Tài liệu Tự động hóa hệ thống xử lý nước sạch của nhà máy nước thành phố vinh nghệ an

1 MỞ ĐẦU 1. Tính cấp thiết của đề tài Từ năm 1982 đến nay, nhờ chƣơng trình cấp nƣớc sinh hoạt và vệ sinh môi trƣờng của Chính phủ, tài trợ của các tổ chức quốc tế, của các nhà tài trợ trong và ngoài nƣớc, kinh phí huy động từ địa phƣơng… nhiều công trình cấp nƣớc sinh hoạt tập trung đã và đang đƣợc xây dựng nhằm phục vụ tốt hơn cho cuộc sống của nhân dân. Tuy nhiên, trong giai đoạn hiện nay, quá trình công nghiệp hóa, hiện đại hóa đã đặt ra yêu cầu ngày càng cao về cấp nƣớc sinh hoạt đặc biệt là yêu cầu về chất lƣợng nƣớc. Chất lƣợng nƣớc đảm bảo sẽ góp phần nâng cao đời sống, sức khoẻ cho công đồng và là một phần không thể thiếu của con ngƣời. Do vậy, việc nghiên cứu mô hình hóa hệ thống xử lý nƣớc sinh hoạt để điều khiển, giám sát nhằm khắc phục những hạn chế về công nghệ, nâng cao chất lƣợng nƣớc, giảm giá thành sản phẩm, đáp ứng nhu cầu ngƣời tiêu dùng có ý nghĩa hết sức quan trọng. Vì vậy đề tài: Tự động hóa hệ thống xử lý nước sạch của nhà máy nước thành phố Vinh Nghệ An, mang tính cấp thiết, có ý nghĩa khoa học và thực tiễn. 2. Mục đích và phạm vi nghiên cứu 2.1. Mục đích của đề tài - Nghiên cứu xây dựng mô hình giám sát, điều khiển để xử lý nƣớc sinh hoạt mang lại lợi ích kinh tế - kỹ thuật, phù hợp với điều kiện thực tế hiện tại và triển vọng tƣơng lai góp phần vào việc bảo vệ môi trƣờng nƣớc sinh hoạt, nâng cao chất lƣợng cuộc sống cho ngƣời sử dụng. - Ứng dụng mô hình giám sát và điều khiển phục vụ công tác giảng dạy và đào tạo nhằm nâng cao chất lƣợng đào tạo chuyên ngành cấp thoát nƣớc tại trƣờng Cao đẳng Nghề KTCN Việt Nam – Hàn Quốc. 2.2. Phạm vi nghiên cứu - Đánh giá hiện trạng, mô phỏng giám sát hệ thống xử lý nƣớc của Công ty cấp thoát nƣớc Thành phố Vinh – Nghệ An. 2 - Nghiên cứu xây dựng bài giảng phục vụ công tác giảng dạy, đào tạo tại trƣờng Cao đẳng Nghề KTCN Việt Nam – Hàn Quốc 3. Phƣơng pháp nghiên cứu - Thống kê, đo lƣờng, thu thập số liệu phục vụ cho công tác nghiên cứu. - Ứng dụng công nghệ tự động hoá trong quá trình giám sát, điều khiển hệ thống xử lý nƣớc bằng bình lọc cao áp và khử trùng bằng Clo tại trạm sản xuất nƣớc; xây dựng bài giảng phục vụ công tác đào tạo nhằm nâng cao chất lƣợng đào tạo và phục vụ công tác nghiên cứu khoa học. 4. Nội dung nghiên cứu - Tổng quan các phƣơng pháp xử lý nƣớc sinh hoạt và xu hƣớng ứng dụng công nghệ hiện nay - Nghiên cứu và lập trình điều khiển các thiết bị trong hệ thống bằng PLC để đo kiểm tra và điều chỉnh nồng độ Clo cho phép có trong nƣớc trƣớc khi sử dụng - Nghiên cứu, xây dựng chƣơng trình mô phỏng giám sát nồng độ Clo có trong nƣớc trƣớc khi sử dụng - Nghiên cứu ứng dụng chƣơng trình mô phỏng giám sát và điều khiển hệ thống xử lý nƣớc sinh hoạt tại công ty cấp thoát nƣớc Thành phố Vinh – Nghệ An. - Nghiên cứu xây dựng bài giảng trên cơ sở ứng dụng PLC trong giám sát và điều khiển hệ thống tự động xử lý nƣớc phục vụ công tác đào tạo của trƣờng Cao đẳng Nghề KTCN Việt Nam – Hàn Quốc. 5. Ý nghĩa khoa học và thực tiễn 5.1. Ý nghĩa khoa học Nghiên cứu phƣơng pháp mô hình hóa hệ thống xử lý nƣớc nhằm điều khiển các thiết bị và giám sát nồng độ Clo, trên cơ sở đó xây dựng bài giảng nhằm nâng cao chất lƣợng phục vụ công tác đào tạo và nghiên cứu khoa học. 5.2. Ý nghĩa thực tiễn của đề tài Đánh giá hiện trạng, mô phỏng giám sát hệ thống xử lý nƣớc của Công ty cấp thoát nƣớc và phục vụ công tác giảng dạy chuyên ngành cấp thoát nƣớc trong trƣờng. 3 6. Những đóng góp mới của đề tài - Xây dựng đƣợc chƣơng trình mô phỏng giám sát nồng độ Clo có trong nƣớc trƣớc khi sử dụng. - Ứng dụng chƣơng trình mô phỏng giám sát và điều khiển hệ thống xử lý nƣớc sinh hoạt tại công ty cấp thoát nƣớc Thành phố Vinh – Nghệ An nhằm nâng cao chất lƣợng, giảm giá thành sản phẩm, đáp ứng nhu cầu ngƣời tiêu dùng. - Xây dựng bài giảng nhằm nâng cao chất lƣợng đào tạo trƣờng Cao đẳng Nghề KTCN Việt Nam – Hàn Quốc. 4 Chƣơng 1 TỔNG QUAN CÁC PHƢƠNG PHÁP XỬ LÝ NƢỚC SINH HOẠT VÀ XU HƢỚNG ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ HIỆN NAY 1.1. Các phƣơng pháp xử lý nƣớc 1.1.1. Phƣơng pháp cơ học 1.1.1.1. Bể lắng Chức năng của bể lắng tiếp xúc là tạo điều kiện tiếp xúc lỏng H 20/không khí (O2 hòa tan) và chất rắn (Fe3) hyđrôxit mới tạo thành do kết quả của phản ứng ôxy hóa sắt Fe2 + O2 FeOOH nhằm thúc đẩy quá trình O2 hóa Fe2. Ngoài ra, bề lắng tiếp xúc phải thực hiện chức năng thứ hai cũng rất quan trọng là lắng cặn để giảm tải cho bể lọc tiếp theo. Áp dụng hai kỹ thuật lắng chính là bể lắng tiếp xúc kiểu đổi dòng (nƣớc chảy theo chiều ngang và phải đổi dòng nhiều lần nhờ hệ thống vách hƣớng dòng), hoặc lắng đứng với ống thu trung tâm. Bể lắng thông dụng gồm có các loại sau: - Bể lắng ngang : Nƣớc chuyển động theo chiều ngang từ đầu bể dến cuối bể. - Bể lắng đứng : Nƣớc chuyển động theo chiều đứng từ dƣới lên. - Bể lắng ly tâm : Nƣớc chuyển động từ trung tâm bể ra phía ngoài. -Bể lắng lớp mỏng : Có 3 kiểu tùy theo hƣớng chuyển động của lớp nƣớc và cặn gồm dòng chảy ngang; dòng chảy nghiêng cùng chiều; dòng chảy nghiêng ngƣợc chiều. - Bể lắng có lớp cặn lơ lửng : Lắng qua môi trƣờng hạt, nƣớc chuyển động từ dƣới lên. 1.1.1.2. Bể lọc. Có chức năng loại bỏ cặn, làm trong nƣớc, một phần nhỏ Fe2 chƣa O2 hóa tiếp ở đây. Nếu pH đủ lớn, những hệ thống lọc có thể lọc đƣợc cả mangan. Các nhà máy nƣớc đều áp dụng bể lọc nhanh hơn đơn lớp tự chảy, nghĩa là tốc độ lọc khoảng 120 ÷ 144 m3/m2. Để thực hiện quá trình lọc ngƣời ta có thể chia ra một số loại bể lọc sau: 5 - Theo tốc độ lọc : Bể lọc chậm(0,0003 ÷ 0,0013 m/s); Bể lọc nhanh (0,014 ÷ 0,04 m/s); Bể lọc cao tốc (0,1 ÷ 0,3 m/s). - Theo chế độ dòng chảy : Bể lọc trọng lực (hở không áp); Bể lọc áp lực (lọc kín) - Theo chiều dòng nước: Bể lọc xuôi; Bể lọc ngƣợc; Bể lọc hai chiều. - Theo số lượng lớp vật liệu lọc: Bể lọc một lớp, bể lọc hai lớp hay nhiều lớp vật liệu lọc. 1.1.2. Phƣơng pháp hóa học 1.1.2.1. Keo tụ Để thực hiện quá trình keo tụ, ngƣời ta cho vào nƣớc các chất phản ứng thích hợp nhƣ: Phèn nhôm Al2(SO4)3 ; phèn sắt loại FeCl3. Các loại phèn này đƣợc đƣa vào nƣớc dƣới dạng dung dịch hòa tan. Khi cho phèn nhôm vào nƣớc, chúng phân ly thành các ion Al3+ , sau đó các ion này bị thủy phân thành Al(OH)3. Al3 = 3H2O = Al(OH)3 + 3H+ (1-1) Trong phản ứng thủy phân trên, ngoài Al(OH)3 là nhân tố quyết định đến hiệu quả keo tụ đƣợc tạo thành, còn giải phóng ra các ion H+ . Các ion H+ sẽ đƣợc khử bằng độ kiềm tự nhiên của nƣớc (đƣợc đánh giá bằng HCO 3-). Trƣờng hợp độ kiềm tự nhiên của nƣớc thấp , không đủ để trung hòa ion H+ thì cần phải kiểm hóa nƣớc. Chất dùng để kiểm hóa thông dụng nhất là vôi (CAO). Một số trƣờng hợp khác có thể dùng xô đa (Na2CO3); Hoặc xút (NaOH). 1.1.2.2. Khử trùng bằng các chất ôxy hóa mạnh Clo hóa: Có chức năng sát trùng và bảo vệ nƣớc sau xử lý, chống nhiễm vi sinh thứ cấp trong quá trình chứa và phân phối tới ngƣời sử dụng. Các nhà máy nƣớc thƣờng áp dụng kỹ thuật sát trùng bằng clo ở mức xung quanh 1 mg/lít. Một số nhà máy nƣớc sau lọc cấp 1 đƣợc clo hóa và lọc cấp 2 bằng cát phủ mangan nên xử lý rất tốt. Bản chất của Clo là một chất oxy hóa mạnh, ở bất cứ dạng nào, nguyên chất hay hợp chất, khi clo tác dụng với nƣớc đều cho các phân tử hypoclorit axit HOCl, một hợp chất có năng lực khử trùng rất mạnh. Quá trình hủy diệt vi sinh vật 6 xảy ra qua hai giai đoạn. Đầu tiên chất khử trùng khuyết tán xuyên qua vỏ tế bào của vi sinh vật, sau đó phản ứng với men bên trong tế bào và phá hoại quá trình trao đổi chất dẫn đến diệt vong tế bào. Tốc độ phản ứng quá trình khử trùng đƣợc xác định bằng động học của quá trình khuếch tán chất diệt trùng qua vỏ tế bào và động học của quá trình phân hủy men tế bào. Tốc độ quá trình khử trùng tăng khi nồng độ của chất khử trùng và nhiệt độ của nƣớc tăng, ngoài ra tốc độ khử trùng còn phụ thuộc vào dạng không phân ly của chất khử trùng, vì quá trình khuếch tán qua vỏ tế bào xảy ra nhanh hơn cả quá trình phân ly. Tốc độ khử trùng cũng còn phụ thuộc vào cả hàm lƣợng các chất hữu cơ, các cặn lơ lửng và các chất khử khác. Khi trong nƣớc có hàm lƣợng cao của các chất này thì tốc độ quá trình khử trùng sẽ giảm đi đáng kể. Khi cho Clo tác dụng với nƣớc, phản ứng đặc trƣng xay ra là quá trình thủy phân Clo, tạo thành axit hypoclorit và axit clohydric: Cl2 + H2 O HOCl + HCl (1-2) H + + ClO - + Cl - (1-3) Và ở dạng phân ly ta có : Cl2 + H2 O Tƣợng tự, khi dùng Clorua vôi làm chất khử trùng, ta có phản ứng sau: Ca(OCl)2 + 2HOCl H2O CaO + 2HOCl (1-4) 2H+ + 2OCl- (1-5) Khi cho clo trực tiếp phản ứng với nƣớc theo phƣơng trình 1-2 nói trên, ngƣời ta cũng nhận thấy rằng, quá trình thủy phân xảy ra theo hai chiều phụ thuộc vào giá trị pH của môi trƣờng. Thành phần của Cl2, HOCL và Cl- có trong nƣớc phụ thuộc vào pH nhƣ trình bày ở trên. Kết quả thực nghiệm cho thấy, quá trình thủy phân Cl2 chỉ xảy ra hoàn toàn khi pH > 4. Hằng số của quá trình thủy phân clo trong nƣớc ở nhiệt độ 25 0C. HOCl không phân ly là thành phần khử trùng chính trong nƣớc, thành phần này chỉ có giá trị cao ở pH thấp, điều đó cũng nói lên rằng quá trình dùng clo để khử nƣớc chỉ có đƣợc hiệu quả cao khi tiến hành ở pH thấp. 7 Xét về hiệu quả theo thời gian, để tiêu diệt đƣợc 99% số vi trùng E.coli có trong nƣớc với liều lƣợng 0,1 mg/l Clo tự do, thời gian cần thiết tăng từ 6 phút khi pH = 6 đến 180 phút khi pH = 11. Trong hệ thống khử trùng có chứa amoniac hoặc các hợp chất có chứa nhóm amon, lƣợng Clo tham gia phản ứng để tạo thành Cloramin đƣợc gọi là Clo kết hợp, tổng hàm lƣợng clo tự do dƣới dạng Cl 2 , HOCl và ClO- và lƣợng Clo kết hợp khác nhau mà lƣợng Clo kết hợp đƣợc gọi là clo hoạt tính khử trùng. Do khả năng diệt trùng của Clo tự do và Clo kết hợp khác nhau mà lƣợng Clo dƣ cần thiết để đảm bảo khử trùng triệt để cũng đƣợc đánh giá ở các mức khác nhau. Mức Clo dƣ cần thiết theo các giá trị pH của môi trƣờng. Tổng lƣợng Clo cần thiết cho vào nƣớc để đảm bảo sau quá trình khử trùng có đƣợc lƣợng Clo dƣ mong muốn thƣờng đƣợc xác định trực tiếp bằng thực nghiệm theo quy định sau: Cho mẫu nƣớc với lƣợng bằng nhau vào các bình nghiệm, theo trình tự tăng dần cho Clo vào các bình nghiệm, khuấy đều rồi để yên trong 30 phút. Phân tích các mẫu để xác định lƣợng clo dƣ. Kết quả trình bày trên biểu đồ theo lƣợng Clo cho vào và lƣợng Clo dƣ thu đƣợc nhƣ trên. Bằng cách đó có thể xác định đƣợc lƣợng Clo cần cho vào khi quyết định lƣợng Clo dƣ sau xử lý. Ví dụ, khi lƣợng Clo dƣ là 0,3 mg/h, cần có lƣợng cho cho vào là 0,75 mg/l. Ban đầu Clo phản ứng với các hợp chất chứa nitơ để tạo thành Cloramin, khi tỷ số phân tử Cl2/NH4+ nhỏ hơn 1,1 quá trình đồng thời tạo ra các mono và đicloramin, tỷ số nồng độ của các cloramin này phụ thuộcvào giá trị pH của môi trƣờng. Nhƣ vậy dƣ lƣợng Clo có trong nƣớc ở gia đoạn đầu đều ở dạng Cloramin. Nếu tiếp tục cho clo vào, tỷ số phân tủ Cl2/NH4+ sẽ tăng lên trên 1,1; Lúc này bắt đầu xảy ra quá trình oxy hóa mono và đicloramin bằng axít HOCl theoc các phản ứng sau: NH2Cl + NHCl2 + HOCl 4HCl + N2O ( 1-6) NHCl2 + HOCl NCl3 + H2O (1-7) NHCl2 + H2O NH(OH)Cl + HCl (1-8) NH(OH)Cl + 2HOCl HNO3 + 3HCl (1-9) 8 Nhƣ vậy hàm lƣợng Clo dƣ kết hợp bắt đầu giảm theo mức độ tăng Clo cho vào nƣớc. Khi tỷ số phân tử cl2/NH4+ có trong nƣớc tăng đến 2, nghĩa là có 10 mg Cl2/1 mg N ở dạng NH4+ thì toàn bộ Cloramin đều bị ôxy hóa hàm lƣợng Clo dƣ kết hợp giảm xuống đến gần đến 0. Nếu tiếp tục tăng lƣợng Clo vào nƣớc sẽ làm cho lƣợng Clo dƣ tăng dần lên, lúc này lƣợng Clo dƣ hoàn toàn là lƣợng clo tự do, chúng có độ hoạt tính cao và năng lực khử trùng lớn. Nhƣ vậy, khi trong nƣớc có chứa amoniac hoặc amon thì lƣợng Clo cần thiết cho vào nƣớc trƣớc hết phải đủ để oxy hóa hết Cloramin và do vậy cần sử dụng nhiều hơn mới đảm bảo đƣợc hiệu quả khử trùng, Phƣơng pháp tăng lƣợng Clo nhƣ thế đƣợc gọi là phƣơng pháp Clo hóa điểm cực trị. Nếu hàm lƣợng amoniac hoặc muối amoon quá lớn, có thể chọn liều lƣợng Clo cho vào nƣớc. Nghĩa là chọn liều lƣợng Clo vừa đủ để đảm bảo sau 6 phút tiếp xúc vẫn có đƣợc Clo dƣ hoạt tính ở dạng Cloramin. Ví dụ khi pH = 6 lƣợng cloramin hoạt tính không đƣợc nhỏ hơn 1 mg/l và khi pH = 7 không đƣợc nhỏ hơn 1,5 mg/l. Để khử trùng nƣớc nhiễm bẩn nặng, đặc biệt khi trong nƣớc có nhiều vi trùng có sức đề kháng cao vói các chất oxy hóa và trong trƣờng hợp cần khử màu, mùi, vị của nƣớc, có thể sử dụng liều lƣợng Clo đến 10mg/l hoặc hơn để đảm bảo cả hiệu quả khử trùng triệt để và cả việc ôxy hóa các chất gây mùi vị. Tuy nhiên, khi lƣợng Clo dƣ sau khử trùng quá lớn, nhất thiết phải tìm biện pháp khử bớt Clo dƣ xuống đến tiêu chuẩn cho phép, từ 0,3 đến 0,5 mg/l. Khi trong nƣớc có chứa phenol, nếu cho Clo vào sẽ tạo ra clophenol gây mùi vị khó chịu, trong trƣờng hợp này nhất thiết phải tiến hành amoniac hóa trƣớc khi khử trùng, Quá trình amoniac hóa đƣợc thực hiện bằng cách đƣa vào nƣớc một lƣợng amoniac hoặc muối amon với liều lƣợng 0,5 đến 1,0 g tính theo NH + cho 1g Clo. Kế đó cho Clo vào nƣớc để chúng kết hợp tạo thành Cloramin và clo sẽ không có khả năng kết hợp với phenol để tạo ra clophenol. Nếu pH thấp, phản ứng tạo cloramin xảy ra chậm. Nên tiến hành amoniac hóa khi pH > 7 để tạo điều kiện thuận lợi cho phản ứng và ngăn ngừa phản ứng phụ tạo ra Clopheol. 9 Nếu trong nƣớc sau khử trùng có dƣ lƣợng NH3, quá trình sinh thành Cloramin cần tiếp tục nhƣng sau đó cloramin lại thủy phân thành NH 4 + và CLOtheo phản ứng sau: HOCl + NH3 NH2Cl + H2O (1-10) NH2Cl + H2O NH4+ + ClO- (1-11) Quá trình phân ly cloramin diễn ra chậm vì vậy trong thời gian đầu tác dụng khử trùng có thấp hơn so với Clo, nhƣng theo thời gian, tác dụng khử trùng kéo dài và vẫn có hiệu quả. Nếu khử trùng bằng cách kết hợp Clo với amoniac một cách hợp lý sẽ giảm đƣợc lƣợng Clo cần dùng và đạt đƣợc hiệu quả cả việc khử mùi vị. Tỷ lệ Clo và amoniac thƣờng chọn theo thực nghiệm tùy theo chất lƣợng nƣớc nguồn, thƣờng ngƣời ta lấy lƣợng amoniac bằng 10 đến 25% lƣợng Clo. Thời gian tiếp xúc tính từ thời điểm quấy trộn Clo và amoniac trong nƣớc đến thời điểm sử dụng không ít hơn 1 giờ. So với dùng Clo tự do, thời gian tiếp xúc cần thiết lớn hơn 2 lần. Trích phụ lục 1- Xử lý nƣớc cấp sinh hoạt và công nghiệp – Nguyễn Thị Thu Thủy – NXB KH&KT – Năm 2000. Khử trùng bằng ôzôn : Là phƣơng pháp tiên tiến và ngày càng đƣợc áp dụng rộng rãi. Ôzôn trong nƣớc không chỉ phá hủy men tế bào vi sinh vật mà còn có khả năng phá hủy cả nguyên sinh chất của tế bào, trong khi Clo chỉ có thể phá hủy men tế bào. Với các siêu vi trùng là là vi khuẩn không có men thì ôzôn có tác dụng hơn hẳn Clo. Với lƣợng ôzôn dƣ bằng 0,45 mg/l chỉ sau 2 phút siêu vi trùng có thể bị tiêu diệt, trong khi đó phải cần đến 1mg/l Clo và thời gian tiếp xúc đến 3 giờ. Với các vi khuẩn dạng bào tử, so với Clo, ôzôn có tác dụng mạnh hơn 300 đến 600 lần. Ngoài ra, ôzôn còn ôxy hóa các hợp chất hữu cơ gây ra màu, mùi vị, trong nƣớc tốt hơn Clo. Ôzôn là chất khí có màu ánh tím, hóa lỏng ở nhiệt độ -112oC. So với Clo, ôzôn ít hoàn tan trong nƣớc, độ hòa tan của ôzôn phụ thuộc vào nhiệt độ. Dƣới đây là các số liệu về độ hòa tan của ôzôn theo nhiệt độ. 10 Bảng 1.1.- Nhiệt độ và độ hoà tan của ôzôn TT Nhiệt độ Độ hòa tan của ôzôn 1 0oC 1,42 g/l 2 10oC 1,04 g/l 3 30oC 0,45 g/l Trong nƣớc ôzôn phân hủy rất nhanh thành oxy phân tử và ôxy nguyên tử. Tốc độ phân hủy của ôzôn trong nƣớc tăng theo nồng độ muối, độ pH và nhiệt độ. Ôzôn có khả năng ôxy hóa phenol và không để lại mùi gì. Ôzôn có khả năng ôxy hóa nhanh các ion Fe2+, Mn2+, S2-, NO2-...nhƣng lại không ôxy hoá NH4+. Ngoài phƣơng pháp Clo hóa và ôzôn ta có thể sử dụng phƣơng pháp dùng nattri hydroclorit NaClO hoặc ion của các kim loại nặng…cho vào nƣớc theo một tỷ lệ đã tính toán. 1.1.3. Phƣơng pháp lý học 1.1.3.1. Khử khí CO2 bằng phƣơng pháp làm thoáng “Nƣớc thô” từ các giếng ngầm, lấy nƣớc ở độ sâu 60-150 mét theo đƣờng ống áp lực qua công đoạn “Làm thoáng” là công đoạn mà tại đó nƣớc đƣợc hòa trộn tối đa với không khí nhằm giải phóng CO2 và các khí hòa tan, nâng pH, bão hòa ôxy. Nếu thực hiện tốt thì quá trình oxy hóa sắt (II) sẽ xảy ra rất tốt trong công đoạn tiếp theo. Hiện nay ở Việt Nam đang áp dụng 3 kỹ thuật làm thoáng: Dàn mƣa cổ điển, dàn mƣa tải trọng cao và tháp làm thoáng cƣỡng bức. 1.1.3.2. Khử trùng bằng phƣơng pháp tia tử ngoại Tia tử ngoại hay còn gọi là tia cực tím, là các tia có bƣớc sóng ngắn có tác dụng diệt trùng rất mạnh. Nguyên lý khử trùng của tia tử ngoại là dùng các đèn bức xạ tử ngoại, đặt trong dòng chảy của nƣớc. Các tia cực tím phát ra sẽ tác dụng lên các phần tử Protit của tế bào vi sinh vật, phá vỡ cấu trúc và mất khả năng trao đổi chất, vì thế chúng bị tiêu diệt. Hiệu quả khử trùng chỉ đạt đƣợc triệt để khi trong nƣớc không có các chất hữu cơ và cặn lơ lửng. 11 1.2. Lựa chọn phƣơng pháp xử lý nƣớc 1.2.1. Nguyên tắc lựa chọn phƣơng pháp xử lý nƣớc Chọn lựa công nghệ xử lý nƣớc phụ thuộc rất nhiều vào chất lƣợng và đặc trƣng của nguồn nƣớc thô, yêu cầu chất lƣợng nƣớc cất và công suất trạm nƣớc cấp cần xử lý. Hầu hết các chất bẩn có trong nƣớc có kích thƣớc hạt từ milimet đến nanomet hoặc nhỏ hơn. Các hạt có kích thƣớc nhỏ hơn đƣợc gọi là hạt keo (10 -4 ÷ 10-6 mm). Hệ keo gồm các khoáng chất các chất keo phù du kết hợp đất vi trùng, tảo virut, polyme sinh học và các phân tử lớn. Các hạt có kích thƣớc nhỏ hơn 10 -6 mm là các chất hòa tan gồm có ion, các phân tử vô cơ đơn giản và các tổ hợp. Hình đƣa ra phƣơng án lựa chọn quá trình xử lý dựa vào khích thƣớc hạt. Để có đƣợc các thông số chính xác về chất lƣợng và đặc trƣng nguồn nƣớc, ngƣời ta sử dụng các phƣơng pháp phân tích khác nhau để phân tích các cỡ hạt trong nƣớc. Bảng đƣa ra các phƣơng án phân tích kích thƣớc hạt cặn trong nƣớc để có đƣợc những thông số nhằm đánh giá sơ bộ trƣớc khi lựa chọn công nghệ xử lý. Chất lƣợng của nguồn nƣớc thay đổi theo vị trí và thời gian, từ chỗ này đến chỗ khác và từ mùa này sang mùa khác, do vậy công nghệ xử lý nƣớc và quá trình vận hành cũng phải thay đổi dựa vào tính chất lý, hóa, sinh của nƣớc thô. Trong một nguồn nƣớc ngƣời ta cố gắng giữ chất lƣợng nƣớc đƣa vào xử lý không thay đổi theo mùa, bằng các quá trình xử lý sơ bộ. dựa trên các phƣơng pháp phân tích kích thƣớc hạt trong nƣớc bảng 1-2. Lựa chọn công nghệ xử lý nƣớc trƣớc hết đƣợc tiến hành trong phòng thí nghiệm để tìm ra các thông số tối ƣu và hóa chất sử dụng, liều lƣợng sử dụng, độ pH….Sau đó để đánh giá các thông số thiết kế và điều kiện vận hành tối ƣu, thử nghiệm công nghệ trên mô hình thực nghiệm là cần thiết. Tuy nhiên, các công việc nói trên cần đến nhiều thời gian, đặc biệt khi có xử lý vi sinh. 12 Bảng 1.2. Lựa chon công nghệ xử lý nƣớc Kỹ thuật Phƣơng pháp thông Kích thƣớc Thông số Thông số thƣờng tƣơng ứng kích thƣớc phân bổ Kỹ thuật -Kính hiển vi 1 đến 100µm Tiết diện Số hạt quét từng -Kính hiển vi điện tử 0,001 đến 5µm đƣờng kính, diện tích bề vùng mặt Kỹ thuật -Phƣơng pháp counter 0,5 đến 100µm Sàng -Phƣơng pháp Hiac 0,5 đến -Phƣơng pháp Royeo quét dòng Thể tích diện Số hạt 1000µm -Sàng dây > 40µm tích bề mặt 5 Đƣờng kính Trọng lƣợng -Vi sàng đến 40µm sàng Kỹ thuật -Ống hút 1 đến 6µm Đƣờng kính lắng -Máy đo độ lắng 1 đến 6µm theo Stockes quang học 1 đến 6µm -Lắng thăng bằng 0,05 đến 5µm -Ly tâm Các vấn đề cần đƣợc đề cập đến khi thiết kế quá trình xử lý nƣớc bao gồm: chất lƣợng nƣớc thô, yêu cầu và tiêu chuẩn của nƣớc sau xử lý. Dựa vào các số liệu đã có, so sánh chất lƣợng nƣớc thô và chất lƣợng nƣớc sau xử lý để quyết định cần tách gì ra khỏi nƣớc, chọn các thông số chính về chất lƣợng nƣớc và đƣa ra kỹ thuật xử lý cụ thể, chọn hóa chất và liều lƣợng hóa chất cần dùng, tối ƣu hóa các điều cận cần dùng, tối ƣu hóa các điều kiện vận hành cho từng bƣớc xử lý và sắp xếp các bƣớc xử lý cho thật hợp lý. Hiệu suất có thể đạt đƣợc của các quá trình xử lý thông dụng đƣợc thể hiện trong bảng. + + + + : Tách triệt để + : Tách một phần + + + : Tách rất tốt 0 : Không tách đƣợc ++ - : Ảnh hƣởng ngƣợc lại : Tách tốt nhƣng không hết 13 Bảng 1.3. Hiệu suất xử lý nƣớc Làm Keo tụ thoáng tạo Quá trình xử lý Thông số Lọc cát Lắng Lọc cát Clo nhanh chậm hóa bông DO + 0 0 - - + CO2 +++ 0 0 + ++ + Giảm độ đục 0 +++ + +++ ++++ 0 Giảm độ màu 0 ++ + + ++ ++ Khử mùi vị ++ + + ++ ++ + Khử trùng 0 + ++ ++ ++++ +++ + Khử sắt, mangan ++ + + +++ ++++ 0 ++++ +++ + Khử tạp chất hữu cơ + + ++ +++ 1.2.2. Các hình thức xử lý nƣớc Căn cứ vào các chỉ tiêu phân tích của nƣớc nguồn, yêu cầu chất lƣợng nƣớc sử dụng có thể xây dựng đƣợc các sơ đồ công nghệ xử lý khác nhau đƣợc phân loại nhƣ sau: - Theo mức độ xử lý: + Xử lý triệt để + Xử lý không triệt để - Theo biện pháp xử lý: + Dùng chất keo tụ + Không dùng chất keo tụ - Theo quá trình xử lý: + Một quá trình + Nhiều quá trình - Theo bậc quá trình: + Một bậc + Nhiều bậc - Theo chuyển động của dòng nƣớc: + Nƣớc tự chảy + Nƣớc có áp 14 - Theo bậc quá trình: + Một bậc + Nhiều bậc - Theo chuyển động của dòng nƣớc: + Nƣớc tự chảy + Nƣớc có áp Các khả năng xử lý nước ngầm: Khả năng xử lý nƣớc ngầm bằng các quá trình khác nhau đƣợc thể hiện trong hình 1-1, nguồn nƣớc có thể sử dụng các phƣơng án khác nhau để xử lý nƣớc ngầm đạt chất lƣợng theo tiêu chuẩn nƣớc sạch sinh hoạt. Làm thoáng bằng giàn mƣa Ô xy hóa Lọc khử Fe2+, Mn2+ Ổn định lọc Lắng Tạo bông và lắng Điều chỉnh ổn định pH Lọc Khử trùng ổn định Hình 1.1. Các khả năng xử lý nước ngầm 1.3. Các phƣơng pháp xử lý nƣớc trên thế giới và Việt Nam 1.3.1. Phƣơng pháp xử lý nƣớc sinh hoạt trên thế giới Hấp thụ 15 Hiện nay trên thế giới ở các nƣớc có nền kinh tế phát triển nhƣ Mỹ, Nhật Bản, Hàn Quốc, Trung Quốc, Đài Loan, Xinhgapo, Các nƣớc thuộc khối liên minh châu âu (EU) nhƣ CHLB Đức, Hà Lan…đã xuất hiện một số công nghệ mới, trong công đoạn lắng lọc, khử trùng của xử lý nƣớc phục vụ sinh hoạt. Nhƣ công nghệ thẩm thấu ngƣợc (Reverse Osmosis-RO) hay công nghệ Nano…chất lƣợng nƣớc khi áp dụng công nghệ này đạt tiêu chuẩn nƣớc uống tinh khiết, nhƣng chi phí tốn kém, giá thành cao, năng suất thấp do đó việc xử dụng các phƣơng pháp này còn ít đƣợc áp dụng trong các nhà máy sản xuất nƣớc sinh hoạt có công suất lớn. Trên thực tế các nhà máy hiện đang áp dụng phƣơng pháp sau: Các phương pháp xử lý nước mặt của một số thành phố ở châu Âu: Trƣờng hợp áp dụng cho nguồn nƣớc có hàm lƣợng cặn < 2500mg/l . Phƣơng pháp xử lý nƣớc cấp của thành phố Essen CHLB Đức đƣợc sử dụng công nghệ dùng khí Ôzôn kết hợp chất keo tụ thay cho phƣơng pháp làm thoáng bằng tháp cao tải hoặc dàn mƣa. Sau đó nƣớc đƣợc đƣa đến bể lọc nhanh bằng lớp than hoạt tính có kích cỡ 3-5mm dày 0,5m và lớp than phía dƣới có cỡ hạt 1,6-2,5mm, dày 0,7m rồi qua lớp cát hạt thô đến bể lọc chậm, tại đây nƣớc đƣợc thu bằng các ống thu nƣớc và đƣợc bơm Clo trƣớc khi cấp vào hệ thống sử dụng Đây là phƣơng pháp đơn giản, phù hợp với nguồn nƣớc thô có chất lƣợng tốt, hiệu quả cao khi áp dụng cho những nhà máy xử lý nƣớc. Chất keo tụ . Từ trạm bơm cấp I tới Bể trộn Thoát khí Chất trợ keo tụ Bể lọc nhanh Lọc cát chậm Clo Ozon Hình 1.2. Sơ đồ xử lý nước cấp của thành phố Essen (CHLB Đức) Trong trƣờng hợp nguồn nƣớc thô có hàm lƣợng cặn > 2500mg/l và nhiều tạp chất thì quá trình xử lý sẽ phức tạp hơn vì nƣớc xử lý phải qua nhiều công đoạn 16 trƣớc khi cấp vào hệ thống sử dụng. Phƣơng pháp xử lý nƣớc hồ của Hà Lan (hình 1-3). Nƣớc đƣợc xử lý qua nhiều công đoạn trong đó có 3 công đoạn bể chứa; 2 công đoạn lọc; 2 công đoạn khử trùng…do đó nƣớc sau khi đƣợc xử lí có chất lƣợng rất cao, đáp ứng đƣợc yêu cầu khi sử dụng. NaOH; FeCl3, Khử trùng NaOCl Bể nƣớc thô Keo tụ bông Tuyển nổi Lọc nhanh Lọc than hoạt tính Bể chứa trung gian Khử trùng NaOCl Bể chứa nƣớc sạch Bơm cấp nước sạch Hình 1.3. Sơ đồ xử lý nƣớc hồ Zevenbergen (Hà Lan) Phương pháp xử lý nước ngầm tại thành phố Bergen op zoom Hà Lan (Hình1.4): Nƣớc ngầm đƣợc chia làm hai loại: - Nƣớc ngầm hiếu khí (có oxy): Xử dụng trực tiếp vì trong nƣớc đã có oxy; - Nƣớc ngầm yếm khí (không có oxy): Trong quá trình nƣớc thấm qua các tầng đất, đá có khe nứt, oxy bị tiêu thụ. Khi lƣợng oxy bị tiêu thụ hết do đó các chất dễ phản ứng hòa tan với oxy sẽ hình thành nhƣ Fe2+, Mn2+... 17 Tóm lại trong nƣớc ngầm có chứa các cation và các chủ yếu là Na +, Ca2+, Mg2+, Fe2+, NH4+ và các canion chủ yếu là HCO3- SO42-, Cl- trong đó tổng đƣơng lƣợng của các cation bằng tổng đƣơng lƣợng của các anion. Phƣơng pháp xử lý nƣớc ngầm tại thành phố Bergen op zoom (Hà Lan). Là một trong những phƣơng pháp xử lý nƣớc không cần diệt vi khuẩn dƣới mọi hình thức, bởi ngay khi khai thác nƣớc dƣới ngầm tại các giếng khoan nƣớc đã không có vi khuẩn. Do đó chỉ cần xử lý theo sơ đồ trên là nƣớc đã đảm bảo tiêu chuẩn nƣớc sạch sinh hoạt. Làm thoáng Từ trạm bơm bằng giàn mƣa giếng tới Lọc cát nhanh Chảy tràn Bể chứa nƣớc sạch Hình 1.4. Sơ đồ xử lý nƣớc ngầm tại thành phố Bergen op zoom (Hà Lan) Trong công nghệ xử lý nƣớc ngầm (hình 1-5) tại thành phố Bergen op Zoom (Hà Lan) ngƣời ta có thể sử dụng nguồn nƣớc thô từ nhiều giếng khoan, nƣớc thô đƣợc đƣa đến trạm xử lý tập trung hoặc có thể nƣớc đƣợc xử lý từ các trạm khác nhau thu về bể chứa nƣớc sạch dung tích lớn để bơm lên tháp, cấp nƣớc cho hệ thống. 18 21 giếng sâu 60m 950 m3/h Làm thoáng bằng 18 giếng sâu 110m Làm thoáng bằng - Lọc cát nhanh 900 m3/h Làm thoáng bằng Lọc cát nhanh Làm thoáng bằng - Tách H2S, CO2 Nhận O2 Ôxy hoá Fe2+, Mn2+ Tách Fe, Mn Ỗy hoá NH4+ NH4 NO 2- NO 3Nhận thêm O2 (Tránh áp suất âm) Bể chứa nƣớc trong 2600 m3 - Ổn định khối lƣợng nƣớc tiêu thụ Tăng độ tin cậy của nƣớc Bơm lên tháp nƣớc m3/h - Ổn định lƣợng nƣớc cấp Duy trì áp suất hệ thống Đài nƣớc trong thành phố 300 m3 Phân phối tiêu thụ Hình 1.5. Sơ đồ khối công nghệ xử lý nƣớc ngầm Thành phố Bergen op Zoom (Hà Lan). Cho đến nay, các nhà máy xử lý nƣớc sinh hoạt thuộc các nƣớc tiên tiến trên thế giới, vẫn đang sử dụng công nghệ trên. Khi sử dụng công nghệ này chất lƣợng nƣớc cấp cho sinh hoạt luôn đảm bảo theo tiêu chuẩn đánh giá chất lƣợng nƣớc sinh hoạt của Tổ chức y tế thế giới WHO thể hiện trong bảng 1-4. 19 Bảng 1.4 - Chỉ tiêu nƣớc sạch Đơn vị độ coban xác định bằng 2 Mùi, vị cảm quan 3 Độ trong Dienort 4 Độ pH − 5 Độ cứng toàn phần, mg canxi cacbonat mg/l 6 Hàm lƣợng ôxy hòa tan, mg ôxy mg/l 7 Cặn không tan (cặn lơ lửng) mg/l 8 Tổng số colifom VK/100ml 9 Hàm lƣợng asen mg/l 10 Hàm lƣợng thuốc trừ sâu lân hữu cơ mg/l 11 Hàm lƣợng thuốc trừ sâu clo hữu cơ mg/l 12 Dầu mỏ và các hợp chất dầu mỏ mg/l 13 Phênon và dẫn xuất phênon mg/l 14 Chất hoạt động bề mặt mg/l 15 Hàm lƣợng đihydro sunfua 16 Hàm lƣợng xyanua mg/l 17 Hàm lƣợng thủy ngân mg/l 18 Hàm lƣợng crom mg/l 19 Hàm lƣợng chì mg/l 20 Hàm lƣợng sắt tổng số, (Fe² + Fe³ ) mg/l 21 Nhu cầu ôxy hóa sau 5 ngày mg/l 22 Hàm lƣợng clorua mg/l 23 Hàm lƣợng nitrit mg/l 24 Hàm lƣợng nitrat mg/l 25 Hàm lƣợng amon mg/l 26 16/ Hàm lƣợng nhôm mg/l 27 Độ oxy hóa mg/l 28 Cặn hòa tan (cặn qua lọc) mg/l 29 Cặn toàn phần sấy ở 110°C mg/l 30 Fecal colifom - STT 1 Mầu Tên chỉ tiêu Mức tối đa < 40 Ở 20ºC Không có Ở 60ºC Rất nhẹ cm > 80 6 ÷ 8,5 < 600 >6 < 30 < 20 < 0,05 < 0,01 < 0,1 < 0,1 < 0,01 < 0,5 Không đƣợc có < 0,05 < 0,05 < 0,1 < 0,1 < 1,5 >3 < 500 < 1,0 < 50,0 < 10,0 < 0,5 <5 < 1000 < 2000 Không đƣợc có 20 Nhờ giám sát tốt các quá trình khai thác và bảo quản, việc giữ gìn nguồn nƣớc thô để cung cấp cho các nhà máy luôn ổn định. Do đó việc đổi mới công nghệ xử lý nƣớc cấp phục vụ sinh hoạt chỉ áp dụng khi thực sự cần thiết. 1.3.2. Phƣơng pháp xử lý nƣớc sinh hoạt tại Việt Nam Xử lý nước ngầm: - Các chất hoà tan trong nƣớc ngầm : O2 hòa tan trong nƣớc ngầm, dựa vào nồng độ của ôxy trong nƣớc ngầm có thể chia nƣớc ngầm thành hai nhóm: * Nƣớc yếm khí Trong quá trình lọc qua các tầng đất đá. Ôxy trong nƣớc bị tiêu thụ, khi lƣợng ôxy bị tiêu thụ hết, các chất hòa tan nhƣ Fe2+, Mn2+ sẽ đƣợc tạo thành. Hơn NH4+; SO42- nữa, cũng xảy ra các quá trình khử sau: NO3 H2S và CO2 CH4 * Nƣớc dƣ lƣợng oxy hòa tan. Trong nƣớc có oxy sẽ không có các chất khử nhƣ NH4+, H2S, CH4.... thƣờng khi nƣớc có dƣ lƣợng O2 sẽ có chất lƣợng tốt. Khí hydro sunfua (H2S) đƣợc tạo ra trong điều kiện yếm khí từ ion sunfua với sự có mặt của vi khuẩn: 2SO42- + 14 H+ 8e 2H2S + 2 H2O + 6OH- vi khuẩn Khí metan CH4 và khí cacbonic CO2 đƣợc tạo thành trong điều kiện yếm khí từ các hợp chất humic với sự tham gia của vi khuẩn: 4C10H18O10 + 2H2O 21CO2 + 19 CH4 Có những nguồn nƣớc ngầm chứa tới 40 mg CH4//l nồng độ các tạp chất chứa trong nƣớc ngầm phụ thuộc vào vị trí địa lý của nguồn nƣớc, thành phần các tầng đất đá trong khu vực, độ hòa tan của các tạp chất trong nƣớc, sự có mặt của các chất dễ bị phân hủy bằng sinh hóa trong đất đá. Nƣớc ngầm cũng có thể bị nhiễm bẩn do các tác động của con ngƣời nhƣ phân bón, chất thải hóa học, nƣớc thải sinh hoạt và công nghiệp, hóa chất bảo vệ thực vật.... Các nguồn nƣớc thƣờng chứa các hàm lƣợng lớn các chất hữu cơ NH4+, PO43- cũng nhƣ các loài vi sinh vật gây bệnh. Xử lý nƣớc ngầm nhiễm bẩn là công việc khá klhos khăn để đạt các chỉ tiêu chât lƣợng nƣớc cho sinh hoạt. Do vậy các khu vực khai thác nƣớc ngầm cấp cho sinh hoạt và