2.3.1. Phương pháp vật lý cơ học
Mục đích của xử lý cơ học là nhằm tách các chất không tan với các kích cỡ khác nhau ra khỏi nước thải như: các hạt rắn không hòa tan được lấy ra từ vải, các hóa chất được sử dụng bị kết tủa do pH thay đổi làm gia tăng các hạt lơ lửng.
Quá trình xử lý cơ học thường được áp dụng ở giai đoạn đầu của quá trình xử lý hay còn gọi là quá trình tiền xử lý (pre-treatment). Quá trình này là bước đệm nhằm đảm bảo tính an toàn cho các thiết bị và các quá trình xử lý tiếp theo.
Một số công trình xử lý cơ học: Song chắn rác, lưới lọc, các loại bể lắng, bể điều hòa, lọc cơ học.
a) Song chắn rác
Nguyên lý hoạt động: SCR được đặt trước ngăn tiếp nhận nước thải để loại bỏ tập vật có thể gây ra sự cố trong quá trình vận hành hệ thống như: làm tắc bơm, đường ống hoặc mương dẫn. Lượng rác giữ lại trên SCR < 0,1 m3 /ngày khi vớt rác bằng tay và ≥ 0,1 m3 /ngày khi vớt rác bằng cơ giới.
Song chắn rác thô Ưu điểm:
- Cấu tạo đơn giản, dễ lắp đặt, sữa chữa, thay thế và vệ sinh. - Chi phí đầu tư và bảo dưỡng thấp.
Nhược điểm:
- Có hiện tượng tắc nghẽn nếu lượng rác thải quá nhiều và không thường xuyên vớt rác. Để khắc phục, ta phải thiết kế thêm hệ thống trục vớt hoặc máy nghiền rác.
Song chắn rác cơ khí Ưu điểm:
- Giữ được các loại rác có đường kính nhỏ, các hợp chất tương đối mịn.
- Hiệu quả mang lại cao hơn, nếu sử dụng song chắn rác tinh thì (có thể) loại bỏ bể lắng đợt I ở các công trình sau.
m/ngày.đêm.
SVTH: Trần Nguyễn Hải Yến
GVHD: ThS. Lê Thị Ngọc Diễm 18
- Dễ dàng khi vệ sinh. Nhược điểm:
- Tốn chi phí điện năng. - Dễ bị bít nghẹt.
- Chỉ thích hợp với lưu lượng nhỏ.
Hình 2.1 Hình ảnh song chắn rác. [13]
b. Hồ chứa và lắng sơ bộ
Chức năng của hồ chứa và lắng sơ bộ nước thô (nước mặt) là: tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình tự làm sạch như: lắng bớt cặn lơ lửng, giảm lượng vi trùng do tác động của các điều kiện môi trường, thực hiện các phản ứng oxy hóa do tác dụng của oxy hòa tan trong nước và làm nhiệm vụ điều hòa lưu lượng giữa dòng chảy từ nguồn nước và lưu lượng tiêu thụ do trạm bơm nước thô bơm cấp cho nhà máy xử lý nước.
c. Quá trình lắng và bể lắng
Bể lắng có nhiệm vụ làm sạch sơ bộ, giảm hàm lượng cặn lơ lửng trong nước nguồn trước khi đưa nước vào bể lọc để hoàn thành quá trình làm trong nước.
Theo chiều dòng chảy, bể lắng được phân thành: bể lắng ngang, bể lắng đứng, bể lắng lớp mỏng và bể lắng trong có lớp cặn lơ lửng. Trong bể lắng ngang, dòng nước thải chảy theo phương ngang qua bể với vận tốc không lớn hơn 16,3 mm/s. Các bể lắng ngang thường được sử dụng khi lưu lượng nước lớn hơn 3.000 m3/ngày. Đối với bể lắng đứng, nước chuyển động theo phương thẳng đứng từ dưới lên đến vách tràn với vận tốc 0,3 – 0,5 mm/s. Hiệu suất của bể lắng đứng thường thấp hơn bể lắng ngang từ 10 – 20%.
Các loại bể lắng + Bể lắng đứng:
m/ngày.đêm.
SVTH: Trần Nguyễn Hải Yến
GVHD: ThS. Lê Thị Ngọc Diễm 19
Hình 2.2 Nguyên lý hoạt động của bể lắng đứng. [14]
+ Nguyên lý hoạt động:
Trong bể lắng đứng nước chuyển động theo phương ngang thẳng đứng từ dưới lên trên, còn các hạt rơi ngược chiều với chiều chuyển động của dòng nước từ trên xuống. Khi xử lý nước không dùng chất keo tụ, các hạt cặn có tốc độ rơi lớn hơn tốc độ dâng của dòng nước sẽ lắng xuống được. Còn các hạt có tốc độ rơi nhỏ hơn hoặc bằng tốc độ dâng của dòng nước sẽ chỉ lơ lửng hoặc bị cuốn theo dòng nước lên trên phía bể. Khi sử dụng nước có chất keo tụ, tức là trong nước chứa các hạt kết dính, thì ngoài các hạt cặn có tốc độ rơi ban đầu lớn hơn tốc độ rơi của dòng nước lắng xuống được, còn các hạt cặn khác cũng lắng xuống được. Tuy nhiên hiệu quả trong lắng đứng không chỉ phụ thuộc vào chất keo tụ, mà còn phụ thuộc vài sự phân bố đều của dòng nước đi lên và chiều cao vùng lắng phải đủ lớn thì các hạt cặn mới kết dính với nhau được.
Hiệu quả xử lý cao hơn các bể lắng khác và tốn ít diện tích xây dựng hơn. Tuy nhiên, bể lắng đứng có cấu tạo phức tạp, kỹ thuật vận hành cao. Vận tốc nước đi từ dưới lên ở vùng lắng nhỏ hơn hoặc bằng 0,85 mm/s và thời gian lưu nước khoảng 1,5 – 2 giờ.
Ưu điểm:
- Thiết kế nhỏ gọn, diện tích xây dựng không nhiều. - Thuận tiện trong việc xả bùn hoặc tuần hoàn bùn. Nhược điểm:
m/ngày.đêm.
SVTH: Trần Nguyễn Hải Yến
GVHD: ThS. Lê Thị Ngọc Diễm 20
- Hiệu quả xử lý không cao bằng bể lắng ngang. - Chi phí xây dựng tốn kém.
- Chiều cao vùng lắng phải lớn.
+ Bể lắng ngang:
+ Nguyên lý hoạt động:
Nước vào hệ thống phân phối các hạt cặn lớn lắng xuống, nước sẽ đi qua vách hướng dòng ngăn chuyển động rối của nước vào vùng lắng tại đây các hạt cặn nhỏ sẽ lắng xuống từ từ. Nước trên bề mặt là nước sạch sẽ được thu hồi lại qua ống thu nước bề mặt.
Hình 2.3 Bể lắng ly ngang. [15]
Ưu điểm:
- Gọn, có thể làm hố thu cặn ở đầu bể và cũng có thể làm nhiều hố thu cặn dọc theo chiều dài của bể.
- Hiệu quả xử lý cao. Nhược điểm:
- Giá thành cao, có nhiều hố thu cặn tạo nên những vùng xoáy làm giảm khả năng lắng của các hạt cặn.
- Chiếm nhiều diện tích xây dựng.
Phạm vi áp dụng: Ứng dụng cho các trạm xử lý có công suất >3000m3/ngày.đêm đối với trường hợp xử lý nước có dung phèn và áp dụng với bất kỳ công suất nào cho các trạm xử lý không dung phèn.
m/ngày.đêm.
SVTH: Trần Nguyễn Hải Yến
GVHD: ThS. Lê Thị Ngọc Diễm 21
+ Bể lắng ly tâm:
Hình 2.4 Bể lắng ly tâm. [16]
Cấu tạo: Bể lắng ly tâm có dạng hình tròn, đường kính có thể từ 5m trở lên, thường được sử dụng với công suất lớn hơn hoặc bằng 30.000m3/ngày.đêm.
Nguyên lý hoạt động: Bể lắng ly tâm là loại bể lắng trung gian giữa bể lắng ngang và bể lắng đứng. Nước từ vùng lắng chuyển động từ trong ra ngoài và từ dưới lên trên. Nước cần xử lý vào ống trung tâm rồi vào giữa ngăn phân phối vào vùng lắng. Trong vùng lắng nước chuyển động chậm dần đều từ tâm bể ra.
Ưu điểm:
- Thiết kế gọn, diện tích xây dựng không nhiều; - Thuận tiện trong việc xả bùn hoặc tuần hoàn bùn. Nhược điểm:
- Hiệu quả xử lý không cao; - Chi phí xây dựng tốn kém;
- Vận hành đòi hỏi có nhiều kinh nghiệm.
d. Quá trình lọc và bể lọc
Loại trừ các hạt cặn nhỏ không lắng được trong bể lắng nhưng có khả năng dính kết trên bề mặt vật liệu lọc.
m/ngày.đêm.
SVTH: Trần Nguyễn Hải Yến
GVHD: ThS. Lê Thị Ngọc Diễm 22
Quá trình lọc xảy ra theo những cơ chế sau:
+ Sàng lọc để tách các hạt rắn hoàn toàn bằng nguyên lý cơ học; + Lắng trọng lực;
+ Giữ hạt rắn theo quán tính; + Hấp phụ hóa học; hấp phụ vật lý; + Quá trình dính bám;
+ Quá trình lắng tạo bông.
Để thực hiện quá trình lọc nước có thể sử dụng một số loại bể lọc có nguyên tắc làm việc, cấu tạo lớp vật liệu lọc và thông số vận hành khác nhau. Thiết bị lọc có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau: Theo đặc tính như lọc gián đoạn và lọc liên tục; theo dạng của quá trình như làm đặc và làm trong; theo áp suất trong quá trình lọc như lọc chân không (áp suất 0,085 Mpa), lọc áp lực (từ 0,3 đến 1,5 MPa) hay lọc dưới áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng... Trong các hệ thống xử lý nước công suất lớn không cần sử dụng các thiết bị lọc áp suất cao mà dùng các bể lọc với vật liệu lọc dạng hạt. Vật liệu lọc có thể sử dụng là cát thạch anh, than cốc, hoặc sỏi nghiền, thậm chí cả than nâu hoặc than gỗ. Việc lựa chọn vật liệu lọc tùy thuộc vào loại nước thải và điều kiện địa phương.
Hình 2.5 Bể lọc nhanh trọng lực. [17]
Thiết bị lọc với lớp hạt có thể được phân loại thành thiết bị lọc chậm, thiết bị lọc nhanh, thiết bị lọc hở và thiết bị lọc kín. Chiều cao lớp vật liệu lọc trong thiết bị lọc hở dao động trong khoảng 1 – 2m và trong thiết bị lọc kín từ 0,5 – 1m.
m/ngày.đêm.
SVTH: Trần Nguyễn Hải Yến
GVHD: ThS. Lê Thị Ngọc Diễm 23
2.3.2. Phương pháp hóa lý
a. 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 vật sinh sản ra chất nhầy nhớt trên bề mặt bể lọc.
b. Keo tụ - tạo bông
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 tính điện. Do đó, để phá tính bền của các 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, NH4Al(SO4)2.12H2O, FeCl3, Fe(SO4)2.2H2O, Fe2(SO4)2.3H2O, Fe2(SO4)2.7H2O.
Chất trợ keo tụ:
Để tăng hiệu quả quá trình keo tụ tạo bông, người ta thường sử dụng các chất trợ keo tụ (flucculant). 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
m/ngày.đêm.
SVTH: Trần Nguyễn Hải Yến
GVHD: ThS. Lê Thị Ngọc Diễm 24
khi phân ly mà các chất trợ đông tụ có điện tích âm hoặc dương như polyacrylic acid (CH2CHCOO)n hoặc polydiallyldimetyl-amon.
c. Khử trùng nước
Khử trùng nước là khâu bắt buộc trong quá trình xử lý nước ăn uống sinh hoạt. 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,...
Để khử trùng thường dùng các biện pháp tiêu diệt vi khuẩn và vi trùng có trong nước như:
+ Khử trùng bằng Clo và các hợp chất của Clo; + Khử trùng bằng ozone; + Khử trùng bằng phương pháp nhiệt; + Khử trùng bằng tia cực tím (UV); + Khử trùng bằng siêu âm; + Khử trùng bằng ion bạc. 2.3.3. Các phương pháp khác a. Các phương pháp làm mềm nước
Có nhiều phương pháp làm mềm nước như phương pháp hóa học, phương pháp nhiệt, phương pháo trao đổi ion và phương pháp tổng hợp sau đây là một vài biện pháp cơ bản.
Làm mềm nước bằng phương pháp hóa học:
Cơ sở của phương pháp này là đưa ra hóa chất có khả năng kết hợp với ion Ca2+ và ion Mg2+ có trong nước tạo ra các kết tủa và loại chúng ra khỏi nước bằng biện pháp lắng, lọc.
+ Làm mềm nước bằng vôi Ca(OH)2 :
Đây là phương pháp thông dụng nhất nhằm khử độ cứng cacbonat được áp dụng khi cần giảm cả độ cứng và độ kiềm của nước. Trình tự các phản ứng xảy ra như sau:
2CO2 + Ca(OH)2 Ca(HCO3)2
m/ngày.đêm.
SVTH: Trần Nguyễn Hải Yến
GVHD: ThS. Lê Thị Ngọc Diễm 25
Mg(HCO3)2 +2Ca(OH)2 Mg(OH)2 + 2CaCO3 + H2O 2NaHCO2 + Ca(OH)2 CaCO3 + Na2CO3 + H2O
+ Làm mềm nước kết hợp với soda:
Khi tổng hàm lượng các ion Mg2+ và Ca2+ lớn hơn tổng hàm lượng các ion HCO3- và CO22-, nếu sử dụng vôi thì khử được độ cứng của magie, độ cứng toàn phần không thể giảm. Để giải quyết vấn đề này người ta phải sử dụng đến soda. Quá trình này xảy ra theo phản ứng sau:
Ca2+ + Mg2+ CaCO3 + Mg(OH)2 + Làm mềm nước bằng Na3PO4
Phương pháp này được áp dụng khi cần làm mềm nước thật triệt để, mà sử dụng vôi và sô đa vẫn chưa đem lại được kết quả mong muốn người ta cho Na3PO4 vào nước để khử hết các ion Ca2+ và Mg2+ thành muối không tan theo phản ứng sau:
3CaCl2 + 2Na3PO4 Ca3(PO4)2 + 6NaCl 3MgSO4 + 2Na3PO4 Mg3(PO4)2 + 3Na2SO4 3Ca(HCO3)2 + 2Na3PO4 Ca3(PO4)2 + 6NaHCO3 3Mg(HCO3)2 + 2Na3PO4Mg3(PO4)2 + 6NaHCO3 + Làm mềm nước bằng phương pháp nhiệt:
Cơ sở của phương pháp này là dùng nhiệt để bốc hơi khí cacbonic hòa tan trong nước. Trạng thái cân bằng của các hợp chất chứa cacbonic sẽ dịch chuyển theo phương trình sau:
HCO3- CO32- + H2O + CO2
Ca2+ + CO32- CaO3
Tuy nhiên khi đun nóng nóng chỉ khử được hết khí CO2 và giảm được độ cứng cacbonat của nước, còn CaCO3 vẫn còn tồn tại trong nước.
Riêng đối với ion Mg2+ quá trình khử diễn ra hai bước, ở nhiệt độ thấp đến 180oC ta có phản ứng:
Mg(HCO3)2 + 2Na3PO4 MgCO3 + CO2 + H2O
Khi tiếp tục tăng nhiệt độ MgCO3 bị thủy phân theo phản ứng: MgCO3 + H2O Mg(OH)2 + CO2
m/ngày.đêm.
SVTH: Trần Nguyễn Hải Yến
GVHD: ThS. Lê Thị Ngọc Diễm 26
Làm mềm nước bằng phương pháp nhiệt thường áp dụng cho xử lý nước nồi hơi, vì ở đây có thể sử dụng nhiệt dư của nồi hơi.
b. Phương pháp trao đổi ion
Trao đổi ion là quá trình lý hóa trong đó các ion chuyển từ pha rắn sang pha lỏng và ngược lại. Các ion trái dấu ở các nhóm chức mang điện trên bề mặt pha rắn sẽ trao đổi với các ion cùng dấu trong dung dịch khi tiếp xúc với pha rắn của hạt nhựa.