CHƯƠNG 2: CÁC QUÁ TRÌNH VÀ SƠ ĐỒ DÂY CHUYỀN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC THIÊN NHIÊN

2.1 Mục đích của các quá trình xử lý nước: Cung cấp số lượng nước đầy đủ và an toàn về mặt hóa học, vi trùng học để thỏa mãn các nhu cầu về ăn uống, sinh hoạt, dịch vụ, hoạt động sản xuất

2.2 Chất lượng nước thô thích hợp với các quá trình xử lý nước:

Nhà nước đã ban hành tiêu chuẩn nước mặt dùng làm nguồn nước TCVN 5942:1995

Tiêu chuẩn đã chia nguồn nước mặt và nước ngầm dùng làm nguồn cấp nước thành ba loại theo các chỉ tiêu của chất lượng nước thô như sau:

1. Nước thô có các chỉ tiêu chất lượng loại A

2. Nước thô có các chỉ tiêu chất lượng loại B

3. Nước thô có các chỉ tiêu chất lượng loại C

Nước thô có các chỉ tiêu vượt quá chỉ tiêu của tiêu chuẩn loại C không được dùng làm nguồn cấp nước

2.3 Các quá trình xử lý nước thiên nhiên

1. Hồ chứa và lắng sơ bộ: tạo điều kiện thuận lợi cho các quá trình tự làm sạch như: lắng bớt các cặn lơ lửng, làm giảm lượng vi trùng do các tác động của điều kiện môi trường, và làm nhiệm vụ điều hòa lưu lượng giữa dòng chảy từ nguồn vào và lưu lượng tiêu thụ do trạm bơm nước thô cấp cho nhà máy xử lý nước

2. Song chắn và lưới chắn: đặt ở cửa dẫn nước vào công trình thu làm nhiệm vụ loại trừ vật nổi, vật trôi lơ lửng trong dòng nước để bảo vệ các thiết bị và nâng cao hiệu quả làm sạch của các công trình xử lý

3. Bể lắng cát: 

Nhiệm vụ của bể lắng cát là tạo điều kiện để lắng cát hạt cát có kích thước lớn hơn hoặc bằng 0.2 mm và tỷ trọng lớn hơn hoặc bằng 2.6, để loại trừ hiện tượng bào mòn các cơ cấu chuyển động cơ khí và giảm lượng cặn nặng tụ lại trong bể tạo bông và bể lắng

4. Xử lý nước tại nguồn bằng hóa chất: để hạn chế sự phát triển của rong, rêu, tảo và vi sinh vật nước, để loại trừ màu, mùi vị do xác vi sinh vật chết gây ra.

5. Làm thoáng: Nhiệm vụ của công trình làm thoáng trong dây chuyền công nghệ xử lý nước

- Hòa tan oxy từ không khí vào nước để oxy hóa Fe2+, Mn2+ thành Fe3+, Mn4+ kết tủa, dễ lắng đọng để khử ra khỏi nước bằng lắng và lọc

- Khử khí CO2, H2S có trong nước, làm tăng pH nước, tạo điều kiện thuận lợi và đẩy nhanh quá trình oxy hóa và thủy phân Fe, Mn, nâng cao năng suất của các công trình lắng và lọc trong quy trình khử sắt và mangan

- Quá trình làm thoáng tăng hàm lượng oxy hòa tan trong nước, nâng cao thế oxy hóa khử của nước để thực hiện dễ dàng các quá trình oxy hóa các chất hữu cơ trong quá trình khử mùi và màu của nước

Có 2 phương pháp làm thoáng:

1 - Đưa nước vào trong không khí: 

6. Clo hóa trước (clo hóa sơ bộ): là quá trình choc lo vào nước trước bể lắng và bể lọc, mục đóch của clo hóa sơ bộ là:

- Kéo dài thời gian tiếp xúc để tiệt trùng khi nguồn nước bị 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

- Trung hòa ammoniac thành cloramin có tính tiệt trùng kéo dài.

Còn có tác dụng ngăn chặn sự phát triển của rong rêu trong bể phản ứng tạo bông cặn và bể lắng, phá hủy tế bào của các vi sinh sản ra chất nhầy nhớt trên mặt bể lọc, làm tăng thời gian của chu kỳ lọc

Nhược điểm:

- Tiêu tốn lượng clo thường gấp 3 – 5 lần lượng clo dùng để khử trùng nước sau bể lọc, làm tăng giá thành nước xử lý

- Tạo thành hợp chất trihalomothene là chất gây bệnh ung thư, vì vậy không được áp dụng clo hóa sơ bộ cho có nguồn nước mặt chứa nhiều chất hữu cơ

7. Quá trình khuấy trộn hóa chất:

Mục đích: tạo điều kiện phân tán nhanh và đều hóa chất

Quá trình trộn phèn đòi hỏi phải trộn nhanh và đều phèn vào nước xử lý vì phản ứng thủy phân tạo nhân keo tụ diễn ra rất nhanh , nếu không trộn đều và trộn kéo dài sẽ không tạo ra được các nhân keo tụ đủ, chắc và đều trong thể tích nước, hiệu quả lắng kém và tốn phèn.

8. Quá trình keo tụ và phản ứng tạo bông cặn:

Mục đích: tạo tác nhân có khả năng dính kết các chất làm bẩn nước ở dạng hòa tan lơ lửng thành các bông cặn có khả năng lắng trong các bể lắng và dính kết trên bề mặt hạt của lớp vật liệu lọc với tốc độ nhanh và kinh tế nhất

Khi trộn đều phèn với nước xử lý lập tức xảy ra các phản ứng hóa học và lý hóa tạo thành hệ keo dương phân tán trong nước, khi được trung hòa, hệ keo dương này là các hạt nhân có khả năng dính kết với các keo âm phân tán trong nước và dính kết với nhau để tạo thành các bông cặn, do đó quá trình tạo nhân dính kết gọi là quá trình keo tụ. Quá trình dính kết cặn bẩn và nhân keo tụ goi là quá trình phản ứng tạo bông cặn.

Trong kỹ thuật xử lý nước thường dùng phèn nhôm Al2(SO4)3, phèn sắt FeCl3, Fe2(SO4)3 và FeSO4 để keo tụ nước. Ở Việt Nam thường chỉ dùng nhôm vì sản xuất, vận chuyển, pha chế định lượng đơn giản

Hiệu quả của quá trình keo tụ phụ thuộc vào điều kiện khuấy trộn (càng nhanh, càng đều càng tốt), nhiệt độ của nước (càng cao càng tốt), pH của nước (để keo tụ bằng phèn nhôm nằm trong khoảng 5.7 – 6.8), độ kiềm của nước (độ kiềm sau khi pha phèn còn lại ≥ 1 mđlg/l)

Hiệu quả của quá trình tạo bông cặn phụ thuộc vào: cường độ và thời gian khuấy trộn để các nhân keo tụ và cặn bẩn va chạm và kết dính vào nhau nếu là keo tụ trong môi trường thể tích, phụ thuộc vào độ dục của nước thô và nồng độc cặn đã được dính kết từ trước nếu là keo tụ trong lớp vật liệu lọc.

Để tăng cường quá trình tạo bông cặn thường cho vào bể phản ứng tạo bông cặn chất trợ keo tụ polyme

9. Quá trình lắng:

Lắng là quá trình giả hàm lượng cặn lơ lửng trong nước nguồn bằng các biện pháp sau:

- Lắng trọng lực trong các bể lắng, khi đó các hạt cặn có tỷ trọng lớn hơn nước ở chế độ thủy lực thích hợp, sẽ lắng xuống đáy bể

- Bằng lực ly tâm tác dụng vào hạt cặn, trong các bẻ lắng ly tâm và xiclon thủy lực

- Bằng lực đẩy nổi do các bọt khí dính bám vào hạt cặn ở các bể tuyển nổi. Cùng với việc lắng cặn quá trình lắng còn làm giảm được 90 – 95% vi trùng có trong nước do vi trùng luôn bị hấp phụ và dính bám vào các hạt bông cặn trong quá trình lắng

Có 3 loại cặn cơ bản thường gắn liền với quá trình lắng

- Lắng các hạt cặn phân tán riêng rẽ, trong quy trình lắng hạt cặn không thay đổi hình dáng, độ lớn, tỷ trọng, trong xử lý nước thiên nhiên thường là cặn không pha phèn và công trình lắng thường gọi là lắng sơ bộ để giảm độ dục của nước nguồn.

- Lắng các hạt dạng keo phân tán, trong quá trình xử lý nước thiên nhiên gọi là lắng cặn đã được pha phèn. Trong quá trình lắng các hạt cặn có khả năng dính kết với nhau thành các bông cặn lớn, và ngược lại các bông cặn lớn có thể bị vỡ ra thành các mảnh nhỏ hơn nên trong khi lắng các bông cặn thường bị thay đổi kích thước, hình dạng và tỷ trọng

- Lắng các hạt cặn đã đánh phèn có khả năng dính kết với nhau như loại cặn nêu trong điểm 2 nhưng với nồng độ lớn, thường lớn hơn 1000mg/l, với nồng độ cặn lớn do tuần hoàn lại cặn, do tạo ra lớp cặn lơ lửng trong bể lắng, các bông cặn này tạo thành đám mây cặn liên kết với nhau và dính kết để giữ lại các hạt cặn bé phân tán trong nước.

Trong thực tế xử lý nước thường phải lắng cặn loại 2 và loại 3. Các yếu tố ảnh hưởng đến quy trình lắng cặn keo tụ là:

- Kích thước, hình dáng và tỷ trọng của bông cặn

- Độ nhớt và nhiệt độ của nước

- Thời gian lưu nước trong bể lắng

- Chiều cao lắng cặn (chiều cao lớp nước trong bể lắng)

- Diện tích bề mặt của bể lắng

- Tải trọng bề mặt của bể lắng hay tốc độ rơi của hạt cặn

- Vận tốc dòng nước chảy trong bể lắng

- Hệ thống phân phối nước vào bể và hệ máng thu đều nước ra khỏi bể lắng

Hiệu quả lắng phụ thuộc rất nhiều vào kết quả của bể tạo bông cặn, bể tạo bông cặn tạo ra các hạt cặn to, bền chắc và càng nặng thì hiệu quả lắng càng cao

Nhiệt độ càng cao, độ nhớt càng nhỏ, sức cản của nước đối với hạt cặn càng giảm làm tăng hiệu quả quá trình lắng

Hiệu quả lắng tăng lên 2 – 3 lần khi tăng nhiệt độ nước 100C

- Thời gian lưu nước trong bể lắng là chỉ tiêu quan trọng ảnh hưởng đến hiệu quả của bể lắng.

Vận tốc dòng nước trong bể lắng không được lớn hơn trị số vận tốc xói và tải cặn đã lắng lơ lửng trở lại dòng nước

10. Quá trình lọc:

Lọc là quá trình không chỉ giữ lại các hạt cặn lơ lửng trong nước có kích thước lớn hơn kích thước các lỗ rỗng tạo ra giữa các hạt lọc mà còn giữ lại các hạt keo sắt, keo hữu cơ gây ra độ dục và độ màu, có kích thước bé hơn nhiều lần kích thước các lỗ rỗng nhưng có khả năgn dính kết và hấp thụ lên bề mặt hạt lớp vật liệu lọc. 

Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc qua bể lọc hạt:

- Kích thước hạt lọc và sự phân bố các cỡ hạt trong lớp vật liệu lọc

- Kích thước, hình dạng, trọng lượng riêng, nồng độ và khả năng dính kết của cặn bẩn lơ lửng trong nước xử lý

- Tốc độ lọc, chiều cao lớp lọc, thành phần của lớp vật liệu lọc và độ chênh áp lực dành cho tổnt hất của một chu kỳ lọc

- Nhiệt độ và độ nhớt của nước

Vật liệu lọc là yếu tố quyết định của quá trình lọc

- Hiệu quả của quá trình lọc phụ thuộc vào rất nhiều cỡ hạt của lớp vật liệu lọc, độ đồng nhất về kích thước của các hạt vật liệu lọc.

Chiều cao của lớp vật liệu lọc hạt phụ thuộc vào kích thước hạt và vận tốc lọc. Kích thước hạt càng lớn, vận tốc càng cao thì lớp lọc phải càng dày, ngược lại cỡ hạt lọc bé, vận tốc nhỏ có thể chọn chiều dày lớn lọc m3ng hơn nhưng không được nhỏ hơn 0.6m

Về cơ bản, có thể phân bẻ lọc làm ba loại chính: lọc chậm, lọc nhanh trọng lực gồm bể lọc hở và lọc áp lực, hai loại bể lọc này có chiều dòng nước đi từ trên xuống dưới, loại thứ 3 là lọc ngược hay lọc tiếp xúc có chiều dòng nước đi từ dưới lên trên

11. Dùng than hoạt tính để hấp thụ chất gây mùi, mùi trong nước:

Để khử mùi vị, màu của nước bằng than hoạt tính có thể dùng hai phương pháp:

- Đưa nước sau xử lý dây chuyền công nghệ truyền thống vào lọc trực tiếp qua bể lọc than hoạt tính

- Pha bột than hoạt tính đã tán nhỏ đến kích thước vài chục µm vào bể trộn nước nguồn củng với phèn với liều lượng từ 3 - 15mg/l để hấp thụ các chất hữu cơ gây ra mùi vị, màu của nước. Phương pháp này làm tăng hiệu quả quá trình keo tụ, lắng, lọc và cặn lắng ở bể lắng

12. Flo hóa nước để tăng hàm lượng flo trong nước uống

Ở Việt Nam trừ một vài nguồn nước có lưu lượng nhỏ, một vài giếng nước ngầm mạch nóng ở Khánh Hòa, Phú Yên có hàm lượng flo cao hơn tiêu chuẩn cần phải xử lý, còn lại đa số các nguồn nước mặt đều có hàm lượng flo dưới tiêu chuẩn dùng cho ăn uống cần phải pha thêm flo vào nước

13. Khử trùng nước:

Để đảm bảo an toàn về mặt vi trùng học, nước trước khi cấp cho người tiêu thụ phải được khử trùng. Để khử trùng thường dùng các biện pháp tiêu diệt vi khuẩn và vi trùng có trong nước như:

- Đun sôi nước

- Dùng tia tử ngoại

- Dùng siêu âm

- Dùng các hóa chất có tác dụng tiệt trùng cao như ozon, clo và các hợp chất của clo, iod, kali pecmanganat

Phổ biến nhất là dùng clo và các hợp chất của clo vì rẻ, dễ kiếm và quản lý vận hành đơn giản. Quá trình khử trùng bằng clo phụ thuộc vào:

- Tính chất của nước xử lý như số lượng vi khuẩn, hàm lượng chất hữu cơ và các chất khử có trong nước

- Nhiệt độ nước

- Liều lượng clo

Thời gian khuấy trộn và tiếp xúc của clo tự do với nước

- Thời gian tiếp xúc của clo với nước theo quy định của tiêu chuẩn Việt Nam phải lấy trên 30 phút

- Liều lượng clo dùng để khử trùng phải được xác định sao cho sau thời gian tiếp xúc 30p lượng clo tự do còn lại trong nước là 0.3mg/l

14. Ổn định nước: là quá trình khử tính xâm thực của nước đồng thời cấy lên mặt trong thành ống lớp màng bảo vệ để cách li không cho nước tiếp xúc trực tiếp với vật liệu làm ống. Tác dụng của màng bảo vệ là:

- Chống gỉ cho ống thép và các phụ tùng trên đường ống

- Không cho nướ hòa tan vôi trong thành xi măng của lớp tráng mặt trong ống gang và ống gang dẻo, mặt thành trong của ống bê tong

Hóa chất thường dùng để xử lý ổn định nước là hexametaphotphat, silicat natri, soda, vôi

15. Làm mềm nước, khử muối, xử lý nước nồi hơi và nước làm lạnh:

Là các quá trình xử lý đặc biệt dùng trong dây chuyền xử lý nước công nghiệp 

Các quá trình xử lý nước

Quá trình	Mục đích
Hồ điều hòa và lắng sơ bộ	Điều hòa sự dao động lưu lượng giữa nguồn và trạm bơm nước thô
Song chắn rác	Loại trừ các vật nổi, trôi theo dòng nước
Lưới chắn rác	Loại trừ rác, các mảnh vỡ kích thước nhỏ, một phần rong rêu trôi theo dòng nước
Bể lắng cát	Loại ra khỏi nước các hạt cát có tỷ trọng ≥ 0.2mm để bảo vệ cho máy móc không bị bào mòn, giảm lượng cạn trơ trong các bể tạo bông cặn và bể lắng
Xử lý nước tại nguồn bằng hóa chất	Loại trừ khả năng phát triển của vi sinh vật và thực vật gây mùi, vị, màu cho nước
Làm thoáng	Lấy oxy từ không khí để oxy hóa sắt và mangan hóa trị II hòa tan trong nước Khử khí CO2 nâng cao pH của nước để đẩy nhanh quá trình oxy hóa và thủy phân sắt, mangan Làm giàu oxy để tăng thế oxy hóa khử của nước, khử các chất bẩn ở dạng khí hòa tan trong nước
Clo hóa sơ bộ	Giảm lượng vi trùng ở các nguồn nước thô bị nhiễm bẩn nặng Oxy hóa Fe, Mn hòa tan ở dạng các phức chất hữu cơ Loại trừ rong rêu, tảo phát triển trên thành các bể trộn, tạo bông cặn và bể lắng, bể lọc Trung hòa ammoniac, dư, diệt các vi khuẩn tiết ra chất nhày trên bề mặt cát lọc
Quá trình khuấy trộn hóa chất	Phân tán nhanh và đều phèn, các hóa chất khác vào nước cần xử lý
Quá trình keo tụ và phản ứng tạo bông cặn	Tạo điều kiện và thực hiện quá trình dính kết các hạt cặn keo phân tán thành bông cặn có khả năng lắng và lọc với tốc độ kinh tế cho phép
Quá trình lắng	Loại trừ ra khỏi nước các hạt cặn và bông cặn có khả năng lắng với tốc độ kinh tế cho phép, làm giảm lượng vi trùng và vi khuẩn
Quá trình lọc	Loại trừ các hạt cặn nhỏ không lắng được trong bể lắng nhưng có khả năng dính kết lên bề mặt hạt lọc
Hấp thụ và hấp thụ bằng than hoạt tính	Khù mùi, màu của nước sau khi dùng phương pháp xử lý truyền thống không đạt yêu cầu
Flo hóa nước	Nâng cao hàm lượng flo trong nước đến 0.6 – 0.9 mg/l để bảo vệ men răng và xương
Khử trùng nước	Tiêu diệt vi khuẩn và vi trùng còn lại trong nước sau bể lọc
Ổn định nước	Khử tính xâm thực và tạo ra màng bảo vệ cách li không cho nước tiếp xúc trực tiếp với vật liệu mặt trong thành ống dẫn để bảo vệ ống và phụ tùng trên ống
Làm mềm nước	Khử ra khỏi nước ion Ca2+ và Mg2+ đến nồng độ yêu cầu
Khử muối	Khử ra khỏi nước các cation và anion của các muối hòa tan đến nồng độ yêu cầu