1.5 Vấn đề gặp phải khi định lượng các chất trợ keo tụ
1.5.3 Sơ đồ hệ thống châm chất trợ keo tụ sử dụng phép đo điện thế Zeta
Sơ đồ chung cho quy trình xử lý nước bẩn với phương pháp sử dụng thiết bị đo điện thế như sau:
17
M
Bơm định lượng hóa chất ổn định pH
Bơm định lượng Hóa chất trợ keo tụ
Bơm khuấy
Cảm biến
pH Thiết bị
đo thế
Bể keo tụ tạo bông
Đường trích nước
Nước bẩn đàu vào bể keo tụ Nước đầu ra bể keo tụ
Bộ đo và điều khiển (Controller)
Tín hiệu đo Tín hiệu đo
Tín hiệu điều khiển Tín hiệu điều khiển Tín hiệu điều khiển
Thải bỏ
Hình 1.12: Sơ đồ nguyên lý cho hệ thống châm Hóa chất trợ keo tụ tạo bông.
18 Ta có thể hiểu với sơ đồ khối như sau:
Controller (định lượng
hóa chất châm)
System (Bể khuấy
trộn)
Sensor (pH, )
pH, output pH,
set point +
Hình 1.13: Sơ đồ khối hệ thống châm hóa chất trợ keo tụ tạo bông 1.6 Mục tiêu nghiên cứu và phạm vi đề tài:
Các hệ thống định lượng chất trợ keo tụ trong xử lý nước bẩn hiện nay ở nước ta hầu hết chỉ dừng lại ở việc dùng các phương pháp truyền thống, phương pháp đo độ đục, hoặc kết hợp cả hai phương pháp để xây dựng cụm hệ thống định lượng hóa chất trợ keo tụ. Việc này phần lớn dựa vào kinh nghiệm và mang tính chủ quan cao. Các nhà thầu xây dựng hệ thống nước xử lý nước sạch hiện nay đang tìm kiếm những giải pháp thay thế có xu hướng tiết kiệm hóa các chi phí liên quan, đặc biệt là chi phí cho hóa chất.
Vì thế, mục tiêu của đề tài sẽ hướng đến:
- Nâng cấp hệ thống xử lý nước bẩn thông thường (theo tỷ lệ) thành hệ thống đo và điều khiển có tính chính xác hơn.
- Giảm được các khoảng thời gian chờ.
- Giảm được các chi phí khi sử dụng các phương pháp châm hóa chất thường được sử dụng hiện nay (chi phí hóa chất, chi phí nhân công,…).
- Tăng tính hiệu quả trong công tác định lượng hóa chất.
Yếu tố ảnh hưởng đến giá trị đo điện thế Zeta bao gồm cả sự thay đổi về độ pH, lưu lượng và cả nhiệt độ, vì vậy, các giá trị giới hạn được quy định như sau:
- Độ pH nước lấy sử dụng làm mẫu đo phải ổn định: pH 6.8 – pH 7.2 - Lưu lượng nước chảy qua thiết bị đo mẫu là 60 l/h
- Mẫu đo được giới hạn về thể tích
- Nhiệt độ thực hiện thí nghiệm: ở nhiệt độ phòng
Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448
19
CHƯƠNG 2
PHƯƠNG ÁN THỰC NGHIỆM VÀ MÔ HÌNH TRIỂN KHAI THỰC TẾ
2.1 Lý thuyết về dòng điện bề mặt và mối liên hệ với điện thế Zeta
2.1.1 Dòng điện bề mặt (Streaming Current) – điện thế bề mặt (Streaming potential):
Hiệu ứng điện thế bề mặt (hay dòng điện bề mặt) là quá trình ngược của hiện tượng điện chuyển, xuất hiện khi một hạt di chuyển trong một dòng nước hoặc ngược lại, dòng nước di chuyển qua hạt, tồn tại sự chênh lệch về mặt điện thế giữa các hạt điện.
Hiện tượng trên thường xuất hiện khi nước chứa các hạt mang điện được cưỡng bức đi qua bộ lọc. Các hạt mang điện tích âm bị vướng lại trên bộ lọc, trong khi đó các ion mang điện tích dương linh động (mobility) lại bị trôi theo dòng. Sự phân ly về mặt điện thế này được gọi là điện thế bề mặt (Streaming Potential).
Nếu có thể dùng các điện cực để đo thuận dòng và ngược dòng của bộ lọc thì điện thế bề mặt này hoàn toàn có thể đo lường được. Điện cực ở vị trí ngược dòng sẽ là điện cực âm và ở xuôi dòng sẽ là cực dương.
Việc hình thành sự chênh lệch điện áp sẽ dẫn đến trong nước một dòng các hạt tải điện, được gọi là dòng điện bề mặt (Streaming Current hay SC), để làm giảm lại sự chênh lệch điện áp. Điện thế bề mặt do đó sẽ phụ thuộc nhiều vào độ dẫn điện của chất lỏng. Nếu các cực đo được nối lại với nhau bằng đường dẫn (hay thiết bị đo) có độ dẫn điện cao hơn nhiều so với nước, thì dòng dịch chuyển các hạt điện tích sẽ hầu hết đi qua con đường này. Do đó, dòng điện bề mặt cho giá trị tương đối chính xác hơn điện thế bề mặt do không phụ thuộc nhiều vào độ dẫn điện của nước.
2.1.2 Thiết bị đo điện thế bề mặt (dòng điện bề mặt)
Thiết bị đo dòng điện bề mặt (Streaming current meter (SCM)) được phát minh vào năm 1966 bởi F.W Gerdes. Các bộ đo SCM hiện đại luôn lấy nền tảng của phát minh cơ bản này, cụ thể như sau:
Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448
20
Hình 2.1: Sơ đồ nguyên lý cảm biến đo Streaming Current - Nước mẫu (sample) sẽ được dẫn qua buồng hoạt động của bộ đo.
- Chuyển động tịnh tiến của piston được truyền động bởi một motor sẽ tạo thành dòng nước thuận và nghịch liên tục bên trong khoang (chamber) (thông thường sẽ khoảng 4 – 5 nhịp trong một giây).
- Giữa bề mặt khoang và trục có một khoảng cách cố định (thông thường là một vòng xuyến (annulus)) khoảng 200 – 500m. Tại nơi đây, ta đặt các cực đo để đo được giá trị SC.
- Giá trị đo SC được đo bởi các cực sẽ tỷ lệ với vận tốc dòng nước và luân phiên theo thời gian với nhịp của piston. Tín hiệu này thường rơi vào khoảng 0.05A đến 5A.
- Công thức liên hệ giữa giá trị SC và điện thế Zeta được thể hiện qua công thức như sau:
I = k.s.ω.ε.ζ.f(r,R)
Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448
21 Trong đó:
- I: Cường độ dòng điện bề mặt trung bình;
- s: Chiều dài của piston
- ω: Tần số góc của motor (vòng/s); ε: hằng số điện môi của dung dịch - ζ: Điện thế Zeta; r: Bán kính của Piston
- R: Bán kính của buồng - k: hằng số điện
- f(): Hàm tính khoảng cách giữa bề mặt buồng hoạt động và piston, phụ thuộc vào thiết kế của thiết bị đo.
Giá trị đo SC lúc này hoàn toàn có thể đóng vai trò tương đương như điện thế Zeta, ta có thể đánh giá việc châm định lượng hóa chất PAC qua giá trị đo này.
Đo giá trị SC trong một khoang chứa có nhiều thuận lợi hơn so với đo trực tiếp theo dòng nước:
- Đầu ra được cách điện và lỗi xuất hiện bởi các nguồn khác được loại bỏ.
- Tín hiệu nhận được luân phiên theo tần số cố định của piston, cho phép tách ra được nhiễu bên ngoài và khoảng lệch (external noise and offset) bởi hiện tượng điện cực trôi và tính không đối xứng.
- Ở khía cạnh thực tế, thiết bị sử dụng buồng có thể tránh được các loại nhiễu do điện, và có thể vệ sinh thiết bị một cách dễ dàng.
Đơn vị đo của SC là Ampere. Tuy nhiên, do tồn tại sự thiếu liên hệ của giá trị SC đo bằng Ampere đối với các thông số hóa lý khác, nên giá trị đo SC bằng Ampere sẽ được chuyển thành một dạng đơn vị khác với mục đích thuận tiện hơn và dễ thiết lập giá trị danh định hơn.
Tầm đo tương đương theo thiết bị đang sử dụng là: –1000mV đến 1000mV
Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448
22
2.1.3 Ứng dụng của thiết bị đo SC trong quá trình xử lý nước
Nước Thô
Khuấy
trộn Lắng Lọc
SCM
Bộ điều khiển Bơm
định lượng hóa chất
Đến công đoạn khử trùng
Hình 2.2: Vòng lặp hệ thống tự động định lượng PAC Theo quy trình tổng thể như trên, ta cần lưu ý những điểm như sau:
- Giá trị đo SC là tương đương với điện thế Zeta, nhưng các hệ số tính sẽ khó xác định. Cách sử dụng hữu hiệu thiết bị đo SC là thực hiện thí nghiệm Jartest và chọn ra một mẫu chuẩn (điện thế Zeta đạt giá trị tối ưu nhất và thông thường rơi vào khoảng 3mV), từ đó ta đo mẫu chuẩn để được giá trị SC cài đặt (set point) cho hệ thống. Ta có thể chọn điểm này làm Zero point và thực hiện hiệu chuẩn thiết bị tại điểm Zero này.
- Bơm định lượng hóa chất là thiết bị bơm thể tích chính xác, do đó, giá trị đo SC cần được chuyển thành giá trị nồng độ PAC đang tồn tại trong nước để đánh giá thể tích hóa chất cần châm vào.
Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448
23
2.1.4 So sánh giữa cảm biến đo độ đục và cảm biến SC
Hình 2.3: Mối quan hệ giữa nồng độ châm của chất trợ keo tụ với độ đục (NTU) và SC
Giả sử ta đang cài đặt một mức nước thỏa mãn các yêu cầu đề ra, thường là nước có độ đục thấp (Desired Water Quality). Ta dễ dàng nhận thấy khoảng hóa chất có thể tiết kiệm được khi sử dụng thiết bị đo SC so với khi đo độ đục.
Bảng bên dưới cho ta giá trị đo thực tế:
Hình 2.4: Thực tế đo SC và độ đục khi châm PAC
Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448
24 2.2 Phương án lấy mẫu thí nghiệm
Các phương án có thể dùng để đánh giá mối quan hệ của SC và nồng độ PAC trong nước có thể liệt kê như sau:
- Dùng một loại huyền phù để tạo độ bẩn ban đầu cho nước sạch với mức độ bẩn có thể kiểm soát được qua khối lượng huyền phù và thể tích nước sạch định sẵn. Châm hóa chất PAC và đo lường sự thay đổi khi châm hóa chất, từ đó thu thập dữ liệu.
- Dùng một loại mẫu nước bẩn có sẵn (nước kênh, sông,…), châm hóa chất PAC và đo lường sự thay đổi khi châm hóa chất, từ đó thu thập dữ liệu.
2.2.1 Giả lập mức độ bẩn của nước bằng huyền phù a. Mẫu nước sử dụng:
- Nước sinh hoạt: 10l
- Huyền phù: dùng giả lập chất rắn lơ lửng trong nước, dùng CaCO3. - Nồng độ sử dụng: 10%, 20%, 30%.
- Độ pH của nước: đã qua kiểm soát: dao động trong khoảng pH 6.8 ~ 7.2 - Giá trị đo: điện thế bề mặt (Streaming current), đơn vị mV
- Lưu lượng nước chảy qua thiết bị: 60l/h (theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất
b. Kết quả dự kiến:
- Theo lý thuyết, phép đo điện thế bề mặt có giá trị tỷ lệ với điện thế Zeta.
- Kết quả đo sẽ giảm dần theo độ hòa tan của chất huyền phù: nước chứa càng nhiều chất rắn lơ lửng thì có giá trị điện thế bề mặt thấp.
c. Kết quả thực tế:
Phép đo sử dụng thiết lập của nhà sản xuất (cảm biến được hiệu chuẩn với nước cất):
Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448
25 - Lần đo 1: nước sinh hoạt (potable water)
Hình 2.5: Giá trị điện thế bề mặt của nước sinh hoạt
Giá trị điện thế bề mặt nước sinh hoạt: –208mV: giá trị này phản ánh đúng thực tế trong nước sinh hoạt có rất ít nồng độ chất có khả năng keo tụ chất bẩn.
- Lần đo 2: Nồng độ CaCO3 10% trong nước
Hình 2.6: Giá trị điện thế bề mặt của nước sinh hoạt khi cho thêm huyền phù CaCO3.
Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448
26
- Lần đo 3: Nồng độ CaCO3 15% trong nước:
Hình 2.7: Giá trị điện thế bề mặt của nước sinh hoạt khi cho thêm huyền phù CaCO3 (lần 2)
- Lần đo 4: Nồng độ CaCO3 20% trong nước:
Hình 2.8: Giá trị điện thế bề mặt của nước sinh hoạt khi cho thêm huyền phù CaCO3 (lần 3)
Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448
27
- Lần đo 5: Nồng độ CaCO3 25% trong nước:
Hình 2.9: Giá trị điện thế bề mặt của nước sinh hoạt khi cho thêm huyền phù CaCO3 (lần 4)
Thực tế phép đo cho thấy, giá trị điện thế bề mặt không giảm theo dự kiến, mà ngược lại còn tăng theo sự gia tăng nồng độ CaCO3 trong nước.
d. Nguyên nhân và hướng giải quyết:
- Nguyên nhân: Huyền phù CaCO3 được sử dụng có khả năng keo tụ và lắng các chất rắn lơ lửng, đóng vai trò tương tự như hóa chất PAC nhưng tính hiệu quả không cao, không phù hợp cho việc mô phỏng thực nghiệm thiết bị.
- Hướng giải quyết:
o Cho thêm huyền phù PVSK hoặc PesNa (Anionic) để có được giá trị điện thế bề mặt giảm. Khó thực hiện bởi các loại huyền phù này mang giá thành cao và khó tìm.
o Hoặc sử dụng mẫu đo có thể đo được điện thế bề mặt ban đầu, sau đó thêm vào chất trợ keo tụ với nồng độ thấp để lấy giá trị mẫu.
Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448
28
2.2.2 Sử dụng mẫu nước bẩn đo từ một nguồn cố định a. Mẫu nước sử dụng:
Hình 2.10: Mẫu nước và lưu lượng dòng chảy
- Nơi lấy mẫu: Kênh Tàu Hủ, phía dưới chân cầu Calmette, Quận 4, TP.HCM.
- Thời gian lấy mẫu trong ngày: 13h45 - Thể tích nước có chất bẩn lơ lửng: 10l
- Độ pH của nước: dao động trong khoảng pH 6.9 ~ 7.1
- Lưu lượng nước chảy qua thiết bị: 60l/h (theo tiêu chuẩn của nhà sản xuất)
- Giá trị đo: điện thế bề mặt (Streaming current), đơn vị mV b. Khả năng sử dụng của hóa chất trợ keo tụ PAC:
- Hóa chất trợ keo tụ PAC được sử dụng là dạng bột, có nồng độ 31%.
- Pha hóa chất trợ keo tụ với tỷ lệ: 1 lít nước cất pha thêm 100g PAC 31%
- Nồng độ dung dịch sau khi pha: ~3%
- Khả năng sử dụng:
o Hai mẫu tương đương lấy từ nước thực nghiệm, mỗi mẫu 0.5l:
Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448
29
Hình 2.11: Hai mẫu nước tương đương
o Dùng thiết bị châm chuẩn (chính xác đến 1ml), để châm vào 100ml PAC 3% vào một trong hai mẫu nước trên, khuấy đều để tạo điều kiện kết tủa nhanh:
Hình 2.12:Châm PAC bằng thiết bị châm chuẩn o Kết quả sau khoảng 1 phút (mẫu bên phải):
Hình 2.13: Kết quả mẫu nước được châm PAC (bên phải)
Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448
30 o Tách cặn đã được keo tụ:
Hình 2.14: Mẫu nước sau khi được tách cặn (bên phải) o So sánh: Mẫu chưa xử lý (bên trái) và mẫu đã xử lý (bên phải)
Hình 2.15: So sánh kết quả mẫu nước
- Kết quả có thể quan sát được ngay cả với PAC nồng độ thấp.
c. Dữ liệu đo:
- Giá trị đo ban đầu trung bình của nước mẫu: –20.5mV.
- Thời gian chờ lấy kết quả giữa hai lần đo liên tiếp: 1 phút
- Số liệu được thu thập bằng cách châm 100 lần hóa chất PAC, mỗi lần châm thêm 50l vào mẫu nước bẩn.
- Các giá trị đo lần đầu được thu thập theo bảng sau:
Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448
31 Lần châm
Thể tích châm
(l) (cộng dồn) Nồng độ (mg/l) SC (mV)
1 50 0.15 -17
10 500 1.50 8
20 1000 3.00 21
30 1500 4.50 26
40 2000 6.00 28
50 2500 7.50 29
60 3000 9.00 30
70 3500 10.50 30
80 4000 12.00 30
90 4500 13.50 30
100 5000 15.00 30
Bảng 2.1: Dữ liệu châm và đo cho 100 lần châm (thu gọn)
Dựa vào sự thay đổi tăng của giá trị đo SC, ta có thể sử dụng mẫu bẩn đồng nhất ban đầu và châm tuần tự một lượng hóa chất nhất định vào mẫu và đo đạc thu thập dữ liệu.
2.3 Phương án thiết kế và mô hình thực tế triển khai Phương án thiết kế có các thiết bị chính như sau:
- Cụm mẫu nước và bơm tuần hoàn: bồn chứa nước mẫu 40l, bơm nước tuần hoàn, máy khuấy.
- Cụm cân bằng pH, gồm cảm biến pH và thiết bị điều khiển pH, 2 bơm định lượng cân bằng pH (bơm định lượng hóa chất NaOH và HCl) của hãng ProMinent
- Cụm đo và châm tự động PAC: gồm thiết bị đo SC của hãng Micrometrix và bơm định lượng PAC của hãng ProMinent.
32
Hình 2.16: Thiết kế sơ bộ thiết bị châm và định lượng PAC tự động
33
Hình 2.17: Hệ thống thực tế triển khai tại Nhà máy nước Khu Liên Hợp – tỉnh Bình Dương
Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448
34
CHƯƠNG 3
HÀM NỘI SUY CỦA GIÁ TRỊ ĐO ĐIỆN THẾ BỀ MẶT VÀ NỒNG ĐỘ CHẤT TRỢ KEO TỤ
3.1 Xây dựng hàm nội suy
Theo chương 2 đã đề cập về phương án lấy mẫu đo, tác giả đã thực hiện lấy mẫu và đo mẫu theo phương pháp như sau:
- Có 21 mẫu nước bẩn được lấy, mỗi mẫu 10l nước bẩn (chương 4).
- Ở mỗi mẫu, thực hiện châm 100 lần, mỗi lần 50l hóa chất PAC 3%.
- Thời gian chờ lấy mẫu cho mỗi lần châm để PAC phân tán đều trong nước bẩn là 1 phút.
- Giá trị được thể hiện trên đồ thị bên dưới là giá trị trung bình được trích từ 18 mẫu (được tính toán ở chương 4) sau khi đã loại bỏ sai số thô:
Hình 3.1: Đồ thị tương quan giữa nồng độ PAC và Điện thế bề mặt.
Hệ thống châm chất trợ keo tụ trong xử lý nước – HV: Phan Bảo Quang – MS: 13390448
35
3.1.1 Hàm nội suy (1) – suy đoán dựa vào hình dáng đường đặc tuyến - Dựa vào hình dáng của dữ liệu ghi nhận được, hàm nội suy giữa nồng độ hóa chất PAC và điện thế bề mặt đối với mẫu đo có thể có dạng:
b
xaeu k
với x là giá trị điện thế bề mặt, u là nồng độ hóa chất châm.
Ta có thể nhận thấy giá trị k 20 do 0 20
b
ae u
x
. Ta có thể viết:
b
X aeu (dựa theo kết quả thí nghiệm), với X = x + 20
Sử dụng phương pháp bình phương cực tiểu, ta có:
ln ln
b
u b
X ae X a
u
Đặt
100 2
1
ln i
i i
J c b X
u
, với c = ln a. Giá trị c và b được tính dựa trên điều
kiện: J 0; J 0
c b
:
100 100
1 1
100 100 100
2
1 1 1
200 2 1 2 ln
0
ln
1 1
0 2 2 2
i
i i i
i
i i i i i i
J c b X
c u
J X
c b
b u u u
Với
100 100 100 100
1 2 3 2 4
1 1 1 1
ln
1 1
; ln i; ; i,
i i i i i i i
k k X k k X
u u u
ta có:
1 2 1 2
1 3 4
1 3 4
200 2 2 100
2 2 2
c k b k c k b k
k c k b k
k c k b k
Ta có kết quả như sau: x52.8382e0.4767u 20 1