý trong các cơng trình xử lý lắng sơ cấp và phần trên của bể thứ cấp, các loại hạt bơng keo tụ hĩa học trong các bể kết tủa.
+ Lắng loại III (lắng vùng): bao gồm 2 loại lắng tập thể và lắng chen.
Lắng tập thể: đĩ là quá trình lắng của các hạt lơ lửng trong hỗn hợp huyền phù cĩ nồng độ trung bình. Trong đĩ lực tương tác giữa các hạt cản trở sự lắng của các hạt bên cạnh. Vì vậy các hạt cĩ xu hướng vẫn ở lại cùng một vị trí với nhau thành một khối cùng lắng xuống, tạo thành một mặt phân cách giữa pha lỏng và pha rắn ở phía trên khối hạt rắn lắng. Loại lắng này thường được sử dụng trong các cơng trình lắng thứ cấp tiếp ngay sau cơng trình xử lý sinh học.
Lắng chen: đĩ là quá trình của các hạt trong hỗn hợp huyền phù cĩ nồng độ ở mức tạo nên một cấu trúc, tại đĩ các hạt rắn lắng tiếp chỉ do sự nén ép của cấu trúc đĩ. Sự nén ép này xảy ra là do trọng lượng của các hạt rắn liên tiếp thêm vào bởi sự lắng của chúng từ lớp lỏng ở phía trên. Tốc độ lắng chen nhỏ hơn tốc độ lắng tự do, do xuất hiện dịng chất lỏng đi ngược lên và độ nhớt lớn của mơi trường. Loại lắng
này thường xảy ra trong lớp dưới của khối bùn nằm sâu ở đáy của bể lắng thứ cấp hay thiết bị làm đặc bùn.
Quá trình thiết kế bể lắng làm việc ở điều kiện lắng vùng bao gồm:
1. Tính diện tích bề mặt tối thiểu cần thiết để gạn trong, tách bùn ra khỏi nước.
2. Tính diện tích bề mặt tối thiểu để làm đặc bùn đến nồng độ yêu cầu.
3. Lấy diện tích lớn nhất của hai diện tích trên để thiết kế diện tích bề mặt cần thiết cho thiết bị lắng.
Diện tích tối thiểu cần thiết để gạn trong phụ thuộc vào vận tốc lắng W1 và được tính từ cơng thức: 1 W lt Q A = [4] Trong đĩ:
Alt: diện tích bể lắng trong, m2. Q: lưu lượng nước thải m3/h. W1: vận tốc lắng.
Vận tốc lắng W1 của bùn hoạt tính được xác định bằng phương pháp đồ thị
và theo cơng thức 0
1
W H
t
=
Nhiệt độ của nước cũng ảnh hưởng tới vận tốc lắng của các hạt rắn lơ lửng. Trong thiết kế bể lắng, căn cứ để tính kích thước bể là vận tốc dịng tràn (tương đương với vận tốc lắng bề mặt), chiều sâu thành bể và thời gian lưu.
Vận tốc dịng tràn được tính theo cơng thức:W0 Q
A
= [4]
Trong đĩ:
Wo: Vận tốc dịng tràn, m3/m2.ngày.
Q: lưu lượng trung bình hằng ngày, m3/ngày. A: Tổng diện tích bề mặt bể, m2.
Ở đây diện tích bề mặt tính tốn A chưa kể đến diện tích bề mặt giếng phân phối dịng vào ở giữa hoặc máng dẫn thốt. Lưu lượng trung bình là lưu lượng
dịng tràn ở bể lắng sơ cấp, bằng chính lưu lượng dịng vào vì cĩ thể bỏ qua thể tích bùn tháo từ đáy bể. Cịn ở bể lắng thứ cấp thì đĩ chính là lưu lưu lượng dịng ra. Đại lượng W0 cịn được gọi là tải lượng thủy lực (tải lượng riêng trên một đơn vị diện tích).
Thời gian lưu nước được tính theo cơng thức: t 24V
Q
= [4]
Trong đĩ:
t: thời gian lưu nước (h). V: thể tích bể lắng, m3.
Q: lưu lượng trung bình ngày, m3/ngày.
Thời gian lưu phải đủ để lắng một khối lượng lớn chất lơ lửng và để cho nước thải khơng cuốn theo các chất rắn cần tách ra ngồi bể lắng. Về mặt lý thuyết cho thấy, năng suất bể lắng khơng phụ thuộc vào chiều sâu của bể lắng. Chiều sâu của bể là chiều sâu của nước đo từ đáy bể tới đỉnh vách chảy tràn.
Tải lượng thủy lực của vách tràn là thương số giữa lượng nước chảy tràn trung bình hàng ngày với tổng độ dài của vách tràn (m3/m2.ngày).
Trong thực tế, vận tốc lắng hoặc vận tốc nổi lên được xác định theo thực nghiệm, cịn tải trọng thủy lực lấy trong các tài liệu.
Hiện nay, hai loại bể lắng được sử dụng trong cơng nghệ xử lý nước thải là bể lắng cát và các loại bể lắng dùng trong lắng cấp I, cấp II. Ở đây ta quan tâm tới các loại bể lắng dùng trong lắng cấp I và cấp II.
* Bể lắng đứng:
Nguyên lý hoạt động của bể lắng đứng là nước thải theo đường dẫn nước vào (1) chảy vào ống trung tâm (8) ở giữa bể. Phía dưới ống trung tâm cĩ bố trí tấm hướng dịng (5) để thay đổi hướng chảy của nước thải sang hướng ngang. Nước chảy ra khỏi ống trung tâm dâng lên theo thân bể, sau đĩ tràn ra máng thu (2) và theo ống dẫn nước ra (4) đi sang bể điều chỉnh pH cuối cùng. Cặn lắng rơi xuống vùng chứa cặn hình chĩp (7) theo ống xả cặn sang bể chứa bùn.
Bể lắng cĩ dạng hình hộp hoặc hình trụ với đáy hình chĩp. Nước thải được đưa vào ống trung tâm ở tâm bể với vận tốc khơng quá 30mm/s. Nước thải chuyển động theo phương thẳng đứng từ dưới lên trên tới vách tràn với vận tốc 0,5÷0,6 m/s. Thời gian lưu nước lại trong bể từ 45÷120 phút và được xả ra ngồi băng áp lực thủy tĩnh. Chiều cao vùng lắng từ 4÷5m. Trong bể lắng, các hạt chuyển động cùng với nước từ dưới lên trên với vận tốc W và lắng dưới tác dụng của trọng lực với vận tốc W1. Do đĩ các hạt cĩ kích thước khác nhau sẽ chiếm những vị trí khác nhau trong bể lắng. Khi W1> W, các hạt sẽ lắng nhanh, khi W1< W chúng sẽ bị cuốn theo dịng chảy lên trên. Hiệu suất của bể lắng đứng thường thấp hơn bể lắng ngang từ 10÷20%. [4]
* Bể lắng ngang:
Bể lắng ngang cĩ thể được làm bằng các vật liệu khác nhau như bê tơng, bê tơng cốt thép, gạch hoặc bằng đất tùy thuộc vào kích thước, yêu cầu của quá trình lắng và điều kiện kinh tế.
Trong bể lắng ngang, dịng nước thải chảy theo phương nằm ngang qua bể. Người ta chia dịng chảy và quá trình lắng thành 4 vùng: Vùng nước vào, vùng lắng, vùng xả nước, vùng cặn.
Các bể lắng ngang thường cĩ chiều sâu từ 1,5÷4m, chiều dài bằng (8÷12)m, chiều rộng kênh từ 3÷6m. Để phân phối đều nước người ta thường chia bể thành
nhiều ngăn bằng các vách ngăn. Các bể lắng ngang thường được sử dụng khi lưu lượng nước thải trên 15.000m3/ngày. Hiệu suất lắng đạt 60%. Vận tốc dịng chảy của nước thải trong bể lắng thường được chọn khơng lớn hơn 0,01m/s cịn thời gian lưu từ 1÷3 giờ. [4]
* Bể lắng Radian:
Loại bể này cĩ tiết diện hình trịn, đường kính 16÷40m (cĩ khi tới 60m). Chiều sâu phần nước chảy 1,5÷5m, cịn tỷ lệ đường kính/chiều sâu từ 6÷30. Đáy bể cĩ độ dốc i ≥ 0,02 về tâm để thu cặn. Nước thải được dẫn vào bể theo chiều từ tâm ra thành bể và được thu vào máng tập trung rồi dẫn ra ngồi. Cặn lắng xuống đáy được tập trung lại để đưa ra ngồi nhờ hệ thống gạt cặn quay trịn. Thời gian nước thải lưu lại trong bể khoảng 85÷90 phút. Hiệu suất lắng đạt 60%. Bể lắng Radian được ứng dụng cho các trạm xử lý cĩ lưu lượng từ 20.000 m3/ngày đêm trở lên. [4]
2.3.3. Kết tủa, đơng keo tụ:
Quá trình lắng chỉ cĩ thể tách được các hạt cĩ rắn huyền phù nhưng khơng thể tách được các chất gây ơ nhiễm bẩn ở dạng keo và hịa tan vì chúng là những hạt rắn cĩ kích thước quá nhỏ. Để tách các hạt rắn đĩ một cách hiệu quả bằng phương pháp lắng, cần tăng kích thước của chúng nhờ sự tác động tương hỗ giữa các hạt phân tán liên kết thành tập hợp các hạt, nhằm tăng kích thước của chúng. Việc khử các hạt keo rắn bằng lắng trọng lượng địi hỏi trước hết cần trung hịa điện tích của chúng, thứ đến là liên kết chúng với nhau. Quá trình trung hịa điện tích được gọi là quá trình đơng tụ và quá trình tạo các bơng lớn gọi là quá trình keo tụ kết tủa.
Những hạt rắn lơ lửng mang điện tích âm trong nước sẽ hút các ion trái dấu. Một số các ion trái dấu đĩ bị hút chặt vào hạt rắn đến mức chúng chuyển động cùng hạt rắn, do đĩ tạo thành một mặt trượt. Xung quanh lớp ion trái dấu bên trong này là lớp ion bên ngồi mà hầu hết là các ion trái dấu, nhưng chúng bị hút bám vào một cách lỏng lẻo và cĩ thể dễ dàng bị trượt ra. Khi các hạt rắn mang điện tích âm chuyển động qua chất lỏng thì điện tích âm đĩ bị giảm bớt các ion mang điện tích dương ở lớp bên trong. Hiệu số điện năng giữa các lớp cố định và lớp chuyển động gọi là thế zeta (ζ) hay thế điện động. Khác với thế nhiệt động E (là hiệu số
điện thế giữa bề mặt hạt và chất lỏng). Thế zeta phụ thuộc vào E và chiều dày hai lớp, giá trị của nĩ sẽ xác định lực tĩnh điện đẩy của các hạt là lực cản trở việc dính kết giữa các hạt rắn với nhau.
Nếu như điện tích âm thực là điện tích đẩy và thêm vào đĩ tất cả các hạt cịn cĩ lực hút tĩnh điện – lực VanderWaals – do cấu trúc phân tử của các hạt. Tổng của hai loại điện tích này là điện tích đẩy thực hay là một hàng rào năng lượng cản trở các hạt rắn liên kết với nhau. Như vậy mục tiêu của động tụ là giảm thế zeta – tức là giảm chiều cao hàng rào năng lượng này tới giá trị tới hạn, sao cho các hạt rắn khơng đẩy lẫn nhau bằng cách thêm các ion cĩ điện tích dương. Như vậy trong đơng tụ diễn ra quá trình phá vỡ ổn định trạng thái keo của các hạt nhờ trung hịa điện tích. Hiệu quả đơng tụ phụ thuộc vào hĩa trị của ion, chất đơng tụ mang điện trái dấu với điện tích của hạt. Hĩa trị của ion càng lớn thì hiệu quả đơng tụ càng cao.
Quá trình thủy phân các chất đơng tụ và tạo thành các bơng keo xảy ra theo các giai đoạn sau:
Me3+ + HOH = Me(OH)2+ + H+ Me(OH)2+ + HOH = Me(OH)+ + H+ Me(OH)+ + HOH = Me(OH)3 + H+
=> Me3+ + HOH = Me(OH)3 + 3H+
Liều lượng của các chất đơng tụ tùy thuộc vào nồng độ tạp chất rắn trong nước thải.
Các chất đơng tụ, keo tụ thường dùng là các muối nhơm, sắt hoặc hỗn hợp của chúng hoặc trực tiếp đưa OH- vào (đặc biệt trong trường hợp nước thải chứa nhiều ion kim loại nặng). Việc lựa chọn chất đơng tụ phụ thuộc vào các tính chất hĩa lý, chi phí, nồng độ tạp chất trong nước, pH và thành phần muối trong nước. Trong thực tế người ta thường sử dụng các chất đơng tụ sau: Al2(SO4)3.18H2O; NaAlO2; KAl(SO4)2...Trong đĩ được dùng rộng rãi nhất là Al2(SO4)3 bởi vì Al2(SO4)3 hịa tan tốt trong nước, cho phí thấp và hoạt động cĩ hiệu quả cao trong khoảng pH = 6,5÷8. Các muối sắt được sử dụng cĩ nhiều ưu điểm hơn so với các