Đồ án Xử lý nước thải dệt nhuộm bằng keo tụ – tạo bông - Lắng

XỬ LÝ NƯỚC THẢI DỆT NHUỘM BẰNG KEO TỤ – TẠO BÔNG - LẮNG. I.Giới thiệu sơ lược về nước thải dệt nhuộm : 1.Giới thiệu : Nước thải với khâu dệt nhuộm – hoàn tất vải của mình đã và đang là nguồn gây ra ô nhiễm môi trường khá mạnh cả về lượng cũng như về chất , mà nguồn gây ra ô nhiễm chínhlà nước thải các loại từ phân xưởng dệt nhuộm – hoàn tất vải thải ra . Nước thải dệt nhuộm rất đa dạng và phức tạp , nó bao gồm các thành phần : Phẩm nhuộm . Chất hoạt động bề mặt. Chất điện ly. Chất ngậm . Chất tạo môi trường. Tinh bột , chất oxi hóa … Đã có hàng trăm loại hóa chất đặc trưng hòa tan dưới dạng ion và các chất kim loại nặng đã làm tăng thêm tính độc hại không những trong thời gian trước mắt mà cón lâu dài về sau đến môi trường sống . Vì có thành phần độc hại , nước thải dệt nhuộm có khả năng gây ra ô nhiễm mạnh đến môi trường và sức khỏe con người . Một đặc điểm nữa là thành phần nước thải hầu như không ổn định thay đổi theo công nghệ và mặt hàng , vì vậy việc xác định chính xác thành phần và tính chất nước thải không dễ dàng . Chính vì vậy việc tìm hiểu thành phần , tính chất nước thải từ đó nghiên cứu công nghệ và đề xuất công nghệ xử lí của chúng là việc làm thiết yếu . 2 . Sơ đồ công nghệ dệt nhuộm : Hồ sợi Chuẩn bị sợi nguyên liệu Kiểm gấp Giặt , tẩy Chuẩn bị nhuộm : Rũ , hồ , nấu ,tẩy Làm bóng Nhuộm In bông Cầm màu Hồ văng Cạo lông Co ủi Đóng kiện 3. Tính chất nước thải ra từng công đoạn : Nguyên liệu dệt : Nguyên liệu dệt trực tiếp là các loại sợi . Nhìn chung các loại vải đều được dệt từ 3 loại sợi sau : Sợi cotton : được kéo từ sợi bông vải , có đặc tính hút ẩm cao , xốp , bền trong môi trường kiềm , phân hủy trong môi trường axit , cần phải xử lí kỹ trước khi loại bỏ tạp chất . Sợi pha PECO (Polyester và cotton ) là sợi hóa học dạng cao phân tử được tạo thành từ quá trình tổng hợp hữu cơ , hút ẩm kém , cứng ,bền ở trạng thái ướt sơ, sợi này bền với axit nhưng kém bền với kiềm . Sợi cotton 100% , PE % , sợi pha 65% PE và 35% cotton … b. Nguyên liệu và in hoa : Các phẩm nhuộm được sử dụng bao gồm : Phẩm nhuộm phân tán : là phẩm không tan trong nước nhưng ở dạng phân tán trong dung dịch và có thể phân tán trên sợi , mạch phân tử thường nhỏ có thể nhiều họ khác nhau : anthraquinon , nitroanilamin …được dùng để nhuộm sơ : poliamide , poliester , axêtat … Phẩm trực tiếp : Dùng để nhuộm vải cotton trong môi trường kiềm , thường là muối sunfonat của các hợp chất hữu cơ : R – SO3Na . Kém bền với ánh sáng va khi giặt giũ . Phẩm nhuộm axit : đa số những hợp chất sulfo chứa một hay nhiều nhóm SO3H và một vài dẫn xuất chứa nhóm COOH dùng nhuộm trực tiếp các loại tơ sợi chứa nhóm bazơ như : len , tơ , poliamide … Phẩm nhuộm hoạt tính : có công thức tổng quát : S – F – T = X , trong đó F : phân tử mang màu , S: nhóm tan trong nước (SO3Na, COONa) , T: gốc mang phản ứng ( có thể là nhóm clo hay vinyl ) , X : nhím có kảh năng pảhn ứng … Thuốc sẽ phản ứng sơ trực tiếp và sản phẩm phụ là HCl nên cần nhuộm trong môi trường kiềm yếu . Phẩm hoàn nguyên : bao gồm các họ màu khác nhau như : indigo , dẫn xuất anthraquinon , phẩm sunfua … dùng để nhuộm chỉ ,sợi bông , visco , sợi tổng hợp . Ngoài ra để mặt hàng bền và đẹp thích hợp với nhu cầu , ngoài phẩm nhuộm cón sử dụng các chất trợ khác : chất thấm , chất tải , chất giặt , chất điện ly (Na2SO4) , chất điều chỉnh pH ( CH3COOH , Na2CO3 , NaOH ) , chất hồ chóng mốc , hồ mềm , hồ láng , chất chống loang màu … c. Từng công đoạn của công nghệ : Chuẩn bị sợi nguyên liệu : sợi nguyên liệu được nhập vào đầu tiên qua công đoạn đánh ống nhằm loại bỏ xơ ,cặn bẩn . Hồ sợi : được tiến hành trước khi dệt có tác dụng tăn cường lực cho sợi trong quá trình dệt , sau khi hồ sợi xong vải sẽ đem đi dệt .Hóa chất hồ sợi bao gồm : tinh bột , keo động vật , (cazein và zelatin ) , chất làm mềm , dần thảo mộc , chất béo ,chất giữ ẩm CaCl2 , glyxerin , chất chống mốc fenol. Chuẩn bị nhuộm : bao gồm : Phân trục , tẩy và giũ hồ . Phân trục : xác định lượng phẩm màu nhuộm và các phụ gia khác theo khối lượng vải cần nhuộm . Nấu tẩy : có tác dụng phá hủy các tạp chất xenluloza như peptin chứa nitơ , pentoza ,… đồng thời tách dễ dàng các axit béo khỏi vải , ở nhiệt độ lớn hơn 850C sáp bị nóng chảy , nhũ hóa , tách khỏi bề mặt vải . Mặt khác quá trình nấu cón làm biến đổi cấu trúc xơ , dễ hấp phụ thuốc nhuộm . Hóa chất trong công đoạn này bao gồm : NaOH , NaHSO3 , Na2SiO3 , H2O2 , chất hoạt động bề mặt tác dụng nhũ hóa sáp , giảm sức căng bề mặt , tạo điều kiện cho dung dịch dễ thấm vào vải . Tẩy trắng : công đoạn này được dùng cho sản xuất các loại vải trắng , do sau khi nấu các thành phần vải còn chứa các chất màu thiên nhiên chưa bị hủy hoại , đồng thời xenlulozơ có khả năng hấp phụ các chất sẫm màu trong nước nấu . Giũ hồ : quá trình này được thực hiện bằng cách ngâm ủ hóa chất , sau đó giặt ép bằng nước nóng để loại sạch các tạp chất , tinh bột … Thông thường các hóa chất cho vào là acid loãng , NaOH , chất oxi hóa H2O2 , men gốc thực vật , động vật , xà bông …. Nhuộm sợi : Được tiến hành sau khi hoàn tất các công đoạn chuẩn bị nhuộm . Trong giai đoạn này ta sử dụng các hóa chất như :NaOH , CH3COOH , chất tạo môi trường kiềm hay axit , phẩm nhuộm chất hoạt động bề mặt , chất khử , chất điện ly .. Đối với các mặt vải khác nhau đòi hõi phẩm nhuộm và môi trường khác nhau . Tẩy giặt : Nhằm làm sạch vải , loại bỏ các tạp chất , màu thuốc nhuộm thừa … qui trình tẩy giặt bao gồm xà phòng hay hóa chất giặt tổng hợp ở nhiệt độ khoảng 800 C , sau đó xả lạnh với các chất tẩy giặt thông dụng như là : xà phòng , sôđa . Công đoạn hoàn tất : là công đoạn cuối cùng tạo ra vải có chất lượng tốt và theo đúng yêu cầu như : chống mốc , chống cháy , mềm , chống màu …hoặc trở về trạng thái tự nhiên sau quá trình căng kéo , co rút ở các khâu trước hay thẳng nếp ngay ngắn . 4. Khả năng gây ô nhiễm của nước thải : Nước thải dệt nhuộm rất đa dạng và phức tạp . Các loại hóa chất sử dụng như : phẩm nhuộm ,, chất hoạt động bề mặt , chất điện ly ,chất ngậm , chất tạo môi trường , tinh bột , men , chất oxi hóa … đã có hàng trăm loại hóa chất đặc trưng , các chất này hòa tan dưới dạng ion và các chất kim loại nặng đã làm tăng thêm tính độc hại không những trong thời gian trước mắt mà cón về lâu dài sau này đến môi trường sống . Công nghệ dệt nhuộm sử dụng một lượng nước thải lớn phục vụ cho các công đoạn sản xuất đồng thời thải ra một lượng nước thải rất lớn tương ứng bình quân khoảng 12 – 300 m3 / tấn vải . Trong số đó hai nguồn nước cần giải quyết chính là từ công đoạn dệt nhuộm và nấu tẩy . Nước thải tẩy giặt có pH lớn từ 9 – 12 , hàm lượng chất hữu cơ cao (COD = 1000 – 3000 mg/l ) do thành phần các chất tẩy gây nên . Độ màu của nước tẩy khá lớn ở những giai đoạn tẩy ban đầu và có thể ên đến 10.000 Pt – Co , hàm lượng cặn lơ lửng SS có thể đạt đền trị số 2000 mg/l , nồng độ này giảm dần ở cuối chu kì xả và giặt . Thành phần của nước thải chủ yếu bao gồm : thuốc nhuộm thừa , chất hoạt động bề mặt , các chất oxi hóa , sáp xút , chất điện ly v . v… Còn thành phần nước thải nhuộm thì không ổn định và đa dạng , thay đổi ngay trong từng nhà máy khi nhuộm các loại vải khác nhau . Nhìn chung nước thải dệt nhuộm bao gồm các gốc như : R – SO3Na , N – OH , R – NH2 , R – Cl .. pH nước thải thay đổi từ 2 – 14 , độ màu rất cao đôi khi lên đến 50.000 Pt – Co , hàm lượng COD thay đổi từ 80 – 18000 mg/l . Tùy theo từng loại phẩm nhuộm mà ảnh hưởng đến tính chất nước thải . Thành phần và tính chất nước thải thay đổi liên tục trong ngày . Nhất là tại các nhà máy sản xuất theo qui trình gián đoạn , các công đoạn như giặt , nấu tẩy , nhuộm đều thực hiện trên cùng một máy , do vậy tùy theo giai đoạn nước thải cũng biến đổi , dân đến độ màu , hàm lượng chất hữu cơ , độ pH , hàm lượng cặn đều không ổn định . Bên cạnh hai nguồn đặc trưng trên , nước thải ở các khâu hơ sợi , giặt xả cũng có hàm lượng hữu cơ cao , Ph vượt tiêu chuẩn xả thải . tuy nhiên công đoạn hồ sợi , lượng nước được sử dụng rất nhỏ , hầu như toàn bộ phẩm hồ đượ bám trên vải , nước thải chỉ xả ra khi làm vệ sinh thiết bị nên không đáng kể . Nước thải công nghệ dệt nhuộm gây ra ô nhiễm nghiêm trọng đối với môi trường sống : độ màu , pH , TS , COD ,nhiệt độ vượt quá tiêu chuẩn cho phép xả vào nguồn . Hàm lượng chất bề mặt đôi khi quá cao , khi thải vào nguồn nước như sông , kênh rạch tạo màng nội trên bề mặt , ngăn cản sự khuếch tán của oxi vào môi trường gây nguy hại chi hoạt động của thủy sinh vật , mặt khác một số các hóa chất chứa kim loại như crôm ,nhân thơm , các phần chứa độc tố không những có thể tiêu diệt thủy sinh vật mà cón gây hại trực tiếp đến dân cư ở khu vực lân cận gây ra một số bệnh nguy hiểm như ung thư . Điều quan trọng là độ màu quá cao , việc xả thải liên tục vào nguồn nước đã làm cho độ màu tăng dần , dẫn đến hiện trạng nguồn nước bị vẫn đục , chính các thuốc nhuộm thừa có kảh năng hấp thụ ánh sáng , ngăn cản sự khuếch tán của ánh sáng vào nước , do vậy thực vật dần dần bị hủy diệt, sinh thái nguồn nước có thể bị ảnh hưởng nghiêm trọng . II. Quá trình keo tụ , tạo bông : Cấu tạo hạt keo : Đường kính hạt < 1m , là thành phần chính gây ra độ đục . Các hạt cặn nguồn Silic , hợp chất hữu cơ đều có điện tích âm , ngược lại các hydroxit Al, Fe mang điện tíc dương . Khi các cân bằng thế điện động của nước bị phá vỡ , các thành phần mang điện tích sẽ kết hợp hoặc dính kết các nguyên tử hoặc các ion tự do , các tổ hợp trên gọi là các hạt keo có thể là hạt keo kị nước hoặc là keo háo nước . Kị nước : Không ái lực với nước , dễ keo tụ , phần lớn là keo vô cơ . Háo nước : Aùi lực mạnh với nước , hấp thụ nước và cản trở quá trình keo tụ , phần lớn là chất hữu cơ . Lực đẩy tĩnh điện có xu hướng ngăn cản sự kết hợp giữa các hạt keo tích điện cùng dấu va . Khi hạt keo xích lại gần nhau thì ban đấu lục đẩy tĩnh điện lớn hơn lực hút phân tử nên hợp lực tăng dần . Nếu các hạt keo có năng lượng động học lớn hơn lực đẩy tĩnh điện , thì chúng sẽ xích lại gần nhau hơn , lực hút phân tử giữa chúng sẽ tăng rất nhanh và các hạt dính kết được với nhau . Trong thực tế việc tăng năng lượng động học của hạt keo rất khó thực hiện nên phương pháp thông dụng là giảm lực đẩy tĩnh diện giữa các hạt keo , nghĩa là giảm điện thế Zeta của hạt keo .Để lực hút phân tử thắng lực đẩy tĩnh điện thì điện thế zeta của hạt keo phải nhỏ hơn 0.03 V và quá trình keo tụ đạt hiệu quả cao khi điện thế Zeta bằng không . Tính chất bề mặt hạt keo: Là yếu tố quan trọng gây khó khăn lắng trọng lực . Hấp phụ : có khuynh hướng kéo các chất xung quanh do lực vạn vật hấp dẫn . Tính điện động : hạt keo thường mang điện tích do sự ion hóa cúa các nhóm chức trên bề mặt và hấp thụ các ion của dung dịch bên ngoài . Điện chuyển : các hạt di chuyển về phía cực mang điện tích trái dấu ở tốc độ tỉ lệ với Gradien điện thế hình thành trong dung dịch . Điện thế Zeta : Khi một hạt chuyển động trong trường điện , một phần nước gần bề mặt chuyển động và hình thành mặt cắt giữa khối dung dịch và lớp nước kéo theo . Điện thế Zeta là điện thế tại mặt cắt . Cơ chế keo tụ – tạo bông : Cơ chế tạo cầu nối : Phản ứng 1 : Hấp phụ ban đầu ở liều lượng polime tối ưu . Phân tử polime dính vào hạt keo . Phản ứng 2 : Hình thành bông cặn . Đuôi polime đã hấp phụ có thể duỗi ra và gắn kết với vị trí trống trên bề mặt hạt keo khác à hình thành bông cặn. Phản ứng 3 : Hấp phụ lần hai của polime . Nếu đoạn cuối duỗi ra và không tiếp xúc với vị trí trống trên hạt khác à gấp lại và tiếp xúc với mặt khác của chính hạt đó à ổn định lại . Phản ứng 4 : khi liều lượng polime dư . Nếu polime thêm vào dư nhiều , bề mặt hạt bảo hòa các đoạn polime à không có vị trí trống để hình thành cầu nối à hạt keo ổn định trở lại . Phản ứng 5 : Vỡ bông cặn , vỡ vụn bông cặn khi xáo trộn nhiều . Trong toàn bộ quá trình (5 phản ứng tên ) . Cơ chế chính là : Hấp phụ và tạo cầu nối . Cơ chế phụ : Trung hòa điện tích . 4.Quá trình keo tụ tạo bông : Khi chất keo tụ co vào nước và nước thải , các hạt keo trong nước bị mật tính ổn định , tương tác với nhau , kết cụm lại hình thành các bông cặn lớn , dễ lắng . Quá trình mất tính ổn định của hạt keo là quá trình lý hóa phức tạp , có thể giải thích dựa trên các cơ chế sau : Giảm điện thế Zeta tới giá trị mà tại đó dưới tác dụng của lực hấp dẫn Vander Waals cùng với năng lượng khuấy trộn cung cấp thêm ,các hạt keo trung hòa điện kết cụm và tạo thành bông cặn . Các hạt kết cụm do sự hình thành cầu nối giữa các nhóm hoạt tính trên hạt keo . Các bông cặn hình thành khi lắng xuống sẽ bắt giữ các hạt keo trên quĩ đạo lắng xuống . Quá trình keo tụ thông thường áp dụng khử màu , hàm lượng cặn lơ lửng trong xử lí nước thải . 5.Các phương pháp keo tụ : Keo tụ bằng chất điện ly : Bản chất của phương pháp là cho thêm vào nước các chất diện ly ở dạng các ion ngược dấu .Nhờ chuyển động Brown các hạt keo với điện tích bé khi va chạm dễ kết dính bằng lực hút phân tử tạo nên các bông cặn ngày càng lớn . Quá trình keo tụ bằng chất điện ly được đánh giá như một cơ chế keo tụ tối ưu . khi sử dụng chất điện ly với các ion có hóa trị càng lớn thì hiệu quả keo tụ càng cao và liều lượng chất điện ly càng giảm đi . Phương pháp keo tụ bằng chất điện ly đòi hỏi liề lượng chất keo tụ cho vào nước phải rất chính xác . Nếu nồng độ các chất điện ly trong nước vượt quá mức cần thiết sẽ gây ra quá trình tích điện trở lại đối với các hạt keo , làm điện thế Zeta tăng lên và hiệu quả keo tụ sẽ giảm đi . Keo tụ bằng hệ keo ngược dấu (keo tụ bằng phương pháp hóa lý): Quá trình keo tụ được thực hiện bằng cách tạo ra trong nước một hệ keo mới tích điện ngược dấu với keo cặn bẩn trong nước thiên nhiên và các hạt keo tích điện trái dấu sẽ trung hòa lẫn nhau . Chất keo tụ thường sử dụng là phèn Al và Fe và được đưa vào nước dưới dạng dung dịch hòa tan , sau phản ứng thủy phân chúng tạo thành hệ keo mới mang điện tích dương có khả năng trung hòa các loại keo mang điện tích âm. Quá trình keo tụ xảy ra như sau : Khi cho phèn vào nước , nó sẽ phân ly thành các ion hòa tan theo phương trình : Al2(SO4)3 à 2Al3+ + 3 SO42- FeCl3 à Fe3+ + 3 Cl- Các ion kim loại mang điện tích dương một mặt tham gia vào quá trình trao đổi với các cation nằm trong lớp điện tích kép của hạt keo tự nhiên mang điện tích âm , làm giảm thế điện động Zeta , giúp cho các hạt keo dễ dáng liên kết với nhau bằng lực hút phân tử , tạo ra các bông cặn lắng . Mặt khác các ion kim loại tự do lại kết hợp với các phân tử nước bằng phản ứng thủy phân : Al3+ + 3 H2O à Al(OH)3 + 3H+ Fe3+ + 3 H2O à Fe(OH)3 + 3H+ Các phân tử Al(OH)3 và Fe(OH)3 là các hạt keo mang điện tích dương có khả năng kết hợp với các hạt keo tự nhiên mang điện tích âm tạo thành các bông cặn .Đồng thời các phân tử Al(OH)3 và Fe(OH)3 kết hợp với các anion có trong nước và kết hợp với nhau tạo ra bông cặn có hoạt tính bề mặt cao . Các bông cặn này khi lăng xuống sẽ hấp thụ cuốn theo các hạt keo , cặn bẩn , các hợp chất hữu cơ , các chất mùi vị …tồn tại ở trạng thái hòa tan hoặc lơ lửng trong nước . Từ đó ta thấy nồng độ các phân tử Al(OH)3 và Fe(OH)3 trong nước sau quá trình thủy phân các chất keo tụ là yếu tố quyết định hiệu quả keo tụ . Trong thực tế , lượng phèn tối ưu sử dụng cho mỗi nguồn nước được xác định cụ thể bằng thực nghiệm tại nguồn nước , có thể sử dụng theo bảng sau : Lượng phèn cần thiết theo hàm lượng cặn của nước nguồn : Hàm lượng cặn của nước nguồn (mg/l) Lượng phèn Al2(SO4)3 (mg/l) Đến 100 100 – 200 200 – 400 400 – 600 600 – 800 800 – 1000 1000 – 1400 1400 – 1800 1800 – 2200 15 – 25 18 – 30 24 – 40 28 – 45 33 – 55 36 – 60 39 – 65 45 – 75 48 – 80 Tăng cường quá trình keo tụ bằng hợp chất cao phân tử : Các hợp chất cao phân tử gốc vô cơ như axit silic hoạt hóa , hoặc gốc hữu cơ như polyacrylat , polyacrylamin đều có thể dùng để làm chất tăng cường cho quá trình keo tụ của phèn . Trong một vài trường hợp các chất này có thể được dùng làm chất keo tụ thay phèn . Khác với phương pháp keo tụ bằng chất điện ly hoặc bằng hệ keo ngược dấu , cơ chế phản ứng chủ yếu ở đây là các tương tác hóa học . Do hình dạng và kích thước của các cao phân tử lớn và dài nên các hợp chất cao phân tử keo tụ các hạt cặn bẩn trong nước dưới dạng liên kết chuỗi , kiểu này rất thuận lợi cho quá trình hình thành và lắng bông cặn . Tuy nhiên hợp chất cao phân tử đòi hỏi công nghệ sản xuất cao nên biện pháp này ít được áp dụng trong kỹ thuật xử lý nước ở nước ta hiện nay . d.Keo tụ tiếp xúc : Lợi dụng khả năng kết bám của các hạt cặn lên bề mặt của các hạt vật liệu lọc như cát … các nhà khoa học Liên Xô (cũ ) đã đưa ra phương pháp lọc tiếp xúc dựa trên nguên lý keo tụ tiếp xúc . Về bản chất sự kết bám của các hạt cặn lên bề mặt vật liệu lọc là quá trình keo tụ. Trong điều kiện thủy động thuận lợi , các hạt cặn chuyển động gần bề mặt các hạt vật liệu và dính kết lẫn nhau . Quá trình hình thành bông cặn trong môi trường tiếp xúc diễn ra với tốc độ nhanh và hiệu quả hơn sự tạo thành bông môi trường chất lỏng . Vì cường độ va chạm giữa các hạt cặn với các hạt vật liệu lọc có kích thước lớn cao hơn nhiều so với cường độ va chạm dính kết với các hạt lớn không mang điện của lớp vật liệu lọc do lực hút phân tử . Thực tế cho thấy ngay cả khi nồng độ các hạt còn chưa đủ để tạo điều kiện keo tụ trong môi trường nước , nhưng trong môi trường tiếp xúc quá trình keo tụ đã xảy ra . 6.Hóa chất dùng để keo tụ: Để thực hiện quá trình keo tụ, người ta cho vào nước các chất phản ứng thích hợp như : phèn nhôm Al2(SO4)3, phèn sắt FeSO4 koặc FeCl3 . Các loại phèn này được đưa vào nước dưới dạng dung dịch hòa tan. Dùng phèn nhôm: Khi cho phèn nhôm vào nước , chúng phân li tạo ion Al3+ bị thủy phân tạo thành Al(OH)3. Ngoài Al(OH)3 là nhân tố quyết định đến hiệu quả keo tụ tạo thành còn giải phóng ra các ion H+. Các ion H+ này sẽ được khử bằng độ kiềm tự nhiên của nước ( được đánh giá bằng HCO3-). Trường hợp độ kiềm tự nhiên của nước thấp, không đủ trung hòa ion H+ thì cần phải kiềm hóa nước. Chất dùng để kiềm hóa thông dụng là vôi (CaO) , sođa (Na2CO3) , hoặc xút (NaOH). Al3+ + 3 H2O à Al(OH)3 + 3H+ Dùng phèn sắt: Phèn sắt chia làm hai loại là phèn sắt II và phèn sắt III. Phèn Fe(II) khi cho vào nước phân li thành ion Fe2+ và bị thủy phân thành Fe(OH)2. Phèn Fe(III) khi cho vào nước phân li thành ion Fe3+ và bị thủy phân thành Fe(OH)3.Phản ứng thủy phân: Fe2+ + 2 H2O à Fe(OH)2 + 2H+ Fe3+ + 3 H2O à Fe(OH)3 + 3H+ Ưu điểm của phèn sắt đối với phèn nhôm : Liều lượng phèn Fe dùmg để kết tủa chỉ bằng 1/3 – ½ liều lượng phèn Al. Phèn Fe ít bị ảnh hưởng của nhiệt độ và giới hạn pH rộng. Nhược điểm của phèn Fe đối với phèn Al: Gây ăn mòn đường ống mạnh. 7. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình keo tụ . Nhiệt độ : Yếu tố nhiệt độ ảnh hưởng đến quá trình keo tụ , khi nhiệt độ nước tăng , sự chuyển động nhiệt của các hạt keo tăng lên làm tăng tần số va chạm và hiệu quả kết dính tăng lên . Thực tê cho thấy khi nhiệt độ nước tăng lượng phèn cần để keo tụ giảm , thời gian và cường độ khuấy trộn cũng giảm theo . Ngoài ra lượng và tính chất của cặn cũng ảnh hưởng đến hiệu quả keo tụ . Khi hàm lượng cặn trong nước tăng lên , lượng phèn cần thiết cũng tăng lên , nhưng hiệu quả keo tụ lại phụ thuộc vào tính chất của cặn tự nhiên như kích thước , diện tích và mức độ phân tán .. . Nhiệt độ của nước thích hợp khi dùng phèn nhôm là: 20 – 40 oC, tốt nhất là 35 – 45 oC. Phèn Fe khi thủy phân ít bị ảnh hưởng của nhiệt độ , vì vậy nhiệt độ của nước ở 0oC vẫn có thể dùng phèn Fe làm chất keo tụ pH : Đối với phèn Al: Khi pH 7.5 làm cho muối kiềm kém tan và hiệu quả keo tụ bị hạn chế.Phèn nhôm đạt hiệu quả cao nhất khi pH = 5.5 – 7.5. Đối với phèn Fe: Phản ứng thủy phân xảy ra khi pH > 3.5 và quá trình kết tủa sẽ hình thành nhanh chóng khi pH = 5.5 – 6.5. ở pH < 3 thì Fe(III) không bị thủy phân , SiO2 keo tụ do ion Fe(III) . Ở pH cao hơn , chỉ cần liều lượng Fe(III) thấp có thể keo tụ SiO2 . 8. Quá trình tạo bông : Là quá trình tiếp xúc giữa các hạt mất ổn định . Khuấy chậm làm cho các bông đã keo tụ nhỏ dính kết với nhau tạo thành các bông lớn và dễ lắng . Trong tạo bông chú ý đến hai thông số : G ( Gradien vận tốc ) và t ( thời gian trôn tạo bông ) . Hai giá trị này phụ thuộc vào : Thành phần hóa học của nước , tính chất và hàm lượng hạt keo G lớn à phá vỡ bông bùn . T lớn à mòn bông bùn , hao năng lượng . Vì vậy tạo bông ban đầu nhanh có G khá cao tới khi bông hình thành rồi thì chặn lại , G giảm dần thì kích thước bông cặn lớn dần . III.Động học của quá trình keo tụ : Các giai đoạn của quá trình keo tụ : Keo tụ trong nước bằng phèn xảy ra các quá trình sau : Pha trộn các chất keo tụ với nước . Thủy phân của phèn đồng thời phá hủy độ bền vững của hệ keo tự nhiên . Hình thành bông cặn . Thực chất thì ba quá trình này xảy ra đồng thời . Quá trình pha hóa chất phải rất nhanh mới có hiệu quả cao , hằng sốtốc độ thủy phân của anion và cation là 10-2 s và thời gian hấp phụ trao đổi ion với các hạt keo tự nhiên mất khoảng 10-4 s sau đó bắt đầu quá trình hình thành bông cặn , hiệu quả của giai đoạn này phụ thuộc chủ yếu vào số lượng va chạm giữa các hạt cặn . Dưới tác động của sự chuyển động nhiệt , các hạt cặn va chạm và kết dính với nhau tạo thành các bông cặn có kích thước lớn dần lên cho đến lúc chúng không còn tham gia vào quá trình chuyển động nhiệt . 2 . Sự hình thành bông cặn của quá trình keo tụ : a.Tác động của chuyển động nhiệt : Chuyển động nhiệt phụ thuộc vào : Nồng độ ban đầu của hạt n0, cường độ chuyển động Brown ( hệ số khuếch tán của môi trường D ) . Bán kính tác dụng của lực Vander Waals R . Tốc độ tăng các tổ hợp hạt nx và được biểu thị bằng phương trình : Trong đó là hệ số hiệu quả va chạm . b.Tác động khuấy trộn của dòng nước : Trong môi trường nước luôn tồn tại hai dạng dòng chảy là chảy tầng và chảy rối . Sự chuyển động của bông cặn cũng phụ thuộc vào hai dạng dòng chảy trên : Keo tụ bông cặn trong trong dòng chảy tầng : Mô hình tương tác giữa hai bông cặn . Số lượng tương tác của hai nhóm bông cặn thời gian sẽ là : Trong các công thức trên: N1 – số lượng tương tác ( va chạm ) của nhóm bông cặn 1 với một bông cặn 2 ; N2 - số lượng tương tác ( va chạm ) của hai nhóm bông cặn 1 và 2 ; ( n1 và n2 ) – số lượng bông cặn 1 và 2 có trong một đơn vị thể tích nước ; 0 – hệ số hiệu quả tương tác ( va chạm ) ; G – gradien vận tốc ; (r1 , r 2 ) – bán kính tương tác giữa bông cặn 1 và 2 ; Phương trình tên biễu diễn tốc độ keo tụ của hệ đa phân tán trong dòng chảy tầng. Keo tụ tạo bông trong dòng chảy rối : Các phân tử nước cùng bông cặn chuyển động theo hướng quĩ đạo không gian . Xét một khối chất lỏng trong môi trường nước, ở trạng thái tĩnh sự cân bằng giữa áp lực P và lực ma sát tác dụng lên nó . Để cho lớp trên và lớp dưới của khối chất lỏng chuyển động tương đối với nhau với nhau với tốc độ vtd = dv/dz (haykhối lượng chất lỏng quay với tốc độ góc dv/dz ), phải tiêu tốn hết một năng lượng bằng tích số của moment quay (f∆x∆y)∆z với vận tốc góc dx/dz. D o đó năng lượng tiêu hao cho một đơn vị thể tích chất lỏng trong một đơn vị thời gian là : W = Trong đó : f∆x∆y – lực ma sát tác dụng lên bề mặt dưới của khối chất lỏng: ∆z – khoảng cách cánh tay đòn dv/dz – tốc độ góc của khối hay gradient tốc độ ( G = dv/dz) ∆x∆y∆z = ∆V – thể tích khối chất lỏng: f – lực ma sát theo định luật Newton f = ở đây : - độ nhớt động lực học . Gradien tốc độ của dòng chảy rối khi khuấy trộn : = Trong đó : - năng lượng tiêu hao cho một đơn vị thể tích chất lỏng ; V – độ nhớt động học của chất lỏng ; Hoặc có thể tính theo công thức : , s-1 Trong đó : W1 – công tiêu hao để khuấy trộn , kGm ; Q – thể tích chất lỏng khuấy trộn , m3; t – thời gian khuấy trộn , s ; Hai biểu thức trên đồng thời cũng biểu thị cường độ khuấy trộn và được dùng làm chỉ tiêu để đánh giá mức độ keo tụ theo chuẩn số keo tụ . Tương quan giữa tốc độ hình thành bông cặn do ảnh hưởng của chuyển động nhiệt và khuấy trộn có thể xác định bằng cách lập tỉ số : Để tính toán hiệu quả của quá trình keo tụ một cách chính xác và tin cậy , tứ đó tìm ra giá trị tối ưu của các thông số điều khiển , cần phải nghiên cứu ảnh hưởng đồng thời của tổ hợp các yếu tố có tính quyết định đến hiệu quả keo tụ , cụ thể phải tím được sự phụ thuộc của hàm số . Y = f( M0, , T0, pH , Ki, G , t), Trong đó : M0 - hàm lượng cản của nước nguồn , mg/l; - lượng phèn cho vào nước , mg/l ; T0 – nhiệt độ nước ; Ki – độ kiềm của nước nguồn , mg/l; G – cường độ khuấy trộn , s-1; -t – thời gian khuấy trộn ,s ; Y – hiệu quả keo tụ : m – hàm luợng cặn cón lại trong nước sau khi keo tụ và để lắng tính trong một thời gian nào đó , mg/l; IV . Các loại công nghệ sử dụng để xử lí nước thải dệt nhuộm : Phương pháp xử lý hóa chất: Keo tụ tạo bông . Phương pháp hấp thụ bằng than hoạt tính . Phương pháp xử lí sinh học: xử lí bằng bùn hoạt tính hiếu khí, kị khí hoặc xử lí sinh học hiếu khí tiếp xúc . Phương pháp chọn lựa để xử lí là : Keo tụ – tạo bông – lắng . Công nghệ của keo tụ – tạo bông là : Keo tụ Tạo bông Lắng Ưu khuyết điểm của công nghệ xử lí bằng hóa chất: Keo tụ – tạo bông – lắng với công nghệ khác . Ưu điểm: Nước thải dệt nhuộm sa khi xả ra ở nhiệt độ cao do nấu tẩy từ 60 – 80 0C. Nên nếu dùng phương pháp xử lí sinh học đòi hỏi phải có bể điều hòa lớn . Thời gian lưu nước phải lâu thì nước mới nguội được và mặt bằng phải rộng . Nước thải dệt nhuộm không ổn định nên xử lí bằng phương pháp sinh học đòi hỏi có kiến thức trong ngành để tránh gây xốc cho vi sinh vật. Keo tụ – tạo bông vừa xử lí nước thải sinh hoạt của công nhân đồng thời vừa xử lí nước thải dệt nhuộm của nhà máy kết hợp . Phương pháp này có khả năng làm lắng các chất thải lơ lửng, làm giảm màu, hàm lượng hữu cơ trong nước thải do kết hợp hạt keo với tạp chất. b. Khuyết điểm: Keo tụ tạo bông phải sử dụng hóa chất để xử lí nên g6ay ra độ pH vì vậy phải xử lí cả pH. Tiêu hao năng lượng trong quá trình khuấy trộn . Các loại bể keo tụ – tạo bông : Ba bể keo tụ – tạo bông – lắng tách riêng nhau . Keo tụ Tạo bông Lắng Kết hợp bể lắng với buồng trộn và keo tụ tuần hoàn đặt ở tâm. Keo tụ Tạo bông Lắng Thiết bị cho quá trình khuấy trộn: Khuấy trộn thủy lực : Dựa vào dòng chảy rối không có thiết bị cơ khí ( dễ vận hành ) . Thiết hị là những tấm chắn lắp bên trong ống đủ để khuấy trộn hóa chất . Trộn bằng máy bơm . Bể trộn vách ngăn. Trộn khí nén : Dùng khí nén để trộn . Khí được đưa vào qua ống , khuyếch tán à khí nổi lên mặt gây xáo trộn dòng . Trộn cơ khí : Xáo trộn gây ra do cánh khuấy quay ở tốc độ cao . Có nhiều loại cánh khuấy như : turbin , chân vịt , cánh guồng . Các công trình chuẩn bị hóa chất dung dịch phèn: Các công trình , thiết bị chuẩn bị dung dịch và định liều lượng chất phản ứng gồm: thùng hòa trộn ,thùng tiêu thụ , thiết bị điều lượng chất phản ứng . Các công trình hòa trộn đều dung dịch chất phản ứng với nước nguồn cầ xử lí : ống trộn , bể trộn. Các công trình tạo điều kiện cho phản ứng tạo bông kết tủa xảy ra hoàn toàn : ngăn phản ứng , bể phản ứng. Ngoài các công trình và thiết bị trên còn có: kho chứa hóa chất ,thiết bị vận chuyển hóa chất, cân hóa chất, bơm hóa chất và ống dẫn hóa chất. 5 . Các loại bể tạo bông : Bể phản ứng tạo bông cặn thủy lực : Sử dụng năng lượng của dòng nước , kết hợp với các giải pháp về cấu tạo để tạo điều kiện thuận lợi cho quá trình tiếp xúc và dính kết giữa các hạt keo va cặn bẩn trong nước . Có hai loại : Bể phản ứng xoáy : gồm xoáy hình trụ và xoáy hình côn . Bể phản ứng vách ngăn :Có cấu tạo như máng hình chữ nhật . Trong máng đặt các vách ngăn. Các vách ngăn có kích thước khác nhau để tạo chuyển động xoáy làm cho dung dịch trộn đều với nước. Bể phản ứng tạo bông cặn cơ khí : Dùng năng lượng của cánh khuấy chuyển động trong nước để tạo ra sự xáo trộn dòng chảy . Bể tạo bông dùng khí nén : Dùng bọt không khí nén phân bố đều giàn ống đặt dưới đáy bể . Bể tạo bông tiếp xúc qua lớp vật liệu hạt : áp dụng cho nguồn nước có nhiều cặn hữu cơ . Bể keo tụ tiếp xúc đồng thời là bể lọc sơ bộ , do đó phải bố trí các thiết bị rửa , dòng nước qua lớp tiếp xúc có thể đi từ trên xuống hoặc từ dưới lên. 6.Các loại bể lắng : Bể lắng ngang : Dòng nước chuyển động theo phương nằm ngang trong chế độ chảy tầng. Nên tốc độ lắng trong đạt hiệu quả cao hơn . Các hạt cặn được đưa vào đầu bể sau đó chuyển động ngang và lắng dần về cuối bể . Bể lắng đứng : Hình trụ tròn hoặc vuông , có đáy hình nón , chóp. Nước được đưa vào bể lắng từ dưới lên , qua máng tràn và đi vào bên trong bể , hạt cặn lắng xuống và được thu gom ở đáy bể . Ứng dụng: thường dùng làm bể lắng I. Thông số thiết kế: Lưu lượng < 20 m3/ h. Tốc độ đi lên : 1 – 2 m/h. Độ dốc đáy nón thường từ 45 – 65o. Bể lắng có lớp cặn: Là bể kết hợp của ba bể Keo tụ , tạo bông , lắng vào trong cùng một bể . Thuận lợi : Đơn giản , có hiệu quả kinh tế, tổn thất áp lực thấp so cới lắng thông thường . Nhược điểm : Mất thời gian hình thành bùn , tảo dễ hình thành , tải trọng thủy lực cao , đòi hỏi người vận hành có kinh nghiệm… Bể lắng , tạo bông vách nghiêng : Cũng là bể kết hợp cả ba loại bể trộn , tạo bông , lắng vào một đơn nguyên. Nhưng ở đây lắng bằng cách dùng vách nghiêng. Lắng ống nghiêng : Góc nghiêng 45 – 50o. Độ dốc cao dẽ dàng tách cặn bằng lắng trọng lực. Có thể áp dụng cho công suất lớn. Lắng tấm : Sử dụng cho bể lắng đứng . Trang bị các tấm hướng dòng cho bùn lắng . Lắng vách - ống : Bể lắng cạn , gồm các vách , bó ống nhựa D = 80 – 100 mm. Hạn chế : Cần dòng chảy tầng , khi tốc độ dòng chảy trong ống đạt giá trị nào đó thì cặn lắng có thể bị nay lên. Lấy bùn lắng khó khăn do ống nghiêng. Lắng ly tâm: Bể hình tròn , độ dốc đáy 4 – 10%. Bùn được cào và gom ở rốn bể ở tâm . Có thể kết hợp với ngăn tạo bông ợ tâm bể . Bể lắng tiếp xúc : Dùng trong xử lí hóa lí . Nguyên tắc : Khuấy chậm tạo điều kiện tạo bông giữa cặn lơ lững và chất keo tụ . Nhược điểm : Hình thành dòng xoáy do dòng vào không phân bố đều . tạo thành dòng chảy cụt gay tổn thất áp lực lớn . 7.Chọn loại bể và thiết bị khuấy : Chọn bể trộn và bể tạo bông là những bể có diện tích ngang là hình vuông. Bể lắng là bể lắng ly tâm . Ưu điểm của bể lắng ly tâm so với các bể lắng khác: Chiếm diện tích nhỏ. Hiệu quả lăng không bị ảnh hưởng bởi dòng chảy . Hệ thống thu gom bùn đơn giản , dễ vận hành và cũng dễ lấy bùn ra ngoài . Nước đi vào ống trung tâm nên bùn không bị nay lên trên và ra ngoài . Thiết bị trộn là trộn cơ khí bằng tuabin và cánh khuấy. Ưu điểm của trộn cơ khí : * Có thời gian lưu nhỏ hơn thời gian lưu của thủy lực nên thể tích bể cũng nhỏ hơn. * Lưu lượng nước thải thay đổi trong ngày nên sử dụng cơ khí linh động hơn ta có thể thay đổi được. * Có thể áp dụng từ qui mô nhỏ đến qui mô lớn do năng lượng trộn có thể thay đổi theo ý muốn. * Có thể trộn từng mẻ. V . Tính toán các công trình thiết bị thiết kế . 1.Tính sơ bộ hầm bơm: Hầm bơm có kích thước: Chiều cao : H = 3 m. Chiều rộng : R = 2 m Chiều dài : D= 3m. Trong hầm đặt hai bơm chìm : một bơm hoạt đông và một bơm dự phòng . Lưu lượng mỗi bơm là Q = 30 (m3/h) = 0.0083 (m3/s). Chọn vận tốc trong ống đẩy v = 1.5 (m/s). Theo qui phạm v = 1.2 – 1.8 (m/s). Đường kính ống đẩy: Công suất của bơm: 2.Tính sơ bộ bể lắng I. Tải trọng bề mặt cho loại cặn này là L = 35 (m3/m2.nđ). Diện tích mặt cắt ngang của bể : Đường kính bể: Chọn chiều sâu hữu ích của bể lắng H = 3m , Chiều cao bùn lắng hbl = 0.5m, Chiều cao trung hòa hth = 0.2m . Chiều cao an toàn hat= 0.3m. Vậy tổng chiều cao : H = 3+0.5+0.2+0.3 =4 m. Đường kính ống trung tâm: d = 20%.D = 20%.4.3 = 0.86 m Chiều cao ống trung tâm: h = 60% .H = 60% . 4 = 2.4 m. Kiểm tra lại thời gian lưu nước : -t = 2.3h > 1.5 h ( thỏa điều kiện ). 3.Tính sơ bộ bể UASB: Thể tích ngăn phản ứng bể: Chia ra hai đơn nguyên, mỗi đơn nguyên V = 100 (m3). Chọn bể hình vuông. Diện tích bề mặt phần lắng: Diện tích mỗi bể là A = 21 (m2). Cạnh của một bể là: 4.64.6(m) Chiều cao phần phản ứng: Chiều cao bảo vệ 0.3m. Chiều cao phểu thu khí 1.5m Vậy chiều cao tổng cộng: H = 4.8 + 0.3 + 1.5 = 6.6 m. 4.Tính sơ bộ bể bùn hoạt tính: Thời gian lưu nước: 15 h. Thể tích bể bùn hoạt tính: V = Q . t = 500.15/24 = 312.5 (m3). Chọn chiều cao hữu ích H = 4 m Chọn chiều cao bảo vệ : 0.4 m. Tổng chiều cao 4.4 m. Tỉ số H/W = 2/3 Nên chiều rộng bể là W = 6 m Chiều dài của bể : 5.Tính bể trộn cơ khí : Lưu lượng vào : Q = 500 m3/ng.đ. Thời gian lưu t = 30 – 60 (s) . Chọn thời gian lưu là 60 s . 5.1. Thể tích bể trộn : Nên chọn kích thước bể là : 0.650.650.83 ( m ) . Chọn chiều cao bảo vệ là: hbv = 0.5 (m ). Chiều cao thật của bể là: H = 0.83 + 0.5 = 1.33 (m). Kích thước thật của bể : 0.650.651.33 ( m ) Oáng dẫn nước đi váo đáy bể . Dung dịch phèn Al2(SO4)3 cho vào ngay ở cửa ống nước vào bể. Trộn và đi từ dưới lên qua máng tràn đi vào bể tạo bông . Dùng cánh khuấy tuabin 4 cánh nghiêng góc 450 hướng lên trên. Khoảng cách mép ngoài của cánh khuấy so với tường là 0.1m. Năng lượng khuấy : Bảng 1: Các giá trị G cho trộn nhanh. Thời gian trộn t (s). Gradien G (s-1). 0.5 ( trộn đường ống ) 3500 10 – 20 1000 20 – 30 900 30 – 40 800 >40 700 Trong đó: Gradien vận tốc chọn bằng 750 (s-1), do thời gian trộn là 60s Ở 25oC tra = 0.789.10-3 (N.s/m2). Suy ra: P = 0.789.10-3.7502.0,35 P = 135.314 (w). Hệ số truyền động ( hiệu suất khuấy ) = 80%. Nên công suất của moteur: Đường kính cánh khuấy khi không có tấm chặn: Bảng giá trị Kt : Loại cánh Giá trị Kt Chân vịt 3 lưỡi 0.32 Tua bin 4 cánh phẳng 6.3 Tua bin 6 cánh phẳng 6.3 Tua bin 6 cánh cong 4.8 Tua bin quạt 6 cánh. 1.65 Bản phẳng, 2 cánh D/W = 4 2.25 Bản phẳng, 2 cánh D/W = 6 1.6 Bản phẳng, 2 cánh D/W = 8 1.15 Trong đó: P = 169.143 (w). K = 1.65 đối với loại tuabin quạt 6 cánh. Điều kiện : Đường kính cánh khuấy D ½ chiều rộng bể. D ½ . 0.65 = 0.325 Trong bể đặt 4 tấm chặn, nhằm ngăn chuyển động xoáy của nước: cao 1.33 m , rộng 0.065 m ( bằng 1/10 đường kính bể ). Chọn số vòng quay cánh khuấy n = 200 (v/ph) = 33 (v/s). = 0.31(m). Máy khuấy đặt cách đáy h = D = 0.31 (m). Chiều rộng cánh: R = 1/5.D = 1/5 . 0.31 = 0.062 (m). Chiều dài cánh khuấy: d = ¼ . D = ¼ . 0.31 = 0.08 (m). Nước từ bể trộn qua bể tạo bông với vận tốc từ 0.8 – 1 m/s. Do có trộn hóa chất keo tụ nên nước từ bể trộn sang bể phản ứng không vượt quá một phút. Nên chọn thời gian di chuyển là t = 8 (s). Thể tích ống dẫn : Vận tốc trong ống dẫn là 0.8 (m/s). Diện tích mặt cắt ngang ống dẫn: Đường kính ống : Chiều dài của ống: Chọn chiều dày bể là 20 (cm). Dung tích bể hòa trộn phèn: Trong đó : Q: lưu lượng nước xử lý (m3/h). -n: Thời gian giữa hai lần hòa tan phèn lấy như sau: Đối với trạm xử lý có công suất : <1200 (m3/nđ). -n = 24 giờ 1200 – 10000 (m3/nđ) -n = 12 giờ 10000 – 50000 (m3/nđ). - n = 8 – 12giờ 50000 (m3/nđ). -n = 6 – 8 giờ 1000000 (m3/nđ). -n = 3 giờ Pp :Liều lượng phèn cho vào nước.(g/m3) = 10% hàm lượng phèn cần để xử lí. -bp: Nồng độ dung dịch phèn trong thùng hòa trộn (%). : Khối lượng riêng của dung dịch. = 1 tấn/m3. Vậy kích thước bể pha phèn là : HBL = 1 0.7 0.7 (m). 5.2. Tính toán bơm định lượng phèn. Lưu lượng dung dịch phèn 10%cầ thiết đưa vào nước trong 1 giờ: Chọn máy bơm định lượng kiểu màng thay đổi từ 0 – 2 (m3/h), áp lực đẩy H = 15m. 5.3. Kho chứa phèn : Diện tích kho chứa: Trong đó: Q: công suất trạm bơm xử lí = 500 (m3/nđ). P: liều lượng phèn tính toán , P = 1000(mg/l). T: thời gian trữ hóa chất trong kho, T15 ngày, chọn T = 20 ngày. :hệ số tính đến diện tích đi lại và thao tác trong kho, = 1.3. Pk: độ tinh khiết của phèn, Pk = 70.%. -h : chiều cao cho phép của hóa chất, đối với phèn nhôm cục, h = 2m. Go: khối lượng riêng của hóa chất, Go = 1.1 tấn/m3. Vậy chọn diện tích kho chứa phèn : F = 24.5 = 9 (m2). 6.Tính bể tạo bông. Thời gian lưu: từ 30 – 60 phút. Chọn t = 50 phút. Thể tích bể: Để quá trính tạo bông xảy ra được tốt và Gradien giảm từ đấu bể đến cuối bể ta chia làm ba bể: mỗi bể V = 5.79 (m3 )với kích thước là 1.71.72.0 (mmm). Tổng chiều dài bể lớn: 1.73 = 5.1 (m). Chọn loại cánh khuấy là cánh guồng gồm một trục quay và 4 bản cánh đặt đối xứng nhau. Đường cánh cách mặt nước và đáy : 0.3(m). Suy ra đường kính cánh guồng D = H – 20.3 = 2 – 0.6 = 1.4 (m). Cánh guồng cách hai mép tường một khoảng : (1.7 – 1.4 )/2 = 0.15 (m). Chiều dài cánh guồng : d = (chiều rộng bể) – 0.152 = 1.7 – 0.3 = 1.4 (m). Chọn chiều rộng bản : 0.1 (m). Diện tích bản cánh khuấy : f = 0.11.4 = 0.14 (m2). Tổng diện tích 4 bản : Fc = 40.14 = 0.56 (m2). Diện tích mặt cắt ngang: Fu = 1.72 = 3.4 (m2). Fc/Fu = 0.56/3.4 = 16.47%. Bán kính bản cánh khuấy : R1 = Dck/2 = 1.4 / 2 = 0.7 (m). R2 = 0.7 – 0.2 = 0.5 (m). Năng lượng tiêu hao cho việc khuấy trộn 1m3 nước là : Buồng phản ứng 1 : Chọn số vòng quay cánh khuấy : n1 = 8 (v/ph). Năng lượng cần thiết cho bể là: Bảng : Giá trị Cd của cánh khuấy : Tỉ số dài / rông Cd 5 20 Vô cùng 1.2 1.5 1.9 Trong đó: Do chiều dài / chiều rộng = 1.4 / 0.1 = 14 nên Cd = 1.38. Diện tích bản cánh khuấy đối xứng: f = 20.14 = 0.28 Vận tốc tương đối của cánh khuấy so với nước: Do có hai bản cánh khuấy ứng với hai bán kính R1 và R2 , nên: Năng lượng cần thiết cho bể là: Năng lượng tiêu hao cho việc khuấy trộn 1m3 nước: Gradien vận tốc : : độ nhớt động học của nước (NS/m2). b.Tương tự ở ngăn 2: Chọn số vòng quay cánh khuấy : n1 = 6 (v/ph). Vận tốc tương đối của cánh khuấy so với nước: Do có hai bản cánh khuấy ứng với hai bán kính R1 và R2 , nên: Năng lượng cần thiết cho bể là: Năng lượng tiêu hao cho việc khuấy trộn 1m3 nước: Gradien vận tốc : : độ nhớt động học của nước (NS/m2). c.Tương tự ở ngăn 3: Chọn số vòng quay cánh khuấy : n1 = 4 (v/ph). Vận tốc tương đối của cánh khuấy so với nước: Do có hai bản cánh khuấy ứng với hai bán kính R1 và R2 , nên: Năng lượng cần thiết cho bể là: Năng lượng tiêu hao cho việc khuấy trộn 1m3 nước: Gradien vận tốc : : độ nhớt động học của nước (NS/m2). Tính lưu lượng qua khe và kích thước khe: Để cho Gradien vận tốc giảm một cách đều đặn ta chọn Gradien vận tốc qua các tường chắn như sau: Tường ngăn giữa ngăn 1 và ngăn 2 là: Năng lượng cần để đạt G12=54.5 (s-1). . Tổn thất áp lực qua tường: Với : Q: lưu lượng = 500 m3/nđ = 5.8 (m3/s). W: Năng lượng cần cho 1 m3 nước (Kw/m3). : trọng lượng riêng của nước = 1000 (kg/m3) Chọn chiều cao khe là: H = 0.04 (m). Lưu lượng qua khe là : Q = mo.B.(2g.H3)1/2 Trong đó : B: chiều ngang của ngăn là 1.7 (m). g: Gia tốc trọng trường = 9.81 (m2/s). H: Chiều cao khe = 0.04 (m). mo: Hệ số lưu lượng. Mà: Với : hn = H – ht = 0.04 – 0.0048 = 0.0352 (m). P = Hn - hn = 3 – 0.0352 = 1.965 (m). Suy ra : Lưu lượng qua khe: Q = 0.19951.7(29.810.043)1/2 = 0.012 (m3/s) Q = 12 (l/s) > 5.8 (l/s). Chọn lại chiếu cao khe: H = 0.02 (m). hn = H – ht = 0.02 – 0.0048 = 0.0152 (m). P = Hn - hn = 2 – 0.0152 = 1.9848 (m). Suy ra : Lưu lượng qua khe: Q = 0.251.7(29.810.023)1/2 = 0.0053 (m3/s) Q = 5.3 (l/s) < 5.8 (l/s). Vậy chọn chiều cao khe là H = 0.022 (m). Diện tích ngang mỗi khe : 0.0221.7(m) = 0.0374 (m2). Chia làm ba lỗ , mỗi lỗ có diện tích ngang = 0.125 (m2). Kích thước mỗi lỗ là: 1012.5 (cm) Tường ngăn giữa ngăn 2 và ngăn 3 là: Năng lượng cần để đạt G12=33 (s-1). . Tổn thất áp lực qua tường: Với : Q: lưu lượng = 500 m3/nđ = 5.8 (m3/s). W: Năng lượng cần cho 1 m3 nước (Kw/m3). : trọng lượng riêng của nước = 1000 (kg/m3) Chọn chiều cao khe là: H = 0.03 (m). Lưu lượng qua khe là : Q = mo.B.(2g.H3)1/2 Trong đó : B: chiều ngang của ngăn là 1.7 (m). g: Gia tốc trọng trường = 9.81 (m2/s). H: Chiều cao khe = 0.03 (m). mo: Hệ số lưu lượng. Mà: Với : hn = H – ht = 0.03 – 0.0018 = 0.0282 (m). P = Hn - hn = 2 – 0.0282 = 1.972 (m). Suy ra : Lưu lượng qua khe: Q = 0.1581.7(29.810.033)1/2 = 0.00618 (m3/s) Q = 6.18 (l/s) > 5.8 (l/s). Chọn lại chiếu cao khe: H = 0.01 (m). hn = H – ht = 0.01 – 0.0018 = 0.0082(m). P = Hn - hn = 2 – 0.0082= 1.9918 (m). Suy ra : Lưu lượng qua khe: Q = 0.22861.7(29.810.013)1/2 = 0.00172 (m3/s) Q = 1.72(l/s) < 5.8 (l/s). Vậy chọn chiều cao khe là H = 0.0283 (m). Diện tích ngang mỗi khe : 0.02831.7(m) = 0.04811 (m2). Chia ra làm ba lỗ , mỗi lỗ có S = 0.016 (m2) Vậy chọn kích thước : 10 16 (cm). Nước từ bể tạo bông sang bể lắng bằng ống tròn : v = 0.15 – 0.3 (m/s) . Chọn v = 0.2 (m/s). Diện tích mặt cắt ngang của máng tràn ra là: S = Q/v = 5.810-3/0.2 = 0.029 (m2). Đường kính ống: Chọn chiều cao bảo vệ : h = 0.4 (m). Chiều cao thực: Ht = 2.4 (m). Kích thước bể tạo bông = 1.7 1.7 2.4 (m). Chọn bề dày bể 20 (cm). 7.Tính toán bể lắng tròn: Thời gian lưu nước : t = 2 – 4 ( h ). Chiều sâu bể : 3 – 5 (m). Tỉ số dài / rộng : 3 – 5 Tải trọng bề mặt : 30 – 60 (m3/m2.nđ) SS vào = 250 ( mg/l). tiêu chuẩn nước thải ra loại B : SS ra = 30 (mg/l). Hiệu suất : (250 – 30)/250 = 88%. Chọn tải trọng bề mặt: LA =20 (m3/m2.nđ) Diện tích bề mặt: AL = Q/L = 500 / 20 = 25 (m2). Đường kính bể : Đường kính ống trung tâm: d = 20%.D = 20%*5.65 = 1.13 (m). Tính toán lớp bùn tạo ra : Với lưu lượng Q = 500 (m3/nđ). Dùng phèn Al2(SO4)3.18H2O. Khi cho phèn vào thì phản ứng thủy phân xảy ra : Al2(SO4)3.18H2O + 6 H2O à 2 Al(OH)3 + 3 H2SO4 + 18 H2O 666 g 156 g 1000 mg ? Lượng phèn sử dụng trong một ngày: m1 = Q . hàm lượng phèn . hiệu suất sử dụng phèn m1= 500.1000.10-3 (kg/m3) . 90% m1= 450 (kg). Lượng Al(OH)3 tạo ra tương ứng trong một ngày : Hàm lượng SS bị keo tụ trong một ngày: SS vào = 250 (mg/l). SS ra = 30 (mg/l). Hiệu suất sử lý là : Khối lượng bùn do SS tạo ra là : m2 = 88%.250.10-3(kg/m3).500 m2 =110 (kg). Vậy tổng lượng bùn tạo ra là: m = m1 + m2 m = 105.41 + 110 = 215.41 (kg). Thể tích bùn tạo thành trong một ngày đêm: Trong đó : C là Hàm lượng chất rắn trong bùn chọn 40 (kg/m3). Chiều cao chứa bùn tương ứng : Chọn thời gian rút bùn là: t = 5 (phút) = 300 (s) , 1 ngày 2 lần. Lưu lượng bùn trong một lần rút: Đường kính ống thoát bùn: Chọn vận tốc chảy của bùn là v = 0.5 (m/s). Chiều cao lớp bùn : hb = 0.2(m). Chiều cao đáy đặt ống bùn và thu bùn: ht = 0.2 (m). Chọn chiều cao bể : H = 3 (m). Chiều cao bảo vệ : hbv = 0.4 (m). Chiều cao tổng cộng : Htc = 3 + 0.2 + 0.2 + 0.4 = 3.8 (m). Chiều cao ống trung tâm h = 60% H = 60% .3 = 0.18 (m). Kiểm tra lại thời gian lưu nước : Thể tích phần lắng: Thời gian lưu nước: T = Vl /Q = 72.1724/500 = 3.46 (h) T = 3.46 (h) ( 2 – 4 h ) thỏa điều kiện. Vậy kích thước của bể lắng là : cao = H = 3.8 (m). Đường kính D = 5.65 (m). Cao trình của bể trộn , bể tạo bông , bể lắng được đặt chênh nhau một độ cao là > 0.3m để tạo áp lực cho nước chảy qua dễ dàng. 8.Tính toán lượng vôi sử dụng để trung hòa: Phương trình phản ứng xảy ra: CaO + H2O = Ca(OH)2 56 g 74g Ca(OH)2 + H2SO4 = CaSO4 + H2O 74g 98g Khối lượng H2SO4 tạo thành khi cho phèn vào tạo bông: Khối lượng Ca(OH)2 cần thiết : Khối lượng CaO cần thiết là: 150.56/74 = 113.5 (kg). Hàm lượng phèn sử dụng trong một ngày đêm: Tương tự ta tính được kho chứa vôi: Trong đó: Q: công suất trạm bơm xử lí = 500 (m3/nđ). P: liều lượng phèn tính toán , P = 252(mg/l). T: thời gian trữ hóa chất trong kho, T15 ngày, chọn T = 20 ngày. :hệ số tính đến diện tích đi lại và thao tác trong kho, = 1.3. Pk: độ tinh khiết của phèn, Pk = 70.%. -h : chiều cao cho phép của hóa chất, đối với phèn nhôm cục, h = 2m. Go: khối lượng riêng của hóa chất, Go = 1.1 tấn/m3. Vậy chọn diện tích kho chứa phèn : F = 21.5 = 3 (m2). VI. Tính toán giá thành: 6. 1.Chi phí xây dựng: Kinh phí xây dựng bao gồm toàn bộ kinh phí xây dựng các bể xử lý, khu nhà điều hành, nhà kho, phòng thí nghiệm, hệ thống thoát nước. STT Công trình Thể tích Đơn vị tính. Đơn giá (triệu). Thành tiền (triệu). A PHẦN XÂY DỰNG 01 Hố thu gom 18 m3 1.8 32.4 02 Bể điều hòa 65 m3 1.8 117 03 Bể lắng I 58 m3 1.8 104.4 04 UASB (2 đơn nguyên). 279.3 m3 1.8 502.74 05 Bể Aerotank 312.5 m3 1.8 562.5 06 Bể keo tụ 0.6 m3 1.8 0.6 07 Bể tạo bông 6.94 m3 1.8 12.5 08 Bể lắng II 105.25 m3 1.8 189.45 09 Bể chứa bùn 9 m3 1.8 16.2 10 Bể nén bùn 28.13 m3 1.8 50.634 11 Máy nén bùn 1 cái 12 Nhà điều hành 48 m3 0.9 43.2 Tổng cộng kinh phí đầu tư xây dựng : 1631.584 (triệu VNĐ). 6.2.Chi phí cung cấp máy móc - thiết bị : Bao gồm toàn bộ chi phí mua sắm (trong và ngoài nước) thiết bị, gia công chế tạo thiết bị, hệ thống điện điều khiển, van, đường ống… STT TÊN THIẾT BỊ SỐ LƯỢNG ĐƠN VỊ (triệu) THÀNH TIỀN (triệu) 01 Song chắn rác 25mm 1 1 1 02 Lưới chắn rác 2mm 1 0.5 0.5 03 Bơm nước thải bể thu gom công suất 2 hp 2 8 16 04 Bơm nước thải bể điều hòa công suất 1 hp 2 5 10 05 Máy thổi khí bể điều hòa công suất 1.35 hp 2 20 40 06 Nắp bể UASB 1 0.6 0.6 07 Đầu đốt khí Biogas 1 225 225 08 Bộ tấm hướng dòng trong bể UASB 1 30 30 09 Máng thu nước răng cưa bằng thép bể UASB kích thước 4,4 m; cao 0,19 m, dày 0.03 m ( 2 tấm ) 400kg 0.012 (triệu/kg) 4.8 10 Bơm nước vào bể UASB công suất 1 hp 2 5 5 11 Máy thổi khí bể Aerotank công suất 3 hp 3 máy ( 2 máy hoạt động, 1 máy dự phòng) 25 75 12 Đầu phân phối khí bể Aerotank 36 đĩa 0.1 3.6 13 Máng thu nước răng cưa bằng thép bể lắng II kích thước 17.75 ; dày 0,03 m, cao 0.19 m 809.4 kg thép (khối lượng riêng của thép 8000 kg/m3thép 0.012 (triệu/kg) 9.713 14 Hộp thu váng, bọt bể lắng 1 1.5 1.5 15 Máng thu nước răng cưa bể nén bùn bằng thép dài 10.05m, cao 0,19 m; dày 0,03 m 458.28 kg thép 0.012 (triệu/kg) 5.5 16 Dàn quay bể lắng I, bể lắng II, bể nén bùn, 3 30+ 35 + 25 90 17 Thùng pha dung dịch bằng nhựa, thể tích 1 m3 3 0.2 0.6 18 Bơm định lượng dung dịch 3 5 15 19 Tủ điện điều khiển 1 20 20 22 Hệ thống đường điện kỹ thuật Toàn bộ hệ thống 15 15 23 Hệ thống đường ống công nghệ Toàn bộ hệ thống 15 15 24 Các chi tiết phụ phát sinh 20 Tổng cộng chi phí đầu tư cho thiết bị : 603.813 (triệu đồng.). 6.3 Chi phí xử lý một m3 nước thải : 6.3.1 Chi phí xây dựng : Tổng kinh phí xây dựng hệ thống xử lý nước thải cho phương án 1 là: T = Chi phí xây dựng + Chi phí thiết bị, máy móc = 1631.584 +603.813 = 2235.397 (triệu đồng ). Chi phí xây dựng cơ bản được khấu hao trong 30 năm, chi phí máy móc thiết bị khấu hao trong 15 năm. Vậy tổng chi phí khấu hao : Tkh = = 74.64 (triệu đồng /năm) = 0.2045 (triệu đồng / ngày). 6.3.2 Chi phí hóa chất : Lượng phèn tiêu thụ mỗi ngày là : 500 kg. Vậy chi phí phèn tiêu thụ : H = 500 (kg/ngày )´ 2.000 đồng/kg = 1 ( triệu đồng/ngày) 6.3.3.Nhân công: Số nhân công là : 2người . Lương tháng bình quân : 1 triệu đồng / 1 công nhân. Chi phí nhân công tính cho một ngày : N = 2.000.000/30 = 67.000 đồng/ngày 6.3.4.Chi phí điện năng : Chi phí điện năng D, khoảng 300 đồng / m3, tương ứng 120.000 đồng/ ngày 6.3.5 .Chi phí sửa chưã nhỏ : Chi phí sửa chữa nhỏ hằng năm ước tính bằng 1 % tổng số vốn đầu tư vào công trình xử lý : S = 0,01´ T = 0,01´ 2235.397 triệu = 22.354 triệu đồng / năm = 0.0612 triệu đồng /ngày. = 61 200 đồng / ngày. Tổng chi phí cho một ngày vận hành hệ thống xử lý nước thải : Tvh = D + H + N + S = 120.000 + 1.000.000 + 67.000 +61.200 =1.248.000 (đồng /ngày) Chi phí tính cho 1 m3 nước thải được xử lý : C =( Tkh  + Tvh )/ 500m3 = (204500 + 1258000 )/400 » 2905đồng /m3.ngày