Chương 1 TỔNG QUAN TÌNH HÌNH NGHIÊN CỨU 1. Tổng quan về ngành cấp nước 1. Khái niệm về nước cấp Nước cấp là nguồn nước tự nhiên sau khi được xử lý tại cơ sở xử lý nước đi qua các trạm cung cấp nước và từ các trạm này nước sẽ được cung cấp cho người tiêu dùng để phục vụ ăn uống, sinh hoạt, sản xuất,… Nguồn nước này thường có kiểm nghiệm về chất lượng đạt tiêu chuẩn sinh hoạt của Bộ Y Tế quy định. Nước cấp là nhu cầu không thể thiếu được trong cuộc sống sinh hoạt hàng ngày cũng như trong quá trình sản xuất công nghiệp, trong sinh hoạt, nước cấp dùng cho nhu cầu ăn uống, vệ sinh, các hoạt động giải trí, các hoạt động công cộng như tưới cây, cứu hoả, dọn rửa đường,… Trong các hoạt động công nghiệp, nước cấp được dùng cho quá trình làm lạnh, sản xuất thực phẩm như đồ hộp, nước giải khát, rượu, bia,… Hầu hết mọi ngành công nghiệp đều sử dụng nước cấp như là một nguồn nguyên liệu không gì thay thế được trong sản xuất.
Với sự phát triển công nghiệp, đô thị và sự bùng nổ dân số đã làm cho chất lượng nguồn nước mặt tự nhiên bị cạn kiệt và ô nhiễm dần [3]. Vì thế, con người phải biết xử lý nguồn nước cấp để có đủ số lượng và đảm bảo chất lượng cho mọi nhu cầu sinh hoạt và sản xuất công nghiệp. Khái niệm về hệ thống cấp – thoát nước và xử lý nước cấp Hệ thống cấp nước là tổng hợp những công trình có khả năng thu nước, xử lý nước, vận chuyển, điều hòa và phân phối nước tới đối tượng sử dụng nước. Hệ thống thoát nước là một tập hợp gồm những công cụ, đường ống thoát nước và những công trình thực hiện ba chức năng: thu, vận chuyển và xử lý nước thải trước khi xả ra nguồn [6].
3 Xử lý nước cấp là quá trình loại bỏ các chất bẩn, các chất hòa tan trong nước bằng dây chuyền công nghệ để đảm bảo chất lượng nước sau khi xử lý đạt yêu cầu cấp nước cho sinh hoạt, công nghiệp theo tiêu chuẩn quy định. Ứng dụng của nước cấp Nước là một nhu cầu không thể thiếu được trong cuộc sống sinh hoạt hàng ngày cũng như trong quá trình sản xuất công nghiệp. Trong sinh hoạt, nước cấp dùng cho nhu cầu ăn uống, vệ sinh, các hoạt động giải trí, các hoạt động công cộng như cứu hỏa, phun nước, tưới cây, rửa đường,… Trong hoạt động công nghiệp, nước cấp dùng cho quá trình làm lạnh, sản xuất thực phẩm như đồ hộp, nước giải khát rượu bia,… Hầu hết các ngành công nghiệp đều sử dụng nước cấp như là nguồn nhiên liệu không gì thay thế được trong sản xuất. Tùy thuộc vào mức độ phát triển công nghiệp và mức sinh hoạt cao thấp của mỗi cộng đồng mà nhu cầu về nước với chất lượng khác nhau cũng rất khác nhau.
Ở các nước phát triển, nhu cầu về nước có thể gấp nhiều lần so với các nước đang phát triển [9]. Các nguồn nước tự nhiên Nguồn nước mặt: Nước mặt là nguồn nước được hình thành trên bề mặt trái đất bao gồm: sông suối, ao hồ, kênh, mương,… Do có sự kết hợp của các dòng chảy từ nơi cao đến nơi thấp. Nước mặt có các đặc trưng: chứa các khí hòa tan (O2, CO2,. ), có hàm lương hữu cơ cao, độ mặn và có sự xuất hiện của các loài thực thủy sinh [3].
Nguồn nước mưa: Là nguồn nước được hình thành do quá trình tự nhiên như: bay hơi, gió bão, tạo thành mưa rơi xuống mặt đất ở một phạm vi nhất định. Đặc trưng của nguồn nước mưa: có chất lượng tốt, bão hòa CO2. Tuy nhiên nước mưa hòa tan các chất hữu cơ và vô cơ trong không khí và bề mặt Trái Đất, đồng thời lưu lượng không ổn định nên ít được sử dụng hoặc chỉ sử dụng ở một số nơi khó khăn về nước [3]. Nguồn nước ngầm: Là nguồn nước được khai thác từ các tầng chứa nằm dưới mặt đất.
Chất lượng nguồn nước ngầm phụ thuộc vào cấu trúc địa tầng mà 4 nước thấm qua. Nước ngầm có các đặc trưng: độ đục thấp, nhiệt độ và thành phần hóa học ổn định, nước thiếu khí O2 nhưng chứa nhiều khí H2S, CO2,… chứa nhiều chất khoáng hòa tan đặc biệt là sắt, mangan. Tuy nhiên, do nguồn nước sông, nước hồ ngày càng ô nhiễm nên nguồn nước ngầm là nguồn nước cung cấp chính cho các nhà máy xử lý nước hiện nay [3]. Các phương pháp xử lý nước cấp Hiện có các phương pháp xử lý cơ bản sau: − Phương pháp cơ học: hồ chưa và lắng sơ bộ, song chắn rác, lưới chắn rác, bể lắng, bể lọc.
− Phương pháp hóa lý: dùng phèn làm chất keo tụ, dùng vôi để kiềm hóa nước, cho clo vào nước để khử trùng, làm thoáng. − Các phương pháp khác: dùng các tia vật lý để khử trùng như tia tử ngoại, sóng siêu âm. Điện phân nước biển để khử muối. Khử khí CO2, hòa tan trong nước bằng phương pháp làm thoáng.
Xử lý nước bằng phương pháp cơ học 1. Song chắn rác và lưới chắn rác Song chắn rác và lưới chắn đặt ở cửa dẫn vào công trình thu làm nhiệm vụ loại trừ vật nổi, vật trôi lơ lửng trong nước để bảo vệ các thiết bị và nâng cao hiệu quả làm sạch của các công trình xử lý. Vật nổi và vật lơ lửng trong nước có kích thước như các que tăm nổi, hoặc các cành cây non khi đi qua máy bơm vào các công trình xử lý có thể bị tán nhỏ hoặc thối rửa làm tăng hàm lượng cặn và độ màu của nước [3]. Bể lắng sơ bộ Ở các nguồn nước mặt có độ đục lớn hoặc bằng 250 mg/L sau lưới chắn, để lắng bớt những cặn nặng gây khó khăn cho việc xả cặn, giảm bớt dung tích vùng chứa cặn bể lắng và giảm liều lượng chất phản ứng.
Các công trình lắng sơ bộ như: lắng ngang sơ bộ, hồ lắng tự nhiên hay kết hợp mương dẫn nước từ sông vào trạm bơm cấp I để làm công trình lắng sơ bộ: 5 − Bể lắng ngang sơ bộ: tốc độ lắng cặn từ 0.6 m/s, thiết kế giống bể lắng ngang thu nước ở cuối bể. − Hồ lắng tự nhiên: khi dùng hồ tự nhiên để lắng nước sơ bộ không dùng các chất phản ứng thì lấy chiều sâu hồ 1.5 m, thời gian lưu nước từ 2 – 7 ngày. Tốc độ nước chảy trong hồ không quá 1 mm/s [7]. Lắng Lắng là quá trình làm 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 [3].
− Bằng lực ly tâm tác dụng vào các hạt cặn, trong các bể lắng ly tâm và xyclon thủy lực [3]. − Bằng lực đẩy nổi các bọt khí dính bám vào hạt cặn ở các bể tuyển nổi. Cùng với việc lắng cặn quá trình lắng còn giảm đuuợc 90 – 95% vi trùng trong nước do vi trùng luôn bị hấp phụ và dính bám vào các hạt bông cặn trong quá trình lắng [3]. Có 3 loại cặn cơ bản gắn liền với quá trình lắng: − Cặn rắn: các hạt phân tán riêng lẻ, có độ lớn, bề mặt và hình dáng không thay đổi trong suốt quá trình lắng.
− Cặn lơ lửng: có bề mặt thay đổi, có khả năng dính kết và keo tụ với nhau trong quá trình lắng làm cho kích thước và vận tốc lắng của các bông cặn tăng dần theo thời gian và chiều cao lắng. − Các bông cặn: có khả năng dính kết với nhau, khi nồng độ >1000 mg/L tạo thành các đám cặn, khi đám mây cặn lắng xuống, nước từ dưới đi lên qua các khe rỗng giữa các bông cặn tiếp xúc với nhau, lực ma sát tăng lên làm hạn chế tốc độ lắng của đám bông cặn nên gọi là lắng hạn chế [7]. Bể lọc Lọc là một quá trình làm sạch nước thông qua lớp vật liệu lọc nhằm tách các hạt cặn lơ lửng, các thể keo tụ và ngay cả vi sinh vật trong nước. Kết quả là sau quá trình lọc, nước sẽ có được chất lượng tốt hơn cả về mặt vật lý, hóa học và sinh học [8].
6 Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình lọc nước qua bể lọc hạt là: − Kích thước hạt lọc và sự phân bố các cỡ hạt trong lớp vật liệu lọc. − Kích thước hình dạng trọng lượng riên nồng độ và khả năng dính kết của cặn bẩn lơ lửng trong nước xử lý. − Tốc độ lọc chiều cao của lớp lọc thành phần của lớp vật liệu lọc và độ chênh áp lực dành co tổn thất của một chu trình lọc. − Nhiệt độ và độ nhớt của nước.
Tùy theo tốc độ lọc, bể lọc chia thành: − Bể lọc chậm có tốc độ lọc từ 0.5 m/h dùng để lọc nước có độ đục thấp < 30 mg/L và không pha phèn (bể lọc chậm sử dụng cho nguồn nước là nước ngầm không bị phèn). Đối với các nguồn nước tự nhiên có hàm lượng cặn nhỏ hơn 10 mg/L thì nước bể lọc chậm tỏ ra rất có hiệu quả trong xử lý nước uống. Với hàm lượng cặn 20 – 50 mg/L thì nên bố trí keo tụ và lọc nhanh trước khi qua bể lọc chậm, với bể lọc chậm xử dụng tốt có thể loại được trên 95% chất cặn lơ lửng. Bể lọc chậm dùng để xử lý nước không dùng phèn, tổn hao máy móc và quản lý tương đối dễ dàng phù hợp với các vùng nông thôn [7].
− Bể lọc nhanh trọng lực và bể lọc tiếp xúc dùng để lọc nước đã pha phèn lắng hoặc có thể lọc trực tiếp không qua quá trình lắng. Vận tốc lọc nhanh thông thường 1.5x10-3 m/s, vận tốc lớn như vậy nên gây ra hiện thường tắt vật liệu lọc vì vậy việc làm sạch hoàn nguyên vật liệu lọc. Đối với lọc nhanh sử dụng dòng nước ngược để rửa lọc. Vật liệu lọc dạng hạt thường được sử dụng các tự nhiên, cát thạch anh nghiền, đá hoa nghiền, bột sứ nghiền hoặc sứ xốp, antraxit [7].
Bể lọc nhanh và bể lọc tiếp xúc dùng để lọc trực tiếp nước nguồn sau khi pha phèn trong các trường hợp: độ đục của nước ngầm thấp hơn 10 NTU tương đương 19 mg/L, nồng độ sắt và mangan nhỏ hơn 0.1 mg/L, nước nguồn có độ màu thấp và hàm lượng rau tảo thấp [6]. − Ưu điểm của quá trình lọc trực tiếp: + Vốn đầu tư xây dựng nhà máy xử lý nước thấp. 7 + Giảm được chi phí vận hành và quản lý. − Nhược điểm: + Chu kỳ lọc ngắn.