nghiên cứu và xây dựng mô hình bể lắng lamella ứng dụng trong xử lý nước và nước thải phục vụ giảng dạy ngành công nghiệp môi trường

BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT
THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

BÁO CÁO TỔNG KẾT
ĐỀ TÀI KH&CN CẤP TRƯỜNG

NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH
BỂ LẮNG LAMELLA ỨNG DỤNG TRONG
XỬ LÝ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI PHỤC VỤ
GIẢNG DẠY NGÀNH CÔNG NGHIỆP MÔI TRƯỜNG
S

K

C

0

0

3

9

5

9

MÃ SỐ: T2011- 95

S KC 0 0 3 3 5 9

Tp. Hồ Chí Minh, 2011


BỘ GIÁO DỤC VÀ ĐÀO TẠO
TRƯỜNG ĐẠI HỌC SƯ PHẠM KỸ THUẬT THÀNH PHỐ HỒ CHÍ MINH

*********************

ĐỀ TÀI NCKH CẤP TRƯỜNG
NGHIÊN CỨU VÀ XÂY DỰNG MÔ HÌNH
BỂ LẮNG LAMELLA ỨNG DỤNG TRONG
XỬ LÝ NƯỚC VÀ NƯỚC THẢI PHỤC VỤ GIẢNG DẠY
NGÀNH CÔNG NGHIỆP MÔI TRƯỜNG
MÃ SỐ : T2011- 95

Chủ nhiệm đề tài:

HOÀNG THỊ TUYẾT NHUNG

TP.HỒ CHÍ MINH, 2011


MỤC LỤC
Tóm tắt
Mục lục
Danh mục các hình
Danh mục các bảng
CHƢƠNG 1 : PHẦN MỞ ĐẦU

1.1. Đặt vấn đề ...................................................................................................... 6
1.2. Nội dung và ý nghĩa của đề tài ....................................................................... 6
1.2.1. Mục tiêu nghiên cứu ............................................................................... 6
1.2.2. Nội dung nghiên cứu............................................................................... 6
CHƢƠNG 2: CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. Lý thuyết keo tụ tạo bông và lắng ................................................................... 7
2.1.1. Lý thuyết keo tụ - tạo bông ..................................................................... 7
2.1.2. Hóa chất keo tụ ....................................................................................... 7
2.1.3. Chất keo tụ điển hình .............................................................................. 9
2.2. Lý thuyết bể lamella ...................................................................................... 13
2.2.1. Bể lamella ............................................................................................. 13
2.2.2. Một số ứng dụng của bể lamella trong xử lý nước ............................... 14
CHƢƠNG 3: THIẾT KẾ MÔ HÌNH
3.1. Tính toán thiết kế mô hình ............................................................................ 16
3.2. Mô tả mô hình và nguyên vật liệu sử dụng ................................................... 17
3.2.1. Mô tả mô hình ....................................................................................... 17
3.2.2. Nguyên vật liệu sử dụng ....................................................................... 19
CHƢƠNG 4: KẾT QUẢ, NHẬN XÉT, BÀN LUẬN
4.1. Kết quả thí nghiệm ....................................................................................... 20
4.1.1. Thiết kế bài giảng ................................................................................. 20
4.1.2. Vận hành thử nghiệm với nước sông Đồng Nai ................................... 25
4.1.3. Vận hành thử nghiệm với nước thải đô thị ........................................... 29
1


4.2. Nhận xét ........................................................................................................ 32
CHƢƠNG 5: KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ
5.1. Kết luận ......................................................................................................... 33
5.2. Kiến nghị ....................................................................................................... 33
Tài liệu tham khảo

Phụ lục

2


DANH MỤC CÁC HÌNH
Hình

Tên hình

1

Khả năng hòa tan của phèn nhôm và sắt

2

Các dạng tấm lắng lamella

14

3

Sử dụng tấm lắng lamella trong bể Aerotank để tuần hoàn bùn

14

4

Sử dụng tấm lắng để tiền lắng MLSS

15

5

Mô tả mô hình lamella kết hợp keo tụ tạo bông

16

6

Kích thước mô hình lamella

18

7

Mô hình bể lamella

19

8

Tấm lắng lamella

19

9

Mối quan hệ giữa pH và độ đục trong xử lý nước sông

26

10

Mối quan hệ giữa lượng phèn và độ đục của mẫu nước sau jartest
trong xử lý nước sông

Trang
5

27

11

Hiệu quả xử lý độ đục của mô hình theo thời gian trong XL nước sông 29

12

Mối quan hệ giữa pH và độ màu trong xử lý nước thải đô thị

13

Mối quan hệ giữa lượng phèn và hiệu quả xử lý của mẫu nước sau
jartest trong xử lý nước thải đô thị

14

29
30

Hiệu quả xử lý độ đục của mô hình theo thời gian trong xử lý nước
thải đô thị

31

3


DANH MỤC BẢNG BIỂU
Bảng

Tên bảng

1

Số liệu thí nghiệm xác định pH tối ưu trong xử lý nước sông

26

2

Số liệu xác định lượng phèn tối ưu trong xử lý nước sông

27

3

Số liệu vận hành mô hình xử lý nước sông theo thời gian

28

4

Số liệu thí nghiệm xác định pH tối ưu trong xử lý nước thải đô thị

29

5

Số liệu xác định lượng phèn tối ưu trong xử lý nước thải đô thị

30

6

Số liệu vận hành mô hình xử lý nước thải đô thị theo thời gian

32

Trang

4


5


CHƢƠNG 1

PHẦN MỞ ĐẦU

1.1. ĐẶT VẤN ĐỀ
 Thế giới:
Trong thập niên 60, ô nhiễm nước lục địa và đại dương gia tăng với nhịp độ
đáng lo ngại. Tiến độ ô nhiễm nước phản ánh trung thực tiến bộ phát triển kỹ nghệ. Ta
có thể kể ra đây vài thí dụ tiêu biểu.
Anh Quốc: Ðầu thế kỷ 19, sông Tamise rất sạch. Nó trở thành ống cống lộ thiên
vào giữa thế kỷ này. Các sông khác cũng có tình trạng tương tự trước khi người ta đưa
ra các biện pháp bảo vệ nghiêm ngặt.
Nước Pháp rộng hơn, kỹ nghệ phân tán và nhiều sông lớn, nhưng vấn đề cũng
không khác bao nhiêu. Dân Paris còn uống nước sông Seine đến cuối thế kỷ 18. Từ đó
vấn đề đổi khác: các sông lớn và nước ngầm nhiều nơi không còn dùng làm nước sinh
hoạt được nữa, 5.000 km sông của Pháp bị ô nhiễm mãn tính. Sông Rhin chảy qua vùng
kỹ nghệ hóa mạnh, khu vực có hơn 40 triệu người, là nạn nhân của nhiều tai nạn (như
cháy nhà máy thuốc Sandoz ở Bâle năm 1986) thêm vào các nguồn ô nhiễm thường
xuyên.
Ở Hoa Kỳ tình trạng thảm thương ở bờ phía đông cũng như nhiều vùng khác.
Vùng Ðại hồ bị ô nhiễm nặng, trong đó hồ Erie, Ontario đặc biệt nghiêm trọng.
 Việt Nam
Hiện nay ở Việt Nam, mặc dù các cấp, các ngành đã có nhiều cố gắng trong việc thực
hiện chính sách và pháp luật về bảo vệ môi trường, nhưng tình trạng ô nhiễm nước là
vấn đề rất đáng lo ngại. Tốc độ công nghiệp hoá và đô thị hoá khá nhanh và sự gia tăng
dân số gây áp lực ngày càng nặng nề dối với tài nguyên nước trong vùng lãnh thổ. Môi
trường nước ở nhiều đô thị, khu công nghiệp và làng nghề ngày càng bị ô nhiễm bởi
nước thải, khí thải và chất thải rắn. ở các thành phố lớn, hàng trăm cơ sở sản xuất công
nghiệp đang gây ô nhiễm môi trường nước do không có công trình và thiết bị xử lý chất
thải. Ô nhiễm nước do sản xuất công nghiệp là rất nặng. Ví dụ: ở ngành công nghiệp
dệt may, ngành công nghiệp giấy và bột giấy, nước thải thường có độ pH trung bình từ
6

9-11; chỉ số nhu cầu ôxy sinh hoá (BOD), nhu cầu ôxy hoá học (COD) có thể lên đến
700mg/1 và 2.500mg/1; hàm lượng chất rắn lơ lửng... cao gấp nhiều lần giới hạn cho
phép. Hàm lượng nước thải của các ngành này có chứa xyanua (CN-) vượt đến 84 lần,
H2S vượt 4,2 lần, hàm lượng NH3 vượt 84 lần tiêu chuẩn cho phép nên đã gây ô nhiễm
nặng nề các nguồn nước mặt trong vùng dân cư.
Mức độ ô nhiễm nước ở các khu công nghiệp, khu chế xuất, cụm công nghiệp tập
trung là rất lớn. Tại cụm công nghiệp Tham Lương, thành phố Hồ Chí Minh, nguồn
nước bị nhiễm bẩn bởi nước thải công nghiệp với tổng lượng nước thải ước tính
500.000 m3/ngày từ các nhà máy giấy, bột giặt, nhuộm, dệt. ở thành phố Thái Nguyên,
nước thải công nghiệp thải ra từ các cơ sở sản xuất giấy, luyện gang thép, luyện kim
màu, khai thác than; về mùa cạn tổng lượng nước thải khu vực thành phố Thái Nguyên
chiếm khoảng 15% lưu lượng sông Cầu; nước thải từ sản xuất giấy có pH từ 8,4-9 và
hàm lượng NH4 là 4mg/1, hàm lượng chất hữu cơ cao, nước thải có màu nâu, mùi khó
chịu… Khảo sát một số làng nghề sắt thép, đúc đồng, nhôm, chì, giấy, dệt nhuộm ở
Bắc Ninh cho thấy có lượng nước thải hàng ngàn m3/ngày không qua xử lý, gây ô
nhiễm nguồn nước và môi trường trong khu vực.
Tình trạng ô nhiễm nước ở các đô thị thấy rõ nhất là ở thành phố Hà Nội và thành
phố Hồ Chí Minh. Ở các thành phố này, nước thải sinh hoạt không có hệ thống xử lý
tập trung mà trực tiếp xả ra nguồn tiếp nhận (sông, hồ, kênh, mương). Mặt khác, còn rất
nhiều cơ sở sản xuất không xử lý nước thải, phần lớn các bệnh viện và cơ sở y tế lớn
chưa có hệ thống xử lý nước thải; một lượng rác thải rắn lớn trong thành phố không thu
gom hết được… là những nguồn quan trọng gây ra ô nhiễm nước. Hiện nay, mức độ ô
nhiễm trong các kênh, sông, hồ ở các thành phố lớn là rất nặng.
Không chỉ ở Hà Nội, thành phố Hồ Chí Minh mà ở các đô thị khác như Hải
Phòng, Huế, Đà Nẵng, Nam Định, Hải Dương… nước thải sinh hoạt cũng không được
xử lý độ ô nhiễm nguồn nước nơi tiếp nhận nước thải đều vượt quá tiểu chuẩn cho phép
(TCCP), các thông số chất lơ lửng (SS), BOD; COD; Ô xy hoà tan (DO) đều vượt từ 510 lần, thậm chí 20 lần TCCP.
 Ô nhiễm sông Đồng Nai, Sài Gòn:

7

Lưu vực này chẳng những là một vùng đông dân cư như Hà Nội, với diện tích
14.500 km2 và dân số khoảng 17,5 triệu, và cũng là một vùng tập trung phát triển công
nghiệp lớn nhất và cũng là một vùng được đô thị hóa nhanh nhất nước. Hàng năm sông
ngòi trong lưu vực nầy tiếp nhận khoảng 40 triệu m3 nước thải công nghiệp, không kể
một số lượng không nhỏ của trên 30 ngàn cơ sở sản xuất hóa chất rải rác trong thành
phố HCM. Nước thải sinh hoạt ước tính khoảng 360 triệu m3. Ngoài những chất thải
công nghiệp như hợp chất hữu cơ, kim loại độc hại như: đồng, chì, sắt, kẽm, thủy ngân,
cadmium, mangan, các loại thuốc bảo vệ thực vật. Nơi đây còn xảy ra hiện tượng nước
sông bị acid hóa như đoạn sông từ cầu Bình Long đến Bến Than, nhiều khi độ pH
xuống đến 4,0 (độ pH trung hòa là 7,0), và trọng điểm là sông Rạch Tra, nơi tất cả nước
rỉ từ các bãi rác thành phố và hệ thống nhà máy dệt nhuộm ở khu Tham Lương đổ vào.
Lưu vực nầy hiện đang bị khai thác quá tải, nước sông hoàn toàn bị ô nhiễm và hệ sinh
thái của vùng nầy bị tàn phá kinh khủng, và đây cũng là một yếu tố sống còn.
Tính toán thiết kế mô hình bể lắng lamella kết hợp với keo tụ tạo bông ứng dụng
trong giảng dạy và nghiên cứu trong phòng thí nghiệm. Mô hình được vận hành với lưu
lượng trong khoảng 0,7 – 1,2 lít/phút. Trong đó thời gian lưu của bể keo tụ là 3 phút, bể
tạo bông là 17 phút và bể lắng lamella có kích thướng nhỏ gọn, hiệu quả cao hơn so với
các bể lắng khác. Bể lamella sử dụng tấm lắng phẳng, khoảng cách giữa các tấm lắng là
17 mm đảm bảo cho vận tốc nước di chuyển giữa các tấm lắng khoảng 0,38 mm/s.
Trong mô hình bể lắng lamella, các tấm lắng có thể thay đổi bằng những dạng tấm lắng
có hình dạng khác nhau. Với mô hình thiết kế, bể lắng lamella có thể hỗ trợ cho bài thí
nghiệm keo tụ - tạo bông trong môn học thí nghiệm xử lý chất thải vì bài học này nhằm
đưa ra pH và lượng phèn tối ưu trong điều kiện tĩnh, tuy nhiên trong điều kiện động thì
lượng hóa chất điều chỉnh sẽ thay đổi như thế nào? Sinh viên sẽ tìm được câu trả lời khi
tiến hành vận hành mô hình.
1.2. NỘI DUNG VÀ Ý NGHĨA CỦA ĐỀ TÀI
1.2.1. Tính cấp thiết của đề tài
Trong những năm gần đây, với sự phát triển của công nghệ trong lĩnh vực môi

trường, nhiều nghiên cứu mới được triển khai ứng dụng, tuy nhiên những nghiên cứu
này nhìn chung nhắm vào những mục tiêu cơ bản: hiệu quả xử lý và quy mô công trình
gọn nhẹ. Chính vì thế trong công nghệ xử lý nước, bể lắng Lamella dần chiếm ưu thế và
8


phát triển mạnh. Tuy nhiên những kiến thức lý thuyết về bể không giúp cho sinh viên
ngành môi trường hiểu sâu và nắm chắc quy trình vận hành của công nghệ này. Mô
hình bể lắng Lamella kết hợp với bể keo tụ - tạo bông sẽ đem lại nhiều cơ hội học tập
cho sinh viên.
1.2.2. Mục tiêu nghiên cứu
-

Nghiên cứu thiết kế bể lắng Lamella kết hợp với keo tụ tạo bông ứng dụng trong
xử lý nước và nước thải phục vụ công tác giảng dạy xử lý nước trong phòng thí
nghiệm.

-

Vận hành thử nghiệm mô hình với nước sông Đồng Nai.

-

Vận hành thử nghiệm mô hình với nước thải đô thị.

-

Thiết kế bài giảng thí nghiệm keo tụ - tạo bông – lắng lamella vận hành mô hình.
1.2.3. Cách tiếp cận

-

Tìm hiểu tài liệu về tính toán thiết kế mô hình.

-

Khảo sát tính chất nước có hàm lượng chất lơ lửng, độ màu, COD.

-

Phương pháp giảng dạy thích hợp để thiết kế bài giảng.
1.2.4. Phƣơng pháp nghiên cứu

-

Phương pháp tổng quan tài liệu
Đây là phương pháp tiếp cận với nhiều tài liệu khác nhau nhằm tiếp thu kiến

thức lý thuyết, khai thác thông tin hay học tập kinh nghiệm của những công trình
nghiên cứu, những ứng dụng thực tiễn đã triển khai, những ưu nhược điểm,… có liên
quan đến vấn đề ta đang nghiên cứu. Các kiến thức này có thể khai thác từ các nguồn:
sách vở, báo chí, kinh nghiệm, internet, nghiên cứu của những người đi trước,…
-

Phương pháp phân tích hệ thống
Phương pháp phân tích hệ thống là xem xét đối tượng trong một không gian kín

và phân tích các đầu vào, đầu ra, yếu tố ảnh hưởng và động thái của quá trình. Trong đề
tài này, phân tích hệ thống là mô hình bể lamella với sự đánh giá các thông số đầu vào
và đầu ra.

-

Phương pháp lấy mẫu và phân tích
9


Quá trình thực hiện nghiên cứu luôn cần phải có phương pháp lấy mẫu và phân
tích mẫu phù hợp, đúng theo tiêu chuẩn của từng chỉ tiêu đánh giá đã đề ra.
-

Phương pháp thống kê, xử lý số liệu
Phương pháp này được ứng dụng nhằm thu được kết quả có độ tin cậy cao, đúng,

đủ và phù hợp với mục đích nghiên cứu.
1.2.5. Đối tƣợng và phạm vi nghiên cứu
 Đối tƣợng nghiên cứu:
Trong đề tài nghiên cứu này, với quy mô phòng thí nghiệm và môi trường miền
Đông Nam bộ nên đối tượng nghiên cứu giới hạn trong một số vấn đề sau:
- Đề tài sử dụng nguồn nước sông từ nhánh sông Đồng Nai khu vực Quận 9,
thành phố Hồ Chí Minh và nguồn nước thải đô thị từ khu vực Bình Thái, Quận 9, thành
phố Hồ Chí Minh.
- Mô hình lamella kế hợp với bể keo tụ tạo bông được thiết kế theo tỷ lệ thích
hợp và vận hành thử nghiệm trong thời gian nghiên cứu.
 Phạm vi nghiên cứu
Đây là một nghiên cứu thuộc phạm vi phòng thí nghiệm. Do vậy, đề tài chỉ
nghiên cứu những chỉ tiêu cơ bản cần lưu ý trong quá trình xử lý căn lơ lửng, do đó, khi
có điều kiện nghiên cứu áp dụng thực tiễn cần nghiên cứu sâu thêm những chỉ tiêu
khác.
Nghiên cứu bước đầu chỉ ứng dụng trong xử lý nước sông và nước thải đô thị
của khu vực quận 9 nên cần phải có những nghiên cứu sâu hơn về một số loại nước thải

có nồng độ ô nhiễm khác nhau để xét hết tính hiệu quả của bể lamella.
1.2.6. Nội dung nghiên cứu
-

Tổng quan tài liệu về keo tụ tạo bông và bể lắng lamella.

-

Tính toán thiết kế bể keo tụ - tạo bông kết hợp lắng Lamella.

-

Vận hành thử nghiệm xử lý nước sông Đồng Nai

-

Vận hành thử nghiệm xử lý nước đô thị.

-

Thiết kế bài giảng ứng dụng mô hình phục vụ công tác giảng dạy thí nghiệm.
10


CHƢƠNG 2

CƠ SỞ LÝ THUYẾT
2.1. LÝ THUYẾT VỀ KEO TỤ TẠO BÔNG VÀ LẮNG
2.1.1. Lý thuyết về keo tụ tạo bông
Những hạt rắn có kích thước quá nhỏ như các chất ô nhiễm dạng keo và hòa tan

thì khó có thể tách ra khỏi dòng nước bằng quá trình lắng thông thường. Để tách các hạt
rắn này cần làm tăng kích thước và trọng lượng riêng trên cơ sở đó làm tăng vận tốc
lắng bằng quá trình keo tụ - tạo bông.
Trong tự nhiên, các hạt cặn lơ lửng đều mang điện tích âm hoặc dương. Ví dụ,
các hạt rắn có nguồn gốc silic, các hợp chất hữu cơ đều có điện tích âm, các hydroxyt
sắt và nhôm đều mang điện tích dương … khi thế cân bằng động của nước bị phá vỡ,
các thành phần mang điện tích sẽ kết hợp hoặc dính kết với nhau bằng lực liên kết phân
tử và điện tử, tạo thành một tổ hợp phân tử, nguyên tử hoặc các ion tự do. Các tổ hợp
này được gọi là các bông keo.
Những hạt rắn lơ lửng mang điện tích âm trong nước sẽ hút các ion dương tạo ra
hai lớp điện tích dương bên trong và bên ngoài, lớp ion dương bên ngoài liên kết lỏng
lẻo nên có thể dễ dàng bị trượt ra. Như vậy điện tích âm của hạt bị giảm xuống. Hiệu số
điện năng giữa điện tích lớp cố định bên trong và lớp di động bên ngoài gọi là thế zeta
hay thế điện động. Thế zeta phụ thuộc vào thế nhiệt động (hiệu số điện thế giữa bề mặt
hạt và chất lỏng) và chiều dày của hai lớp, giá trị của nó sẽ xác định tĩnh điện đẩy của
hạt là lực cản trở việc dính kết giữa các hạt rắn với nhau.
Khả năng dính kết tạo bông keo tụ tăng lên khi điện tích của hạt giảm xuống và
keo tụ tốt nhất khi điện tích của hạt bằng không. Mức độ và đặc điểm phân ly phụ thuộc
vào độ pH của nước. Khi nguồn nước có pH = 6,5 -7,5 thì các hạt lơ lửng và các hạt
keo mang điện tích âm rất bền vững. Nhưng các hạt keo này có khả năng hấp thụ các
ion H+, Na+, K+, cả Ca2+ và Mg2+ có ở trong nước, nhất là Fe3+, Al3+ làm giảm độ bền
vững của chúng rất nhiều. Chính vì vậy sự tác dụng lẫn nhau giữa các hạt mang điện
tích khác nhau giữ vai trò chủ yếu trong keo tụ. Lực hút phân tử nhanh khi giảm khoảng
cách giữa các hạt bằng cách tạo nên những chuyển động khác nhau.
11


2.1.2. Hóa chất keo tụ
Sự chọn lựa hóa chất keo tụ phụ thuộc vào tính chất của chất rắn lơ lửng, điều
kiện nguồn nước, thiết kế bể và giá thành của hóa chất cũng như hiệu quả mong muốn.

Tuy nhiên quan trọng nhất đối với chất keo tụ là nên được tiến hành thông qua thí
nghiệm jartest.
Chất keo tụ thường được sử dụng là muối nhôm và muối sắt ( ferric sulfate,
ferric chloride, ferrous sulfate), ngoài ra còn sodium aluminate. Muối nhôm và sắt khi
cho vào nước sẽ làm hạ thấp độ kiềm và pH của nước trong khi sodium aluminate làm
them vào độ kiềm và tăng pH.
PHÈN NHÔM
A12(SO4)3

+

3 Ca(HCO3)2 

2 Al(OH)3

+

3CaSO4

+

6 CO2

Aluminum

+

Calcium

Aluminum

+

Calcium

+

Carbon

Bicarbonate

Hydroxide

Sulfate

Sulfate

Dioxide

(có sẳn trong
nước cần xử lý)
FERRIC SULFATE
Fe2(SO4)3

+

3 Ca(HCO3)2 

2 Fe(OH)3

+

3CaSO4

+

6 CO2

Ferric

+

Calcium

Ferric

+

Calcium

+

Carbon

Bicarbonate

Hydroxide

Sulfate

Sulfate

Dioxide

(có sẳn trong
nước cần xử lý)
FERRIC CHLORIDE
2 Fe Cl3

+

3 Ca(HCO3)2 

2 Fe(OH)3

+

3CaCl2

+

6CO2

Ferric

+

Calcium

Ferric

+

Calcium

+

Carbon

Bicarbonate

Hydroxide

Chloride

Chloride

Dioxide

(có sẳn trong
nước cần xử lý)

12


FERROUS SULFATE
FeS04

+

Ca(HCO3)2

Ferrous

+

Sulfate



Fe(OH)2

+

CaS04

+

2CO2

Calcium

Ferrous

+

Calcium +

Carbon

Bicarbonate

Hydroxide

Sulfate

Dioxide

(có sẳn trong
nước cần xử lý)

SODIUM ALUMINATE

2 Na2A12O4

+

Ca(HCO3)2

Sodium

+

Aluminate



8 Al(OH)3

+

3 Na2CO3

+ 6 H20

Calcium

Aluminum

+

Sodium

+ Water

Carbonate

Hydroxide

Carbonate

(có sẳn trong
nước cần xử lý)

Na2Al2O4

+

CO2

Sodium

+

Aluminate



2 Al(OH)3

+

NaCO3

Carbon

Aluminum

+

Sodium

Dioxide

Hydroxide

Carbonate

(có sẳn trong
nước cần xử lý)

Na2Al2O4

+

MgCO3

Sodium

+

Aluminate



MgAl2O4

+

Na2CO3

Magnesium

Magnesium

+

Sodium

Carbonate

Aluminate

Carbonate

(có sẳn trong
nước cần xử lý)

2.1.3. Chất keo tụ điển hình
a. Phèn nhôm:
13


-

Phèn nhôm được xem là chất keo tụ phổ biến nhất, đặc biệt là ở Việt Nam.

-

pH hiệu quả tốt nhất với phèn nhôm là khoảng 5,5 – 7,5.

-

Nhiệt độ của nước thích hợp khoảng 20 – 40oC.
Ƣu điểm:

-

Năng lực keo tụ ion nhôm (và cả sắt(III)), nhờ điện tích 3+, thuộc loại cao

nhất (quy tắc Shulz-Hardy) trong số các loại muối ít độc hại mà loài người biết

-

Muối nhôm ít độc, có sẳn trên thị trường và tương đối rẻ.

-

Công nghệ keo tụ bằng phèn nhôm tương đối đơn giản, dễ kiểm soát, phổ

biến rộng rãi.
Nhƣợc điểm:
-

Làm giảm đáng kể độ pH, do đó cần phải dùng NaOH để hiệu chỉnh lại độ

pH dẫn đến chi phí sản xuất tăng.
-

Khi quá liều lượng cần thiết thì hiện tượng keo tụ bị phá huỷ làm nước đục

-

Phải dùng thêm một số phụ gia trợ keo tụ và trợ lắng.

-

Hàm lượng Al dư trong nước > so với khi dùng chất keo tụ khác và có thể

trở lại

lớn hơn tiêu chuẩn với (0,2mg/lit).

-

Khả năng loại bỏ các chất hữu cơ tan và ko tan cùng các kim loại nặng

thường hạn chế.
-

Ngoài ra, có thể làm tăng lượng SO42- trong nước thải sau xử lí là loại có độc

tính đối với vi sinh vật.
b. Phèn sắt :
Muối sắt chưa phổ biến ở Việt Nam nhưng rất phổ biến ở các nước công
nghiệp. Hoá học của muối sắt tương tự như muối nhôm nghĩa là khi thuỷ phân sẽ tạo
axit, vì vậy cần đủ độ kiềm để giữ pH không đổi. Phèn sắt (III) khi thuỷ phân ít bị ảnh
hưởng của nhiệt độ. Vùng pH tối ưu: 5 – 9.
So sánh keo của phèn nhôm và phèn sắt được tạo thành cho thấy:
14


-

Độ hoà tan của keo Fe(OH)3 trong nước nhỏ hơn Al(OH)3

-

Tỉ trọng của Fe(OH)3 = 1,5 Al(OH)3 ( trọng lượng đơn vị của Al(OH)3 = 2,4

còn của Fe(OH)3 = 3,6 ) do vậy keo sắt tạo thành vẫn lắng được khi trong nước có ít
chất huyền phù.
Ƣu điểm của phèn sắt so với phèn nhôm:

-

Liều lượng phèn sắt(III) dùng để kết tủa chỉ bằng 1/3 – 1/2 liều lượng phèn

-

Phèn sắt ít bị ảnh hưởng của nhiệt độ và giới hạn pH rộng.

nhôm.

Nhƣợc điểm :
-

Ăn mòn đường ống mạnh hơn phèn nhôm ( vì trong quá trình phản ứng tạo

ra axit).
Ở nước ta, người ta vẫn quen dùng phèn nhôm. Để khắc phục nhược điểm của
mỗi loại có thể dùng kết hợp cả phèn sắt và phèn nhôm tương ứng là 1: 1 hoặc 2 : 1 (kết
tủa hỗn hợp thích hợp nhất vào mùa lạnh).Trên thực tế, việc lựa chọn loại phèn, tính
toán liều lượng phèn và liều lượng chất kiềm hoá cần phải được xác định bằng thực
nghiệm. Các muối phèn đưa vào xử lý nước là dạng dung dịch.

Hình 1 : Khả năng hòa tan của phèn nhôm và sắt

15


c. Poly Aluminium Chloride: ( PAC)
Một trong những chất keo tụ thế hệ mới, tồn tại dưới dạng polymer vô cơ là
poly nhôm clorua (polymer aluminium chloride), thường viết tắt là PAC (hoặc PACl).

Hiện nay, ở các nước tiên tiến, người ta đã sản xuất PAC với lượng lớn và sử dụng rộng
rãi để thay thế phèn nhôm sunfat trong xử lý nước sinh hoạt và đặc biệt là xử lí nước
thải.
Tính chất: PAC có công thức tổng quát là [Al2(OH)nCl6.nxH2O]m (trong đó
m <=10, n<= 5). PAC thương mại ở dạng bột thô màu vàng nhạt hoặc vàng đậm, dễ tan
trong nước và kèm tỏa nhiệt, dung dịch trong suốt, có tác dụng khá mạnh về tính hút
thấm.
PAC có nhiều ưu điểm so với phèn nhôm sunfat và các loại phèn vô cơ khác:
-

Hiệu quả keo tụ và lắng trong > 4-5 lần. Tan trong nước tốt, nhanh hơn
nhiều, ít làm biến động độ pH của nước nên ko phải dùng NaOH để xử lí và
do đó ít ăn mòn thiết bị hơn.

-

Không làm đục nước khi dùng thừa hoặc thiếu.

-

Không cần (hoặc dùng rất ít) phụ gia trợ keo tụ và trợ lắng.

-

[Al] dư trong nước < so với khi dùng phèn nhôm sunfat.

-

Khả năng loại bỏ các chất hữu cơ tan và không tan cùng các kim loại nặng tốt
hơn.

-

Không làm phát sinh hàm lượng SO42- trong nước thải sau xử lí là loại có

độc tính đối với vi sinh vật.
Cơ chế tác dụng của PAC:
Thông thường khi keo tụ chúng ta hay dùng muối clorua hoặc sunfat của Al(III)
hoặc Fe(III). Khi đó, do phân li và thuỷ phân ta có các hạt trong nước: Al3+, Al(OH)2+,
Al(OH)

phân

tử

và

Al(OH)4-,

ba

hạt

polymer:

Al2(OH)24+,

Al3(OH)45+,

Al13O4(OH)247+ và Al(OH)3rắn. Trong đó Al13O4(OH)247+ gọi tắt là Al13 là tác nhân gây
keo tụ chính và tốt nhất.

Với Fe(III) ta có các hạt: Fe3+, Fe(OH)2+, Fe(OH) phân tử và Fe(OH)4-, ba hạt
polime: Fe2(OH)24+, Fe3(OH)45+ và Fe(OH)3 rắn.
16


Trong công nghệ xử lí nước thông thường, nhất là nước tự nhiên với pH xung
quanh khoảng 7 quá trình thuỷ phân xảy ra rất nhanh, tính bằng micro giây, khi đó hạt
Al3+ nhanh chóng chuyển thành các hạt polymer rồi hydroxit nhôm trong thời gian nhỏ
hơn giây mà không kịp thực hiện chức năng của chất keo tụ là trung hoà điện tích trái
dấu của các hạt cặn lơ lửng cần xử lý để làm chúng keo tụ.
Khi sử dụng PAC quá trình hoà tan sẽ tạo các hạt polime Al13, với điện tích
vượt trội (7+), các hạt polime này trung hoà điện tích hạt keo và gây keo tụ rất mạnh,
ngoài ra tốc độ thuỷ phân của chúng cũng chậm hơn Al3+ rất nhiều, điều này tăng thời
gian tồn tại của chúng trong nước nghĩa là tăng khả năng tácdụng của chúng lên các hạt
keo cần xử lí, giảm thiểu chi phí hoá chất. Ngoài ra, vùng pH hoạt động của PAC cũng
lớn gấp hơn 2 lần so với phèn, điều này làm cho việc keo tụ bằng PAC dễ áp dụng hơn.
Hơn nữa, do kích thước hạt polime lớn hơn nhiều so với Al3+ (cỡ 2 nm so với nhỏ hơn
0,1 nm) nên bông cặn hình thành cũng to và chắc hơn, thuận lợi cho quá trình lắng tiếp
theo.
Cơ chế hình thành Al13:
Trong nước Al3+ có số phối trí 4 và 6, khi đó khả năng tồn tại dưới dạng tứ diện
Al(OH)4- hay còn gọi là tếbào T4, hoặc bát diện Al(OH)_4(H_2O)2- Tế bào T4 này là
mầm để hình thành cái gọi là cấu trúc Keggin với tâm là tế bàoT4 và 12 bát diện bám
xung quanh, khi đó ta có cấu trúc ứng với công thứcAl12AlO4(OH)247+. Người ta cho
rằng khi cho kiềm vào dung dịch Al3+, khi ion Al3+ tiếp xúc với các giọt kiềm thì đó là
lúc hình thành các tế bào T4. Tiếptheo các bát diện vây quanh T4 tạo Al13, như vậy có
thể coi bước tạo T4 là bướcquyết định trong công nghệ chế tạo Al13 thành phần chính
của PAC.
2.2. LÝ THUYẾT VỀ BỂ LAMELLA
2.2.1. Bể Lamella

Bể lắng lamen cũng giống như bể lắng thường và cũng gồm 3 vùng:
- Vùng phân phối nước,
- Vùng lắng
- Vùng tập trung và chứa cặn
17


Đặc điểm bể lắng Lamen:
Vùng lắng được chia thành nhiều lớp mỏng với khoảng không gian nhỏ hẹp, nhờ
các tấm được đặt nghiêng. Khi dùng các tấm lượn sóng hoặc tấm phẳng thì tiện lắp ráp
và quản lý hơn. Dùng các ống thì chắc chắn hơn và đảm bảo kích thước được đồng đều
hơn và tốc độ dòng chảy có thể tăng hơn nhưng lại chóng bị lắng cặn, tăng khối lượng
công tác tẩy rửa. Ở đây dùng các tấm có dạng nửa lục giác và khi ghép các tấm lại thì sẽ
tạo thành khối ống có mặt cắt ngang như những ống lục giác ghép lại. Như vậy sẽ vừa
đảm bảo được tính linh động trong thi công cũng như độ bền xây dựng khi hợp khối các
tấm. Khu vực lắng được lắp các mô-đun dạng khối hộp chữ nhật. Các mô đun này tạo
nên bởi sự lắp ghép của các tấm Lamella nghiêng ( 60o ). Những tấm Lamella này bằng
nhựa PVC chất lượng cao. Hai tấm Lamel ghép lại với nhau sẽ cho ra những ống hình
lục giác ( dạng giống như tổ ong ) (Hình 5.9)
Tác dụng và cơ chế của quá trình lắng:
Nước từ bể phản ứng vào bể lắng sẽ chuyển động giữa các bản vách ngăn
nghiêng theo hướng từ dưới lên và cặn lắng xuống đến bề mặt bản vách ngăn nghiêng
sẽ trượt xuống theo chiều ngược lại và ở dạng tập hợp lớn tập trung về hố thu cặn, từ đó
theo chu kỳ xả đi. Chất nổi được tập trung về khoang trống giữa các tầng và dẫn đi theo
máng chìm. Khi giảm chiều cao lắng thì giảm độ chảy rối của dòng chảy tự do, giảm
được dao động của thành phần tốc độ thẳng đứng của dòng nước. Kết quả là tăng hệ số
sử dụng dung tích và giảm được thời gian lắng( chỉ cần một vài phút).

Hình 2: Các dạng tấm lắng lamella
18

Ƣu điểm :
-

Vận hành liên tục.

-

Thể tích nhỏ

-

Không có bộ phận chuyển động

-

Thời gian lưu ngắn

-

Thiết kế theo module nên dễ mở rộng khi có nhu cầu

Nhƣợc điểm:
-

Không có thể tích vùng đệm cho sự thay đổi lưu lượng nên có thể dẫn đến

trôi chất lơ lững ra ngoài.
-

Không có khả năng chứa bùn lắng.

2.2.2. Một số ứng dụng của vách nghiêng lamella trong xử lý nƣớc

Hình 3: Sử dụng tấm lắng lamella trong bể Aerotank để tuần hoàn bùn (Buer et al.,
2000)
Trong khi hầu hết những nghiên cứu sử dụng tấm vách nghiêng lamella là trong
bể lắng 1 thì các nhà nghiên cứu người đức sử dụng lamella ở cuối bể Aerotank hoặc
đầu vào bể lắng. Những vị trí này không những giảm nồng độ MLSS vào bể lắng 2 mà
còn tăng tải trọng bề mặt của bể lắng 2.

19


Hình 4 : Sử dụng tấm lắng để tiền lắng MLSS (Buer et al.,2000)

20


CHƢƠNG 3

THIẾT KẾ MÔ HÌNH
3.1. TÍNH TOÁN THIẾT KẾ MÔ HÌNH

Hình 5: Mô tả mô hình lamella kết hợp keo tụ tạo bông
Thông số thiết kế mô hình:
Lưu lượng thiết kế : Q = 1 lít/phút
1. Bể keo tụ
-

Thời gian lưu : 1 -3 phút

-

Tốc độ khuấy : 100 vòng/ phút

Chọn thời gian lưu nước 3 phút  thể tích bể keo tụ là : 3 lít
 kích thước thiết kế : 13,5 – 13,5 – 18 = 3,2 lít
2. Bể tạo bông
-

Thời gian lưu nước : 15 -20 phút

-

Tốc độ vòng khuấy 20 – 30 vòng/ phút

Chọn thời gian lưu là 18 phút  thể tích bể tạo bông là 18 lít
 kích thước thiết kế : 13,5cm x 29cm x 45cm = 17,6 lít
21


3. Bể lắng lamella
-

Tấm lắng: phẳng, kích thước 11,8 mm x 13,5 mm

-

Góc nghiêng α chọn α = 600.

-

Vận tốc lắng Uo = 1,4 m/h = 3,8 mm/s

-

0,45 mm/s.

-

Chiều cao tấm lắng:

-

H= L.sin α = 11,8×0,867 = 10 (mm)

-

Q: Công suất thiết kế. Q = 1,1 lít/phút = 18,4.103 mm3/s

-

Diện tích mặt bằng bể lắng:

Trong đó: uo :
-

Tốc độ lắng của hạt cặn; uo = 0,38mm/s;

-

h: khoảng cách giữa 2 tấm lắng, h = 17 mm

-

H: Chiều cao tấm lắng, H = 10 cm = 100 mm

-

α = 60o; cos α = 0,5;
 F = 15118 mm2
 Số tấm vách nghiêng = F/B = 15118/135 = 6,6 ~ 7 tấm

3.2 MÔ TẢ MÔ HÌNH VÀ NGUYÊN VẬT LIỆU SỬ DỤNG
3.2.1. Mô tả mô hình
Mô hình gồm:
- Bể keo tụ kích thước : 13.5 – 13.5 – 18 ; mô tơ khuấy 100 vòng/phút

- Bể tạo bông : 13.5 – 29 – 45 ; mô tơ khuấy 20 vòng/phút
- Bể lắ ng: 13.5 – 27.5 – 38.5
- Bể chứa nước sa ̣ch: 13.5 – 12.5 – 60
22


- Tấ m lắ ng : rô ̣ng 11.8 dài 13.5
- Tổ ng thể tích : 13.5 – 85 – 60
- Chiều cao đã tính luôn 5cm chiều cao bảo vệ,.

Bể keo tụ

Bể tạo bông

Bể lamella

Bể chứa nước

Hình 6: Kích thước mô hình lamella

23