CHƯƠNG 5: TRỘN VÀ PHẢN ỨNG TẠO BÔNG CẶN

5.1  Trộn và bể trộn

       So với lượng nước xử lý, lượng hóa chất sử dụng thường chỉ chiếm một tủ lệ rất nhỏ, khoảng vài chục phần triệu. Mặt khác phản ứng của chúng lại xảy ra rất nhanh ngay sau khi tiế[ xúc với nước. Vì vậy cần phải khuấy trộn để phân phối nhanh và đều hóa chất ngay sau khi cho chúng vào nước, nhằm đạt được hiệu quả xử lý cao nhất

       Khi thiết kế và quản lý vận hành bể trộn cần chú ý các điểm sau:

-      Loại và tính chất của hóa chất cần trộn vào nước

-      Các hóa chất khác nhau cần hòa trộn vào nước

-      Tính chất của nước thô

-      Điều kiện của địa phương và trình độ quản lý
>> Xem thêm: xử lý nước thải

       1. Động lực của quá trình trộn

       Mục tiêu của quá trình trộn là đưa các phần tử hóa chất vào trạng thái phân tán đều trong môi trường nước khi phản ứng xảy ra, đồng thời tạo điều kiện tiếp xúc tốt nhất giữa chúng với các phần tử tham gia phản ứng, viẹc này được thực hiện bằng cách khuấy trộn để tạo ra các dòng chảy rối trong nước. Hiệu quả của quá trình trộn phụ thuộc vào cường độ và thời gian khuấy trộn. Đặc biệt  khi pha phèn vào nước, cường độ khuấy trộn quá nhỏ thì không đạt yêu cầu phân phối hóa chất, nếu quá lớn sẽ làm cho các phần tử tham gia phản ứng trượt khỏi nhau khi tiếp xúc. Cường độ khuấy trộn phụ thuộc trực tiếp vào năng lượng tiêu hao để tạo ra dòng chảy rối.

       Thời gian khuấy trộn hiệu quả được tính cho đến lúc hóa chất đã phân tán đều vào nước và đủ để hình thành các nhân keo tụ, nhưng quá lâu làm ảnh hưởng đến các phản ứng tiếp theo. Thời gian khuấy trộn phụ thuộc rất nhiều vào loại hóa chất cần trộn

       Phèn nhôm và phèn sắt khi cho vào nước xảy ra phản ứng thủy phân và hấp thụ để tạo ra hạt keo dương làm nhân keo tụ, quá trình diễn ra ngắn hơn 1 giây, nếu không trộn nhanh và đều với nước (khoảng 1 – 2 giây) các nhân keo tụ không được phân phối đều trong thể tích nước làm cho hiệu quả keo tụ phèn -  chất kiềm hóa vôi, xút, soda và các polymer trợ keo tụ khi cho vào nước không xảy ra phản ứng với phèn làm giảm số lượng nhân keo tụ, chỉ là chất điều chỉnh độ kiềm và pH giúp cho quá trình tạo bông cặn tốt hơn. Các hóa chất kiềm hóa và trợ keo tụ phải cho vào nước sau khi nước đã được trộn đều với phèn từ 15s – 1p và thời gian trộn các hóa chất này có thể dài hơn từ 10s – 2p.

       Các chất oxy hóa cho vào nước thô để oxy hóa các chất hữu cơ, diệt trong tảo phải cho vào nước trước khi trộn phèn từ 3p trở lên, thời gian khuất trộng có thể từ 10s – 2p.

       Theo nguyên lý cấu tạo và vận hành, các quá trình trộn được chia thành trộn thủy lực, trộn cơ khí và trộn bằng dòng tia áp lực

       2. Trộn thủy lực:

       Trộn thủy lực về bản chất là phương pháp dùng các loại vật loại vật cản để tao ra sự xáo trộn trong dòng chảy của hỗn hợp nước và hóa chất.

       Tùy theo cấu tạo, quá trình trộn thủy lực được thực hiện bằng máy bơm, thiết bị trộn trong ống dẫn, bể trộn vách ngăn và bể trộn đứng

       Thiết bị trộn đặt trong ống dẫn

-      Ưu điểm: gọn, không có bộ phận chuyển động, chiều dài khuấy trộn l= 1,5D (D là đường kính ống), thời gian trộn nhanh, không cần đưa năng lượng từ ngoài. Thời gian trộn 1 – 3s, tổn thất áp lực qua thiết bị 0,4 – 0,6m

       Khuấy trộn bằng máy bơm: ở các trạm xử lý nước thải có công suất nhỏ có thể cho dung dịch hóa chất vào đầu hút của máy bơm nếu chiều dài ống dẫn từ bơm đến công trình xử lý ≤ 20om. Tốc độ nước trong ớng dẫn phải bằng hoặc lớn hơn 1,2m/s để có thể xới và tải cặn lắng bám vào đường ống dẫn trong thời gian bơm ngừng hoạt động.

       Trộn trong ống dẫn: thường được sử dụng như khâu trộn sơ bộ khi cần cho hai hoặc nhiều loại hóa chất đồng thời vào nước. Biện pháp đơn giản nhất là sau điểm cho hóa chất, thay một đoạn ống dẫn nước nguồn đến bể trộn chính bằng đoạn ống có đường kính nhỏ hơn, tính với vận tốc nước 1,2 – 1,5 m/s. Chiều dài đoạn ống trộn tính theo tổng tổn thất áp lực bằng 0,3 – 0,4m. Nếu ống nước nguồn không có đủ chiều dài cần thiết, dung thiết bị trộn vành chắn thay cho đoạn ống trộn. Vành chắn tạo ra dòng chảy rối trong ống, đường kính lỗ vành chắn chọn với tổn thất cục bộ 0.3m – 0.4m

       Bể trộn vách ngăn:còn gọi là bể trộn ngang, gồm một đoạn mương bêtông cốt thép có các vách trộn chắn ngang

       

            Bể trộn đứng: thường được  sử dụng trong các nhà máy xử lý nước thải có xử lý bằng vôi sữa. Với chiều nước chảy từ dưới lên, các hạt vôi sẽ được giữ ở trạng thái lơ lửng và hòa tan dần. Cấu tạo bể trộn gồm hai phầ, phần than trên thường có tiết diện vuông hoặc tròn, phần đáy có dạng hình côn với góc hợp thành giữa có tường nghiêng trong khoảng 30 – 40⁰

       3.  Trộn cơ khí:

       Thay bằng năng lượng dòng nước, trộn cơ khí dùng năng lượng cánh khuấy để tạo ra dòng chảy rối. Cánh khuấy có thể được cấu tạo theo nhiều dạng khác nhau.

       So với phương pháp trộn thủy lực, trộn cơ khí có nhiều ưu điểm hơn, có thể điều chỉnh cường độ khuấy trộn theo ý muốn, thời gian khuấy trộn ngắn nên dung tích bể trộn nhỏm tiết kiệm được vật liệu xây dựng. Nhược điểm chính là cần có máy khuấy và các thiết bị cơ khí khác, đòi hỏi trình độ quản lý, vận hành cao, Thường là các nhà máy có công suất vừa và lớn. Trong một số turờng hợp khi áp lực nước nguồn còn dư nên chọn bể trộn thủy lực. Trước khi lựa chọn biện pháp khuấy trộn, cần phải tiến hành việc so sánh hiệu quả kinh tế giữa hai phương pháp thủy lực và cơ khí để tìm ra quy trình tối ưu nhất

       4. Trộn bằng dòng tia áp lực:

       Ưu điểm:

-      Không có tổn thất thủy lực trên dòng nước thô

-      Có hiệu quả cao vì tỷ lệ giựa hai dòng chính và dòng tia là 2 – 3%, đảm bảo trộn đều và nhanh, có thể điều chỉnh cường độ khuấy

-      Có thể thay thế máy bơm tạo tia áp lực tại chỗ bằng dòng nước lấy từ đài rửa lọc từ trạm bơm nước kĩ thuật trong nhà máy, từ trạm bơm II quay về

       6.  Quản lý vận hành:

-      Điều quan trọng nhất trong quản lý vận hành bể trộn là xác định đúng liều lượng hóa chất cần trộn, theo sự thay đổi hằng ngày của lưu lượng và chất lượng nước thô

-      Thường xuyên xem xét đường ống dẫn hóa chất, kịp thời phát hiện chỗ rò rỉ, chỗ tắc nghẽn và thông rửa thường xuyên những chỗ có thể gây đóng cặn

-      Kiểm ra và điều chỉnh để giữ đúng trị số năng lượng khuấy trộn cần thiết theo chất lượng nước thô

-      Ghi lại: liều lượng hóa chất cho vào nước, nồng độ hóa chất %. Cường độ khuấy trộn, để có số liệu khi xem xét đánh giá từng khâu trong toàn bộ dây chuyền xử lý nước

5.2  Bể phản ứng tạo bông cặn:

       Mục đích của quá trình phản ứng tạp bông cặn là tạo điều kiện thuận lợi nhất để các hạt keo phân tán trong nước sau quá trình pha và trộn với phèn đã mất tính ổn định và có khả năng dính kết với nhau, va chạm với nhau để tạo thành các hạt cặn có kích thước đủ lớn, có khả năng dính kết với nhau, va chạm với nhau d8ể tạo thành các hạt cặn có kích thước đủ lớn, có thể lắng trong bể lắng hoặc giữ lại được ở bể lọc

       1.  Nguyên lý hoạt động và cấu tạo các loại bể tạo bông cặn

       Khi thiết kế cấu tạo và quản lý vận hành bể phản ứng tạo bông cặn phải cân nhắc các điều kiện sau:

-      Chất lượng nước thô gồm: độ đục, tổng hàm lượng hữu cơ, độ kiềm, pH, độ màu, nhiệt độ

-      Các loại công trình xử lý đặt sau bể phản ứng tạo bông cặn

-      Điều kiện địa phương gồm: có sẵn chênh lệch cao độ, điều kiện khí hậu, nhiệt độ, trình độ trang thiết bị chung và trình độ quản lý vận hành.

       2.  Bể phản ứng tạo bông cặn thủy lực:

       Nguyên lý hoạt động: sử dụng năng lượng của dòng nước, kết hợp với các giải pháp về cấu tạo, để tạo ra các điều kiện thuận lợi cho quá trình tiếp xúc và kết dính giữa các hạt keo và cặn bẩn trong nước.

       Theo cơ chết vận hành, có các kiểu: bể phản ứng xoáy, bể phản ứng vách ngăn và bể phản ứng có lớp cặn lơ lửng

       Bể phản ứng xoáy gồm hai kiểu cấu tạo: xoáy hình trụ và xoáy hình côn

-      Bể phản ứng xoáy hình trụ thường được đặt trong bể lắng đứng, áp dụng cho các nhà máy có công suất nhỏ. Bể gồm một ống hình trụ đặt ở tâm bể phần trên của bể lắng đứng. Nước từ bể trộn được dẫn bằng ống rồi qua hai vòi phun cố định đi vào phần trên của bể. Hai vòi phun được đặt đối xứng qua tâm bể, với hướng phun ngược nhau và chiều phun nằm trên phương tiếp tuyến với đường chu vi bể. Do tốc độ qua vòi phun nước, nước chảy quanh thành bể tạo thành chuyển động xoáy từ trên xuống. Các lớp nước ở bán kính quay khác nhau có tốc độ chuyển động khác nhau và tạo điều kiện tốt cho các hạt cặn, keo va chạm kết dính với nhau tạo thành bông cặn. Đường kính vòi phun được chọn theo tốc độ nước ra khỏi vòi 2 – 3m/s

   

-      Bể phản ứng xoáy hình côn có dạng như một cái phễu lớn. Nước đi vào ở đáy bể và dâng dần lên mặt bể. Trong quá trình đi lên, do tiết diện dòng chạy tăng dần làm cho tốc độ nước giảm dần. Tuy nhiên do ảnh hưởng quán tính, tốc độc của dòng nước phân bế không đều trên cùng một mặt phẳng nằm ngang, vào gần tâm bể, tốc độ càng lớn hơn và dòng chảy ở tâm có xu hướng phânt án dần ra phía thành bể. Ngược lại, do ma sát các dòng chảy phía ngoài lại bị các dòng bên trong kéo lên theo. Sự chuyển động thuận nghịch đó đã tạo ra các xoáy nước nhỏ phân bố đều trong bể, làm tăng hiệu quả khuấy trộn. Các bông cặn được tạo ra có kích thước tăng dần theo chiều nước chảy đồng thời tốc độ nước giảm dần sẽ không phá vỡ các bông cặn lớn đó.

-      Bể phản ứng vách ngăn thường được xây dựng kếp hợp với bể lắng ngang

       Nguyên lý cơ bản là dùng vách ngăn để tạo ra sử đổi chiều liên tục của dòng nước. Mỗi khi dòng nước đổi chiều chảy, giữa các lớp nước lạo có sự thay đổi về tốc độ và tạo ra hiệu quả khuấy trộn. Các hạt cặn được vận chuyển lệch nhau sẽ dễ va chạm và kết dính với nhau tạo thành bông cặn. Bể có cấu tạo dạng hình chữ nhật, bên trong có các vách ngăn hướng dòng nước chuyển động ziczắc theo phương nằm ngang hoặc phương thẳng đứng

       Ưu điểm của các loại bể phản ứng tạo bông cặn vách ngăn là đơn giản trong xây dựng và quản lý vận hành. Nhược điểm chính là khối lượng xây dựng lớn hơn do nhiều vách ngăn và bể phải cao để đủ thỏa mãn tổn thất áp lực trong toàn bể

-      Bể phản ứng có lớp cặn lơ lửng thường được xây dựng liền phía trước bể lắng ngang. Nước vào bể qua các máng phân phối đều đặt dọc theo mặt bể. Các ống đứng dẫn ước từ máng xuống đáy bể. Ở đây, các bức vách nghiêng ở đáy bể có chức năng làm giảm toàn bộ bề mặt bể. Mặt khác, đáy bể có cấu tạo giống bể phản ứng xoáy hình côn, nên qua hết phần đáy nước đã được khuất trộn sơ bộ và các bông cặn nhỏ đã hình thành. Từ đây nước chứa các bông cặn nhỏ tiếp tục đi lên với tốc độ không đổi. Các bông cặn đã hình thành tiếp tục hấp thụ các hạt cặn nhỏ và lớn dần lên. Trọng lượng của bông cặn lớn dần làm cho tốc độ đi lên của nó giảm dần trong khi tốc độ dòng nước không đổi. Sự lệch pha đó giúp cho các hạt cặn nhỏ trong dòng nước va chạm và kết dính với bông cặn. Lên đến bề mặt bể các bông cặn sẽ bị cuốn đi theo dòng chảy ngang sang bể lắng.

       Bể phản ứng có lớp cặn lơ lửng có ưu điểm là hiệu quả cao, cấu tạo đơn giản, không cần máy móc cơ khí, không tốn chiều cao xây dựng. Nhưng có nhược điểm là khởi động chậm, thường lớp cặn lơ lửng được hình thành và làm việc có hiệu quả chỉ sau 3 – 4h làm việc

5.3  Bể phản ứng tạo bông cặn cơ khí

       Bể phản ứng cơ khí dùng năng lượng của cánh khuất chuyển động trong nước để tạo ra sự xáo trộn dòng chảy . Cánh khuấy thường có dạng bản phẳng đối xứng qua trục quay và toàn bộ được đặt theo phương nằm ngan hay thẳng đứng. Kích thước cánh khuấy được chọn phụ thuộc vào kích thước và cấu tạo bể phản ứng.

       Bể phản ứng tạo bông cặn cơ khí có ưu điểm là có khả năng điều chỉnh cường độ khuất trộn theo ý muốn. Nhược điểm chính là cần có máy móc, thiết bị cơ khí chính xác và điều kiện quản lý vận hành phức tạp. Vì vậy nó thường được áp dụng cho các nhà máy nước công suất lớn, có mức độ cơ giới hóa cao trong sản xuất

       1.  Bể tạo bông dùng khí nén:

       Dùng bọt không khí nén, phân phối đều bằng dàn ống đặt dưới đáy bể, dàn ống khoan lỗ D5 hướng xuống dưới để tránh tắc nghẽn do bùn, cặn lắng đọng. Vận tốc khí qua lỗ 15 – 20m/s. Vận tốc khí trong ống dẫn 10 – 15m/s. Năng lượng do bọt khí truyền vào nước để khuấy trộn tính theo công dãn nở đẳng nhiệt

       Bể tạo bông cặn dùng khí nén, nếu phân phối bọt khí không tốt sẽ phá vỡ bông cặn dễ bị lắng đọng bùn cặn làm tắc, trít lỗ phân phôi, phải có máy thổi gió, gây tiếng ồn. Tuy có ưu điểm là kết hợp việc tạo bông với quá trình oxy hóa một phân chất hữu cơ, giải phóng một lượng CO₂ do khi pha phèn tạo ra nhưng quản lý phức tạp, trong thực tế ít dùng

       2. Bể tạo bông tiếp xúc qua lớp vật liệu hạt

       Áp dụng trong trường hợp nước nguồn có nhiều cặn hữu cơ, nhẹ (nước hồ nhiều rong rêu tảo)

-      Thời gian keo tụ tiếp xúc  từ 3 – 5p

-      Lớp tiếp xúc là các hạt sỏi cỡ hạt 3 – 5mm hoặc hạt vật liệu nổi cỡ 3 – 4mm

       Chiều dày lớp tiếp xúc 0,5 – 0,8mm

-      Vận tốc nước đi qua lớp lọc 10 – 12m/h

-      Gradien G từ 50 – 400

       Bể keo tụ tiếp xúc đồng thời là bể lọc sơ bộ, do đó phải bố trí các thiết bị để  rửa dòng nước qua lớp tiếp xúc có thể đi từ dưới lên hay từ trên xuống

5.4  Quản lý vận hành

       Có ba việc cơ bản khi quản lý vận hành bể phản ứng tạo bông cặn là:

-      Quan sát sự hình thành các bông cặn, kích thước và độ đều chắc của các hạt bông. Nếu thấy hiện tượng bất thường phải kiểm tra ngay hệ thống pha và định lượng hóa chất, bể trộn để khắc phục ngay các hiện tượng sai lệch

-      Kiểm tra thường xuyên việc phân phối lưu lượng đều vào các bể, vớt kịp thời các bọt váng nổi. Vì các bọt váng gây cản trở cho các khâu xử lý nước tiếp theo. Kiểm tra và loại trừ kịp thời rong rêu bám vào thành bể, không cho rong rêu phát triển bằng cách: từng thời kỳ quét vôi vào thành bể và vách ngăn, nếu có hiện tượng phát triển mạnh, có thể pha clo vào với liều lượng cao 5 – 10mg/l trong quãng thời gian 2 -3h để diệt tảo

-      Định kỳ 6 tháng hay 1 năm một lần cách ly từng ngăn bể, tháo khô bể, làm sạch đáy bể không cho bùn đóng ở đáy lâu ngày gây hiện tượng phân hủy yếm khí sinh ra váng nổi và làm giảm chất lượng nước

       Tùy theo chất lượng nước thô thay đổi theo từng mùa mà điều chỉnh cường độ khuấy trộn để đạt hiệu quả tạo bông cao nhất. Định kỳ tra dầu mỡ cho các ổ trục máy khuấy cơ khí, phải có biện pháp an toàn, không để dầu mỡ rơi vào nước.

       Hàng ngày phải làm thí nghiệm keo tụ trong phòng thí nghiệm để tìm ra liều lượng phèn, và cường độ khuấy trộn tốt nhất để điều chỉnh hệ thống hóa chất, trộn và phản ứng tạo bông cặn