Xử lý nước, công nghệ xử lý nước là một tuyến phòng thủ thiết yếu để loại bỏ các chất gây ô nhiễm và vi khuẩn trước khi cung cấp nguồn cung cấp nước sạch, uống được cho người tiêu dùng. Nguồn nước có thể bị ô nhiễm do đó cần có biện pháp xử lý thích hợp để loại bỏ các tác nhân gây bệnh. Hệ thống nước uống công cộng sử dụng nhiều phương pháp khác nhau để cung cấp nước uống an toàn cho cộng đồng của họ. Tùy thuộc vào châu lục, quốc gia và khu vực, các hệ thống xử lý nước khác nhau có thể được vận hành tùy thuộc vào các quy định của khu vực và nguồn nước thô đầu vào. Bài viết dưới đây cung cấp một cái nhìn tổng quan về các nguyên tắc cơ bản của xử lý nước và các quy trình và công nghệ liên quan.
Xử lý nước: bắt chước chu trình thủy văn của trái đất
Nội dung
Xử lý nước là gì?
Duy trì xử lý nước để đảm bảo nguồn cung cấp sạch đáp ứng dân số toàn cầu ngày càng tăng đã là một thách thức liên tục trong suốt lịch sử loài người.
Nhờ những phát triển công nghệ đáng kể trong xử lý nước, bao gồm cả giám sát và đánh giá, nước uống chất lượng cao có thể được cung cấp và sử dụng trên khắp thế giới. Tái tạo chu trình thủy văn của trái đất, trong đó nước liên tục được tái chế, việc xử lý cho phép làm sạch cùng một loại nước thông qua một số quá trình tự nhiên.
Để đảm bảo chúng không gây nguy hiểm cho sức khỏe, gần như tất cả các nguồn nước đều cần được xử lý trước khi có thể tiêu thụ. Nhiều hệ thống xử lý được thiết kế để loại bỏ ô nhiễm vi sinh và các thành phần vật lý, bao gồm cả chất rắn lơ lửng (độ đục). Sau đó, giai đoạn khử trùng cuối cùng gần như luôn được đưa vào cuối quá trình xử lý để giúp khử hoạt tính của bất kỳ vi sinh vật nào còn sót lại. Nếu một chất khử trùng dai dẳng, chẳng hạn như clo, được thêm vào, chất này cũng có thể hoạt động như một chất tồn dư để giúp ngăn chặn sự tái sinh sinh học trong quá trình lưu trữ hoặc phân phối nước trong các hệ thống lớn hơn.
Xử lý nước bao gồm nhiều giai đoạn
Điều này có thể bao gồm việc xử lý sơ bộ ban đầu bằng cách lắng hoặc thông qua sử dụng môi trường thô, lọc tiếp theo là khử trùng bằng clo, được gọi là nguyên tắc nhiều rào cản. Loại thứ hai cho phép xử lý nước hiệu quả và cho phép từng giai đoạn xử lý và chuẩn bị nước đạt chất lượng phù hợp cho quá trình hạ nguồn tiếp theo. Ví dụ, lọc có thể chuẩn bị nước để đảm bảo nó phù hợp với khử trùng bằng tia cực tím (tia cực tím).
Tùy thuộc vào chất lượng và loại nước vào nhà máy nước, việc xử lý có thể khác nhau. Ví dụ, xử lý nước ngầm hoạt động lấy nước từ các nguồn bên dưới mặt đất như các tầng chứa nước và suối. Các nguồn này có xu hướng tương đối sạch so với nước bề mặt, với ít bước xử lý nước hơn.
Công trình xử lý nước mặt lấy nước từ các nguồn trên mặt đất như sông, hồ, hồ chứa. Nước thô này phải chịu đầu vào trực tiếp từ môi trường. Do đó, cần phải có nhiều bước xử lý và các quy trình riêng lẻ được yêu cầu sẽ cho phép cấu hình các kết hợp khác nhau để làm sạch và cuối cùng là khử trùng nước đã được chiết xuất.
Một số nguồn cung cấp nước có thể chứa các sản phẩm phụ khử trùng, hóa chất vô cơ, hóa chất hữu cơ và hạt nhân phóng xạ. Do đó, các phương pháp xử lý nước chuyên dụng cũng có thể là một phần của quá trình xử lý nước để giúp kiểm soát sự hình thành và loại bỏ.
Hơn nữa, theo các quy định mới, các giới hạn chặt chẽ hơn có thể được đặt ra đối với các hóa chất gây rối loạn nội tiết cũng như giới hạn chì giảm đi một nửa.
Quá trình xử lý nước như thế nào?
Đông tụ, tạo bông và lắng là các quá trình được sử dụng để loại bỏ màu, độ đục, tảo và các vi sinh vật khác khỏi nước bề mặt.
Các chất đông tụ hóa học có thể được thêm vào nước để tạo kết tủa, hoặc tạo bông để cuốn theo các tạp chất này. Sau khi lắng và / hoặc lọc, bông cặn được tách ra khỏi nước đã xử lý
Sunfat nhôm và sunphat sắt là hai trong số những chất đông tụ được sử dụng phổ biến nhất, mặc dù những chất khác đều có sẵn. Chất lượng nước thô gần đầu vào của bể trộn hoặc thiết bị tạo bông xác định tốc độ chất đông tụ trong dung dịch.
Bằng cách thêm chất đông tụ ở điểm có độ hỗn loạn cao, chất này được phân tán nhanh chóng và triệt để khi định lượng. Công đoạn tiếp theo là bể lắng. Tại đây, sự kết tụ của các bông sẽ lắng xuống tạo thành bùn cần được loại bỏ.
Một trong những ưu điểm của phương pháp đông tụ là nó làm giảm thời gian cần thiết để lắng cặn lơ lửng. Hơn nữa, nó có thể rất hiệu quả trong việc loại bỏ các hạt mịn rất khó loại bỏ.
Chi phí và yêu cầu về định lượng chính xác, trộn kỹ lưỡng và giám sát thường xuyên, thường được coi là những nhược điểm chính của việc sử dụng chất đông tụ để xử lý các nguồn cung cấp nhỏ. Các xét nghiệm đông tụ trên thang đo có thể được sử dụng để xác định loại chất đông tụ nào sẽ sử dụng cho một loại nước thô cụ thể.
Do đó, để loại bỏ màu và độ đục, đông tụ và tạo bông được coi là kỹ thuật xử lý hiệu quả nhất. Tuy nhiên, đối với các nguồn cung cấp nước nhỏ, chúng có thể không phù hợp. Điều này là do mức độ kiểm soát cần thiết và khối lượng bùn tạo ra.
Tìm hiểu thêm về quá trình xử lý nước tại đâySáu công nghệ xử lý nước cần thiết
Cần có nhiều công nghệ xử lý nước để làm việc cùng nhau theo trình tự để lọc sạch nước thô trước khi được phân phối. Dưới đây là danh sách các công nghệ cơ bản thường được sử dụng trong các công trình xử lý nước.
Màn
Các lưới lọc được sử dụng trên nhiều cửa hút nước bề mặt để loại bỏ vật chất dạng hạt và mảnh vụn ra khỏi nước thô. Cỏ dại và mảnh vụn có thể được loại bỏ bằng cách sử dụng lưới lọc thô, trong khi các hạt nhỏ hơn bao gồm cá có thể được loại bỏ bằng lưới chắn băng và lưới lọc vi mô. Trước quá trình đông tụ hoặc quá trình lọc tiếp theo, các microstrainers được sử dụng như một phương pháp tiền xử lý để giảm tải chất rắn.
Bộ lọc sỏi
Độ đục và tảo có thể được loại bỏ bằng cách sử dụng bộ lọc sỏi, bao gồm một kênh hình chữ nhật hoặc một bể được chia thành nhiều phần và chứa đầy sỏi đã phân loại (kích thước từ 4 đến 30mm). Một buồng phân phối đầu vào cho phép nước thô đi vào và chảy theo chiều ngang qua bể, đầu tiên gặp phần thô và sau đó là sỏi mịn hơn. Một ngăn đầu ra thu gom nước đã lọc với các chất rắn được loại bỏ khỏi nước thô tích tụ trên sàn của bộ lọc.
Bộ lọc cát chậm
Độ đục, tảo và vi sinh vật cũng có thể được loại bỏ bằng cách sử dụng bộ lọc cát chậm. Một quy trình đơn giản và đáng tin cậy, quá trình lọc cát chậm thường thích hợp để xử lý các nguồn cung cấp nhỏ với điều kiện có đủ đất. Bể lọc cát chậm thường bao gồm các bể chứa cát nhọn (kích thước khoảng 0,15-0,30mm) đến độ sâu từ 0,5 đến 1,5m.
Than hoạt tính
Sử dụng phương pháp hấp phụ vật lý, các chất gây ô nhiễm có thể được loại bỏ bằng cách sử dụng than hoạt tính. Điều này sẽ bị ảnh hưởng bởi số lượng và loại carbon, bản chất và nồng độ của chất gây ô nhiễm, thời gian lưu của nước trong đơn vị và chất lượng nước chung (nhiệt độ, pH, v.v.).
Một trong những môi trường phổ biến nhất là than hoạt tính dạng hạt (GAC), mặc dù than hoạt tính dạng bột (PAC) và than khối đôi khi cũng được sử dụng. Phương tiện lọc được chứa trong các hộp mực có thể thay thế và bộ lọc dạng hạt ở đầu ra của hộp mực được sử dụng để loại bỏ các hạt carbon khỏi nước đã xử lý.
Sục khí
Sục khí được thiết kế để chuyển oxy vào nước và loại bỏ khí và các hợp chất dễ bay hơi bằng cách tách khí. Một phương pháp phổ biến là thiết bị sục khí dạng tháp đóng gói do thiết kế nhỏ gọn và hiệu quả năng lượng cao. Để đạt được hiệu quả tách khí, các kỹ thuật khác nhau có thể được sử dụng bao gồm sục khí theo dòng ngược dòng trong các tháp đóng gói, sục khí khuếch tán trong các bồn và sục khí phun.
Quy trình màng
Thẩm thấu ngược (RO), siêu lọc (UF), vi lọc (MF) và lọc nano (NF) là những loại màng được sử dụng phổ biến nhất cho các quy trình xử lý nước. Trước đây được áp dụng để sản xuất nước cho các ứng dụng công nghiệp hoặc dược phẩm, màng lọc đang được áp dụng để xử lý nước uống. Quy trình màng có thể giúp loại bỏ đầy đủ vi khuẩn gây bệnh, Cryptosporidium, Giardia, và các vi rút và vi khuẩn có khả năng xảy ra ở người. Trong một nghiên cứu điển hình đáng chú ý, các công ty từ Hà Lan và Đan Mạch đang nghiên cứu tích hợp các enzym vào công nghệ màng lọc để loại bỏ thuốc trừ sâu và dư lượng dược phẩm khỏi nước uống.
Xử lý nước bằng tia cực tím: Chiếu đèn khử trùng
Mắt người không nhìn thấy được, tia cực tím (UV) có thể được sử dụng để khử trùng vi sinh vật trong quá trình xử lý nước. Bước sóng của ánh sáng UV nằm trong khoảng từ 200 đến 300 nanomet (phần tỷ mét). Bức xạ tử ngoại được tạo ra ở bước sóng 254 nm từ đèn hơi thủy ngân áp suất thấp đặc biệt. Đây là bước sóng tối ưu để khử trùng và phá hủy ozone. Được phân loại là diệt khuẩn, điều này có nghĩa là chúng có khả năng vô hiệu hóa vi sinh vật, chẳng hạn như vi khuẩn, vi rút và động vật nguyên sinh. Điều quan trọng cần lưu ý là đèn UV không bao giờ tiếp xúc với nước; chúng có thể được gắn bên ngoài vào nước chảy qua các ống Teflon trong suốt UV hoặc được đặt trong một ống bọc thủy tinh thạch anh bên trong khoang chứa nước.
Làm thế nào nó hoạt động? Sóng ánh sáng UV làm cho vi khuẩn, vi rút và động vật nguyên sinh không có khả năng sinh sản và lây nhiễm.
Khử trùng bằng tia cực tím có thể được sử dụng cho công nghệ khử trùng chính của nước uống có thể uống được. Ngoài ra, quá trình này cũng có thể được sử dụng như một hình thức khử trùng thứ cấp. Ví dụ, chống lại vi sinh vật, chẳng hạn như Cryptosporidium và Giardia, có thể kháng clo.
Ngoài ra, tia UV (riêng lẻ hoặc kết hợp với hydrogen peroxide) có thể phá hủy các chất gây ô nhiễm hóa học như thuốc trừ sâu, dung môi công nghiệp và dược phẩm thông qua một quá trình gọi là quá trình oxy hóa tia cực tím.
Trong điều kiện lý tưởng, bộ phận UV có thể giảm hơn 99% vi khuẩn. Tuy nhiên, ngay cả với hiệu suất này, khử trùng bằng tia cực tím có hai hạn chế tiềm ẩn: khử trùng “điểm” và các tế bào không được loại bỏ.
Khử trùng “điểm” có thể xảy ra nếu các thiết bị UV chỉ tiêu diệt vi khuẩn tại một điểm trong hệ thống tưới nước và không cung cấp bất kỳ tác dụng diệt khuẩn còn sót lại nào ở hạ lưu. Nếu chỉ một con vi khuẩn đi qua mà không hề hấn gì (không thể đảm bảo tiêu diệt 100% vi khuẩn), thì không có gì ngăn cản nó bám vào bề mặt đường ống hạ lưu và sinh sôi.
Thứ hai, hạn chế thứ hai có thể là nếu tế bào vi khuẩn không được loại bỏ trong đơn vị UV mà được chuyển đổi thành pyrogens. Các vi sinh vật bị giết và bất kỳ chất gây ô nhiễm nào khác trong nước là nguồn thức ăn cho bất kỳ vi khuẩn nào tồn tại ở hạ lưu của đơn vị UV.
Một sự phát triển đáng chú ý đối với hệ thống UV là việc mở rộng quy mô của công nghệ diode phát sáng, được gọi là UV-LED, với năm 2018 chứng kiến một điểm tới hạn về mật độ điện và giá mua.
Xử lý nước bằng ôzôn: Khai thác sức mạnh của sét
Giống như một cơn bão sét, ôzôn được tạo ra khi ôxy tiếp xúc với sự phóng điện của một dòng điện mạnh trong không khí. Mặc dù được sử dụng rộng rãi ở châu Âu trong nhiều năm để xử lý nước uống thành phố, nhưng nó vẫn chưa được chấp nhận tương tự ở Mỹ.
Ozone có thể được sử dụng trong suốt quá trình xử lý nước, ví dụ như trong quá trình oxy hóa trước, oxy hóa trung gian hoặc khử trùng cuối cùng vì nó có chất lượng khử trùng và oxy hóa tuyệt vời. Thông thường, nên sử dụng ozone để oxy hóa trước, trước lọc cát hoặc lọc than hoạt tính (GAC). Sau quá trình ozon hóa, các bộ lọc này có thể loại bỏ các chất hữu cơ còn lại (quan trọng để khử trùng lần cuối).
Quá trình ozon hóa được thực hiện bằng một trường phóng điện như trong máy tạo ôzôn kiểu CD, hoặc bằng bức xạ cực tím (máy tạo ôzôn kiểu UV). Ozone cũng có thể đạt được thông qua các phản ứng điện phân và hóa học, ngoài các phương pháp thông thường.
Nói chung, một hệ thống ozon hóa bao gồm việc cho không khí khô, sạch đi qua phóng điện điện áp cao, tức là phóng điện hào quang, tạo ra và nồng độ ôzôn xấp xỉ 1% hoặc 10.000 mg / L. Trong việc xử lý một lượng nhỏ chất thải, phương pháp ozon hóa UV là phổ biến nhất trong khi các hệ thống quy mô lớn sử dụng phương pháp phóng hào quang hoặc các phương pháp tạo ozone số lượng lớn khác.
Nước thô sau đó được đưa qua một họng venturi tạo ra chân không và kéo khí ozone vào trong nước hoặc không khí sau đó được sủi bọt thông qua nước được xử lý. Vì ozone sẽ phản ứng với kim loại để tạo ra các oxit kim loại không hòa tan, nên cần phải lọc sau khi lọc.
Ozone có tính phản ứng cao và do đó, có thời gian bán hủy rất ngắn sau khi hòa tan vào nước. Phản ứng tự nhiên là để ozone trở lại dạng oxy của nó, với thời gian phản ứng thường mất 10-20 phút ở 20 độ C.
Ưu điểm của việc xử lý nước bằng ozone bao gồm giảm thiểu các vấn đề vô cơ, hữu cơ và vi sinh cũng như các vấn đề về mùi và vị. Hơn nữa, không có thêm hóa chất nào được thêm vào nước.
Trong khi đó, những bất lợi bao gồm thiếu chất diệt khuẩn hoặc chất khử trùng để ức chế hoặc ngăn chặn sự phát triển. Hơn nữa, hệ thống có thể yêu cầu xử lý trước để giảm độ cứng.
Các loại hóa chất xử lý nước (và tại sao chúng được sử dụng)
Hóa chất khử trùng nước uống bao gồm bất kỳ công nghệ dựa trên clo, chẳng hạn như clo điôxít, cũng như ôzôn, một số chất ôxy hóa khác và một số axit và bazơ mạnh. Ngoại trừ ôzôn, việc định lượng hóa chất khử trùng thích hợp nhằm duy trì nồng độ còn lại trong nước để bảo vệ khỏi ô nhiễm sau xử lý trong quá trình bảo quản.
Khử trùng nước uống gia đình ở các nước đang phát triển được thực hiện chủ yếu bằng clo tự do, ở dạng lỏng như axit hypoclorơ (thuốc tẩy gia dụng thương mại hoặc dung dịch natri hypoclorit loãng hơn từ 0,5% đến 1% hypoclorit được bán trên thị trường để sử dụng xử lý nước gia đình) hoặc ở dạng khô dưới dạng canxi hypoclorit hoặc natri dichloroisocyanurat. Điều này là do các dạng clo tự do này rất tiện lợi, tương đối an toàn để xử lý, rẻ tiền và dễ định lượng.
Hoá chất xử lý nước Clo
là chất khử trùng chính được sử dụng rộng rãi nhất và cũng thường được sử dụng để khử trùng còn lại trong hệ thống phân phối. Giám sát mức độ clo trong nước uống đi vào hệ thống phân phối thường được coi là ưu tiên cao (nếu có thể), vì việc giám sát được sử dụng như một chỉ báo cho thấy quá trình khử trùng đã diễn ra. Nồng độ dư của clo khoảng 0,6 mg / l trở lên có thể gây ra vấn đề về khả năng chấp nhận đối với một số người tiêu dùng trên cơ sở khẩu vị.
Hoá chất xử lý nước Chlorine dioxide
Bị phân hủy để lại các hóa chất vô cơ là chlorite và chlorate. Chúng được quản lý tốt nhất bằng cách kiểm soát liều lượng clo điôxít được đưa vào nước. Clorit cũng có thể được tìm thấy trong dung dịch hypoclorit đã được phép già hóa.
Định lượng clo thích hợp để xử lý nước hộ gia đình là rất quan trọng để cung cấp đủ clo tự do để duy trì lượng clo tồn dư trong quá trình bảo quản và sử dụng. Các khuyến nghị là dùng clo tự do với liều lượng khoảng 2 mg / l đối với nước trong (<10 đơn vị độ đục nephelometric [NTU]) và gấp đôi (4 mg / l) đối với nước đục (> 10 NTU).
Hoá chất xử lý nước Monochloramine
Được sử dụng như một chất khử trùng còn lại để phân phối, thường được hình thành từ phản ứng của clo với amoniac. Kiểm soát cẩn thận sự hình thành monoloramine trong xử lý nước là rất quan trọng để tránh sự hình thành di- và trichloramine, vì những chất này có thể gây ra mùi và vị không thể chấp nhận được.
Một số hóa chất khác có thể được thêm vào trong quá trình xử lý. Chúng bao gồm các chất như natri hydroxit để điều chỉnh độ pH và trong một số trường hợp nhất định, các chất hóa học để fluor hóa nước uống.
