Quá trình lọc

2.2 QUÁ TRÌNH LỌC 2.2.1 Một Số Ứng Dụng Quá trình lọc được ứng dụng trong các trường hợp sau: Xử lý nước mặt làm nước uống: Lọc nhanh : khử các hạt cặn trong nước; Lọc chậm : khử chất hữu cơ và vi sinh vật có trong nước. Xử lý nước ngầm làm nước uống: khử sắt và mangan. Xử lý nước thải: Lọc nhanh nước sau xử lý bậc hai; Lọc chậm, gián đoạn, nước sau xử lý sơ bộ; Lọc qua lớp đất. Những đặc điểm cơ bản của các thiết bị lọc trong những trường hợp ứng dụng khác nhau được trình bày trong Bảng 2.3. Bảng 2.3 Đặc tính của ba loại kỹ thuật lọc thông dụng Thông số Lọc nhanh (cấp nước uống) Lọc cát chậm (cấp nước uống) Tiêu chuẩn thiết kế Lọc nước thải (Nước sau khi lắng sơ bộ) Kích thước hạt cát (d10, mm) 0,5 – 2 0,15 – 0,45 0,2 –1 Độ đồng đều < 5, < 2,5 (thích hợp) < 3 Vận tốc lọc (m.h-1) 5 – 30 0,08 – 0,24 < 0,01 Độ sâu lớp vật liệu lọc (m) 0,6 – 2,5 0,5 – 1,5 0,5 – 1,5 Chiều cao lớp nước 1 – 2 1 Vận hành gián đoạn Thời gian tiếp xúc (h) 0,07 – 0,2 1 – 15 24 – 240 Chu kỳ lọc (ngày) 0,3 - 3 30 - 200 Không làm tắt vật liệu lọc Vai trò của quá trình lọc trong xử lý nước uống được trình bày trong Bảng 2.4. Phương pháp lọc nhanh thích hợp để khử cặn (Bảng 2.4, biểu diễn bằng “độ đục”) từ nguồn nước mặt và khử sắt và mangan từ nguồn nước ngầm (tạo bông oxít sắt và oxit mangan). Quá trình tách cặn xảy ra đồng thời với những biến đổi sinh học trong quá trình lọc chậm. Quá trình lọc chậm có khả năng khử vi sinh vật gây bệnh rất hiệu quả. Do đó, phương pháp này được sử dụng rộng rãi để xử lý nước ở những vùng nông thôn của các nước đang phát triển. Bảng 2.4 Hiệu quả xử lý nước cấp của một số công trình đơn vị Thổi khí Keo tụ-Tạo bông Lắng Lọc nhanh Lọc chậm Than hoạt tính Clo hóa Vi sinh vật gây bệnh 0 + ++ ++ ++++ 0 ++++ Độ đục 0 +++ + +++ ++++ 0 0 Mùi – vị ++ + + ++ ++ +++ ++ Độ màu 0 ++ + + ++ 0 ++ Fe/Mn ++ + ++ ++++ ++++ 0 0 BODhòa tan + + ++ ++ +++ ++ +++ Chất hữu cơ không có khả năng phân hủy sinh học 0 ++ ++ ++ ++ ++ ++ Kim loại nặng 0 ++ ++ + ++ ++ 0 Ghi chú : xử lý không hiệu quả + : hiệu quả xử lý thấp +++ : hiệu quả xử lý cao 2.2.2 Các Loại Thiết Bị Lọc Những loại thiết bị lọc quan trọng nhất được dùng trong xử lý nước cấp và nước thải bao gồm: Thiết bị lọc nhanh; Thiết bị lọc áp lực; Thiết bị lọc chậm; Thiết bị lọc có tấm chắn (dòng chảy ngang, từ trên xuống và từ dưới lên). 2.2.3 Cơ Chế Quá Trình Lọc Trong quá trình lọc, các cặn bẩn được tách khỏi nước nhờ tương tác giữa hạt cặn và vật liệu lọc theo các cơ chế sau (Hình 2.17): Sàng lọc; Lắng; Hấp phụ; Chuyển hóa sinh học; Chuyển hóa hóa học. dc dp 1 Thủy động 2 Khuếch tán 3 Lắng 4 Quán tính 5 Bị chặn Hình 2.17 Cơ chế lọc. Vật liệu lọc thông dụng nhất là cát. Kích thước hiệu quả của hạt cát (de) thường dao động trong khoảng 0,15 mm đến vài mm. Kích thước lỗ rỗng được tính tốn bằng 0,07 – 0,1*de (Amirtharajah) nên thường có giá trị nằm trong khoảng 10 – 100 m m. Kích thước này lớn hơn nhiều so với kích thước của nhiều hạt cặn nhỏ cần tách loại, ví dụ như vi khuẩn (0,5 – 5 m m) hoặc vi rút (0,05 m m), do đó, những hạt này có thể chuyển động xuyên qua lớp vật liệu lọc. Quá trình sàng lọc xảy ra ở bề mặt lớp vật liệu lọc khi nước cần xử lý chứa các hạt cặn có kích thước quá lớn không thể xuyên qua lớp vật liệu lọc được. Quá trình sàng lọc có ý nghĩa quan trọng đối với lọc cát chậm (do sử dụng cát lọc mịn và sự tạo thành Schmuzdecke) hơn so với lọc nhanh. Những hạt cặn lơ lửng có kích thước khoảng 5 m m và khối lượng riêng đủ lớn hơn khối lượng riêng của nước được tách loại theo cơ chế lắng trong các khe rỗng của lớp vật liệu lọc. Tuy nhiên, quá trình lắng không có khả năng khử các hạt keo mịn có kích thước khoảng 0,001 – 1 m m. Các hạt keo được tách loại theo cơ chế hấp phụ. Quá trình này xảy ra theo hai giai đoạn: vận chuyển các hạt trong nước đến bề mặt vật liệu lọc (theo cơ chế lắng, quán tính, khuếch tán và bằng các lực thủy động học) và sau đó kết dính các hạt vào bề mặt hạt vật liệu lọc. Quá trình này chịu ảnh hưởng của lực hút (hoặc lực đẩy) giữa vật liệu lọc và các hạt cần tách loại. Lực hút quan trọng là lực Van der Waals và lực hút tĩnh điện. Quá trình dính kết giữa các hạt có thể bị cản trở khi lực đẩy tĩnh điện giữa vật liệu lọc và các hạt cặn chiếm ưu thế hơn so với lực hút Van der Waals và lực hút tĩnh điện. Các nghiên cứu cho thấy rằng hạt cát sạch mang điện tích âm nên không thể liên kết với các hạt keo có cùng điện tích. Tuy nhiên, sau một thời gian lọc, các hạt cát trở nên tích điện dương và quá trình tách cặn có thể xảy ra. Trong nhiều trường hợp cần thêm chất tạo keo tụ như FeCl3 hoặc Al2(SO4)3 để khử lực đẩy giữa các hạt keo với nhau và giữa hạt keo và vật liệu lọc. Những hạt mịn khi đó kẹo tụ thành những bông cặn lớn hơn dễ dàng tách loại bằng quá trình lọc. Hoạt tính sinh học của các thiết bị lọc có khả năng dẫn đến sự oxy hóa các chất hữu cơ, các hợp chất NH4+, sulphide sắt và mangan. Quá trình chuyển hóa sinh học hồn tồn xảy ra khi nhiệt độ và thời gian lưu nước trong thiết bị lọc được duy trì thích hợp. Do đó, trong thiết bị lọc chậm, hoạt tính sinh học đóng vai trò quan trọng hơn trong thiết bị lọc nhanh. Trong quá trình lọc, vi sinh vật gây bệnh tồn tại trong nước cần xử lý bị khử theo các cơ chế trên. Thiết bị lọc là môi trường bất lợi đối với một số loại vi sinh vật gây bệnh do thiếu thức ăn và do có mặt nguyên sinh động vật cũng như những loại vi sinh vật đối kháng. 2.2.4 Mô Hình Hóa Quá Trình Lọc: Dòng Chảy Từ Trên Xuống Trong quá trình lọc, các hạt cặn tách khỏi nước được giữ lại trong các khe hở của lớp vật liệu lọc. Quá trình này xảy ra dần dần từ lớp vật liệu lọc phía trên xuống đáy thiết bị. Sự tích tụ các chất cặn bẩn làm gia tăng tổn thất áp lực trong thiết bị lọc và giảm dần hiệu quả lọc. Mô hình lọc mô tả mối liên hệ giữa các biến số: nồng độ (C) theo độ sâu của thiết bị lọc, sự tích tụ chất rắn (s), độ tăng tổn thất áp lực (DH) và hệ số lọc (l). Trong đó, chỉ có giá trị C và DH có thể đo đạc trực tiếp. Quá trình khử các hạt cặn theo độ sâu (z) của thiết bị lọc có thể mô tả theo phương trình sau: (2.29) Đây là dạng đơn giản của phương trình được Iwasaki (1937) thiết lập, mô tả quá trình điền đầy các khe rỗng (s) do quá trình tách loại các hạt cặn trong nước gây ra. Trong đó: C : nồng độ cặn trong pha lỏng ở độ sâu (z) và tại thời điểm t xác định (số lượng/m3); : hệ số lọc (cũng là hàm số của z và t) (m-1); : phần lắng đặc biệt trong thiết bị lọc (hàm số của z và t) (m-1) (m3/m3); u : vận tốc chất lỏng trong các khe rỗng của lớp vật liệu lọc (m/s); z : khoảng cách từ vị trí đang xét trong lớp vật liệu lọc đến đỉnh của thiết bị lọc (giả sử dòng chảy đi từ trên xuống) (m); Quá trình khử hạt cặn theo độ sâu được biểu diễn như sau: (2.30) Dạng vi phân: (2.31) L là độ sâu của thiết bị lọc (m). Nếu các hạt là vi sinh vật và quá trình chết dần của chúng trong pha lỏng cũng đóng vai trò quan trọng: (2.32) Trong đó, Kd là hệ số chết dần của vi sinh vật (s-1). Phương trình này cho thấy hiệu quả xử lý phụ thuộc vào các quá trình phân tách (biểu diễn bằng hệ số lọc l) và quá trình chết dần (die-off) của vi sinh vật gây bệnh tồn tại trong pha lỏng (Ku/u). Quá trình die-off chỉ trở nên quan trọng ở lưu lượng thấp. Đây là trường hợp lọc cát chậm, lọc nước thải gián đoạn và lọc qua lớp cát (u = 0,05 – 2 m/ngày). Hệ số lọc l được biểu diễn dưới dạng tốn học như hàm số của s. Hình 2.18 và Hình 2.19 (Amirtharajah, 1988) cho thấy: Sự biến thiên hệ số lọc l theo s; Sự biến thiên nồng độ theo độ sâu và thời gian. Hình 2.18 cho thấy hiệu quả lọc giảm và như vậy, chất lượng nước sau xử lý xấu đi theo quá trình bít kín các khe rỗng sau khi hơi tăng ở giai đoạn đầu. su là phần lắng đặc biệt cuối cùng: phần thể tích lớn nhất của các khe rỗng bị chiếm chỗ bởi cặn lắng. su s 0 l0 l Hình 2.18 Sự thay đổi hệ số lọc theo su. Hình 2.19 cho thấy quá trình điền đầy các khe rỗng làm tăng C theo thời gian. Giá trị l0 phụ thuộc vào điều kiện chuyển động và kết dính trong lớp vật liệu lọc. Đây là giá trị đặc trưng cho các hạt cần tách loại và vật liệu lọc sử dụng. Hệ số lọc (và do đó hiệu quả của thiết bị lọc) là hàm số của kích thước hạt (Hình 2.30) (Yao và cộng sự, 1971). Theo lý thuyết (Yao và cộng sự, 1971), những hạt có kích thước nằm trong khoảng 1 mm (kích thước của vi khuẩn) sẽ khó lọc hơn những hạt lớn hơn và những hạt mịn hơn. C0 0 Nồng độ (C) Thời gian (t) Độ sâu (L) Hình 2.19 Biến thiên nồng độ theo độ sâu (L) và thời gian (t). 10-5 10-4 10-3 10-2 10-1 10-2 10-1 1 10 102 V0 = 2 gpm/sq.ft D = 0,5 mm rp = 1,05 gm/cm3 T = 250C Hiệu quả 0 20 40 Hiệu quả lọc (%) 10-2 10-1 1 10 102 60 80 100 L = 24 in f = 0,40 a = 1,0 Kích thước hạt (mm) Hình 2.20 Hiệu quả lọc biểu diễn như hàm số của kích thước hạt cần tách loại. Khi các khe rỗng bị điền đầy, tổn thất áp lực trong thiết bị lọc gia tăng. Tổn thất áp lực ban đầu của lớp vật liệu lọc sạch dưới điều kiện chảy tầng có thể biểu diễn bằng công thức Darcy: (2.33) Trong đó: - I = gradient tổn thất áp lực (m/m) - DH = tổn thất áp lực (m) - DL = độ sâu của lớp vật liệu lọc (m) - K = hệ số thẩm thấu (m.s-1) - u0 = vận tốc lọc (m.s-1) K là ẩn số, nhưng giá trị I đối với lớp vật liệu lọc sạch có thể được tính tốn dựa trên phương trình Kozeny: (2.34) Trong đó: - e = độ xốp của vật liệu lọc sạch - g = gia tốc trọng trường (m.s-2) - m = độ nhớt của nước (kg.m-1.s-1.) - r = khối lượng riêng của nước (kg.m-3) - k = hằng số Kozeny (xấp xỉ 5,0) - A/V = tỷ số trung bình giữa diện tích bề mặt và thể tích vật liệu lọc (m-1). Điều quan trọng trong thực tế ứng dụng là có thể dự đốn sự gia tăng tổn thất áp lực (DH) và gradient tổn tthất áp lực I theo thời gian lọc và do đó theo quá trình bít kín khe rỗng trong lớp vật liệu lọc s. Thông thường, tổn thất áp lực tăng theo cấp số mũ với thời gian. 2.2.5 Kích Thước Hạt Và Sự Phân Bố Kích Thước Kích thước hạt của vật liệu lọc dạng hình cầu là một trong những thông số quan trọng nhất để xác định kích thước thiết bị lọc. Kích thước hạt thường được biểu diễn dưới dạng d10 (kích thước hiệu quả) là kích thước lỗ của sàng có ít nhất 10% hạt vật liệu lọc đi qua. Thành phần nhỏ nhất này xác định đặc tính của thiết bị lọc vì 10% theo khối lượng tương ứng với khoảng 50% hạt đếm được. Hạt quá mịn sẽ dẫn đến hiện tượng bít vật liệu lọc rất nhanh, hạt quá lớn dẫn đến chất lượng nước sau lọc không đạt yêu cầu. Bên cạnh kích thước hạt, độ đồng đều của hạt cũng đóng vai trò quan trọng. Độ đồng đều được định nghĩa bằng u = d60/d10. Như trình bày trên Bảng 2.1, trong thiết bị lọc nhanh, kích thước hiệu quả dao động trong khoảng 0,5 – 2,0 mm (U = 1,2 – 1,3) và đối với thiết bị lọc chậm, các giá trị này lần lượt là 0,15 – 0,35 mm (U = 2 - 3). Việc lựa chọn cát lọc thích hợp từ cát tự nhiên thường được thực hiện bằng cách sàng. Phương pháp sàng và cách xác định d10 và U0 được trình bày chi tiết bởi Fair và cộng sự (1968). 2.2.6 Kiểm Sốt Lưu Lượng Do trở lực đối với dòng chảy (tổn thất áp lực) trong thiết bị lọc tăng theo sự tích tụ cặn lắng bên trên và bên trong lớp vật liệu lọc, tốc độ dòng chảy có khuynh hướng giảm theo thời gian. Để duy trì lưu lượng ban đầu, việc kiểm sốt lưu lượng dòng chảy là cần thiết. Lưu lượng dòng chảy có thể khống chế theo dòng vào hoặc ra khỏi thiết bị lọc (Hình 2.21 và Hình 2.22). Theo dòng vào thiết bị, lưu lượng được khống chế bằng cách gia tăng áp lực của lớp nước bên trên khi tốc độ giảm. Phía đầu ra, lưu lượng được điều khiển bằng van. Van này được mở dần dần khi tổn thất áp lực qua thiết bị lọc gia tăng. Chlorine Hệ thống phân phối Chảy tràn Bể chứa Ống thông áp Bể lọc Vách hướng dòng Lưu lượng kế Van điều chỉnh Hình 2.21 Bể lọc cát điều khiển dòng vào (tăng chiều cao lớp nước). Bể lọc Nước thô Bơm Lưu lượng kế Van Giếng sạch Chlorine Bể chứa có vách ngăn Hệ thống phân phối Bơm Hình 2.22 Khống chế dòng ra bằng bơm và bể chứa nước sạch. 2.2.7 Thiết Bị Lọc Nhanh Dùng Trong Xử Lý Nước Cấp XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC Đặc tính thiết bị lọc (thời gian và hiệu quả lọc) phụ thuộc vào tác dụng tương hỗ giữa vật liệu lọc và chất lượng nước cần xử lý. Vì chất lượng nước cần xử lý rất khác nhau ở những nơi khác nhau, nên việc xác định kích thước thiết bị lọc chỉ dựa trên phương trình thiết kế thường ít khả thi. Xác định kích thước của một thiết bị lọc mới có thể bắt đầu bằng việc khảo sát các thiết bị lọc hoạt động dưới cùng điều kiện. Nếu những khảo sát này không cung cấp đủ cơ sở để thiết kế, những số liệu cần thiết khác phải được thu thập từ mô hình nghiên cứu thử nghiệm, trong đó phải có sự phối hợp một cách tối ưu giữa sự phân bố kích thước hạt vật liệu lọc, vận tốc lọc, độ sâu lớp vật liệu lọc và chiều cao của lớp nước bên trên. Giải pháp tối ưu nhất là nước sau xử lý đạt tiêu chuẩn chất lượng yêu cầu với vốn đầu tư và chi phí vận hành thấp nhất. Chi phí xây dựng phụ thuộc nhiều vào diện tích bề mặt của thiết bị lọc (A). Vì A = Q/u0, trong đó Q là lưu lượng nước vào thiết bị và u0 là vận tốc lọc, A có thể đạt giá trị nhỏ nhất khi duy trì vận tốc lọc cao nhất trong giới hạn cho phép. Nước sau lọc đạt chất lượng rất tốt khi sử dụng cát lọc mịn (chỉ số l0 cao), nhưng hiện tượng tắc lọc xảy ra sớm và chu kỳ lọc (Tbw) sẽ ngắn. Hay nói cách khác, sử dụng cát lọc thô cho phép thời gian lọc kéo dài nhưng chất lượng nước sau lọc không tốt lắm. Khi xác định kích thước thiết bị lọc, thời gian hoạt động của thiết bị lọc (T) và đặc biệt là thời gian giữa hai lần rửa lọc (Tbw) là những thông số quan trọng. Thông số Tbw có liên quan đến hai thông số khác Tq và Thl. Tq là thời gian giữ hai lần rửa lọc mà trong khoảng thời gian đó chất lượng nước sau lọc đạt tiêu chuẩn yêu cầu. Thl là thời gian lọc mà trong khoảng thời gian đó, tổn thất áp lực không vượt quá giá trị cực đại cho phép (Hình 2.7). Trong thực tế không thể giám sát liên tục chất lượng nước sau lọc để xác định thời điểm cần rửa vật liệu lọc, do đó thời gian của một chu kỳ lọc được xác định dựa trên kết quả đo đạc tổn thất áp lực và để an tồn, Thl phải có giá trị nhỏ hơn Tq. Cùng với tiêu chuẩn vận hành và bảo dưỡng, với cách xác định kích thước thiết bị lọc như vậy, Tbw có giá trị trong khoảng 1 – 1,5 ngày và Tbw<Thl<Tq. Tổn thất áp lực cực đại cho phép được xác định bằng cách đo áp suất theo chiều sâu thiết bị lọc. Tổn thất áp lực không được phép gia tăng đến giá trị mà ở đó áp suất trong lớp vật liệu lọc trở nên nhỏ hơn áp suất khí quyển (gọi là áp suất âm). Nếu xuất hiện áp suất âm, hiệu quả lọc sẽ giảm đột ngột do sự hình thành hơi và khí bên trong thiết bị lọc. SỬ DỤNG MÔ HÌNH THỬ NGHIỆM XÁC ĐỊNH KÍCH THƯỚC THIẾT BỊ LỌC NHANH Giả sử nồng độ cặn lơ lửng trong nước ban đầu là 15 mg/l và chất lượng nước sau lọc phải đạt 0,5 mg/l. Tổn thất áp lực cực đại cho phép DH = 1,5 m, vận tốc lọc (u0) = 2.10-3 m/s và độ sâu của lớp vật liệu lọc là L = 0,8 m. Để xác định kích thước tối ưu của thiết bị lọc, hệ thống gồm 3 thiết bị lọc được lắp đặt. Cả ba thiết bị đều sử dụng cát lọc có kích thước hạt khác nhau d10 = 0,7 mm, d10 = 0,8 mm và d10 = 0,9 mm. Kết quả thí nghiệm của một trong ba thiết bị được trình bày trong Hình 2.23. 1 2 3 x 105 s 0 0,5 1,0 2,0 g/m3 Nồng độ SS của nước sau lọc Tq Tq Tq 0,7 mm 0,8 mm d = 0,9 mm Thời gian 1 2 3 x 105 s 0 0,5 1,0 2,0 m Trở lực Tr Tr 0,9 mm 0,8 mm d = 0,7 mm Thời gian C0 = 15 g/m3 L = 0,8 m V= 2 x 10-3 cm/s t = 100C Tr Hình 2.23 Kết quả thí nghiệm lọc với vật liệu lọc có kích thước khác nhau. Các giá trị Thl và Tq được tóm tắt trong Bảng 2.5. Bảng 2.5 Biến thiên Tq và Thl theo kích thước cát lọc d = 0,7 mm d = 0,8 mm d = 0,9 mm Tq (*105 s) Thl(*105 s) 1,96 1,34 1,26 2,00 0,36 2,84 (105 s = 1,16 ngày, u0 = 2*10-3 m/s) Khi d = 0,7 mm, Thl< Tq, phù hợp với tiêu chuẩn của một thiết bị lọc tốt. Tuy nhiên, thời gian lọc của thiết bị quá dài có nghĩa là thiết bị lọc vẫn ở tình trạng thiếu tải. Điều này có thể khắc phục bằng cách gia tăng tốc độ lọc u0. Khi d = 0,8 và 0,9 mm, Tq < Thl, không nên áp dụng vận hành thiết bị lọc. Tuy nhiên, trườnghợp này có thể khắc phục bằng cách tăng độ sâu lớp vật liệu lọc. Chu kỳ lọc của thiết bị có d = 0,8 mm dài hơn. Điều này có nghĩa là trên nguyên tắc, thiết bị lọc có kích thước vật liệu lọc d = 0,8 mm có thể dùng được, thích hợp hơn thiết bị lọc có d = 0,7 mm vì tốc độ lọc cao hơn. Trên cơ sở thí nghiệm này, 3 thiết bị lọc có d = 0,8 mm với độ sâu lớp vật liệu lọc khác nhau lần lượt là 1,5; 1,2 và 1,0 m được chọn để tiếp tục nghiên cứu. Vận tốc lọc được duy trì ở mức 3.10-3 m/s. Kết quả thí nghiệm được trình bày trong Hình 2.24. Các giá trị Tq và Thl được tóm tắt trong Bảng 2.6. Bảng 2.6 Biến thiên Tq và Thl theo kích thước cát lọc L = 1,0 m L = 1,2 m L = 1,5 m Tq (*105 sec) Thl(*105 sec) 0,7 0,95 1,27 0,80 2,12 0,55 [105 sec = 1,16 ngày, u0 = 3*10-3 m/s] Kết quả thí nghiệm cho thấy rằng, lớp vật liệu có độ sâu L = 1,2 m cho Tq > Thl với giá trị tương tự, Tq = 1,3 x 103 s và Thl = 0,8 x 103 s. Khi vận hành tối ưu, khoảng thời gian giữa hai lần rửa lọc khoảng 1 ngày (= 0,9 x 105 s), giá trị này hơi cao hơn trị số 0,8 x 105 s xác định được. Để tối ưu hóa việc thiết kế thiết bị lọc, phương pháp đồ thị như trình bày trong Hình 2.25 có thể áp dụng. Đồ thị này thể hiện chất lượng nước sau lọc (Ce) và tổn thất áp lực (DH) đối với những giá trị Tq và Thl đã chọn. Trong trường hợp này Tq = 1 x 105 và Thl = 0,9 x 105. Từ đồ thị này có thể kết luận rằng, với vận tốc lọc 3 x 10-3 m/s, độ sâu tối ưu của lớp vật liệu lọc (L) có kích thước hạt 0,8 mm là 1,1 m và tổn thất áp lực cực đại cho phép DHmax = 1,52 m. 1 2 3 x 105 s 0 0,5 1,0 2,0 m Trở lực Tr Tr Thời gian C0 = 15 g/m3 d = 0,8 mm u0 = 3 x 10-3 cm/s t = 100C Tr 1 2 3 x 105 s 0 0,5 1,0 2,0 g/m3 Nồng độ SS của nước sau lọc Tq Tq Tq 1,5 m 1,2 m L = 1,0 m Thời gian 1,0 m 1,2 d = 0.7 mm L = 1,5 Hình 2.24 Kết quả thí nghiệm lọc với những chiều cao lớp vật liệu lọc khác nhau. Chiều cao thích hợp của lớp nước bên trên có thể xác định từ kết quả phân tích tổn thất áp lực theo độ sâu của thiết bị lọc trên mô hình thử nghiệm (Hình 2.25). Chiều cao này phải bảo đảm không xuất hiện áp suất âm cho đến thời điểm cuối của chu kỳ lọc (Thl). Kết quả phân tích này có thể thỏa mãn yêu cầu, nhưng để có giải pháp tốt hơn (vận tốc lọc cao hơn/diện tích thiết bị lọc nhỏ hơn) cần tiến hành thí nghiệm với các vận tốc lọc khác nhau. 1 1,5 2,0 m 0 0,5 1,0 2,0 g/m3 Nồng độ SS của nước sau xử lý 1,1 Tq Bề dày lớp vật liệu lọc L 1,0 2,0 m Trở lực H Ce tại Tq = 1,0 x 105 s H tại Thl = 0,9 x 105 s Hình 2.25 Lựa chọn chiều cao lớp vật liệu lọc (L) và trở lực (H). RỬA VẬT LIỆU LỌC (QUÁ TRÌNH RỬA NGƯỢC) Khi tổn thất áp suất đạt đến một giá trị nhất định, thiết bị lọc nhanh, dùng trong xử lý nước cấp cần được rửa lọc bằng quá trình rửa ngược. Quá trình này được thực hiện bằng cách bơm nước đã xử lý hoặc nước cùng với không khí ngược dòng qua lớp vật liệu lọc ở vận tốc cao. Dòng chảy nhanh làm giãn lớp vật liệu lọc và do đó các cặn bẩn lắng trong các khe rỗng bị rửa trôi. Trong quá trình rửa ngược, lớp vật liệu lọc phải được giãn nở khoảng 10-30%. Vận tốc dòng chảy ngược cần thiết để đạt mức giãn nở này dao động trong khoảng 10 - 120 m3/m2.hr và phụ thuộc vào nhiệt độ của nước (độ nhớt), kích thước và đặc tính vật liệu lọc. Khi các hạt cặn kết dính chặt vào các khe rỗng trong lớp vật liệu lọc, quá trình rửa ngược chỉ sử dụng nước sẽ không hiệu quả và khi đó cần kết hợp với quá trình thổi khí. Khí thổi vào sẽ làm xáo trộn mạnh lớp vật liệu lọc. Quá trình rửa bằng khí này có thể kéo dài khoảng 5 phút. Ưu điểm của sự kế hợp khí và nước trong quá trình rửa ngược là làm giảm thể tích nước sau lọc tiêu tốn cho quá trình rửa này. Nước dùng cho quá trình rửa lọc chiếm khoảng 4% nước đã xử lý (Fair et al., 1968). 2.2.8 Quá Trình Lọc Chậm Xử Lý Nước Mặt Phương pháp thông dụng nhất để xử lý nước mặt làm nước uống là kết hợp các quá trình keo tụ/tạo bông, lắng, lọc và khử trùng. Ở các nước đang phát triển, nhất là các vùng nông thôn, việc vận hành quá trình này và đặc biệt là quá trình cung cấp hóa chất, có thể gặp nhiều khó khăn. Trong những trường hợp này, quá trình lọc chậm (SSF), nếu cần thiết thực hiện các quá trình lắng và lọc sơ bộ, có thể là phương pháp thích hợp (Hình 2.26). Thông hơi f e d c b a h g Hệ thống thoát nước Lớp vật liệu lọc Lớp nước mặt Lớp vi sinh vật Van điều chỉnh dòng vào và tốc độ lọc; Van thốt nước bề mặt; Van dẫn nước sạch vào lớp vật liệu lọc; Van thốt nước từ lớp vật liệu lọc và bể chứa; Van thốt nước đã xử lý thải bỏ; Van thốt nước đã xử lý và bể chứa nước sạch; Máng tràn; Thiết bị điều chỉnh lưu lượng. Hình 2.26 Những thành phần cơ bản của bể lọc chậm có khống chế dòng vào. Trong thiết bị lọc cát chậm kết hợp các quá trình lọc lý học và lọc hóa học như trong lọc nhanh với sự chuyển hóa sinh học các hợp chất hữu cơ và quá trình die-off của vi sinh vật gây bệnh. Quá trình khử vi sinh vật thường xảy ra trong lớp vật liệu lọc phía trên, dày khoảng 10 cm, được gọi là Schmutzdecke. Ở đây, trứng giun sán, bị giữ lại theo cơ chế sàng lọc và vi khuẩn bị khử bởi động vật đơn bào. Sử dụng thiết bị lọc cát chậm trong nhiều trường hợp có thể tránh được việc dùng hóa chất để khử trùng. Thiết kế thiết bị lọc chậm có thể dựa trên tiêu chuẩn thiết kế tổng quát (Bảng 2.1) và dựa trên kinh nghiệm địa phương khi nguồn nước và cát lọc sẵn có. Các tiêu chuẩn thiết kế được rút ra từ kinh nghiệm thực tế trên thế giới (Visscher và cộng sự,1994). Nếu kích thước của cát lọc, độ đồng đều và vận tốc lọc thích hợp, thiết bị lọc có thể hoạt động với hiệu quả như đã thiết kế nếu như chất lượng nước cần xử lý không bị giảm đến mức độ không thể chấp nhận được (độ đục và nồng độ fecal quá cao). Độ đục lớn nhất của nước cần xử lý không được vượt quá 20 NTU. Hiệu quả khử vi sinh vật thường tỷ lệ nghịch với kích thước hạt cát, 99% fecal coliform (FC) bị khử khi sử dụng cát lọc có kích thước hiệu quả d10 khoảng 0,2 mm với điều kiện không dùng nguồn nước có FC cao hơn 10/100 ml (Hình 2.27). 0,1 0,2 0,3 0,4 0,5 0,6 0,7 96 97 98 99 100 Kích thước hạt (mm) Hiệu quả khử tổng cộng trung bình (%) Hình 2.27 Ảnh hưởng của kích thước hạt đến hiệu quả khử coliform tổng cộng trong bể lọc chậm. Vấn đề quan trọng nhất đối với thiết bị lọc chậm là hiện tượng tắc lọc khi tải trọng chất rắn lơ lửng cao. Khi đó, thời gian giữa hai lần rửa lọc sẽ ngắn hơn 1 tháng. Quá trình rửa thiết bị lọc bao gồm tách bỏ lớp cát khoảng 1-2 cm phía trên, sau đó rửa cát và đổ cát vào thiết bị. Sau vài năm, cát lọc trong thiết bị sẽ được thay thế hồn tồn. 2.2.9 Lọc Nước Thải Quá trình lọc cũng được áp dụng trong xử lý nước thải. Thông thường quá trình lọc được sử dụng trong những trường hợp sau: Lọc kỵ khí nước thải đã qua hoặc chưa qua lắng sơ bộ; Xử lý nước thải sinh hoạt đã qua lắng sơ bộ quy mô nhỏ; Làm sạch hơn nước thải đô thị sau xử lý bậc 2; Lọc qua lớp đất tự nhiên nước thải sau khi qua xử lý bậc 2. Đối với nước thải sau xử lý sơ bộ (và nước thải sau khi ra khỏi thiết bị UASB), quá trình khử trùng đầu tiên xảy ra giữa quá trình lọc kỵ khí và lọc hiếu khí. Ở tải trọng hữu cơ cao, môi trường trong thiết bị lọc trở nên kỵ khí. Trong thiết bị lọc kỵ khí AF xảy ra hai quá trình kết hợp giữa tách cặn lơ lửng và chuyển hóa sinh học. Vật liệu lọc trong thiết bị AF thường có cấu trúc rỗng hơn để tránh tắt lọc. Ở tải trọng hữu cơ thấp (< 20 g BOD/m2.ngày), môi trường trong lớp vật liệu lọc tồn tại trong điều kiện hiếu khí. Để tránh hiện tượng tắc lọc nhanh, tải trọng SS trong thiết bị lọc nước thải kỵ khí không được vượt quá 10 g SS.m2.ngày-1. Có nhiều loại thiết bị lọc khác nhau như thiết bị lọc có dòng chảy từ trên xuống và dòng chảy theo phương ngang, thiết bị lọc với lớp vật liệu lọc cát và lau sậy, thiết bị lọc tuần hồn và không tuần hồn,… Vật liệu lọc đặc biệt dùng trong thiết bị lọc như than bùn, cát, sét, vỏ trấu, đá vôi,… được thêm vào cùng với cát lọc để tăng hiệu quả quá trình lọc. Thiết bị lọc có lớp lau sậy trở nên thông dụng ở các trạm xử lý nước thải sinh hoạt quy mô nhỏ vì lớp này có khuynh hướng làm tăng hiệu quả khử N và P và bảo vệ thiết bị lọc khỏi bị mài mòn. Ở các nước đang phát triển, việc áp dụng loại thiết bị lọc này vẫn còn tranh cãi (năm 2000). Các chuyên gia cho rằng sau khi mưa, nước ứ đọng có thể tích lũy ở các kẽ lá và làm sinh sôi muỗi. Vì nước thải (đặc biệt là nước thải sinh hoạt đã lắng sơ bộ) chứa chất thải ở nồng độ cao hơn so với nước mặt, tải trọng của thiết bị lọc nước thải thường thấp hơn nhiều so với thiết bị lọc dùng trong xử lý nước cấp. Tải trọng thủy lực của thiết bị lọc hiếu khí đối với nước thải đã xử lý sơ bộ dao động trong khoảng 3-20 cm/ngày. Do đó, diện tích bề mặt của thiết bị lọc thay đổi từ 2-3 m2/người đối với thiết bị có dòng chảy theo phương thẳng đứng. 2.3 QUÁ TRÌNH TUYỂN NỔI 2.3.1 Giới Thiệu Chung Quá trình tuyển nổi là quá trình phân tách các hạt rắn hoặc lỏng khỏi pha lỏng được thực hiện bằng cách cung cấp các bọt khí mịn vào pha lỏng. Các bọt khí dính kết với các hạt khiến cho lực đẩy của bọt khí kết hợp với hạt rắn đủ lớn để kéo các hạt này nổi lên bề mặt. Nhờ đó mà các hạt có tỷ trọng lớn hơn tỷ trọng của chất lỏng cũng nổi được. Trong xử lý nước thải, quá trình tuyển nổi được áp dụng để xử lý các chất lơ lửng trong nước và cô đặc bùn. Ưu điểm chính quá trình tuyển nổi so với quá trình lắng là khả năng tách loại khá triệt để các hạt rất nhỏ và nhẹ, có khả năng lắng chậm trong một khoảng thời gian ngắn. Trong xử lý nước cấp, quá trình tuyển nổi được sử dụng kết hợp với quá trình keo tụ tạo bông. 2.3.2 Các Phương Pháp Tuyển Nổi Tuyển nổi bằng khí phân tán (Dispersed Air Flotation). Phương pháp này được thực hiện bằng cách thổi trực tiếp khí nén vào dung dịch cần tuyển nổi, gây xáo trộn dung dịch, cặn tiếp xúc với bọ t khí và tiếp xúc với nhau, dính kết và nổi lên trên bề mặt. Bọt khí tạo thành trong trường hợp này có kích thước tương đối lớn (0,1 – 1 mm). Tuyển nổi bằng khí hòa tan (Dissolved Air Flotation – DAF). Trong các hệ thống DAF, không khí được hòa tan vào nước ở áp suất từ 2 - 4 atm cho đến khi đạt trạng thái bão hòa, sau đó nhờ sự giãn áp đột ngột đến áp suất khí quyển, tạo thành các bọt khí có đường kính từ 20-100 mm. Quá trình tuyển nổi dạng này còn được gọi là quá trình tuyển nổi bằng phương pháp giãn áp và được chia làm ba loại: Phương pháp tồn dòng. Trong phương pháp này tồn bộ nước bão hòa không khí được giãn áp. Nhược điểm của phương pháp này là làm phá vỡ bông keo tụ. Phương pháp một phần của dòng. Trong phương pháp này, một phần nước thô được tăng áp bằng cách thổi khí vào và sau đó được giãn áp bằng cách trộn đều với một phần nước thô chưa bão hòa khí. Phương pháp này hạn chế sự phá vỡ bông cặn của quá trình keo tụ so với phương pháp tồn dòng. Phương pháp hồi lưu. Trong phương pháp này, một phần nước tạo ra sau quá trình tuyển nổi sẽ được tăng áp bằng cách thổi khí vào và trộn với dòng nước thô. Phương pháp này rất thông dụng do đơn giản và đạt kết quả tốt. Tuyển nổi chân không (Vacuum Flotation). Dưới áp suất thường, dung dịch cần tuyển nổi được bão hòa không khí. Khi tạo chân không trong thiết bị kín, khí thốt ra dưới dạng bọt khí nhỏ, kết dính với cặn và nổi lên bề mặt. Hệ thống này ít được sử dụng vì khó vận hành trong thực tế. Trong các quá trình trên, không khí được sử dụng làm tác nhân tuyển nổi. Trong một số trường hợp, các hóa chất phụ gia được thêm vào để tăng hiệu quả tuyển nổi. Các hóa chất này có tác dụng tạo ra bề mặt hoặc cấu trúc có thể dễ dàng kết dính hoặc hấp thụ các bọt khí. Các hợp chất vô cơ thường dùng như muối nhôm và muối sắt, silit hoạt tính có thể sử dụng để kết hợp các hạt với nhau và do đó tạo ra một cấu trúc dễ dàng kết dính với các bọt khí. Nhiều hợp chất hữu cơ cao phân tử cũng được sử dụng để thay đổi bản chất của mặt phân cách lỏng - khí hoặc lỏng – rắn. 2.3.3 Cơ Sở Của Quá Trình Lượng không khí nén vào dung dịch cần tuyển nổi tuân theo định luật Henry-Dalton: Ci = K. Pi Trong đó: Ci là nồng độ của khí i trong nước; K là hằng số Henry; Pi là áp suất riêng phần của khí i. Ở nhiệt độ không đổi, lượng khí hòa tan vào nước tỷ lệ thuận với áp suất riêng phần của khí. Khi áp suất càng tăng kích thước bọt khí càng nhỏ. Khi áp suất khoảng 5 bar, kích thước bọt khí < 10 mm. Khi thiết kế hệ thống DAF, cần bảo đảm tỷ lệ giữa lượng khí cung cấp và lượng chất rắn có trong dung dịch cần xử lý: A S = Kg/ngày, khơng khí cần cung cấp Kg/ngày lượng chất rắn trong nước thải Tỷ lệ này thay đổi theo loại chất lơ lửng có trong dung dịch cần phân tách và thường được xác định bằng thực nghiệm: A S = 1,3 sa(fP – 1) Sa Trong đó, - sa : độ hòa tan của không khí (mL/L); - f : phần khí hòa tan ở áp suất P, thường f = 0,5; - P : áp suất (atm); - Sa : nồng độ chất rắn (mg/L); - 1,3 : Khối lượng riêng của không khí (1,3 mg/mL) Trong trường hợp có tuần hồn dòng tạo áp: A S = 1,3 sa(fP – 1)R SaQ Trong đó: - R : Dòng tuần hồn (m3/ngày); - Q : Lưu lượng nước thải (m3/ngày). 2.4 QUÁ TRÌNH LY TÂM Các chất lơ lửng cũng có thể được tách loại dưới tác dụng của lực ly tâm trong các xyclon thủy lực hoặc máy ly tâm. 2.4.1 Xyclon Thủy Lực Khi chất lỏng chuyển động quay tròn trong các xyclon thủy lực, lực ly tâm tác dụng lên các hạt rắ làm văng chúng ra thành. Bên cạnh đó, các hạt còn chịu tác dụng của lực cản dòng chuyển dộng, trọng lực và lực quán tính. Khi tốc độ quay lớn thì lực quán tính rất nhỏ và có thể bỏ qua, lực ly tâm sẽ lớn hơn trọng lực rất nhiều. Tốc độ chuyển động của các hạt rắn trong chất lỏng dưới tác dụng của lực ly tâm phụ thuộc vào đường kính hạt, hiệu số khối lượng riêng của các pha (Dr), độ nhớt (m), khối lượng riêng (r) của nước thải và gia tốc của trường ly tâm. Ngồi các tính chất vật lý của chất lỏng, hiệu suất làm việc của các xyclon thủy lực còn chịu ảnh hưởng của các thông số về kết cấu như đường kính các ống dẫn nước thải vào và ra khỏi xyclon. Ưu điểm của các xyxlon thủy lực là cấu tạo đơn giản, tiện lợi, dễ vận hành, có năng suất cao và chi phí thấp. Xyclon thủy lực áp suất được dùng để lắng các tạp chất rắn, xyclon thủy lực áp suất thấp (hở) thường được dùng để tách các tạp chất lắng và nổi. Bùn cặn Nước sạch Nước thải Hình 2.8 Sơ đồ hệ thống xyclon áp lực. 2.4.2 Máy Ly Tâm Để tách các hạt rắn ra khỏi nước thải cũng có thể sử dụng máy lọc ly tâm và máy lắng ly tâm. Lọc ly tâm được thực hiện bằng cách quy tròn huyền phù trong thùng quay, chất lỏng di qua lưới lọc hoặc vải lọc và các lỗ trên thành thùng quay ra ngồi, còn những hạt rắn được giữ lại trên lưới hoặc vải lọc trên thành thùng quay. Lọc ly tâm được ứng dụng để tách huyền phù khi cặn bùn tách ra yêu cầu có độ ẩm thấp và cần rửa triệt để. Lắng ly tâm là quá trình phân riêng huyền phù nhờ lực thể tích của pha phân tán (các hạt rắn). Câu tạo thùng ly tâm trong trường hợp này là thùng liền. Quá trình này gồm các quá trình vật lý là lắng các hạt rắn (theo nguyên lý của thủy động lực) và nén.