Chương 2. TỰ ĐỘNG HÓA MỘT SỐ QUÁ TRÌNH CÔNG NGHỆ
2.4. Tự động hóa hệ thống xử lý nước thải
2.4.1. Tổng quan về hệ thống xử lý nước thải
1) Khái quát về nước thải
Nước thải là nước được thải ra khỏi nơi sinh hoạt hay quá trình sản xuất.
Có 2 loại nước thải cơ bản đó là nước thải sinh hoạt (NTSH) và nước thải công nghiệp.NTSH là nước đã được dùng cho các mục đích ăn uống, sinh hoạt, tắm rửa, vệ sinh nhà cửa...của các khu dân cư, công trình công cộng, cơ sở dịch vụ,...Như vậy, NTSH được hình thành trong quá trình sinh hoạt của con người.
Một số các hoạt động dịch vụ hoặc công cộng như bệnh viện, trường học, bếp ăn,.. cũng tạo ra các loại NT có thành phần và tính chất tương tự như NTSH.
Lượng NTSH tại các cơ sở dịch vụ, công trình công cộng phụ thuộc vào loại công trình, chức năng, số lượng người. Lượng NT từ các cơ sở thương mại và dịch vụ cũng có thể được chọn từ 15- 25% tổng lượng NT của toàn thành phố.
Đặc trưng NTSH là: hàm lượng chất hữu cơ cao (55-65% tổng lượng chất bẩn), chứa nhiều vi sinh vật có cả vi sinh vật gây bệnh, vi khuẩn phân hủy chất hữu cơ cần thiết cho các quá trình chuyển hóa chất bẩn trong NT. NTSH giàu chất hữu cơ, chất dinh dưỡng, là nguồn gốc để các loại vi khuẩn (cả vi khuẩn gây bệnh) phát triển là một trong những nguồn gây ô nhiễm chính đối với môi trường nước. NTSH có thành phần giống nhau ở các đô thị nhưng khác về hàm lượng, phương pháp xử lý giống nhau và xử lý sinh học được ưu tiên lựa chọn.
Lưu lượng NT không điều hòa, phụ thuộc vào thời điểm trong ngày (Vd: lượng người trong khu đô thị,...). Số lượng người càng đông chế độ thải càng điều hòa.
Nước thải công nghiệp (NTCN). Lượng nước thải sản xuất phụ thuộc vào:
loại hình, công nghệ sản xuất, loại và thành phần nguyên vật liệu, công suất nhà máy,...Công nghệ sản xuất ảnh lớn đến lượng nước tiêu thụ, lượng nước thải tạo thành, chế độ xả thải và thành phần tính chất nước thải. Áp dụng công nghệ tiên tiến và trang thiết bị càng hiện đại, lượng nước sử dụng sẽ giảm rất nhiều.
Nước thải trong các nhà máy, xí nghiệp được chia làm 2 nhóm: nhóm NT sản xuất không bẩn (quy nước sạch) và nước bẩn. NT sản xuất không bẩn: chủ yếu tạo ra khi làm nguội thiết bị, giải nhiệt trong các trạm làm lạnh, ngưng tụ hơi nước,...NT sản xuất bẩn: có thể chứa nhiều loại tạp chất với nồng độ khác nhau (vô cơ, hữu cơ, hoặc hỗn hợp). Thành phần, tính chất NT rất đa dạng và phức tạp. Một số NT chứa các chất độc hại như kim loại nặng (Vd: NT xi mạ), chứa nhiều vi khuẩn gây bệnh,... NTCN phụ thuộc vào quá trình sản xuất, quy trình công nghệ. XLNT công nghiệp khó khăn hơn, mức độ ô nhiễm phức tạp hơn so với NTSH. Tính toán lượng NT tối đa: dựa trên công suất của nhà máy và hệ
cả số lượng lẫn thành phần do đó không thể có tiêu chuẩn về các chỉ tiêu, thành phần hóa lý cho một loại NT nào được.
Nước thải sau khi qua hệ thống xử lý đạt tiêu chuẩn xả vào nguồn tiếp nhận để giảm thiểu các tác động đến môi trường. Thành phần nước thải sau khi qua hệ thống xử lý được kiểm tra theo TCVN 5945-2005 dưới.
STT Chỉ tiêu Đơn vị TCVN 5945 – 2005 (Cột A)
1 pH - 6 – 9
2 SS mg/l 50
3 COD mg/l 50
4 BOD mg/l 30
5 Nitơ tổng mg/l 15
6 Phospho tổng mg/l 4
Bảng 2.6: Chỉ số nước thải theo TCVN 5945-2005 2) Các phương pháp xử lý nước thải
a) Phương pháp xử lý cơ học
*) Song chắn rác (SCR) hoặc lưới chắn rác.
Loại bỏ tất cả các tạp vật có thể gây sự cố trong quá trính vận hành hệ thống XLNT như tắc ống bơm, đường ống hoặc ống dẫn. Trong XLNT đô thị người ta dùng song chắn để lọc nước và dùng máy nghiền nhỏ các vật bị giữ lại, còn trong XLNT công nghiệp người ta đặt thêm lưới chắn. SCR được phân loại theo cách vớt rác:
+SCR vớt rác thủ công, dùng cho trạm xử lý có công suất nhỏ dưới 0,1 m3/ngày
+SCR vớt rác cơ giới bằng các bằng cào dùng cho trạm có công suất lớn hơn 0,1 m3/ngày
Rác được vớt 2-3 lần trong ngày và được nghiền để đưa về bể ủ bùn hoặc xả trực tiếp phía trước thiết bị.
*) Bể điều hòa
Dùng để duy trì sự ổn định của dòng thải, khắc phục những vấn đề vận hành do sự dao động của lưu lượng dòng nước thải gây ra và nâng cao hiệu suất của các quá trình ở cuối dây chuyền xử lý. Lợi ích:
-Làm tăng hiệu quả của hệ thống sinh học do nó hạn chế hiện tượng quá tải của hệ thống về lưu lượng cũng như hàm lượng các chất hữu cơ, giảm được diện tích xây các bể sinh học (do được tính toán chính xác hơn). Hơn nữa các chất ức chế quá trình xử lý sinh học sẽ được pha loãng hoặc trung hòa ở mức độ thích hợp cho các hoạt động của vi sinh vật.
-Chất lượng NT sau xử lý và việc cô đặc bùn ở đáy bể lắng thứ cấp được cải thiện do lưu lượng nạp chất rắn ổn định.
-Diện tích bề mặt cần cho hệ thống lọc nước giảm xuống và hiệu suất lọc được cải thiện, chu kỳ làm sạch bề mặt các thiết bị lọc cũng ổn định hơn.
*) Bể lắng cát
Trong XLNT, quá trình lắng được sử dụng để loại các tạp chất ở dạng huyền phù thô ra khỏi nước thải. Theo chức năng, các bể lắng được phân thành:
bể lắng cát, bể lắng sơ cấp, bể lắng thứ cấp.Yêu cầu: có hiệu suất lắng cao và xả bùn dễ dàng. Cũng có thể sử dụng bể lắng như công trình xử lý cuối cùng, nếu điều kiện vệ sinh nơi đó cho phép.
+Bể lắng sơ cấp: đặt trước công trình xử lý sinh học dùng để gữi lại các chất hữu cơ không tan trong NT trước khi cho NT vào các bể xử lý sinh học và loại bỏ các chất rắn có khả năng lắng (tỉ trọng lớn hơn tỉ trọng của nước) và các chất nổi (tỉ trọng bé hơn tỉ trọng nước). Nếu thiết kế chính xác bể lắng sơ cấp có thể loại bỏ 50 -70% chất rắn lơ lửng, 25 - 40% BOD của NT.
+Bể lắng thứ cấp: đặt sau công trình xử lý sinh học.
Bể lắng có nhiệm vụ lắng các hạt cặn lơ lửng có sẵn trong nước thải (bể lắng đợt 1) hoặc cặn được tạo ra từ quá trình keo tụ tạo bông hay quá trình xử lý sinh học (bể lắng đợt 2). Theo dòng chảy, bể lắng được phân thành: bể lắng ngang và bể lắng đứng. Trong bể lắng ngang, dòng nước chảy theo phương ngang qua bể với vận tốc không lớn hơn 0,01 m/s và thời gian lưu nước thừ 1,5 – 2,5 h. Các bể lắng ngang thường được sử dụng khi lưu lượng nước thải lớn hơn 15000 m3/ngày. Đối với bể lắng đứng, nước thải chuyển động theo phương thẳng đứng từ dưới lên đến vách tràn với vận tốc từ 0,5 – 0,6 m/s và thời gian lưu nước trong bể dao động khoảng 45 – 120 phút. Hiệu suất lắng của bể lắng đứng thường thấp hơn bể lắng ngang từ 10 – 20 %.
*) Lọc
Lọc được ứng dụng để tách các tạp chất phân tán có kích thước nhỏ khỏi nước thải mà các bể lắng không thể loại chúng được, là quá trình tách các hạt rắn ra khỏi pha lỏng hoặc pha khí bằng cách cho dòng khí hoặc lỏng có chứa hạt chất rắn chảy qua lớp ngăn xốp, các hạt rắn sẽ bị gữi lại. Lọc có thể xảy ra dưới tác dụng của áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng hoặc áp suất cao trước vách ngăn hay áp suất thấp sau vách ngăn.
-Vật liệu dạng vách: làm bằng thép tấm có đục lỗ hoặc bằng lưới thép không rỉ nhôm, niken, đồng,..và cả các loại vải khác nhau (thủy tinh, amiang, bông len, sợi,..).Yêu cầu: trở lực nhỏ, đủ bền về hóa học, dẻo cơ học, không bị trương nở và bị phá hủy ở điều kiện lọc cho trước.
+Bể lọc với lớp vật liệu dạng hạt: có thể là cát thạch anh, than cốc, sỏi nghiền, than nâu, than gỗ,...tùy thuộc vào loại NT và điều kiện kinh tế. Đặc tính quan
kích thước các hạt xốp, cách sắp đặt các hạt xốp. Bề mặt riêng của lớp vật liệu xốp được xác định bằng độ xốp của các hạt và hình dạng của chúng. Quá trình lọc gồm các giai đoạn sau: 1.di chuyển các hạt tới bề mặt các chất tạo thành lớp lọc; 2.gắn chặt các hạt vào bề mặt; 3.tách các hạt bám dính ra khỏi bề mặt.
+Lọc qua màng lớp bã được tạo thành trên bề mặt vật liệu lọc: các hạt có kích thước lớn hơn kích thước mao quản lớp vật liệu lọc bị gữi lại, tạo thành lớp bã và cũng trở thành như lớp vật liệu lọc. (đặc trưng cho bể lọc chậm).
+Lọc không tạo thành lớp màng các tạp chất: quá trình lọc xảy ra trong bề mặt lớp vật liệu lọc dày, các hạt tạp chất bị gữi lại trên các hạt của vật liệu lọc bằng lực bám dính. Đại lượng bám dính phụ thuộc vào các yếu tố: độ lớn, hình dạng hạt, độ nhám bề mặt, thành phần hóa học, tốc độ dòng chảy, nhiệt độ chất lỏng,... Khi số hạt tới bề mặt lớp lọc trong một đơn vị thời gian bằng số hạt rời khỏi bề mặt đó, sự bão hòa xảy ra và lớp lọc không còn khả năng lọc nữa.
*) Tuyển nổi
Phương pháp tuyển nổi thường được sử dụng để tách các tạp chất (ở dạng rắn hoặc lỏng) phân tán không tan, tự lắng kém khỏi pha lỏng. Trong một số trường hợp, quá trình này còn được dùng để tách các chất hòa tan như các chất hoạt động bề mặt. Trong xử lý nước thải, quá trình tuyển nổi thường được sử dụng để khử các chất lơ lửng, làm đặc bùn sinh học. Ưu điểm cơ bản của phương pháp này là có thể khử hoàn toàn các hạt nhỏ, nhẹ, lắng chậm trong thời gian ngắn.
Quá trình tuyển nổi được thực hiện bằng cách sục các bọt khí nhỏ vào pha lỏng. Các bọt khí này sẽ kết dính với các hạt cặn. Khi khối lượng riêng của tập hợp bọt khí và cặn nhỏ hơn khối lượng riêng của nước, cặn sẽ theo bọt nổi lên bề mặt.
Hiệu suất quá trình tuyển nổi phụ thuộc vào số lượng, kích thước bọt khí, hàm lượng chất rắn. Kích thước tối ưu của bọt khí nằm trong khoảng 15 – 30 micromet (bình thường từ 50 – 120 micromet). Khi hàm lượng hạt rắn cao, xác xuất va chạm và kết dính giữa các hạt sẽ tăng lên, do đó, lượng khí tiêu tốn sẽ giảm. Trong quá trình tuyển nổi, việc ổn định kích thước bọt khí có ý nghĩa quan trọng.
b) Phương pháp khử trùng
*) Cơ chế
Cùng với các giai đoạn xử lý bậc một, bậc hai,... sẽ làm giảm nồng độ các chất ô nhiễm (cặn lơ lửng, BOD,..) đáp ứng yêu cầu quy định thì số lượng vi khuẩn gây bệnh cũng giảm đặc trưng bằng chỉ tiêu coliform (đạt 90-95%). Tuy nhiên một số loại vi khuẩn gây bệnh vẫn còn, khi vào nguồn nước mặt, gặp điều kiện thuận lợi sẽ phát triển nhanh chóng. Sau khi xử lý cơ học, sinh học trong điều kiện nhân tạo, vi khuẩn gây bệnh không bị tiêu diệt hoàn toàn. Vì vậy để đảm bảo điều kiện vệ sinh, NT đô thị hoặc NT sinh hoạt sau xử lý cơ học hoặc xử lý sinh học trong điều kiện nhân tạo cần phải khử trùng tiếp tục.
*) Khử trùng nước thải bằng clo
Rẻ tiền, đơn giản, hiệu quả cao thường dùng: clo lỏng, natri hypoclorit lỏng NaClO, canxi hypoclorit rắn CaCl2(ClO)2.H2O Tổng lượng Cl2, ClO- trong nước gọi là lượng clo hoạt tính. Khử trùng được tiến hành theo các bước:
-Xáo trộn hóa chất khử trùng với NT trong các bể trộn 1-2 phút
- Thực hiện phản ứng tiếp xúc hóa chất khử trùng với NT trong các bể tiếp xúc và máng dẫn NT ra nguồn với thời gian 15-20 phút, phụ thuộc vào các điều kiện xáo trộn và phản ứng. Tuy nhiên, nếu trong NT chứa nhiều chất hữu cơ chúng sẽ kết hợp với clo tạo các sản phẩm độc hại,... dễ gây hại cho nguồn nước đặc biệt đối nguồn nước cấp cho mục đích sinh hoạt.
- Khử trùng bằng clo nước: để định lượng clo, xáo trộn clo với hơi nước công tác, điều chế và vận chuyển đến nơi sử dụng người ta thường dùng cloratơ (cloratơ hoạt động liên tục đều, cloratơ hoạt động liên tục tỷ lệ với lưu lượng nước, cloratơ chân không). Nguyên tắc hoạt động của cloratơ: các banlon clo sử dụng để trên cân để theo dõi lượng clo tiêu thụ. Đối với clo hơi khi nén vào banlon có thể bị lẫn bụi vì vậy trước khi qua lưu lượng kế, clo cần được khử bụi, lưu lượng được điều chỉnh bằng lưu lượng kế và hóa lỏng bằng nước sạch.
Thường dùng cloratơ chân không có áp lực thấp hơn áp suất không khí do đó hơi clo không bay ra ngoài. Các banlon clo được cung cấp từ các nhà máy sản xuất. Khử trùng NT bằng clorua vôi: thường có 1 hay 2 thùng hòa trộn, hai thùng dịch và máy bơm định lượng.
- Thùng hòa trộn làm nhiệm vụ: trộn clorua vôi với nước kỹ thuật để đạt được dung dịch clorua vôi dạng sữa 10 -15%. Bùn cặn từ thùng này được xả ra ngoài và vận chuyển đi làm khô. Sữa clorua vôi tiếp tục được pha loãng trong thùng dung dịch đến nồng độ dưới 2,5% sau đó được máy bơm định lượng cấp về máng trộn. Các thùng pha clorua vôi có thể làm bằng composit, gỗ, bê tông có bọc nhựa,... dung dịch clo được khuấy trộn bằng cánh khuấy và trục chịu hóa chất. Áp dụng: các trạm XLNT công suất < 1000 m3/ngày
*) Khử trùng nước thải bằng ozon
Ozon là chất khí, có khả năng oxy hóa mạnh. Phân ly trong nước. Trong quá trình, các gốc tự do được hình thành, chúng có khả năng oxy hóa mạnh và tham gia vào quá trình khử trùng, Ngoài ra ozon còn tham gia phản ứng với các chất ô nhiễm khác trong nước thải, làm tăng hiệu quả xử lý. Ozon được chuẩn bị từ 2 nguồn: nguồn từ không khí, nguồn từ công nghiệp có độ tinh khiết cao. Do ozon nhanh bị phân hủy nên cần điều chế ngay tại nơi sử dụng bằng cách cho không khí hoặc oxy khô đi qua khe hẹp giữa hai điện cực cao thế hàng chục kV, cần lượng điện tiêu thụ lớn, để sản xuất 1kg O3 từ không khí cần 14-20kW.h.
Ozon được hòa tan vào nước bằng 2 cách: hòa trộn trực tiếp với NT trong bể
máng trộn trước khi vào bể tiếp xúc. Độ hòa tan của ozon trong nước cao gấp 13 lần so với oxy. Khi mới vào nước thì ozon không phản ứng ngay nhưng khi đủ lượng để oxy hóa các chất hữu cơ và khử trùng thì phản ứng xảy ra rất nhanh (3- 8 giây) do đó bể tiếp xúc chỉ cần nhỏ và nhỏ hơn nếu dùng clo để xử lý, thời gian cần: khoảng 15 phút. Hiệu quả khử trùng bằng ozon phụ thuộc vào chất lượng nước thải. Ưu điểm: hiệu quả cao, ít để lại hiệu ứng phụ như clo, nhưng chi phí lắp đặt hệ thống điều chế ozon cao, điện năng sử dụng lớn.
c) Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học
Phương pháp sinh học được ứng dụng để xử lý các chất hữu cơ hòa tan có trong nước thải cũng như một số chất vô cơ như H2S, Sunfit, ammonia, Nitro…
dựa trên cơ sở hoạt động của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm. Vi sinh vật sử dụng chất hữu cơ và một số khoáng chất để làm thức ăn.
Một cách tổng quát, phương pháp xử lý sinh học có thể phân thành 2 loại:
- Phương pháp kị khí sử dụng nhóm vi sinh vật kị khí, hoạt động trong điều kiện không có oxy.
- Phương pháp hiếu khí sử dụng nhóm vi sinh vật hiếu khí, hoạt động trong điều kiện cung cấp oxy liên tục.
Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa. Để thực hiện quá trình này, các chất hữu cơ hòa tan, cả chất keo và chất phân tán nhỏ trong nước thải cần di chuyển vào bên trong tế bào vi sinh vật theo 3 giai đoạn chính như sau:
- Chuyển các chất ô nhiễm từ pha lỏng đến bề mặt tế bào vi sinh vật.
- Khuếch tán từ bề mặt tế bào qua màng bán thấm do sự chênh lệch nồng độ bên trong và bên ngoài tế bào.
- Chuyển hóa các chất trong tế bào vi sinh vật, sản sinh năng lượng và tổng hợp tế bào mới.
Tốc độ quá trình oxy hóa sinh hóa phụ thộc vào nồng độ chất hữu cơ, hàm lượng các tạp chất và mức độ ổn định của lưu lượng nước thải vào hệ thống xử lý. Ở mỗi điều kiện xử lý nhất định, các yếu tố chính ảnh hưởng đến tốc độ phản ứng sinh hoá là chế độ thủy động, hàm lượng oxy trong nước thải, nhiệt độ, pH, dinh dưỡng và các yếu tố vi lượng.
Một trong phương pháp sinh học là sử dụng Hồ sinh học .Hồ sinh học hay sử dụng là các thủy vực tự nhiên hay nhân tạo, không lớn mà ở đó sẽ diễn ra quá trình chuyển hóa các chất bẩn. Quá trình này tương tự như quá trình tự làm sạch trong các hồ tự nhiên với vai trò chủ yếu là các loại vi khuẩn và tảo. Khi vào hồ, do vận tốc dòng chảy nhỏ, các loại cặn lắng xuống đáy. Các chất hữu cơ còn lại trong NT sẽ bị các vi sinh vật hấp thụ và oxy hóa mà sản phẩm tạo ra là sinh khối của nó, CO2, các muối nitorat, nitơrit,...Khí CO2, các hợp chất nitơ,