+ Làm thoáng bằng giàn mưa tự nhiên
Nước cần làm thoáng được tưới lên giàn làm thoáng một bậc hay nhiều bậc với các sàn rải xỉ hoặc tre gỗ. Lưu lượng tưới và chiều cao tháp cũng lấy như trường hợp trên. Lượng ơxy hồ tan sau làm thống bằng 55% lượng ơxy hồ tan bão hồ.
+ Làm thoáng cưỡng bức (giàn mưa có quạt gió và có áp lực đẩy nước)
Cũng có thể dùng tháp làm thống cưỡng bức với lưu lượng tưới từ 30 đến 40 m3/h. Lượng khơng khí tiếp xúc lấy từ 4 ÷ 6 m3 cho 1m3 nước. Lượng ơxy hồ tan sau làm thống bằng 70% hàm lượng ơxy hồ tan bão hồ. Hàm lượng CO2 sau làm thoáng giảm 75%.
a) b)
Hình 1.2. Q trình làm thống cưỡng bức
a) Giàn mưa kết hợp bể lắng tiếp xúc b) Làm thống cưỡng bức – thùng quạt gió 1. Ống dẫn nước giếng lên giàn mưa 1. Hệ thống phân phối nước
2. Máng chính chữ U 2. Lớp vật liệu tiếp xúc 3. Máng nhánh chữ V có răng cưa 3. Sàn thu nước 4. Lá chớp 4. Máy quạt gió 5. Sàn tung 5. Ống dẫn nước ra 6. Ngăn thu nước 6. Ống xả
8. Ống trung tâm h2. Chiều cao lớp vật liệu tiếp xúc 9. Máng thu h3. Chiều cao sàn thu (tối thiểu 0,5m) 10. Ống dẫn nước sang bể
11. Ống xả cặn
+ Các yếu tố ảnh hưởng
pH:
Phương trình động học của phản ứng oxi hóa Fe(II) có dạng:
2 2 2 2 2 . . .O OH Fe kO dt Fe d at
Từ phương trình, có thể thấy vận tốc oxi hóa Fe(II) tỉ lệ thuận với lượng Fe(II) trong nước, nhưng tỉ lệ thuận với bình phương [OH-]. Như vậy, pH là quan trọng nhất.
Những kết quả nghiên cứu ảnh hưởng của pH đến khả năng oxi hóa của Fe(II) chỉ ra rằng: pH thấp hơn 6.6 phản ứng xảy ra rất chậm. từ pH từ 6.8 trở lên phản ứng có thể hồn thành trong thời gian nhỏ hơn 60 phút (đối với Fe tối ưu là 9 và Mn tối ưu là là 8.5 đến 9.5). Vì vậy, trong thực tế, nếu pH chưa đạt thì người ta thường tăng độ kiềm của nước bằng vôi hoặc soda trước khi đưa vào bộ phận làm thoáng.
Nhiệt độ của môi trường, nhiệt độ tăng lợi cho quá trình khử Fe2+ tăng.
Thời gian tiếp xúc giữa 2 pha khí nước trong cơng trình, thời gian tiếp xúc càng lớn khử Fe2+ càng tăng.
Diện tích tiếp xúc giữa 2 pha khí và nước, diện tích tiếp xúc càng lớn, q trình trao đổi khí diễn ra càng nhanh.
Hàm lượng O2.
Hàm lượng sắt.
Hàm lượng H2S, NH3 và các chất bẩn hữu cơ: Qui phạm H2S < 0.2 mg/l, NH4+ < 0.1 mg/l.
- Khử sắt và mangan bằng hoá chất
So sánh với phương pháp khử sắt và mangan bằng làm thoáng ta thấy, dùng chất oxy hóa mạnh, phản ứng xảy ra nhanh hơn. Tuy nhiên nếu trong nước có tồn
tại các chất như H2S, NH3 thì chúng sẽ gây ảnh hưởng tới quá trình khử do xảy ra phản ứng:
2H2S + O2 = 2S + 2H2O
Khi trong nước nguồn có hàm lượng tạp chất hữu cơ cao, các chất hữu cơ sẽ tạo ra dạng keo bảo vệ các ion sắt, như vậy muốn khử sắt phải phá vỡ được màng hữu cơ bảo vệ bằng tác dụng của các chất ơxy hố mạnh. Đối với nước ngầm, khi làm lượng sắt và mangan quá cao đồng thời tồn tại cả H2S thì lượng ơxy thu được nhờ làm thống khơng đủ để ơxy hố hết mangan và sắt, trong trường hợp này cần phải dùng đến hố chất là các chất oxi hóa mạnh.
+ Khử sắt và mangan bằng clo
Quá trình khử sắt bằng clo được thực hiện nhờ phản ứng sau: 2Fe2+ + Cl2 + 6H2O 2Fe(OH)3 ↓+ 6H+ + 2Cl-
+ Khử sắt và mangan bằng kali permanganat (KMnO4)
Khi dùng KMnO4 để khử sắt, quá trình xảy ra rất nhanh vì cặn mangan (IV) hyđroxyt vừa được tạo thành sẽ là nhân tố xúc tác cho quá trình khử. Phản ứng xảy ra theo phương trình sau:
3Fe2+ + MnO4- +5OH- 3Fe(OH)3↓ + MnO2
3Mn2+ +2 MnO4- +4OH- 5MnO2 ↓ + 2H2O
+ Khử sắt bằng H2O2
2Fe2+ + H2O2 + 4OH- 2Fe(OH)3↓
+ Khử sắt và mangan bằng vôi
Khi cho vôi vào nước, độ pH của nước tăng lên. Ở điều kiện giàu ion OH-, các ion Fe2+ thuỷ phân nhanh chóng thành Fe(OH)2 và lắng xuống một phần, thế ơxy hố khử tiêu chuẩn của hệ Fe(OH)2/Fe(OH)3 giảm xuống, do đó sắt (II) dễ dàng chuyển hoá thành sắt (III). Sắt (III) hyđroxyt kết tụ thành bông cặn, lắng trong bể lắng và có thể dễ dàng tách ra khỏi nước. Phương pháp này có thể áp dụng cho cả nước mặt và nước ngầm.
Nhược điểm của phương pháp này là phải dùng đến các thiết bị pha chế cồng kềnh, quản lý phức tạp, cho nên thường kết hợp khử sắt với quá trình xử lý khác như xử lý ổn định nước bằng kiềm, làm mềm nước bằng vôi kết hợp với sôđa.
+ Trao đổi cation
Nguyên tắc: cho lớp nước chứa sắt lọc qua lớp lọc vật liệu đặc biệt, các cation của sắt tham gia quá trình trao đổi với các cation có trong thành phần của lớp vật liệu lọc (cationit), được giữ lại trong lớp vật liệu lọc và như vậy nước được làm sạch.
Ví dụ: khi trong nước có sắt, đi qua lớp vật liệu lọc cationit Na hoặc H sẽ xảy ra quá trình:
2[K]-Na + Fe(HCO3)2 → [K2]-Fe + 2NaHCO3 2[K]-Na + FeCl2 → [K2]-Fe + 2NaCl 2[K]-Na + FeSO4 → [K2]-Fe + Na2SO4
Các ion Fe2+ thay thế Na+ được giữ lại xuất hiện một lượng ion dương khác bằng lượng ion Fe2+.
Sau một thời gian làm việc cần phục hồi khả năng lọc của các cationit bằng cách: NaCl (cho Na-cationit):
[K2]-Fe+ 2NaCl → 2[K]-Na + FeCl2 HCl, H2SO4 (cho H-cationit):
[K2]-Fe + HCl→ 2[K]-H + FeCl2
+ Điện phân
Dùng cực âm bằng sắt, nhôm,
Cực dương bằng đồng, bạch kim hay đồng mạ kền. Quá trình xảy ra
Dung dịch FeCl2: điện cực bằng đồng
Catot (-) Anot (+)
Fe2+ + 2e- Fe Cu - 2e- Cu2+ 2Cl- - 2e- Cl
+ Dùng vi sinh vật
Từ thực thế quan sát thấy luôn xuất hiện một số lồi vi khuẩn sắt trong các cơng trình khử sắt như bể lọc dù bể lọc được thổi rửa thường xun.
Một số lồi vi sinh vật có khả năng oxy hóa sắt trong điều kiện mà q trình oxy hóa hóa học xảy ra khó khăn. Các lồi vi khuẩn này xúc tiến cho sự oxy hóa và kết tủa nhanh Fe/Mn trong lớp vật liệu lọc – tương đương việc sử dụng chất xúc tác hay chất oxy hóa/ keo tụ bằng hóa học. Lợi dụng đặc điểm đó, chúng ta có thể cấy các mầm khuẩn sắt trong lớp cát lọc của bể lọc, thông qua hoạt động của các vi khuẩn, sắt được loại ra khỏi nước. Thường sử dụng thiết bị lọc chậm để khử sắt.
Tương tự như đối với mangan, cấy một loại vi sinh vật có khả năng hấp thụ mangan trong q trình sinh trưởng lên bề mặt lớp vật liệu lọc. Xác vi sinh vật sẽ tạo thành lớp màng ôxit mangan trên bề mặt hạt vật liệu lọc. Lớp màng này có tác dụng xúc tác q trình khử mangan.
Hiện nay chưa có một cơng trình nào hồn tồn khử sắt bằng vi sinh vật.
* Ngồi ra cịn có một số phương pháp khác như
Điện keo tụ
Tuyển nổi
Đưa nước đã oxy hóa (làm giàu oxy) vào trong long đất, nhằm khử sắt và mangan ngay trong lòng đất.
Phƣơng pháp sử dụng vật liệu lọc
Các vật liệu đặc biệt có khả năng xúc tác, đẩy nhanh q trình ơxy hố khử Fe2+ thành Fe3+, Mn2+ thành Mn4+ và giữ lại trong tầng lọc. Quá trình diễn ra rẩt nhanh chóng và có hiệu quả cao.
Chúng hoạt động như một chất oxi hóa bề mặt dùng để kết tủa Sắt, Mangan, Hydrogen sulfide. Các chất này bị oxi hóa và tạo thành chất bẩn kết tủa bám vào bề mặt các hạt lọc và sẽ được thải ra ngoài bằng cơ chế rửa ngược.
Một số vật liệu lọc có khả năng loại bỏ Sắt, Mangan thường được sử dụng hiện nay:
Cát đen
Cát xanh Mangan
Hạt Birm khử sắt
Vật liệu đa năng ODM – 2F
Cát thạch anh và sỏi đỡ
Than hoạt tính
Một số mơ hình xử lý tiêu biểu
- Xử lý nƣớc ngầm có hàm lƣợng sắt thấp (hàm lƣợng sắt <10 mg/l)
Cơng nghệ xử lý: Làm thống đơn giản và lọc Điều kiện áp dụng
1. Tổng hàm lượng sắt: ≤ 10 mg/l
2. Độ màu của nước khi chưa tiếp xúc với khơng khí <150 3. Hàm lượng SiO22- < 2 mg/l
4. Hàm lượng H2S < 0,5 mg/l 5. Hàm lượng NH4+ < 1 mg/l
6. Nhu cầu oxy = độ oxy hóa + 0,47 H2S + 0,15Fe2+ < 7mg/l 7. pH ≥7
Hình 1.4. Sơ đồ cơng nghệ xử lý nước ngầm có hàm lượng sắt <10mg/l
Nước ngầm đựợc bơm lên từ giếng khoan hay giếng đào được đưa vào làm thống đơn giản. Có thể dùng máng tràn, giàn mưa, ejector thu khí hay bơm nén khí để làm thống nước. Q trình làm thống ở đây chủ yếu là cung cấp oxy cho nước. Nước sau khi làm thoáng được lọc qua một lớp vật liệu lọc.
Tại bể lọc Fe2+, oxy hòa tan sẽ được tách ra và bám trên bề mặt của các vật liệu lọc, tạo nên màng xúc tác bao gồm các ion oxy, Fe2+, Fe3+. Màng xúc tác sẽ tăng cường quá trình hấp thụ và oxy hóa Fe do xảy ra trong môi trường dị thể. Trong phương pháp này khơng địi hỏi phải oxy hóa hồn tồn Fe2+, thành Fe3+ và keo tụ [4].
- Xử lý nƣớc ngầm có hàm lƣợng sắt cao (hàm lƣợng sắt > 10 mg/l)
Cơng nghệ xử lý: Làm thống - Lắng hoặc lọc tiếp xúc - Lọc trong Điều kiện áp dụng
1. Độ oxy hoá < [(Fe2+/28) + 5], mg/l 2. Tổng hàm lượng sắt: >10 mg/l
3. Tổng hàm lượng muối khoáng <1000 mg/l 4. Hàm lượng SiO22- <2 mg/l Nước ngầm Làm thoáng đơn giản Lọc Tiếp xúc khử trùng Clorine Nước sạch Bể lắng nước rửa lọc Xả cặn
5. Hàm lượng H2S <1 mg/l 6. Hàm lượng NH4+ <1,5 mg/l
7. Nhu cầu oxy = độ oxy hoá + 0,47 H2S + 0,15Fe2+ <10 mg/l
8. pH < 6,8 thì tính tốn thiết bị làm khống theo điều hiện khử khí CO2 nhằm tăng pH.
9. pH > 6,8 thì tính tốn thiết bị làm khống theo điều kiện lấy oxy để khử sắt.
Sơ đồ công nghệ xử lý chung:
Hình 1.5. Sơ đồ cơng nghệ xử lý nước ngầm có hàm lượng sắt >10mg/l
Nước ngầm được bơm lên từ giếng khoan hay giếng đào được đưa vào làm thoáng bằng dàn mưa, làm thống cưỡng bức để làm thống nước. Q trình làm thoáng ở đây chủ yếu là cung cấp oxy cho nước. Nước sau khi làm thoáng được dẫn vào bể khuấy trộn và lắng cặn, trước khi đi vào bể nước được tiếp xúc với hố chất có tác dụng đẩy nhanh q trình oxy hố hồ tan thành sắt III, nước từ bể lắng được dẫn qua bể lọc, bể lọc co chứa nhiều lớp vật liệu lọc.Nước sạch sau khi qua bể lọc được khử trùng bằng dung dịch clorine trước khi cung cấp cho người sử dụng. Nước ngầm Làm thoáng Trộn và lắng cặn Làm mềm Ca(OH)2, Na2CO3 Xả cặn ra bể nén cặn Lọc Lắng nước rửa lọc Tiếp xúc và khử trùng Clorine Nước sạch Hấp phụ (PAC)
Để tránh hiện tượng tắc lọc ở bể lọc, do đó đến chu kỳ chúng ta phải tiến hành rửa lọc bằng nước (nước + khí). Cặn ở bể lắng được đưa vào bể nén cặn [4].
1.3.2. Tổng quan xử lý nước thải và bùn cặn của nhà máy xử lý nước cấp
Thời gian trước năm 2000 nước thải và bùn thải của các nhà máy xử lý nước cấp thường được xả vào cống chung của thành phố hoặc xả trực tiếp vào hồ, sơng, ngịi gần nhất.
Năm 1990 Luật Môi trường của Việt Nam được Quốc hội thơng qua và có hiệu lực từ năm 1991. Từ năm 1991 đến năm 2000 Bộ Tài nguyên và Môi trường kết hợp với các bộ ngành liên quan đã tham mưu cho Chính phủ ban hành nhiều nghị định và văn bản hướng dẫn, Bộ Tài nguyên và Môi trường đã soạn thảo và trình Chính phủ thơng qua các tiêu chuẩn xả thải đối với các ngành sản xuất khác nhau. Theo các văn bản hướng dẫn thi hành Luật Mơi trường thì nhà máy xử lý nước thuộc diện các nhà máy sản xuất công nghiệp. Các nhà máy xử lý nước khơng cịn được phép xả thẳng nước rửa lọc và bùn cặn trong bể lắng ra sông, hồ, suối như đã làm trước đây. Luật và tiêu chuẩn xả thải hiện hành yêu cầu người vận hành nhà máy nước, hàng ngày phải kiểm soát lượng nước xả và chất lượng nước và bùn xả theo các chỉ tiêu như pH, BOD, hàm lượng cặn, tổng độ muối hòa tan và hàm lượng các chất độc hại. Kết quả các phân tích phải được ghi chép và báo cáo hàng quý, hàng tháng lên cơ quan quản lý môi trường ở địa phương theo quy định. Do đó việc xây dựng bổ sung cơng trình xử lý và quản lý vận hành xử lý chất thải hàng ngày tại nhà máy xử lý nước theo đúng các quy chuẩn và tiêu chuẩn đã ban hành là hết sức cần thiết. Tuy rằng nhiệm vụ chính và chủ yếu của người quản lý vận hành nhà máy nước là cấp nước an toàn cho ăn uống sinh hoạt của cộng đồng, nhưng nhiệm vụ sẽ không được coi là hồn thành nếu người vận hành khơng xử lý chất thải theo đúng tiêu chuẩn mà luật đã quy định [5].
Nguồn thải và chất lƣợng nƣớc thải, bùn thải của nhà máy xử lý nƣớc
cấp của nhà máy xử lý nƣớc cấp
- Chất lượng
Dựa theo cơng nghệ xử lý nước có thể chia các nhà máy xử lý nước thành 4 loại sau:
Loại 1: Nhà máy xử lý nước ngầm: xử lý sắt và mangan.
Loại 2: Nhà máy xử lý nước mặt áp dụng công nghệ xử lý truyền thống, pha phèn (vôi) keo tụ lắng và lọc, sát trùng.
Loại 3: Nhà máy dùng hóa chất trao đổi ion để làm mềm nước. Loại 4:
+ Nhà máy xử lý nước ngầm, oxy hóa khử sắt và mangan kết hợp dùng hóa chất làm mềm nước.
+ Nhà máy xử lý nước sông theo công nghệ truyền thống kết hợp dùng hóa chất để làm mềm nước.
Bùn cặn của nhà máy xử lý nước là do các chất lơ lửng trong nước thơ, sau q trình keo tụ được lắng xuống đáy bể lắng và được giữ lại trong các lớp vật liệu lọc, vì đã qua q trình keo tụ nên cặn lắng có chứa một lượng hóa chất xử lý như vơi, phèn và các chất oxy hóa, các hóa chất này là các chất khơng độc hại, cịn nước dùng để bùn cặn ra khỏi cơng trình xử lý là nước thơ đã qua xử lý keo tụ như nước xả bể lắng hoặc nước đã xử lý đến đạt tiêu chuẩn nước ăn uống như nước rửa bể lọc, chất lượng nước thô đã thỏa mãn tiêu chuẩn nguồn nước cấp cho ăn uống sinh hoạt nên không chứa độc tố. Từ các điều kiện trên có thể rút ra kết luận về chất lượng nước thải và bùn rác thải của nhà máy nước theo tiêu chuẩn quy định như sau:
+ Hàm lượng chất độc hại, khơng có (khơng cần xử lý).
+ pH của nước thải sản xuất trung tính (trong giớ hạn cho phép). + BOD thấp luôn đạt tiêu chuẩn nước thải loại A.
+ Rác và cặn nổi (đã được chặn lại ở lưới chắn, được chứa vào thùng chứa rác, đã ký hợp đồng với công ty vệ sinh thu gom và xử lý chung với rác thải đô thị).
+ Hàm lượng cặn lơ lửng và cặn có khả năng lắng cao quá tiêu chuẩn nước xả thải cần xử lý.
+ Hàm lượng muối hòa tan trong nước thải sản xuất luôn < 1000 dưới ngưỡng cho phép, không phải xử lý.
Từ phân tích trên cho thấy xử lý chất thải của nhà máy nước là xử lý làm trong nước, để nước thải ra mơi trường có hàm lượng cặn lơ lửng ở mức cho phép và xử lý bùn cặn thải.
- Nguồn xả và nồng độ cặn xả