Chương 1. Công nghệ xử lý khí thải
2.2. Các phương pháp xử lý nước thải
2.2.1. Các phương pháp xử lý cơ học
Song chắn rác là phương pháp được sử dụng ở hầu hết các công trình xử lý nước thải, nhằm giữ lại các vật thô có kích thước lớn như: cành cây, giẻ, giấy, rác, vỏ hộp, đất, đá, gỗ… trước khi chúng đi vào các công trình xử lý nước tiếp theo.
Vị trí đặt song chắn rác: song chắn rác thường được đặt trước các công trình xử lý nước trong phạm vi khu xử lý nước hoặc có thể được đặt ở miếng cống thoát nước của các cơ sở sản xuất hoặc cống thoát nước chung.
Đặc điểm: vật liệu chế tạo song chắn rác phải tính đến giá trị pH của nước thải nhưng thông thường được làm bằng sắt tròn hoặc sắt vuông (sắt tròn có đường kính φ=8 – 10 mm), thanh nọ cách thanh kia một khoảng từ 60 – 100mm hoặc 10 – 25mm tuỳ vào kích thước phổ biến của vật thô và đặt nghiêng một góc 60 – 70o.
Sau song chắn rác có thể đặt thêm lưới chắn rác để loại bỏ các tạp chất có kích thước nhỏ hơn, mịn hơn hoặc có thể ở dạng sợi. Lưới lọc được đặt trên các khung đỡ, có hai loại khung: khung hình trụ và khung đĩa tròn. Trong đó, khung hình trụ giống như một cái trống quay xung quanh trục nằm ngang, ngoài khung được bọc lưới, kích thước mắt lưới thường là 0,5 – 1mm. Ở khung hình đĩa, chiều đi qua của nước thải song song với trục quay của đĩa.
Những chất lưu giữ trên bề mặt lưới được xói rửa bằng tia nước mạnh và chảy vào ống xả cặn. Lưới lọc thường được áp dụng cho các quy trình công nghệ xử lý nước thải công nghiệp dệt, giấy, da…, vật được giữ lại là sợi gỗ, len, lông… Công suất của lưới lọc phụ thuộc vào đường kính, chiều rộng của khung hình trụ và đặc tính các tạp chất bị giữ lại.
Phân loại song chắn rác:
- Dựa vào kích thước lỗ rỗng: Loại thô (20 – 60 mm), Loại trung bình (10 – 20 mm), Loại nhỏ (1 – 10 mm).
- Dựa vào cấu hình: Loại cố định (máng hoặc thanh), Song mắt lưới (kích thước lỗ rỗng: 1 – 25 mm (nếu nhỏ, phía trước có song loại thô)).
- Dựa vào loại chuyển động: Trống, Đĩa, Dây curoa nhỏ, Dây curoa trung bình, Lưới siêu lọc
b. Bể điều hoà
Mục đích: điều hoà lưu lượng, nồng độ dòng nước cần xử lý trước khi đi vào các công trình xử lý tiếp theo, duy trì tình trạng hoạt động ổn định của toàn bộ dây chuyền xử lý.
Lưu lượng, nồng độ các chất của dòng thải luôn thay đổi theo thời gian, trong khi các công trình xử lý chỉ được thiết kế theo những thông số nhất định, do đó, khi các thông số đầu vào cao hơn tính toán gây ra tình trạng quá tải, hiệu suất xử lý không đạt yêu cầu, khi các thông số vào nhỏ hơn so với tính toán dẫn đến tình trạng thừa nguyên liệu xử lý, gây lãng phí, có thể tạo ra nguy cơ ô nhiễm thứ cấp (hàm lượng hoá chất trong nước đầu ra cao
hơn so với tiêu chuẩn quy định). Ngoài ra, để đảm bảo hiệu quả xử lý đạt yêu cầu trong suốt thời gian vận hành thì các công trình xử lý cần phải được thiết kế, xây dựng với cá thông số lưu lượng, nồng độ đầu vào là lớn nhất có thể có, do đó, gây tốn kém xây dựng và vận hành.
Phân loại bể điều hoà:
- Theo chức năng: bể điều hoà lưu lượng, bể điều hoà nồng độ, bể điều hoà kết hợp lưu lượng và nồng độ.
- Theo chế độ hoạt động: bể điều hoà hoạt động gián đoạn theo chu kỳ (là những bể gồm ít nhất hai bể, trong khi một bể tích luỹ nước thì bể kia xả nước đi), bể điều hòa hoạt động liên tục.
- Theo nguyên tắc chuyển động của nước, các bể điều hoà hoạt động liên tục lại được phân ra thành: bể điều hòa hoạt động theo nguyên tắc đẩy (chế độ chảy tầng) và bể điều hoà làm việc theo nguyên tắc xáo trộn (chế độ chảy rối).
- Theo chế độ xáo trộn, các bể điều hoà hoạt động theo chế độ xáo trộn lại được phân ra thành: xáo trộn cưỡng bức (bằng máy hướng trục, máy cánh quạt, bằng khí nén hoặc bằng bơm ly tâm) và xáo trộn tự nhiên nhờ gió thổi hoặc nhờ khuếch tán do sự khác nhau về nhiệt độ, tỷ trọng, nồng độ của các loại nước chảy tới.
Vị trí đặt bể điều hoà:
Bể điều hoà lưu lượng thường được đặt tại ngay nguồn tạo ra nước thải (bể chứa tại nguồn). Bể điều hoà nồng độ được đặt ngay trong phạm vi khu vực xử lý, đặt sau song chắn rác và sau bể lắng thô nếu nước thải chứa lượng lớn các chất vô cơ không tan với kích thước lớn, và được đặt trước bể lắng thô nếu nước thải chứa chủ yếu là các chất hữu cơ không tan.
Cấu tạo một số bể điều hoà:
Bể điều hoà hoạt động gián đoạn: là bể hoạt động theo chu kỳ. Ưu điểm của bể là đảm bảo điều hoà đạt yêu cầu, nhược điểm là phải xây dựng ít nhất là hai bể nên giá thành xây dựng và quản lý cao.
Bể điều hoà có tường ngăn: trong bể hình chữ nhật, các tường ngăn có thể bố trí theo chiều dọc hay chiều ngang bể.
Hình 2.1. Bể điều hòa với tường ngăn
Bể điều hoà dẫn nước vào kiểu tiếp tuyến: Nước đã điều hoà được đi qua các lỗ thu nước của ống đứng trung tâm và xả đi nhờ ống đặt ở dưới đáy bể.
Hình 2.2. Bể dẫn nước vào kiểu tiếp tuyến
Bể điều hoà có cánh khuấy cơ khí: là loại phổ biến, trong các bể lớn thường bố trí với nhiều cánh khuấy để đảm bảo sự đồng đều trong toàn bộ khối nước.
Bể điều hoà có sục khí: Không khí nén được dẫn vào hệ thống ống có đục lỗ, đặt ở đáy bể điều hoà. Không khí nén qua lỗ tạo thành các bong bóng làm khuấy đảo lớp nước phía trên (lỗ thường được đục ở mặt dưới của ống để tránh tắc).
Hình 2.3. Bể điều hòa có thổi khí nén c. Lắng
Lắng là quá trình làm sạch cơ bản trong công nghệ xử lý nước nhằm loại bỏ phần lớn các hạt lơ lửng không tan trong nước có kích thước lớn hơn 10-4mm, bản chất của các hạt này là không có khả năng giữ nguyên tại chỗ ở trạng thái lơ lửng, do đó có thể loại bỏ chúng thông qua lắng.
Nguyên lý của quá trình lắng là dựa trên nguyên lý trọng lực.
Quá trình lắng chỉ nhờ các quá trình tự nhiên như trọng lực và quá trình liên kết tự nhiên giữa các hạt cặn được gọi là quá trình lắng tự do. Quá trình lắng tự do được chia làm hai loại:
- Lắng tự do của các hạt riêng lẻ (các hạt không có khả năng liên kết hoặc khả năng liên kết tự nhiên của các hạt không đáng kể chẳng hạn như đối với các hạt cát), trong quá trình lắng các hạt cặn luôn duy trì tính đồng nhất, kích thước và khối lượng riêng không thay đổi, do đó, vận tốc lắng có thể coi như không thay đổi (trong trường hợp coi môi trường nước là tĩnh);
- Lắng tự do của các hạt có khả năng liên kết với nhau (quá trình tạo bông keo), trong quá trình lắng, các hạt va chạm nhau và kết dính tạo thành các hạt lớn hơn có kích thước và trọng lượng thay đổi do đó vận tốc lắng thay đổi (đây chính là quá trình lắng xảy ra trong các bể keo tụ).
Phân loại:
Bể lắng có nhiều loại khác nhau: bể hình chữ nhật với dòng chảy ngang, bể lắng tròn với dòng chảy tỏa tròn, hoặc bể lắng với đáy dạng phễu và dòng chảy đi lên.
Bể lắng tròn và hình chữ nhật được trang bị với các thiết bị cào bùn cơ giới để loại bùn ướt đã lắng xuống. Trong bể có đáy dạng phễu, bùn tập trung ở đáy của phễu nơi mà bùn được hút ra. Trong bể dòng chảy ngang và dòng chảy tròn, bất kỳ vật liệu nổi nào cũng được làm mỏng đi từ bề mặt bể bởi một tay cào được điều kiển bởi cơ chế cào, và được tháo ra ngoài cùng với bùn lắng. Trong bể chảy ngược, sự thải bỏ bùn chủ yếu là từ phía trên của lớp bùn.
Hình 2.4. Các loại bể lắng thông thường: (a) bể lắng ngang hình chữ nhật; (b) Bể lắng tròn dòng chảy đồng tâm; (c) bể lắng dòng chảy ngược có đáy dạng phễu
Hiện tại có nhiều loại bể lắng khác nhau được sử dụng: theo hình dạng thì có bể hình chữ nhật, hình vuông hoặc hình tròn; theo phương thức đưa nước vào thì có loại liên tục hoặc gián đoạn; theo hướng dòng chảy vào thì có loại nằm ngang hoặc thẳng đứng.
Một số loại phổ biến gồm có:
Bể lắng đứng:
Hình 2.5. Cấu tạo bể lắng đứng Bể lắng ngang:
Hình 2.6. Cấu tạo bể lắng ngang
d. Lọc
- Khái niệm: Lọc là quá trình làm sạch nước thông qua lớp vật liệu lọc nhằm tách các hạt cặn lơ lửng, các hạt keo tụ và ngay cả vi sinh vật trong nước. Nước sau quá trình lọc, có chất lượng tốt hơn về mặt vật lý, hoá học và sinh học.
- Vật liệu lọc thường được sử dụng trong phương pháp lọc gồm có: cát, sỏi, than, xỉ, hạt xốp...
- Theo cấu trúc sử dụng vật liệu lọc, có hai phương pháp lọc cơ bản đó là: lọc bề mặt và lọc sâu.
Lọc bề mặt: là phương pháp trong đó vật liệu lọc được thiết kế tạo thành lớp bề mặt có các mao quản nhỏ, phần chất rắn có kích thước lớn hơn kích thước mao quản sẽ được giữ lại ở phía trên bề mặt vật liệu lọc, chỉ có nước và những phần tử chất rắn có kích thước nhỏ hơn lỗ mao quản mới có khả năng đi qua.
Hình 2.7. Phương pháp lọc bề mặt
Lọc sâu: là phương pháp trong đó vật liệu lọc được làm thành cột dọc, khi thực hiện quá trình lọc, các vật liệu lơ lửng được giữ lại trong không gian giữa các hạt vật liệu lọc.
Hình 2.8. Phương pháp lọc sâu
- Quá trình hoàn nguyên vật liệu: trong quá trình lọc, các chất bẩn được tách ra khỏi nước, tích tụ dần trên bề mặt vật liệu lọc và trong các lỗ mao quản, dần dần gây cản trở cho quá trình lọc, trở lực qua lớp vật liệu lọc tăng lên và hiệu suất lọc giảm xuống, khi đó cần phải vệ sinh lớp vật liệu lọc để tái tạo lại khả năng lọc của lớp vật liệu này. Quá trình này được gọi là Quá trình hoàn nguyên vật liệu.
- Trong công nghệ xử lý nước, người ta thường sử dụng công nghệ lọc sâu. Trong công nghệ lọc sâu, tùy thuộc vào tốc độ lọc và thời gian giữa hai lần hoàn nguyên vật liệu
lọc, người ta chia lọc sâu thành hai loại hình công nghệ: lọc nhanh và lọc chậm. Sự khác biệt giữa hai hai quá trình lọc này được đưa ra trên bảng 2.4.
Bảng 2.4. Sự khác biệt giữa hai quá trình lọc nhanh và lọc chậm
Thông số Lọc chậm Lọc nhanh
Bề mặt lọc 100 đến 10000m2 Tối đa 100m2 Chiều sâu cột nước
trên mặt vật liệu lọc 0,8 đến 1,8m 1 đến 3m Chiều cao vật liệu lọc 0,6 đến 1,0m 0,5 đến 2,5m
Đường kính hạt 0,1 đến 0,5mm 0,5 đến 5mm
Độ đồng đều của hạt Không quan trọng Rất quan trọng Trở lực lọc 1 đến 2,0m cột nước 3m nước
Vận tốc lọc 0,05 đến 0,5m/h 3 đến 20m/h
Thời gian lọc 1 đến 12 tháng 10 đến 150 giờ Làm sạch – rửa lọc Làm sạch từ 3 đến 5cm
phần trên vật liệu lọc Dùng dòng chảy ngược
Tác dụng
- Tách có hiệu quả vi sinh, tạp chất hữu cơ;
- Giảm DOC;
- Oxy hoá amoniac;
- Tách được các chất gây đục kích thước nhỏ.
- Có khả năng hấp phụ khi dùng than hoạt tính;
- Tách được axit (khi dùng cột lọc CaCO3);
- Oxy hoá được sắt và mangan;
- ứng dụng lọc nhanh sinh học NH+4, hữu cơ, NO2, NO-3...
- Các cơ chế của quá trình lọc: quá trình lọc là sự kết hợp của các cơ chế khác nhau nhằm tách pha rắn ra khỏi pha lỏng. Các cơ chế chủ yếu là: cơ chế sàng, cơ chế lắng, cơ chế hấp phụ, cơ chế hoạt hoá và cơ chế sinh học.
(1) Cơ chế sàng: Là cơ chế tách các hạt chất rắn lơ lửng có kích thước lớn hơn kích thước lỗ mao quản và giữ lại trên bề mặt vật liệu lọc.
Hình 2.9. Các hạt nhỏ đi qua lỗ mao quản
Quá trình chuyển động tự do của các hạt rắn lơ lửng trong các lỗ mao quản nhờ gradien vận tốc làm tăng khả năng tiếp xúc và liên kết với nhau của các hạt có kích thước nhỏ tạo ra các bông keo lớn hơn. Các bông keo này được giữ lại sâu trong các lỗ mao quản, làm cho tiết diện tự do của các lỗ mao quản nhỏ dần đi và hiệu suất cơ chế sàng sẽ tăng lên theo thời gian, nhưng đồng thời cũng làm giảm vận tốc quá trình chuyển động xuống của dòng nước, sau một thời gian nhất định gây tắc dòng, hoặc cũng có thể xảy ra hiện tượng
“lột da” trên bề mặt lớp vật liệu lọc do gradien vận tốc dòng nước phá vỡ lớp cặn bám trên bề mặt vật liệu lọc (nhờ các cơ chế khác) và kéo theo xuống phía dưới.
Nhược điểm: chỉ tách được một phần không đáng kể các chất lơ lửng ở trong nước (đối với nước chứa nhiều phần tử chất rắn lơ lửng kích thước lớn thì cơ chế này rất quan trọng). Trong các bể lọc nhanh, để tránh hiện tượng trở lực lọc tăng theo thời gian nên chọn vật liệu lọc có kích thước lớn và thô.
(2) Cơ chế lắng: Một phần các phần tử rắn lơ lửng có kích thước nhỏ hơn kích thước lỗ mao quản được tách ra khỏi nước nhờ cơ chế lắng. Các chất lơ lửng lắng trên bề mặt hạt vật liệu lọc theo nguyên lý giống như quá trình lắng trong bể lắng, điểm khác biệt duy nhất đó là: trong bể lắng, các hạt rắn lắng xuống đáy bể, còn ở đây chúng lắng trên bề mặt hạt vật liệu lọc. Tiết diện bề mặt hạt vật liệu lọc được tính bằng công thức: 6 (1 p)
d× − (m2/m3).
Trong đó, d: là đường kính hạt vật liệu lọc; p: là độ rỗng (không gian tự do của mao quản).
Tuy nhiên, việc sử dụng công thức này chỉ mang tính tương đối do không thể biết được chính xác đường kính của tất cả các hạt vật liệu lọc (trừ khi vật liệu lọc là các hạt xốp cùng kích cỡ) và độ lớn mao quản.
(3) Cơ chế hấp phụ: Lực hấp phụ sinh ra giữa bề mặt vật liệu lọc và các phần tử rắn lơ lửng khi khoảng cách giữa chúng là rất nhỏ. Các lực khác như: lực trọng trường, lực quán tính, lực khuếch tán, lực thuỷ động và lực xoáy có tác dụng đưa các phần tử rắn lơ lửng đến bề mặt vật liệu lọc.
Bản chất của quá trình: ở điều kiện pH trung tính, các hạt cát thường mang điện tích âm, do đó chúng có khả năng hấp phụ các hạt mang điện tích dương ở dạng keo hoặc các hạt lơ lửng như tinh thể cacbonat, các bông keo tụ nhôm, mangan, sắt, nhôm hydroxyt...
Quá trình hấp thụ các ion dương đã làm giảm điện thế âm của bề mặt vật liệu lọc, dần dần dẫn tới hiện tượng bão hòa quá bão hòa điện tích, khi đó bề mặt vật liệu lọc lại trở thành tích điện dương, tiếp tục lại xảy ra quá trình hấp phụ thứ hai, hấp phụ các hạt mang điện tích âm, các hạt keo hữu cơ, các chất hòa tan, các anion NO-3, PO3-4... được hấp phụ ở giai đoạn này, quá trình hấp phụ diễn ra cho tới khi bề mặt hấp phụ đạt tới mức bão hòa và quá bão hoà, tương tự quá trình chuyển sang hấp phụ các hạt mang điện tích dương. Hiện tượng đảo thế bề mặt vật liệu lọc xảy ra liên tục và điện thế bề mặt giảm dần theo thời gian, giảm dần tới mức không xảy ra quá trình hấp phụ tiếp theo (trừ khi có hiện tượng “lột da” hoặc được tiến hành quá trình hoàn nguyên vật liệu, tức là lớp cặn được hấp phụ bị phá vỡ và trả lại bề mặt ban đầu của vật liệu lọc).
Trong trường hợp, trong nước chỉ chứa các hạt mang điện tích âm thì để tách chúng ra khỏi nước thì cần tạo ra được điện thế dương trên bề mặt vật liệu lọc bằng cách phủ một lớp hạt mang điện tích dương hoặc một lớp mỏng cation polyme lên trên bề mặt vật liệu lọc.
(4) Cơ chế hoạt hoá (Chemical activity) và Cơ chế sinh học (Biological activity) Nguyên lý chung của cả hai cơ chế hoạt hoá và cơ chế sinh học đó là dựa vào sự biến đổi (hóa học và sinh học) các chất hòa tan trong nước thành các chất đơn giản hoặc tạo 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 oxy hòa tan, các chất hữu cơ có thể bị phân hủy hiếu khí theo công thức:
C5H7O2N + 5O2→H2O + 4CO2 + NH+4 + HCO-3
Trong quá trình lọc, hoạt động của vi sinh vật luôn đi kèm với các phản ứng hóa học, nhờ sự có mặt của vi khuẩn Nitrosomonas, amoniac được oxy hóa thành nitrit (NO-2) theo phản ứng:
NH+4 + 2
3O2 Nitrosomonas→ H2O + 2H+ + NO-2
Sau đó, nitrit tiếp tục được oxy hóa thành nitrat nhờ hoạt động của vi khuẩn nitrobacter theo phản ứng:
NO-2 + 2
3O2 Nitrobacter→ NO-3
Ngoài ra còn xảy ra phản ứng:
H+ + HCO-3 → H2O + CO2
Phản ứng tổng:
C5H7O2N + 7O2→3H2O + 5CO2 + NO-3 + H+
Như vậy, vi sinh vật có mặt ở khắp mọi nơi và trên bề mặt vật liệu lọc luôn xảy ra các quá trình trao đổi chất của vi sinh vật. Mặt khác, cơ chế hấp phụ xảy ra trên bề mặt vật