Tài liệu Tính toán, thiết kế hệ thống xử lý nước thải bệnh viện quy mô 500 giường bệnh

TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG KHOA KỸ THUẬT- CÔNG NGHỆ- MÔI TRƯỜNG LÊ HỒNG ĐĂNG TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI BỆNH VIỆN QUY MÔ 500 GIƯỜNG BỆNH KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP An Giang, 5/2011 TRƯỜNG ĐẠI HỌC AN GIANG KHOA KỸ THUẬT- CÔNG NGHỆ- MÔI TRƯỜNG LÊ HỒNG ĐĂNG TÍNH TOÁN, THIẾT KẾ HỆ THỐNG XỬ LÝ NƯỚC THẢI BỆNH VIỆN QUY MÔ 500 GIƯỜNG BỆNH KHÓA LUẬN TỐT NGHIỆP GVHD: Th.s NGUYỄN TRẦN THIỆN KHÁNH K.s NGÔ THÚY AN GVPB: Th.s PHAN TRƯỜNG KHANH Th.s LÊ THANH HÙNG An Giang, 5/2011 Phần tóm tắt Hiện nay, cùng với sự phát triển của xã hội thì cuộc sống của con người ngày càng được nâng cao, cùng với đòi hỏi của cuộc sống như: các dịch vụ khám chữa bệnh, chăm sóc sức khỏe ngày một tăng do người dân ý thức hơn đến việc giữ gìn, bảo vệ sức khỏe của mình. Cũng từ đòi hỏi trên, các trung tâm chăm sóc sức khỏe, cơ sở khám chữa bệnh, bệnh viện mọc lên khắp nơi với số lượng lớn với chất lượng được nâng tầm cao, hiện đại hơn, việc tu sửa, nâng cấp bệnh viện được thực hiện thường xuyên và ngày càng phổ biến. Với xu thế trên thi vấn đề đáng lo ngại đó là việc phát sinh nước thải từ các dịch vụ khám chữa bệnh, nếu không được xử lý một cách cẩn thận sẽ gây nguy hại đến cuộc sống của con người mà hiện nay hầu hết các cơ sở hầu như không có hệ thống xử lý nước thải, hay có nhưng không đạt tiêu chuẩn. Do vậy, việc sử dụng nguồn nước bị ô nhiễm do nước thải từ các bệnh viện là hết sức nguy hiểm do nó mang theo một lượng rất lớn các vi khuẩn, virus gây bệnh. Trước nhu cầu thực tiễn đó nay em làm khóa luận “tính toán, thiết kế hệ thống xử lý nước thải bệnh viện quy mô 500 giường bệnh” nhằm phần nào giảm thiểu những ảnh hưởng trên. Khóa luận sẽ tính toán lưu lượng nước thải bệnh viện trong ngày trên cơ sở tham khảo đặc tính của nước thải và những thông số tiêu chuẩn cho việc tính toán, xử lý, lựa chọn sơ đồ công nghệ tối ưu để thực hiện tính toán và hoàn thành bản vẽ thiết kế. Bên cạnh đó, có thể ước tính sơ bộ các chi phí trong quá trình thực hiện dự án xây dựng hệ thống. Từ đó, giúp chúng ta có sự hiểu biết phần nào về tính toán đầu tư xây dựng một hệ thống xử lý nước thải và nước thải bệnh viện nói chung. DANH SÁCH BẢNG Bảng 2.1: Giá trị tham khảo lượng Chiorine dư và Coliform còn lại trong mẫu. Bảng 3.1: Thành phần và tính chất nước thải ở bệnh viện Đại học Y Dược TP. Hồ Chí Minh năm 2007. Bảng 4.1: Thông số chi tiết các bể. Bảng 4.2 : Tỉ lệ phối liệu dùng để pha trộn 1m3 bê tông. Bảng 4.3: Tính toán các hạng mục công trình. Bảng 4.4:Tính toán các trang thiết bị. Bảng 4.5: Điện năng tiêu thụ các thiết bị. Bảng 4.6: Chi phí sử dụng hóa chất. Bảng 4.7: Số lượng và tiền lương trả cho công nhân vận hành hệ thống xử lý. BẢNG DANH SÁCH CÁC TỪ VIẾT TẮT UASB: upflow anaerobic sludge blanket – bể phân hủy sinh học kỵ khí. Aerotank : bể xử lý sinh học hiếu khí. COD: nhu cầu oxy hóa hóa học. BOD: nhu cầu oxy hóa sinh học. SS: chất rắn lơ lửng. TCVN: tiêu chuẩn Việt Nam. QCVN: quy chuẩn Việt Nam. NT: nước thải. C C xd : chi phí xây dựng. tb : chi phí thiết bị. HC: chi phí hóa chất. ĐN: chi phí điện năng. NC: chi phí nhân công. PW01 : Bơm nước thải từ hố thu đến bể điều hòa. PW02: Bơm nước thải từ bể điều hòa đến bể Aerotank. PW03: Bơm bùn bể lắng. PW04: Bơm định lượng hóa chất. Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Lê Hồng Đăng CHƯƠNG 1: GIỚI THIỆU Cải thiện điều kiện sống, sinh hoạt của con người và bảo vệ môi trường là những vấn đề bức xúc hiện nay ở nước ta nhất là trong giai đoạn thúc đẩy công nghiệp hóa và hội nhập quốc tế. Hiện nay thì việc ô nhiễm môi trường nước bởi nước thải đặc biệt là nước thải bệnh viện đã gây nhiều phản ứng gay gắt cho cuộc sống của người dân do đó phải có phương pháp giải quyết tốt vấn đề nước thải mà trong đó việc đầu tư xây dựng một hệ thống xử lý nước thải là điều hết sức cần thiết. Để xử lý tốt vấn đề về nước thải đòi hỏi công nghệ phù hợp với đặc tính của từng loại và công suất thiết kế cho phù hợp với nhu cầu phát triển của hoạt động sản xuất ở hiện tại và sự phát triển trong tương lai. Cũng từ thực tế đó cho nên em đã chọn đề tài tính toán thiết kế về nước thải bệnh viện nhằm giải tỏa phần nào nhu cầu nóng bỏng của xã hội khi mà việc chăm sóc sức khỏe, khám chữa bệnh đang là một nhu cầu và ngày càng trở nên phổ biến . GVHD: Ths. Nguyễn Trần Thiện Khánh Ks. Ngô Thúy An Trang 1 Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Lê Hồng Đăng CHƯƠNG 2: LƯỢC KHẢO TÀI LIỆU 2.1. Tổng quan về các phương pháp xử lý nước thải Các phương phương pháp xử lý nước thải: Nhìn chung, quá trình xử lý nước thải có thể dụng các biện pháp sau: - Biện pháp cơ học: song chắn rác, lưới chắn rác, bể lắng, bể lọc. - Biện pháp hóa học: dùng phèn làm chất keo tụ, dùng vôi để kiềm hóa nước, cho clo vào nước để khử trùng. - Biện pháp lý học: dùng các tia vật lý để khử trùng nước như tia tử ngoại, sóng siêu âm. Điện phân nước biển để khử muối. - Biện pháp sinh học: sử dụng vi sinh vật chuyển hóa các chất hữu cơ trong nước thải để loại bỏ chúng. 2.1.1. Xử lý nước thải bằng biện pháp cơ học a. Song chắn và lưới chắn rác Song chắn và lưới chắn đặt ở cửa dẫn nước vào công trình thu làm nhiệm vụ loại trừ vật nổi, vật trôi lơ lửng có kích thước lớn trong nước thải để bảo vệ các thiết bị và nâng cao hiệu quả làm sạch của các công trình xử lý. Song chắn rác có cấu tạo gồm các thanh thép tiết diện tròn cỡ 8 hoặc 10, hoặc tiết diện hình chữ nhật kích thước 6 x 50 mm đặt song song với nhau và hàn vào khung thép. Khoảng cách giữa các thanh thép từ 40 ÷ 50 mm. Vận tốc nước chảy qua song chắn khoảng 0,4 ÷ 0,8 m/s. Song chắn rác được nâng thả nhờ ròng rọc hoặc quay tay, bố trí trong ngăn quản lý. Hình dạng song chắc rác có thể là hình chữ nhật, hình vuông hoặc hình tròn. Lưới chắn rác phẳng có cấu tạo gồm một tấm lưới căng trên khung thép. Tấm lưới đan bằng các dây thép đường kính 1 ÷ 1,5 mm, mắt lưới 2 x 2 ÷ 5 x 5 mm. Trong một số trường hợp, mặt ngoài của tấm lưới đặt thêm một tấm lưới nữa có kích thước mặt lưới 25 x 25 mm đan bằng dây thép đường kính 2 – 3 mm để tăng cường khả năng chịu lực của lưới. Vận tốc nước chảy qua băng lưới lấy từ 0,15 ÷ 0,8 m/s. Lưới chắn quay được sử dụng cho các công trình thu cỡ lớn, nguồn nước có nhiều. Cấu tạo gồm một băng lưới chuyển động liên tục qua hai trụ tròn do một động cơ kéo. Tấm lưới gồm nhiều tấm nhỏ nối với nhau bằng bản GVHD: Ths. Nguyễn Trần Thiện Khánh Ks. Ngô Thúy An Trang 2 Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Lê Hồng Đăng lề. Lưới được đan bằng dây đồng hoặc dây thép không gỉ đường kính từ 0,2 ÷ 0,4. Mắt lưới kích thước từ 0,3 x 0,3 mm đến 0,2 x 0,2 mm. Chiều rộng băng lưới từ 2 ÷ 2,5 m. Vận tốc nước chảy qua băng lưới từ 3,5 ÷ 10 cm/s, công suất động cơ kéo từ 2 ÷ 5 kW. b. Bể lắng cát Nhiệm vụ của bể lắng cát là tạo điều kiện tốt để lắng các hạt cát có kích thước lớn hơn hoặc bằng 0,2 mm và tỷ trọng lớn hơn hoặc bằng 2,5; để loại trừ hiện tượng bào mòn các cơ cấu chuyển động cơ khí và giảm lượng cặn nặng tụ lại trong bể tạo bông và bể lắng. c. Lắng Bể lắng có nhiệm vụ làm sạch sơ bộ trước khi đưa nước vào bể lọc để hoàn thành quá trình làm trong nước. Theo chiều dòng chảy, bể lắng được phân thành: bể lắng ngang, bể lắng đứng, bể lắng lớp mỏng và bể lắng trong có lớp cặn lơ lửng. Trong bể lắng ngang, dòng nước thải chảy theo phương ngang qua bể với vận tốc không lớn hơn 16,3 mm/s. Các bể lắng ngang thường được sử dụng khi lưu lượng nước lớn hơn 3.000 m3/ngày. Đối với bể lắng đứng, nước chuyển động theo phương thẳng đứng từ dưới lên đến vách tràn với vận tốc 0,3-0,5 mm/s. Hiệu suất lắng của bể lắng đứng thường thấp hơn bể lắng ngang từ 10 đến 20%. Bể lắng lớp mỏng có cấu tạo giống như bể lắng ngang thông thường, nhưng khác với bể lắng ngang là trong vùng lắng của bể lắng lớp mỏng được đặt thêm các bản vách ngăn bằng thép không gỉ hoặc bằng nhựa. Các bản vách ngăn này nghiêng một góc 450 ÷ 600 so với mặt phẳng nằm ngang và song song với nhau. Do có cấu tạo thêm các bản vách ngăn nghiêng, nên bể lắng lớp mỏng có hiệu suất cao hơn so với bể lắng ngang. Diện tích bể lắng lớp mỏng giảm 5,26 lần so với bể lắng ngang thuần túy. Bể lắng trong có lớp cặn lơ lửng có ưu điểm là không cần xây dựng bể phản ứng, bởi vì quá trình phản ứng và tạo bông kết tủa xảy ra trong điều kiện keo tụ tiếp xúc, ngay trong lớp cặn lơ lửng của bể lắng. Hiệu quả xử lý cao hơn các bể lắng khác và tốn ít diện tích xây dựng hơn. Tuy nhiên, bể lắng trong có cấu tạo phức tạp, kỹ thuật vận hành cao. Vận tốc nước đi từ dưới lên ở vùng lắng nhỏ hơn hoặc bằng 0,85 mm/s và thời gian lưu nước khoảng 1,5 – 2 giờ. GVHD: Ths. Nguyễn Trần Thiện Khánh Ks. Ngô Thúy An Trang 3 Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Lê Hồng Đăng d. Lọc Bể lọc được dùng để lọc một phần hay toàn bộ cặn bẩn có trong nước tùy thuộc vào yêu cầu đối với chất lượng nước của các đối tượng dùng nước. Quá trình lọc nước là cho nước đi qua lớp vật liệu lọc với một chiều dày nhất định đủ để giữ lại trên bề mặt hoặc giữa các khe hở của lớp vật liệu lọc các hạt cặn và vi trùng có trong nước. Sau một thời gian làm việc, lớp vật liệu lọc bị chít lại, làm tăng tổn thất áp lực, tốc độ lọc giảm dần. Để khôi phục lại khả năng làm việc của bể lọc, phải thổi rửa bể lọc bằng nước hoặc gió, nước kết hợp để loại bỏ cặn bẩn ra khỏi lớp vật liệu lọc. Tốc độ lọc là lượng nước được lọc qua một đơn vị diện tích bề mặt của bể lọc trong một đơn vị thời gian (m/h). Chu kỳ lọc là khoảng thời gian giữa hai lần rửa bể lọc T (h). Để thực hiện quá trình lọc nước có thể sử dụng một số loại bể lọc có nguyên tắc làm việc, cấu tạo lớp vật liệu lọc và thông số vận hành khác nhau. Thiết bị lọc có thể được phân loại theo nhiều cách khác nhau: theo đặc tính như lọc gián đoạn và lọc liên tục; theo dạng của quá trình như làm đặc và lọc trong; theo áp suất trong quá trình lọc như lọc chân không (áp suất 0,085 MPa), lọc áp lực (từ 0,3 đến 1,5 MPa) hay lọc dưới áp suất thủy tĩnh của cột chất lỏng; … Trong các hệ thống xử lý nước thải công suất lớn không cần sử dụng các thiết bị lọc áp suất cao mà dùng các bể lọc với vật liệu lọc dạng hạt. Vật liệu lọc có thể sử dụng là cát thạch anh, than cốc, hoặc sỏi nghiền, thậm chí cả than nâu hoặc than gỗ. Việc lựa chọn vật liệu lọc tùy thuộc vào loại nước thải và điều kiện địa phương. Quá trình lọc xảy ra theo những cơ chế sau: - Sàng lọc để tách các hạt rắn hoàn toàn bằng nguyên lý cơ học; - Lắng trọng lực; - Giữ hạt rắn theo quán tính; - Hấp phụ hóa học; - Hấp phụ vật lý; - Quá trình dính bám; - Quá trình lắng tạo bông. Thiết bị lọc với lớp hạt có thể được phân loại thành thiết bị lọc chậm, thiết bị lọc nhanh, thiết bị lọc hở và thiết bị lọc kín. Chiều cao lớp vật liệu lọc GVHD: Ths. Nguyễn Trần Thiện Khánh Ks. Ngô Thúy An Trang 4 Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Lê Hồng Đăng trong thiết bị lọc hở dao động trong khoảng 1-2 m và trong thiết bị lọc kín từ 0,5 – 1 m. 2.1.2. Xử lý nước thải bằng phương pháp hóa lý a. Clo hóa sơ bộ Clo hóa sơ bộ là quá trình cho clo vào nước trước bể lắng và bể lọc. Clo hóa sơ bộ có tác dụng tăng thời gian khử trùng khi nguồn nước nhiễm bẩn nặng, oxy hóa sắt hòa tan ở dạng hợp chất hữu cơ, oxy hóa mangan hòa tan để tạo thành các kết tủa tương ứng, oxy hóa các chất hữu cơ để khử màu, ngăn chặn sự phát triển của rong, rêu, phá hủy tế bào của các vi sinh sản ra chất nhầy nhớt trên mặt bể lọc. b. Keo Tụ - Tạo Bông Trong nước thải, một phần các hạt thường tồn tại ở dạng các hạt keo mịn phân tán, kích thước của hạt thường dao động trong khoảng 0,1 đến 10 m. Các hạt này không nổi cũng không lắng, và do đó tương đối khó tách loại. Vì kích thước hạt nhỏ, tỷ số diện tích bề mặt và thể tích của chúng rất lớn nên hiện tượng hóa học bề mặt trở nên rất quan trọng. Theo nguyên tắc, các hạt nhỏ trong nước có khuynh hướng keo tụ do lực hút VanderWaals giữa các hạt. Lực này có thể dẫn đến sự dính kết giữa các hạt ngay khi khoảng cách giữa chúng đủ nhỏ nhờ va chạm. Sự va chạm xảy ra do chuyển động Brown và do tác động của sự xáo trộn. Tuy nhiên, trong trường hợp phân tán keo, các hạt duy trì trạng thái phân tán nhờ lực đẩy tĩnh điện vì bề mặt các hạt mang tích điện, có thể là điện tích âm hoặc điện tích dương nhờ sự hấp thụ có chọn lọc các ion trong dung dịch hoặc sự ion hóa các nhóm hoạt hóa. Trạng thái lơ lửng của các hạt keo được bền hóa nhờ lực đẩy tĩnh điện. Do đó, để phá tính bền của hạt keo cần trung hòa điện tích bề mặt của chúng, quá trình này được gọi là quá trình keo tụ. Các hạt keo đã bị trung hòa điện tích có thể liên kết với những hạt keo khác tạo thành bông cặn có kích thước lớn hơn, nặng hơn và lắng xuống, quá trình này được gọi là quá trình tạo bông. Quá trình thủy phân các chất keo tụ và tạo thành bông cặn xảy ra theo các giai đoạn sau: Me3+ + HOH Me(OH)2+ + H+ Me(OH)2+ +HOH Me(OH)+ +H+ Me(OH)+ + HOH Me(OH)3 + H+ GVHD: Ths. Nguyễn Trần Thiện Khánh Ks. Ngô Thúy An Trang 5 Khóa luận tốt nghiệp Me3+ + HOH SVTH: Lê Hồng Đăng Me(OH)3 + 3H+ Những chất keo tụ thường dùng nhất là các muối sắt và muối nhôm như: Al2(SO4)3, Al2(SO4)3.18H2O, NaAlO2, Al2(OH)5Cl, KAl(SO4)2.12H2O, NH4Al(SO4)2.12H2O FeCl3, Fe2(SO4)2.2H2O, Fe2(SO4)2.3H2O, Fe2(SO4)2.7H2O Muối Nhôm Trong các loại phèn nhôm, Al2(SO4)3 là loại được dùng rộng rãi nhất do có tính hòa tan tốt trong nước, chi phi thấp và hoạt động có hiệu quả trong khoảng pH = 5,0 – 7,5. Quá trình điện ly và thủy phân Al2(SO4)3 xảy ra như sau: Al3+ + H2O = AlOH2+ + H+ AlOH2+ + H2O = Al(OH)2+ + H+ Al(OH)2+ + H2O = Al(OH)3 + H+ Al(OH)3 + H2O = Al(OH)4- + H+ Ngoài ra, Al2(SO4)3 có thể tác dụng với Ca(HCO3)2 trong nước theo phương trình phản ứng sau: Al2(SO4)3 + 3Ca(HCO3)2 = Al(OH)3 + 3CaSO4 + 6CO2 Trong phần lớn các trường hợp, người ta sử dụng hỗn hợp NaAlO2 và Al2(SO4)3 theo tỷ lệ (10:1) – (20:1). Phản ứng xảy ra như sau: 6NaAlO2 + Al2(SO4)3 + 12H2O = 8Al(OH)3 + 3Na2SO4. Việc sử dụng hỗn hợp muối trên cho phép mở rộng khoảng pH tối ưu của môi trường cũng như tăng hiệu quả quá trình keo tụ tạo bông. Muối Sắt Các muối sắt được sử dụng làm chất keo tụ có nhiều ưu điểm hơn so với các muối nhôm do: - Tác dụng tốt hơn ở nhiệt độ thấp; - Có khoảng giá trị pH tối ưu của môi trường rộng hơn; - Độ bền lớn; GVHD: Ths. Nguyễn Trần Thiện Khánh Ks. Ngô Thúy An Trang 6 Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Lê Hồng Đăng Tuy nhiên, các muối sắt cũng có nhược điểm là tạo thành phức hòa tan có màu do phản ứng của ion sắt với các hợp chất hữu cơ. Quá trình keo tụ sử dụng muối sắt xảy ra do các phản ứng sau: FeCl3 + 3H2O =Fe(OH)3 + HCl Fe2(SO4)3 + 6H2O =Fe(OH)3 + 3H2SO4 Trong điều kiện kiềm hóa: 2FeCl3 + 3Ca(OH)2 =Fe(OH)3 + 3CaCl2 FeSO4 + 3Ca(OH)2 = 2Fe(OH)3 + 3CaSO4 Chất Trợ Keo Tụ Để tăng hiệu quả quá trình keo tụ tạo bông, người ta thường sử dụng các chất trợ keo tụ (flucculant). Việc sử dụng chất trợ keo tụ cho phép giảm liều lượng chất keo tụ, giảm thời gian quá trình keo tụ và tăng tốc độ lắng của các bông keo. Các chất trợ keo tụ nguồn gốc thiên nhiên thường dùng là tinh bột, dextrin (C6H10O5)n, các ete, cellulose, dioxit silic hoạt tính (xSiO2.yH2O). Các chất trợ keo tụ tổng hợp thường dùng là polyacrylamit (CH2CHCONH2)n. Tùy thuộc vào các nhóm ion khi phân ly mà các chất trợ đông tụ có điện tích âm hoặc dương như polyacrylic acid (CH2CHCOO)n hoặc polydiallyldimetyl-amon. c. Khử trùng nước Sau các quá trình xử lý cơ học, nhất là nước sau khi qua bể lọc, phần lớn các vi trùng đã bị giữ lại. Song để tiêu diệt hoàn toàn các vi trùng gây bệnh, cần phải tiến hành khử trùng nước. Hiện nay có nhiều biện pháp khử trùng có hiệu quả như: khử trùng bằng các chất oxy hóa mạnh, các tia vật lý, siêu âm, phương pháp nhiệt, ion kim loại nặng,… - Khử trùng bằng Clo và các hợp chất của Clo Clo là một chất oxy hóa mạnh ở bất cứ dạng nào. Khi Clo tác dụng với nước tạo thành axit hypoclorit (HOCl) có tác dụng diệt trùng mạnh. Khi cho Clo vào nước, chất diệt trùng sẽ khuếch tán xuyên qua vỏ tế bào vi sinh vật và gây phản ứng với men bên trong của tế bào, làm phá hoại quá trình trao đổi chất dẫn đến vi sinh vật bị tiêu diệt. Khi cho Clo vào nước, phản ứng diễn ra như sau: Cl2 + H2O = HOCl + HCl GVHD: Ths. Nguyễn Trần Thiện Khánh Ks. Ngô Thúy An Trang 7 Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Lê Hồng Đăng Hoặc có thể ở dạng phương trình phân ly: Cl2 + H2O = H+ + OCl+ + ClKhi sử dụng Clorua vôi, phản ứng diễn ra như sau: Ca(OCl)2 + H2O = CaO + 2HOCl 2HOCl = 2H+ + 2OClBảng 2.1: Giá trị tham khảo lượng Chiorine dư và Coliform còn lại trong mẫu Hàm lượng Chlorine sử dụng (mg/l) Chỉ tiêu pH Mẫu 5 7 9 11 13 15 7,04 7,10 7,15 7,18 7,23 7,25 7,30 0 0,30 0,35 0,45 0,60 0,80 1,15 4,3×104 2300 1500 970 600 300 210 Chlorine dư (mg/l) Coliform ( MNP/100ml) Nguồn: Lê Đăng Hải, 2007. - Dùng ozone để khử trùng Ozone là một chất khí có màu ánh tím ít hòa tan trong nước và rất độc hại đối với con người. Ở trong nước, ozone phân hủy rất nhanh thành oxy phân tử và nguyên tử. Ozone có tính hoạt hóa mạnh hơn Clo, nên khả năng diệt trùng mạnh hơn Clo rất nhiều lần. Thời gian tiếp xúc rất ngắn do đó diện tích bề mặt thiết bị giảm, không gây mùi vị khó chịu trong nước. - Khử trùng bằng tia cực tím (UV) Tia cực tím là tia bức xạ điện từ có bước sóng khoảng 4 – 400 nm, có tác dụng diệt trùng rất mạnh. Dùng các đèn bức xạ tử ngoại, đặt trong dòng chảy của nước. Các tia cực tím phát ra sẽ tác dụng lên các phân tử protit của tế bào vi sinh vật, phá vỡ cấu trúc và mất khả năng trao đổi chất, vì thể chúng sẽ bị tiêu diệt. Hiệu quả khử trùng chỉ đạt được triệt để khi trong nước không có các chất hữu cơ và cặn lơ lửng. Sát trùng bằng tia cực tím không làm thay đổi mùi, vị của nước. - Khử trùng bằng siêu âm GVHD: Ths. Nguyễn Trần Thiện Khánh Ks. Ngô Thúy An Trang 8 Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Lê Hồng Đăng Dòng siêu âm với cường độ tác dụng không nhỏ hơn 2W/cm2 trong khoảng thời gian trên 5 phút có khả năng tiêu diệt toàn bộ vi sinh vật trong nước. - Khử trùng bằng ion bạc Ion bạc có thể tiêu diệt phần lớn vi trùng có trong nước. Với hàm lượng 2–10 ion g/l đã có tác dụng diệt trùng. Tuy nhiên, hạn chế của phương pháp này là: nếu trong nước có độ màu cao, có chất hữu cơ, có nhiều loại muối,…thì ion bạc không phát huy được khả năng diệt trùng. Ngoài ra, hiện nay người ta còn kết hợp những tác nhân oxy hóa ở trên lại với nhau tạo ra những quá trình oxy hóa bậc cao như: O3/H2O2, O3/UV, H2O2/UV,…giúp quá trình oxy hóa triệt để hơn và từ đó khử trùng triệt để các vi khuẩn, virut gây bệnh. 2.1.3. Xử lý nước bằng biện pháp sinh học Sử dụng vi sinh vật để loại các chất hữu cơ có trong nước thải và tăng sinh khối, từ đó giúp làm sạch nước. Một số quá trình thường sử dụng làm sạch nước thải như: anoxic, aerotank, UASB, lọc sinh học,… 2.2. Tổng quan về các cấp độ xử lý nước thải 2.2.1. Xử lý cấp I- Tiền xử lý nước thải (xử lý sơ bộ) a. Khảo sát và đánh giá mức độ ô nhiểm Để tiến hành xử lí một nguồn nước thải, trước hết phải biết thành phần các chất gây ô nhiễm và nguồn gốc phát sinh ra chúng. Biết nguồn gốc phát sinh có thể dự đoán thành phần của nước thải, tuy nhiên đó cũng chỉ là dự đoán. Phải phân tích xác định các chỉ tiêu để làm cơ sở cho việc lựa chọn các phương pháp xử lí thích hợp. Việc xác định các chỉ tiêu không chỉ thể tiến hành phân tích một mẫu, với các cơ sở phân tích có uy tín, có thiết bị tin cậy là đủ mà phải phân tích rất nhiều mẫu và chấp nhận sai số hệ thống với mục đích là tìm sự biến thiên của các chỉ số đó trong môi trường. Hiện nay ở nước ta đã có nhiều cơ sở không đáp ứng được yêu cầu xử lí. Nguyên nhân chủ yếu là do chưa có đủ các số liệu thực tế, chính xác nên bài toán sai ngay từ ban đầu. Bên cạnh đó, các nhà thiết kế hầu như lại sao chép nguyên mẫu các tài liệu nước ngoài mà không tính đến các hoàn cảnh cụ thể của nước ta, sâu xa hơn là thiếu sự hiểu biết về các biển đổi lí học, hóa học, sinh học của vật chất. GVHD: Ths. Nguyễn Trần Thiện Khánh Ks. Ngô Thúy An Trang 9 Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Lê Hồng Đăng Việc lấy mẫu quan sát là rất quan trọng. Càng nhiều mẫu càng phản ánh đúng thực trạng nguồn nước. Các mẫu phải đại diện được cho các vị trí trong không gian và thời gian. Một số thông số có thể biến đổi trong quá trình chuyên chở và bảo quản mẫu, vì vậy nếu có các thiết bị đo nhanh tại hiện trường là tốt nhất. Ví dụ như có thể đo pH, nhiệt độ, đọ dẫn, DO, CO2, H2S, NH3,… bằng các thiết bị đo sử dụng các phương pháp đo điện thế, đo màu, đo thể tích. Ưu điểm của các phép đo này là đơn giản, thao tác dễ dàng, có thể đo được nhiều vị trí, cho kết quả tức thời và cho được nhiều dữ liệu. Song các kết quả thu được thường có độ chính xác thấp hơn so với các phương pháp đo được tiến hành ở phòng thí nghiệm. Do vậy vẫn cần phải lấy mẫu và bảo quản mẫu (chủ yếu là nút kín và bảo quản lạnh dưới 10oC) để đưa về phòng thí nghiệm phân tích các thông số quan trọng. Tuy mỗi lần phân tích chỉ dùng chừng 1 – 20 ml nhưng khi lấy mẫu ở hiện trường lại phải lấy thể tích gấp rất nhiều lần số thể tích cần cho một phân tích để hạn chế sai số. Trước khi phân tích, toàn bộ thể tích mẫu đã lấy phải được khuấy trộn đều, sau đó mới lấy ra một mẫu để phân tích. Để kết quả phân tích chính xác, cần phải tiến hành phân tích một số lần. Kết quả chính xác là kết quả có độ lặp lại cao hơn cả. Trên cơ sở những thông số thu được từ kết quả phân tích nhanh và phân tích trong phòng thí nghiệm, cùng với yêu cầu xử lí nước đặt ra, chúng ta mới có thể lựa chọn các bậc xử lí cũng như các phương pháp được sử dụng. b. Phương pháp trung hòa Nước thải có độ pH dưới 6,5 hoặc cao hơn 8,5 phải được trung hòa để thải, hoặc sử dụng cho các công nghệ xử lý tiếp theo. Nguyên tắc chung là thực hiện một phản ứng giữa axit và bazơ . Tùy hoàn cảnh cụ thể, có thể dùng các tác nhân phản ứng thích hợp và thực hiện bằng các cách sau: ƒ Trộn lẫn nước thải axit với nước thải kiềm; ƒ Bổ sung các tác nhân phản ứng; ƒ Lọc nước thải axit đi qua lớp vật liệu lọc có tác dụng trung hòa; ƒ Hấp thụ khí axit bằng dung dịch kiềm hoặc hấp thụ khí amoniac bằng axit. - Trung hòa bằng cách trộn lẫn hai loại nước thải: GVHD: Ths. Nguyễn Trần Thiện Khánh Ks. Ngô Thúy An Trang 10 Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Lê Hồng Đăng Khi có hai nguồn thải ở gần nhau nhưng khác loại nhau (axit và bazơ) nên tận dụng là tốt nhất. Trong trường hợp này, chỉ cần trộn hai dòng nước thải lại với nhau trong một bể có cánh khuấy, hay sục khí và theo dõi pH. Tùy điều kiện thực tế cho phép, có thể lựa chọn tiến hành liên tục hay gián đoạn. - Trung hòa bằng cách bổ sung các tác nhân phản ứng: Đối với axit, sử dụng các tác nhân phản ứng là chất bazơ như vôi (CaO), vôi tôi (Ca(OH)2), xút (NaOH), nước amoniac (NH4OH), hoặc muối của một bazơ mạnh và một axit yếu như soda (Na2CO3), đá vôi (CaCO3),… Trong thực tế, rẻ hơn cả vẫn là dùng đá vôi nếu pH của nước thải thấp và dùng vôi hay sữa vôi (vôi tôi được hòa trộn với nước ở dạng như sữa) nếu pH của nước thải cao hơn. Tuy nhiên, dùng đá vôi hay sữa vôi sẽ xuất hiện các kết tủa tạo bởi một số gốc axit trong nước thải với ion Canxi, ví dụ như tạo ra thạch cao (CaSO4), Canxi phốt phát (Ca3(PO4)2),… Trong trường hợp này, các kết tủa được thu gom và xử lý như chất thải rắn. Đối với bazơ, về nguyên tắc tiến hành sẽ ngược lại với axit, nghĩa là các tác nhân cần dùng ở đây là các axit, thường là axit sunfuric (H2SO4), axit clohydric (HCl), khí cacbonic (CO2). Vì khí cacbonic tồn tại trong không khí nên trong trường hợp môi trường bị ô nhiễm bazơ (pH cao) thường có xu thế giảm dần. Khác với môi trường axit, môi trường bazơ thường khó lan tỏa vì khi gặp một số ion kim loại tồn tại trong tự nhiên, các gốc bazơ (OH-) sẽ tạo các hydroxyt kết tủa, ví dụ: Fe(OH)3, Zn(OH)2, Cu(OH)2,… Đối với các ion kim loại, chủ yếu là các kim loại nặng, được xử lý như axit, nghĩa là dùng bazơ để tạo ra các hydroxyt của kim loại đó kết tủa, hoặc dùng muối tan có gốc axit tạo với kim loại đó một muối không tan. Các kết tủa sau đó được thu gom và xử lý như chất thải rắn. Bazơ thường dùng là vôi sống, vôi tôi (sữa vôi), xút. Muối hay dùng là Na2CO3. - Trung hòa bằng cách lọc qua lớp vật liệu có tác dụng trung hòa: Trường hợp này chủ yếu dùng với môi trường axit. Ví dụ, để trung hòa nước thải có chứa axit clohydric hay axit Nitric (HNO3), người ta cho chảy qua một lớp đá vôi. Có thể lọc từ trên xuống, cũng có thể lọc ngược từ dưới lên và cũng có thể lọc ngang bằng cách cho chảy qua mương đã xếp đá vôi. Nước thải có axit sunfuric cũng áp dụng được như cách trên, song phải định kỳ thu gom xử lý kết tủa sinh ra là sunfat canxi. GVHD: Ths. Nguyễn Trần Thiện Khánh Ks. Ngô Thúy An Trang 11 Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Lê Hồng Đăng - Trung hòa bằng cách hấp thụ các khí thải chứa các oxit axit hoặc axit bay hơi: Nguồn khí thải (CO2, SO2, NO2, N2O3, HCl, HF,…) được cho lội qua một dung dịch kiềm (NaOH) hoặc kiềm thổ (nước vôi). Cũng có thể cho dòng dung dịch kiềm phun mưa đi ngược chiều với dòng khí đi lên, sau đó cho khí thoát ra ngoài qua hệ thống ống khói của nhà máy. c. Phương pháp lắng gạn Nước thải công nghiệp cũng như nước thải sinh hoạt, ngoài các chất tan còn mang theo rất nhiều chất không tan ở dạng rắn hoặc lỏng. Các chất dạng rắn có thể là các vật thô, các hạt rắn có kích thước khác nhau phân bố lơ lửng trong nước tùy thuộc tỉ khối của chúng. Các chất lỏng không hòa tan có thể ở dạng nhũ tương lơ lửng hoặc tách pha nổi lên trên mặt nước. Đối với các vật thô, người ta có thể gạn được qua các song chắn hay lưới chắn. Đối với chất lỏng tách pha nổi lên trên mặt nước, người ta có thể gạn bằng cách hút phần nước ở dưới lớp váng, khi đó chất lỏng được tách ra để xử lý riêng. Kỹ thuật lắng được thực hiện khi không có khả năng gạn. Sự lắng của các hạt xảy ra dưới tác dụng của trọng lực và thời gian. Để tiến hành quá trình lắng, người ta thường dùng các bể lắng với các thiết kế đa dạng nhằm tạo ra hiệu quả lắng tốt nhất, với thời gian nhanh nhất. Nước thải nói chung thường là hệ dị thể, đa phân tán, hợp thể không bền. Trong quá trình lắng, kích thước, mật độ, hình dạng của các hạt và cả tính chất vật lý của hệ bị thay đổi. Khi hòa nhập vào nước thải có thành phần hóa học khác nhau, cũng có thể tạo thành các chất rắn, trong đó có các chất đông tụ. Các quá trình này làm ảnh hưởng tới hình dạng và kích thước hạt, gây phức tạp cho việc thiết lập quy luật của quá trình lắng và thường đòi hỏi nhiều thời gian. d. Phương pháp lắng nhanh Đây là phương pháp mới, ngày nay đang được ứng dụng rộng rãi trong xử lý ô nhiễm môi trường. Nguyên lý cơ bản của phương pháp này là tạo hiện tượng kết bông (Flocculant) và keo tụ (Aronfloc) nhờ những chất hóa học không độc hại và chỉ dùng với hàm lượng ít. Các loại phèn, ví dụ như phèn chua (Al2(SO4)3.K2SO4.24H2O) là loại phèn nhôm đã được dùng phổ biến từ lâu. Trong nước, muối nhôm thủy phân tạo ra nhôm hydroxit (Al(OH)3) ở dạng bông. Các bông này kết tụ các hạt keo, GVHD: Ths. Nguyễn Trần Thiện Khánh Ks. Ngô Thúy An Trang 12 Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Lê Hồng Đăng huyền phù, hoặc nhũ tương lơ lửng trong trạng thái bất ổn định thành những “đám mây” trên một diện tích lớn trong môi trường lỏng, cuối cùng tạo thành một khối đủ nặng để lắng xuống đáy. Do có hiện tượng tách thành hai pha rắn và lỏng rõ rệt nên nước trở nên trong suốt. Hiện nay có một loại hợp chất mới của nhôm có tác dụng như phèn nhôm nhưng có ưu điểm hơn là có hàm lượng nhôm cao hơn và khi hòa tan vào nước không làm giảm pH như các loại phèn khác. Đó là poly nhôm clorua (Polymer Aluminium Clorid gọi tắt là PAC), giá thành của PAC không cao, chỉ đắt hơn phèn chừng khoảng 3 lần và liều lượng dùng nhiều lắm cũng chỉ cần 1 gam cho 1 lít. Khi sử dụng phối hợp phèn và chất keo tụ, hiệu quả làm trong đạt được rất cao và thời gian cũng chỉ cần một vài phút, không những thế trong quá trình lắng, các chất tạo bông còn có khả năng hấp phụ một số chất hòa tan, chất màu,… góp phần xử lý ô nhiễm nước (Trịnh Lê Hùng, 2008). 2.3.2. Xử lý cấp II – Xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học a. Nguyên lý chung của quá trình xử lý nước thải bằng phương pháp sinh học Các phương pháp sinh học được sử dụng để làm sạch nước thải sinh hoạt, cũng như nước thải sản xuất khỏi nhiều chất hữu cơ hòa tan và một số chất vô cơ như H2S, amoniac, nitrit, nitrat,… Phương pháp này dựa trên cơ sở sử dụng hoạt động sống của vi sinh vật để phân hủy các chất hữu cơ gây ô nhiễm hòa tan trong nước thải. Các vi sinh vật sử dụng các chất hữu cơ và một số chất khoáng làm nguồn dinh dưỡng và sinh năng lượng để duy trì hoạt động sống của chúng. Trong quá trình sống, chúng nhận các chất dinh dưỡng để xây dựng tế bào, sinh trưởng và sinh sản nên sinh khối của chúng tăng lên. Quá trình phân hủy các chất hữu cơ nhờ vi sinh vật còn được gọi là quá trình oxy hóa sinh hóa. b. Phân loại phương pháp sinh học dựa vào hoạt động sống của vi sinh vật Phương pháp hiếu khí là phương pháp sử dụng các nhóm vi sinh vật hiếu khí. Để đảm bảo hoạt động sống của chúng cần cung cấp oxy liên tục và duy trì nhiệt độ khoảng từ 20 đến 400C. Phương pháp yếm khí là phương pháp sử dụng các vi sinh vật yếm khí. Tùy theo yêu cầu xử lý, người ta tiến hành theo phương pháp hiếu khí hoặc yếm khí, hoặc phối hợp cả hai phương pháp. GVHD: Ths. Nguyễn Trần Thiện Khánh Ks. Ngô Thúy An Trang 13 Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Lê Hồng Đăng c. Các phương pháp hiếu khí - Xử lý trong các bể aerotank: Trong quá trình hiếu khí, các vi sinh vật sinh trưởng ở trạng thái huyền phù. Quá trình làm sạch trong aerotank diễn ra theo mức dòng chảy qua của hỗn hợp nước thải và bùn hoạt tính được sục khí. Việc sục khí ở đây để đảm bảo các yêu cầu: làm nước được bão hòa oxy và duy trì bùn hoạt tính ở trạng thái lơ lửng. - Lọc sinh học: Bể lọc sinh học là một thiết bị phản ứng sinh học trong đó các vi sinh vật sinh trưởng cố định trên lớp màng bám của vật liệu lọc (môi trường lọc). Thường nước thải được tưới từ trên xuống qua lớp vật liệu lọc bằng đá hoặc các vật liệu khác nhau, vì vậy người ta còn gọi hệ thống này là bể lọc nhỏ giọt (trickling fillter). - Hồ sinh học: Còn được gọi là hồ oxy hóa hoặc hồ ổn định. Đó là một chuỗi gồm từ 3 đến 5 hồ. Nước thải chảy qua hệ thống hồ trên với một vận tốc không lớn. Trong hồ, nước thải được làm sạch bằng các quá trình tự nhiên bao gồm cả tảo và các vi khuẩn nên tốc độ oxy hóa chậm đòi hỏi thời gian lưu thủy lượng lớn (30 đến 50 ngày). Để hồ sinh học hoạt động tốt cần duy trì pH và nhiệt độ ở giá trị tối ưu. d. Các phương pháp yếm khí - Bể yếm khí: Quá trình phân hủy các chất hữu cơ trong điều kiện kị khí do một quần thể vi sinh vật (chủ yếu là vi khuẩn) hoạt động không cần sự có mặt của oxi không khí, sản phẩm cuối cùng là một hỗn hợp khí có CH4, CO2, N2, H2… Trong đó có tới 65% là CH4 (khí metan). Vì vậy, quá trình này còn được gọi là lên men metan và quần thể vi sinh vật ở đây được gọi tên chung là các vi sinh vật metan . - Hồ yếm khí: Đặc tính của nước thải xử lý bằng phương pháp yếm khí là có hàm lượng chất hữu cơ cao, cụ thể là protein, mỡ, có nhiệt độ tương đối cao, không chứa các chất độc và đủ các chất dinh dưỡng. Hồ yếm khí đã được ứng dụng thành công trong xử lý nước thải ở các lò chế biến thịt có hàm lượng BOD đến 1400 mg/l, hàm lượng dầu mỡ đến 500 mg/l và pH trung tính. 2.3.3. Xử lý cấp III – Vi xử lý a. Phương pháp hấp phụ Là phương pháp sử dụng vật liệu hấp phụ để tạo ra lực liên kết giữa những chất tồn tại trong môi trường nước lên bề mặt vật liệu hấp phụ từ đó GVHD: Ths. Nguyễn Trần Thiện Khánh Ks. Ngô Thúy An Trang 14 Khóa luận tốt nghiệp SVTH: Lê Hồng Đăng loại bỏ triệt để những phần còn lại trong nước thải. Những vật liệu có tính hấp phụ thường được dùng là: than hoạt tính, bentonit,… b. Phương pháp trao đổi ion Phương pháp này dựa trên cơ sở lợi dụng khả năng trao đổi ion của một số hợp chất cao phân tử thiên nhiên và nhân tạo gọi là ionit. Với việc lựa chọn những chất trao đổi ion thích hợp, người ta có thể loại bỏ hết tất cả các cation và anion có trong nước làm cho nước trở nên tinh khiết. c. Phương pháp lọc màng Kỹ thuật ngày nay cho phép chế tạo được các màng lọc có kích thước nhỏ đến mức chỉ cho phép giới hạn những phân tử có kích thước phù hợp mới đi qua được màng. Trong dung dịch nước, phân tử hoặc ion các chất hòa tan không đứng độc lập mà tồn tại dưới dạng hydrat hóa cho nên muốn cho phân tử nước đi qua lỗ nhỏ của màng phải tác động một lực để phá vỡ những liên kết này do đó cần phải tạo ra sự chênh lệch áp suất trên hai phía bề mặt của màng bằng bơm áp lực. d. Phương pháp oxy hóa – khử Để làm sạch nước thải, người ta có thể sử dụng các chất oxy hóa như clo (Cl2) ở dạng khí hay lỏng, nước Giaven, clorua vôi (CaOCl2), thuốc tím (KMnO4), hydropeoxit còn gọi là nước oxy (H2O2), ozon (O3), oxy nguyên chất hoặc oxy già của không khí,… Nhờ chất oxy hóa đưa vào nước thải, phản ứng oxy hóa – khử đã xảy ra chuyển các chất độc hại thành các chất ít độc hại hơn. Phản ứng phụ thuộc vào hoạt độ của chất oxy hóa (Trịnh Lê Hùng, 2008). e. Phương pháp diệt khuẩn Để đạt được tiêu chuẩn vệ sinh của nước sau xử lý cần có thêm hệ thống diệt khuẩn (khử trùng). Phương pháp truyền thống là sử dụng các chất sát trùng. Các chất sát trùng thường sử dụng là các chất oxy hóa mạnh như khí clo, nước Giaven, thuốc tím, nước oxy, cloamin, TCCA (tricloxyanuric axit),… Ngày nay, để hạn chế tác dụng phụ, xu thế đang được thay bằng các chất hóa học ít độc hại hơn bằng các phương pháp vật lý. Đó là sục khí có chứa ozon, khí có chứa các ion âm hoặc chiếu tia cực tím, hoặc lọc qua màng lọc vi khuẩn (Lương Đức Phẩm, 2007). GVHD: Ths. Nguyễn Trần Thiện Khánh Ks. Ngô Thúy An Trang 15