L ỜI NÓI ĐẦU
2.2.2.3 Các cơ chế trong quá trình lọc nhanh
Quá trình lọc nhanh là sự kết hợp các cơ chế khác nhau để tách pha rắn ra khỏi pha lỏng. Các cơ chế có thể bao gồm: cơ chế sàng, cơ chế lắng, cơ chế hấp phụ, cơ chế hoạt hóa và cơ chế sinh hóa.
a, Cơ chế sàng:
Quá trình tách các hạt rắn lơ lửng có kích thước lớn hơn kích thước mao quản của vật liệu lọc được thực hiện bằng cơ chế sàng. Các hạt rắn lơ lửng được giữ lại trên bề mặt vật liệu lọc trong trường hợp này không phụ thuộc vào vận tốc lọc. Nhược điểm của cơ chế này là những hạt vật liệu lọc có kích thước nhỏ, thậm chí chỉ 0,4mm và lỗ mao quản nhỏ, đến 60m cũng không giữ nổi các hạt keo có kích thước 0,0010,1m và các loại vi sinh có kích thước 110 m. Ngay cả các bông keo của phèn nhôm hoặc sắt có kích thước 20 50m cũng vẫn có thể lọt qua lỗ mao quản (hình 2.2). Ngoài ra, khi xẩy ra hiện tượng bắc cầu giữa các hạt lơ lửng trong lỗ mao quản cũng có thể giữ lại các hạt có kích thước nhỏ.
Quá trình chuyển động của các phần tử lơ lửng trong mao quản vật liệu lọc được thực hiện nhờ građient vận tốc làm cho các hạt có kích thước nhỏ tiếp xúc và liên kết với nhau tạo thành bông keo to hơn. Các bông keo này được giữ lại sâu trong các lỗ mao quản, làm cho tiết diện tự do của mao quản nhỏ dần đi và hiệu suất cơ chế sàng sẽ tăng lên theo thời gian.
T ổn thất áp l ực trong lớ p vật li ệu lọc, 100 0mmH 2 O 0 3 6 9 12 15 18 21 24 (1) (2) 1 2 3
Trong thực tế, cơ chế sàng chỉ tách được một phần không đáng kể các chất bẩn lơ lửng trong nước. Khi nước chứa nhiều phần tử lơ lửng kích thước lớn thì cơ chế sàng đóng vai trò quan trọng. Để tránh hiện tượng tăng trở lực lọc theo thời gian, nên chọn vật liệu lọc có kích thước lớn và thô.
Hình 2.2 Kích thước mao quản và các hạt lơ lửng [2, trang 99]
b, Cơ chế lắng:
Cơ chế lắng giải thích quá trình tách các phần tử lơ lửng có kích thước nhỏ hơn kích thước có lỗ mao quản. Các phần tử lơ lửng lắng trên bề mặt hạt vật liệu lọc theo nguyên lý giống như quá trình lắng trong bể lắng. Tuy nhiên, khi lắng trong bể lắng, các phần tử lắng xuống đáy bể, còn ở đây chúng lắng trên bề mặt hạt vật liệu lọc. Nếu không gian tự do của mao quản là p = 1m3 và hạt vật liệu lọc là hạt tròn có đường kính d, thì diện tích bề mặt vật liệu lọc sẽ là:
d
6
.(1 – ), m2/m3 [2, trang 100]
Do vậy, nếu độ rỗng là = 0,4m3 và đường kính hạt là 0,8mm thì tiết diện bề mặt vật liệu lọc lên đến 4500m2/m3 với chiều sâu lớp vật liệu lọc là 1m.
Thậm chí chỉ một phần bề mặt này có tác dụng (không tính đến chỗ các hạt vật liệu lọc tiếp xúc nhau) và chỉ kể đến bề mặt đối diện với hạt lắng thì bề mặt trên 1m3 vật liệu lọc cũng có thể đạt đến 300m2. Bông keo Al hoặc Fe 20µm Vi khuẩn 2µm Tảo Asterionella 20µm Hạt silic 20µm Đường kính hạt 800µm Đường kính vòng tròn bao 60µm
Hiệu suất của cơ chế lắng là hàm số của tỷ số giữa tải trọng bề mặt và vận tốc lắng Vcl của các hạt rắn lơ lửng.
Đối với chế độ lắng dòng, theo định luật Stockes ta có:
Vcl = 2 . . 18 1 d g [2, trang 100]
Bằng cơ chế này rất khó tách được các phần tử nhỏ, nhẹ trong nước. Mặc dù trong quá trình lọc, keo tụ tạo bông xẩy ra, tạo ra các bông to lắng với vận tốc nhanh hơn. Hiện tượng vận tốc lắng của hạt tăng lên theo chiều sâu của lớp vật liệu lọc do građient vận tốc tạo ra bông keo lớn hơn đã làm cho tiết diện tự do của mao quản bé đi làm cho nước cọ xát mạnh vào lớp cặn và do vậy giảm chất lượng của lọc nước.
c, Cơ chế hấp phụ:
Hấp phụ là cơ chế quan trọng nhất trong quá trình lọc nhanh để tách các hạt keo, các phần tử lơ lửng và các tạp chất hòa tan. Lực hấp dẫn chỉ có tác dụng khi khoảng cách giữa các hạt lơ lửng trong nước và bề mặt hấp phụ rất nhỏ, do đó cơ chế hấp phụ chỉ có tác dụng khi các cơ chế đã đưa ra hạt chất bẩn cần tách trong nước đến tiếp cận với bề mặt vật liệu lọc.
Cơ chế vận chuyển này bao gồm các lực như lực trọng trường, lực quán tính, lực khuyếch tán, lực thủy động và lực xoáy. Cơ chế vận chuyển chất lỏng và vận chuyển các hạt rắn trong nước làm cho các hạt bẩn trong nước có đủ động năng để đến tiếp xúc với bề mặt vật liệu lọc. Khi đó lực hấp phụ giữa các hạt bẩn trong nước và vật liệu sẽ mạnh hơn lực đẩy và quá trình hấp phụ xẩy ra.
Các hạt cát với cấu trúc tinh thể của chúng, ở pH bình thường, thường mang điện tích âm, do đó cát có khả năng hấp phụ các hạt mang điện tích dương ở dạng keo hoặc hạt lơ lửng như tinh thể cacbonat, các bông keo tụ nhôm, mangan, sắt, ôxyt nhôm, hyđrat… những sản phẩm này thường có điện tích bề mặt dương, kể cả các cation sắt, nhôm, mangan… Quá trình hấp phụ các ion đã làm giảm điện thế âm của bề mặt vật liệu lọc. Khi đó có quá nhiều hạt tích điện dương tích tụ lên bề mặt vật liệu lọc sẽ xảy ra hiện tương quá bão hòa và bề mặt vật liệu lọc trở nên tích điện dương, do đó lại xẩy ra quá trình hấp phụ thứ hai, hấp phụ các hạt mang điện tích âm xảy ra. Các hạt keo có nguồn gốc từ động thực vật, các chất bẩn hòa tan, các anion như NO
3, PO3
4 … sẽ được hấp phụ ở giai đoạn này. Quá trình hấp phụ các hạt mang điện tích âm sẽ đạt đến quá bão hòa và trên bề mặt vật liệu lọc lại xẩy ra quá trình các hạt mang điện tích
dương. Hiện tượng đảo thế bề mặt vật liệu lọc xảy ra liên tục và điện thế bề mặt sẽ giảm dần theo thời gian lọc. Do đó lực hấp phụ giảm và hiệu suất lọc theo cơ chế này cũng giảm dần theo thời gian.
Trường hợp trong nước chủ yếu chỉ chứa các hạt mang điện tích âm muốn chúng tách ra khỏi nước thì ngay từ đầu phải tạo ra được điện thế dương trên bề mặt lớp vật liệu lọc, bằng cách phủ một lớp hạt mang điện tích dương hoặc một lớp mỏng các cation polyme trên bề mặt vật liệu lọc.
d, Cơ chế hoạt hóa:
Cơ chế này biến đổi các chất bẩn hòa tan trong nước thành các hợp chất đơn giản, vô hại hoặc là làm sao cho chúng thành những hợp chất không tan để có thể tách chúng ra khỏi nước nhờ cơ chế sàng, lắng, hấp phụ.
Khi trong nước có ôxy hòa tan, các chất hữu cơ có thể bị phân hủy hiếm khí theo phản ứng sau:
C5H7O2N + 5O2 H2O + 4CO2 + NH
4 + HCO
3
Như vậy phải cần đến 1,4 O2 để tạo ra 0,16g amoniac trên 1g chất hữu cơ. Dioxyt cacbon tạo ra trong trường hợp này luôn bị hòa tan trong nước. Amoniac được ôxy hóa nhờ vi khuẩn vi sinh (nitrosomonas) tạo ra nitrit theo phản ứng sau:
NH 4 + 2 3 O2 H2O + 2H+ + NO 2
và với nitrobacter tạo thành nitrat:
NO 2 + 2 1 O2 nitrobacter NO 3 Ngoài ra cũng còn xẩy ra phản ứng: H+ + HCO 3 H2O + CO2
Như vậy có thể nói quá trình ôxy hóa các chất hữu cơ tạo ra năng lượng cung cấp cho vi khuẩn tiến hành quá trình trao đổi chất như sau:
C5H7O2N + 7O2 nitrosomonasnitrobacter
3H2O + 5CO2 + NO
3 + H+
Lượng ôxy cần thiết tăng tới 2,0g cho 1g chất hữu cơ. Để chuyển hóa hoàn toàn 1g amoniac có trong nước cần không ít hơn 3,6g O2.
Đối với quá trình khử sắt, lượng ôxy cần đến ít hơn nhiều. Để sắt hòa tan thành sắt oxyt hyđrat không tan khi có mặt bicacbonat theo phản ứng:
8H+ + 8HCO
3 8H2O + 8CO2 Cộng hai quá trình trên ta có:
4Fe2+ + O2 + (2n + 4)H2O + 8HCO
3 2Fe2O3.nH2O + 8CO2 + 8H2O Như vậy chỉ cần đến 0,14g O2 để chuyển hóa 1g sắt.
Quá trình khử mangan xảy ra như sau:
4Mn2+ + (2x + y – 2)O2 + (2y + 4z +4)H2O 4MnOx(OH)y(H2O)Z + 8H+ 4Mn2+ +(2x + y – 2)O2 +(2y + 4z – 4)H2O+8HCO
3 4MnOx(OH)y(H2O)Z + 8CO2 Giá trị của 2x + y cao nhất là 4 nên 2x + y – 2 không bao giờ lớn hơn 2. Lượng ôxy cần thiết do vậy là 0,29g cho 1g mangan, tương ứng với phản ứng sau :
2Mn2+ + O2 + 4HCO
3 MnO2 + 2H2O + 4CO2
trong đó các ion Mn2+ đã bị khử thành MnO2.
Các phản ứng hóa học và hóa sinh nói trên chỉ xẩy ra trên bề mặt lớp vật liệu lọc, nơi đó có mặt chất xúc tác hoặc vi khuẩn cần thiết cho quá trình chuyển hóa.
e, Cơ chế sinh hóa:
Cơ chế cuối cùng trong quá trình lọc nhanh là cơ chế hoạt động của các chất hữu cơ vi sinh có mặt trên bề mặt vật liệu lọc. Với mục đích khử sắt, mangan và các chất hữu cơ trong nước, người ta cấy các vi khuẩn lên lớp bề mặt vật liệu lọc để chúng trở thành tác nhân cho quá trình khử các chất hữu cơ và vô cơ trong nước. Các chất hữu cơ và vô cơ trong nước một phần trở thành thức ăn cho vi khuẩn, cung cấp năng lượng cho chúng hoạt động và một phần chuyển hóa vào tế bào để cho chúng phát triển. Trong quá trình chuyển hóa các chất nói trên, nhờ vi khuẩn các chất hữu cơ phân hủy dần, ví dụ amoniac chuyển hóa thành nitrit rồi sau đó thành nitrat; các chất khác chuyển hóa thành các chất vô cơ vô hại như nước, CO2, nitrat, photphat… Sản phẩm của quá trình đi theo nước lọc cùng với một phần các vi khuẩn bị phân hủy, có phần được khoáng hóa.
Quá trình lọc nhanh không đảm bảo chất lượng nước về mặt vi trùng học. 2.2.2.4 Động học của quá trình lọc nhanh.
Các thông số chủ yếu của cột lọc bao gồm: vận tốc lọc, chiều dày lớp vật liệu lọc, kích thước hạt lọc, tổn thất áp lực theo chiều dày lớp vật liệu lọc, thời gian lọc, thời gian của một chu kỳ lọc. Tất cả thông số đó ảnh hưởng trực tiếp đến chất lượng nước lọc, hiệu suất lọc và có thể xác định được bằng thực nghiệm nhờ bể lọc thí nghiệm.
a, Nguyên lý giữ hạt chất bẩn trong cột lọc.
Chất lượng nước phụ thuộc vào hai yếu tố: chiều dày lớp vật liệu lọc và thời gian kể từ khi bắt đầu lọc.
Theo nguyên lý giữ hạt chất bẩn lơ lửng trong môi trường hạt, tốc độ lọc tối đa được xác định theo tương quan giữa lực đẩy của dòng nước và lực kết dính tác dụng lên hạt chất bẩn. Nếu ta chia bề dày hạt lọc thành nhiều lớp mỏng, ban đầu đa số hạt chất bẩn trong nước khi tiếp xúc với bề mặt các hạt vật liệu lọc ở lớp đầu tiên đều bị giữ lại ở đó, dần dần tạo thành một màng chất bẩn bao quanh hạt vật liệu lọc.
Bề dày của màng chất bẩn tăng dần lên và cấu trúc của màng không bền vững, đến lúc vượt quá lực liên kết giữa màng và vật liệu lọc quá yếu, màng chất bẩn bị dòng nước phá vỡ, một phần chất bẩn bị nước cuốn xa hơn, đến các lớp vật liệu lọc tiếp theo. Hiệu quả lọc là kết quả của hai quá trình ngược nhau: quá trình kết bám của lớp chất bẩn mới trong nước lên bề mặt hạt lọc và quá trình tách chất bẩn từ bề mặt lọc đưa vào nước. Hai quá trình đó diễn ra đồng thời và lan dần theo chiều sâu của lớp vật liệu lọc.
Đối với tổn thất áp lực trong cột lọc cũng hoàn toàn đúng như vậy: tổn thất áp lực càng lớn ở độ sâu càng lớn của chiều dày lớp vật liệu lọc tính từ trên xuống và tổn thất áp lực tăng theo thời gian lọc.
Đối với bể lọc nhanh, tổn thất áp lực lấy cao nhất là 2,5m, đó là giới hạn chiều cao lớp nước bảo vệ trên bề mặt vật liệu lọc. Độ tăng tổn thất áp lực trong lớp vật liệu lọc không được vượt quá bề dày lớp nước để tránh tạo ra chân không trong lớp cát lọc.
Đối với thời gian làm việc của thiết bị lọc, kết quả thực nghiệm cho thấy rằng, các chỉ tiêu kinh tế của thiết bị lọc phụ thuộc vào các thông số công nghệ và cấu tạo của nó.
Qua thực tế người ta còn thấy rằng:
- Chọn vật liệu lọc có kích thước nhỏ hay lớn không ảnh hưởng tới giá thành thiết bị.
- Tăng chiều cao lớp nước bảo vệ trên vật liệu lọc hay tăng giảm chiều dày lớp vật liệu lọc, giá thành thiết bị cũng ít thay đổi.
Nếu giảm vận tốc lọc sẽ ảnh hưởng tới giá thành thiết bị. Để có thể sử dụng vận tốc lọc lớn, người ta phải chọn vật liệu lọc có kích thước hạt lớn, tức bể lọc có chiều dày lớp vật liệu lọc lớn, như vậy chiều sâu nhập vào của chất bẩn vào lớp vật liệu lọc
sẽ lớn hơn. Khi vận tốc lọc tăng có nghĩa là tăng vận tốc cọ xát giữa các hạt chất bẩn lơ lửng trong nước với bề mặt vật liệu lọc nên trở lực thủy lực cũng tăng lên, nhưng ưu điểm là tăng khả năng thấm sâu của các hạt xuống mao quản vật liệu lọc.
Tuy nhiên, chất lượng nước theo thời gian vẫn có thể không đảm bảo, do đó thời gian làm việc của thiết bị lọc phải đạt các yêu cầu sau: chất lượng nước lọc phải đạt yêu cầu và tổn thất áp lực nhỏ hơn giá trị tối đa cho phép.
Vậy thời gian làm việc tối ưu của thiết bị lọc cũng phụ thuộc vào tính chất lý hóa sinh học của nước thô cần xử lý; vận tốc lọc và đặc điểm của lớp vật liệu lọc (chiều dày, kích thước và sự phân bố hạt vật liệu lọc). Cũng cần lưu ý rằng, chất lượng nước thô thay đổi theo mùa.
Trong thưc tế, thời gian lọc để đảm bảo chất lượng nước lọc thường lớn hơn thời gian đảm bảo tổn thất áp lực và nhỏ hơn giá trị tối đa đối với mọi điều kiện vận hành thiết bị lọc. Để đảm bảo có giải pháp kinh tế thì sự khác nhau của hai thời gian đó không được nhiều quá, thường từ 1 đến 1,5 ngày.
b, Phương trình đặc trưng cho quá trình lọc nhanh.
Để tìm ra phương trình đặc trưng cho quá trình lọc nhanh ta hãy xét một lớp vật liệu lọc có chiều dày x, cách bề mặt khối vật liệu lọc một khoảng x giới hạn bằng hai mặt phẳng I – I và II – II như trên hình 2.3
Hình 2.3 Sơ đồ tính chiều dày lớp vật liệu lọc [2, trang 119]
x I II I II x C1 C2
Đến mặt phẳng I – I, nước có nồng độ chất bẩn C1, qua đoạn x đến mặt phẳng II – II, nước có nồng độ cặn C2. Biến thiên của nồng độ chất bẩn qua đoạn đường x sẽ là: C = -(C2 – C1) = - x C x [2, trang 119] Đạo hàm riêng x C
biểu thị sự thay đổi nồng độ chất bẩn trong nước theo chiều
dày của lớp vật liệu lọc và được gọi là građient nồng độ chất bẩn.
Giá trị građient nồng độ chất bẩn phụ thuộc vào khoảng cách x từ mặt lớp hạt lọc đến điểm tính toán và thời gian lọc. Dấu (-) trong công thức trên biểu thị tương quan thuận nghịch của nồng độ chất bẩn và khoảng cách x.
Giả sử nguồn nước có hàm lượng chất bẩn C0 (g/cm3) trên một đơn vị diện tích của lớp vật liệu lọc dày x, sau một đơn vị thời gian lọc được một lượng nước tương