Thiết kế hệ thống xử lý nước tinh khiết cấp cho nhà máy dược phẩm trung ương Vidipha đạt tiêu chuẩn GMP - WHO công suất 3m3/giờ

năm 2005 là 395 triệu đô la Mỹ, chiếm 48,34% tổng giá trị tiền thuốc (817 triệu đô la Mỹ). Thị phần thuốc sản xuất trong nước được bệnh nhân sử dụng chiếm 70% thị trường thuốc; ở khối bệnh viện, thuốc sản xuất trong nước được sử dụng chiếm hơn 60%. Dự kiến vào năm 2010 có thể đạt đến gần 1,5 tỉ đô la Mỹ. Để đáp ứng được nhu cầu sử dụng thuốc dược phẩm trên thị trường trong và ngoài nước như hiện nay, các nhà máy sản xuất dược phẩm Việt Nam cần phải đầu tư về công nghệ cũng như thiết bị tiên tiến ngày càng cao, để phục vụ trong quá trình sản xuất theo tiêu chuẩn GMP-WHO. 1.2. TÍNH CẤP THIẾT CỦA ĐỀ TÀI Trong thời gian gần đây, vấn đề về dược phẩm trong nước và ngoại nhập trên thị trường Việt Nam rất phong phú và đa dạng. Tuy nhiên về chất lượng cũng như xuất xứ nguồn gốc thì người tiêu dùng ít một ai quan tâm nghĩ đến khi sản xuất ra một sản phẩm trong dược phẩm thì vấn đề được kiểm tra trong từ khâu nhập liệu đến khâu chiết suất và thành phẩm đã đi qua những công đoạn gì và chất lượng như thế nào… Hiện nay, có rất nhiều ý kiến xung quanh vấn đề thuốc tây, dược phẩm, đông dược. Đến thời điểm này trên thị trường Việt Nam rất sôi động về những sản phẩm thuốc ngoại nhập cũng như nội địa. Bên cạnh về mặt tích cực, thị trường dược phẩm cũng đang là điểm nóng về những sai phạm trong việc sản xuất chưa đúng qui trình và chất lượng trong nguồn nhập liệu theo tiêu chuẩn GMP. Chạy theo lợi nhuận cũng như số lượng sản phẩm để tăng lợi nhuận thật nhiều. Nhà sản xuất có thể bấp chấp mọi nguyên tắc cũng như qui định của bộ y tế , cục dược, cũng như tiêu chuẩn GMP-WHO hiện nay mà không đầu tư thiết bị hiện đại hoặc đầu tư thiết bị sai sờ chưa đủ điều kiện đưa vào sản xuất trong nghành dược. Một trong những nguồn nguyên liệu không thể thiếu trong bất kỳ dây chuyền nào trong sản xuất nhà máy dược đó là nguồn nước được sử dụng pha chế trong dược phẩm. Nước trước khi đươc vào pha chế hay sử dụng rửa thiết bị ,dụng cụ …cần phải được xử lý đạt nước tinh khiết theo tiêu chuẩn GPM-WHO. Do vậy tính cấp thiết cho đề tài là đề xuất và thiết kế hệ thống xử lý nước tinh khiết cấp cho nhà máy sản xuất dược phẩm đạt tiêu chuẩn GMP-WHO. 1.3. NHIỆM VỤ ĐỒ ÁN Nhiệm vụ của đồ án là thiết kế hệ thống xử lý nước tinh khiết đạt tiêu chuẩn GMP-WHO để cấp cho nhà máy sản xuất dược phẩm trung ương VIDIPHA (Nhà máy xây dựng ở Tân Hiệp –Tân Uyên –Bình Dương). Công suất 3m3/h. 1.4. NỘI DUNG ĐỀ TÀI Giới thiệu về đề tài. Tổng quan về nước cấp và công nghệ xử lý nước cấp. Lựa chọn công nghệ xử lý nước tinh khiết cho nhà máy sản xuất dược phẩm đạt tiêu chuẩn GMP-WHO. Tính toán thiết kế các đơn vị công trình xử lý. Tính kinh phí đầu tư. Vận hành và quản lý hệ thống. CHƯƠNG 2 TỔNG QUAN VỀ CÔNG TY CỔ PHẦN DƯỢC PHẨM TRUNG ƯƠNG VIDIPHA 2.1. THÔNG TIN VỀ CỔ PHẦN DƯỢC PHẨM TRUNG ƯƠNG VIDIPHA 2.1.1. Tên dự án Tên dự án: “Nhà máy sản xuất dược phẩm kháng sinh đạt tiêu chuẩn GMP-WHO tại tỉnh Bình Dương” với công suất sản xuất Dự án là 2.000 tấn/năm của Công ty Cổ phần Dược phẩm Trung ương VIDIPHA. 2.1.2. Chủ đầu tư Cơ quan chủ dự án: Công ty Cổ phần Dược phẩm Trung ương VIDIPHA Địa chỉ trụ sở chính: 19-12 Nguyễn Văn Trỗi, Q. Phú Nhuận, TP. HCM. Phương tiện liên lạc: Điện thoại: 08.8440106 Fax: 08.8440446 Địa điểm thực hiện dự án: Ấp Tân Bình, xã Tân Hiệp, huyện Tân Uyên, tỉnh Bình Dương. Đại diện: Ông Kiều Hữu Quốc tịch: Việt Nam Giấy CMND số: 020472890 Chức danh: Chủ tịch hội đồng quản trị kiêm Giám đốc 2.1.3. Vị trí địa lý Nhà máy sản xuất của Công ty Cổ phần Dược phẩm Trung ương VIDIPHA được thực hiện tại Ấp Tân Bình, xã Tân Hiệp, huyện Tân Uyên, tỉnh Bình Dương với tổng diện tích mặt bằng Dự án là 55.662,5 m2. Tứ cận của khu vực Dự án tiếp giáp với những khu vực sau: Phía Bắc giáp: Đất trồng cao su của Công ty TNHH Minh Quang Phía Nam giáp: Đất trồng cao su của hộ Võ Văn Cảnh và Nguyễn Thị Kim Liên Phía Tây giáp: Đường ĐH 423 Phía Đông giáp: Công ty gạch men Xuân Hoà. Tọa độ địa lý của Dự án được thể hiện dưới bản sau: Bảng 2.1. Toạ độ địa lý của Dự án STT DỰ ÁN CÔNG TY CP DƯỢC PHẨM TRUNG ƯƠNG VIDIPHA TOẠ ĐỘ X (m) Y (m) 1 Góc phía Bắc 1224432.941 606925.813 2 Góc phía Nam 1224123.676 606718.477 3 Góc phía Tây 1224337.768 606692.720 4 Góc phía Đông 1224218.414 606965.477 (Nguồn: Từ bản đồ địa chính) Mối tương quan giữa Dự án với các đối tượng tự nhiên: Cách suối Cái khoảng 1,5km về hướng Nam Cách đường ĐT 747 khoảng 2,3km về hướng Nam Cách quốc lộ 13 khoảng 20KM Cách sông Đồng Nai 4Km về hướng Đông Mối tương quan giữa Dự án với các đối tượng kinh tế - xã hội: Dự án thuộc huyện Tân Uyên, tỉnh Bình Dương có mối quan hệ với các đối tượng kinh tế - xã hội trong khu vực như sau: Cách UBND xã Tân Hiệp 250m. Cách thị xã Thủ Dầu Một – Bình Dương 20km. Cách cảng Thành Phố Hồ Chí Minh 55 km. Cách trung tâm Thành Phố Hồ Chí Minh 60 km. Sơ đồ 2.1. Vị trí xây dựng nhà máy dược phẩm Vidipha 2.2. TỔ CHỨC CỦA CÔNG TY VÀ HOẠT ĐỘNG THƯƠNG MẠI, SẢN XUẤT CỦA CÔNG TY 2.2.1. Cơ cấu tổ chức công ty Trụ sở chính Công ty Cổ phần Dược phẩm Trung ương Vidipha:  Với tổng diện tích khoảng 10.000m2, trụ sở chính của Công ty là nơi đặt 05 phân xưởng sản xuất thuốc chính và cũng là nơi đặt văn phòng làm việc của Giám đốc, các Phó Giám đốc Công ty và các phòng nghiệp vụ của Công ty gồm: phòng Tổ chức hành chính, phòng Tài vụ, phòng Kế hoạch, phòng Kinh doanh, phòng Kỹ thuật, phòng Đảm bảo chất lượng (QA), phòng Kiểm nghiệm, Tổ kho, Ban Cơ điện, Ban Bảo vệ. Địa chỉ: 19-21 Nguyễn Văn Trỗi, Phường 12, Quận Phú Nhuận, TpHCM. Điện thoại: (84-8) 8440 448 Fax: (84-8) 8440 446 SƠ ĐỒ CƠ CẤU BỘ MÁY QUẢN LÝ CÔNG TY Sơ đồ 2.2. Sơ đồ cơ cấu quản lý Công ty Cổ phần Dược phẩm Trung ương Vidipha 2.2.2. Hoạt động thương mại và sản phẩm sản xuất của công ty. 2.2.2.1. Hoạt động tiếp thị, quảng bá thương hiệu - Đầu tư xây dựng Website Vidipha để giới thiệu các sản phẩm, thành tựu và hình ảnh của Vidipha đến người tiêu dùng. - Tích cực tham gia các Hội chợ chuyên ngành, mở rộng các chương trình tiếp thị quảng bá tạo dựng hình ảnh thương hiệu tốt trong lòng người tiêu dùng. - Xây dựng đội ngũ tiếp thị chuyên nghiệp và đội ngũ trình dược viên có chuyên môn để tuyên truyền và quảng bá các sản phẩm của Công ty đến tận người tiêu dùng. - Tăng cường hệ thống phân phối tại thị trường các khu vực Tây Nguyên, Miền Trung, Miền Bắc. Đẩy mạnh tham gia đấu thầu cung cấp thuốc cho mảng điều trị tại các bệnh viện và các chương trình quốc gia. - Mở rộng hệ thống phân phối nhắm vào các Công ty TNHH dược tư nhân tại các địa phương từng bước nâng cao doanh số, nâng cao thị phần. - Tăng cường công tác xúc tiến thương mại, mở rộng quan hệ đối ngoại để tìm kiếm các đối tác xuất khẩu, mở rộng thị trường của Công ty ra nước ngoài 2.2.2.2 Hoạt động sản xuất - Đầu tư nghiên cứu phát triển, đặc biệt là nghiên cứu để đưa vào sản xuất các sản phẩm mới, cải tiến, mẫu mã đẹp phù hợp hơn với thị hiếu người tiêu dùng.  - Nâng cấp các nhà máy hiện tại đạt tiêu chuẩn GMP-WHO, dự kiến đến cuối năm 2007 toàn bộ dây chuyền sản xuất của Công ty đăng ký chứng nhận nguyên tắc GMP-WHO với Bộ y tế. - Đầu tư xây dựng kho thành phẩm đạt tiêu chuẩn GSP. - Đầu tư xây dựng mới khu vực sản xuất thuốc viên sủi đạt tiêu chuẩn GMP-WHO. - Đầu tư mới 01 phân xưởng sản xuất thuốc nang mềm đạt tiêu chuẩn GMP-WHO. - Tăng cường vốn hoạt động và tăng cường đầu tư dự trữ nguyên liệu phục vụ sản xuất và mở rộng thị phần. - Bảo đảm và nâng cao chất lượng sản phẩm đạt tiêu chuẩn quốc tế đã được khẳng định. - Kiểm soát chi phí, gia tăng năng suất, giảm giá thành để nâng sức cạnh tranh cho sản phẩm của Công ty. Bảng 2.2. Công suất sản xuất trong 01 năm của Dự án STT Tên sản phẩm Đơn vị tính Sản lượng Thuốc tiêm Ống/năm 40.000.000 Thuốc uống Ống/năm 4.000.000 Thuốc nhỏ mắt Chai/năm 5.000.000 Thuốc bột pha tiêm Chai/năm 10.000.000 Thuốc không B-lactam Viên/năm 1.5000.000.000 Thuốc B-lactam Gói/năm 1.500.000.000 Thuốc bột các loại Gói/năm 100.000.000 Thuốc sirô Chai/năm 2.000.000 Thuốc mỡ và thuốc kem Tuýp/năm 1.000.000 2.2.3. Các vấn đề về nguồn nguyên liệu và nguồn nước sử dụng trong sản xuất 2.2.3.1. Nguồn nguyên liệu Khi đi vào hoạt động, Dự án sẽ sử dụng nhiều loại nguyên vật liệu, năng lượng để phục vụ cho quá trình sản xuất các loại dược phẩm khác nhau được thu mua từ các công ty phân phối trong và ngoài nước dưới sự kiểm sát chặc chẻ của bộ y tế và cục dược Việt Nam. 2.2.3.2 Nguồn nước sử dụng trong sản xuất: - Nguồn nước sử dụng cấp cho nhà máy là nguồn nước được khai thác nước ngầm tại khu công viên nhà máy. Nước giếng được qua hệ thống xử lý thô theo sơ đồ sau: Sơ đồ 2.3. Sơ đồ công nghệ xử lý nước giếng Nước giếng Tháp làm thoáng (giàn mưa) Lắng sơ bộ Lọc hổn hợp (cát mangan greensand) Lọc than hoạt tính Bể chứa nước sạch Khử trùng Ca(OCl)2 Bơm Bơm Bơm - Nước trước khi đưa vào hệ thống xử lýnước tinh khiết để cấp cho sản xuất yêu cầu phải đạt được tiêu chuẩn TCVN1329/2002/ BYT-QĐ. CHƯƠNG 3: TỔNG QUAN VỀ NƯỚC CẤP VÀ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC CẤP 3.1. TỔNG QUAN VỀ NƯỚC NGẦM Đây là một trong hai nguồn nước cung cấp chính cho nhu cầu nước sinh hoạt của người dân. Nhưng hầu hết chất lượng chưa đảm bảo do đặc điểm địa chất của các tầng đất. Ở những nơi có độ sâu khác nhau thì thành phần cấu tạo hóa học rất khác nhau, đồng thời với sự phát triển của công nghiệp hiện nay cộng với sự khai thác nước ngầm quá mức làm cho các chất ô nhiễm thấm sâu vào các tầng đất ngầm. Tuy việc đun sôi, nấu nướng chỉ có thể loại bỏ vi khuẩn và một vài chất có hại nhưng đồng thời cũng làm phân hủy một số khoáng chất trong nước ngầm, kim loại nặng và một số chất độc hại vẫn còn. Do đó, chúng ta cần kiểm tra chất lượng nước nói chung trước khi sử dụng vào mục đích sinh hoạt và ăn uống. Nước ngầm tồn tại ở các tầng nước trong lòng đất, có hai loại tầng : tầng giới hạn và tầng không giới hạn. Tầng không giới hạn là lớp đất đá xốp không phủ trên nó lớp đất đá không thấm nước, trong tầng này có hai vùng : vùng bão hòa nước và vùng không bão hòa được phân chia ranh giới bởi mực nước trong đó, vùng không bão hòa chứa nhiều oxy. Nước ngầm trong tầng không giới hạn có nguồn gốc chính từ nước mưa thấm xuống, nằm ở độ sâu không lớn lắm. Nó dễ bị nhiễm bẫn bởi tạp chất sinh hoạt, công nghiệp và nông nghiệp. Nước trong tầng này là các dạng mạch nước ngầm nong, nước suối, lớp không bão hòa nằm giữa mực nước và mặt đất, nó có khả năng loại bỏ một số tạp chất nhưng vai trò chủ yếu của lớp nước này là kìm hãm tốc độ di chuyển của tạp chất xuống tầng nước dưới. Lớp nước trong tầng không giới hạn luôn được bổ sung từ nước mưa. Do đó, các vết nứt hay các lỗ khoan không đúng qui cách hoặc không còn hoạt động mà không được bịt lại sẽ phá vỡ tính năng kìm hãm sự di chuyển tạp chất của lớp không bão hòa. Tầng không giới hạn có trữ lượng nước cao hơn tầng giới hạn. Nước trong tầng giới hạn chứa ít nitrat, chất hữu cơ và vi sinh vật hơn. Nguồn nước này ít được sử dụng nếu có các nguồn khác thay thế do chi phí khai thác cao và liên quan đến yếu tố chất lượng nước : nhiều muối ở nguồn sâu, nhiều Fe, Mn, H2S, CO2 do thiếu oxy. Tầng nước giới hạn là tầng bị phủ trên nó một lớp đất hay đá không có khả năng thấm nước. Nước tích tụ trong đó là do các dòng chảy ngang, chậm từ các tầng không giới hạn đến, nó không có lớp không bão hòa, có cấu trúc kiểu banh kẹp giữa các lớp không thấm nước. Áp lực thủy tĩnh trong tầng giới hạn lớn nên khi khoan hay đào giếng thì nước sẽ phun lên, áp lực này sẽ giảm đi nếu không có nước bổ sung. Chất lượng nước ngầm phụ thuộc vào các yếu tố sau : chất lượng nước mưa, chất lượng nước ngầm đã tôn tại thời gian dài trong lòng đất, bản chất lớp đất đá nước thấm qua, bản chất lớp đá chứa tầng nước. Thông thường, nước ngầm chứa ít tạp chất hữu cơ, ít vi sinh và giàu thành phần vô cơ : Ca, Mg, K, Fe, Mn, cacbonat, bicacbonat, sunfat và clorua. Nước ngầm trong vùng đá vôi, đá phấn chứa nhiều canxi, bicacbonat và trong vùng đá dolomit chứa nhiều magie, bicacbonat. Nước ngầm trong vùng đá sa thạch, cát kết chứa nhiều NaCl và trong vùng đá granit chứa nhiều mangan, sắt. Nước ngầm ven vùng đô thị, có nguồn thải chảy qua, nơi chôn rác chứa nhiều tạp chất là sản phẩm của quá trình phân hủy vi sinh như : nitrit, amoniac, nitrat, hydro sunfua, photphat. So với nước mặt, độ dẫn điện (nồng độ các ion) trong nước ngầm cao hơn và tăng cùng với độ sâu nguồn nước do các nguồn nước sâu ít được bổ sung, hòa trộn với các nguồn nước mới và do thời gian tiếp xúc lâu với đất đá tạo điều kiện hòa tan các khoáng vật trong tầng. Ở nguồn nước sâu, già cỗi thì nồng độ ion cao và ở vùng đồng bằng rất dễ bị nhiễm mặn. Nồng độ muối cao cũng có thể là do khai thác quá mức trong điều kiện bổ sung hạn chế, co thể do nước ngầm có sẳn muối hay do sự xâm nhập mặn từ nước biển. Nước ngầm là nước xuất hiện ở tầng sâu dưới đất, thường từ 30 – 40, 60 – 70, có khi 120 – 150 và cũng có khi tới 180m. Nước ngầm được thấm từ trên xuống, hoặc có thể tù nơi xa chảy về. Dịng nước ngầm xuất hiện trên một lớp đất hoặc đá hoàn toàn không thấm nước. Qua các lớp cát sỏi đá bị hấp phụ hết các tạp chất nên chất lượng nước ngầm sạch, ổn định. Nước ngầm có thể có những túi lớn nằm rải rác trong lịng đất, cũng có thể chảy thành mạch. Trữ lượng nước ngầm khá lớn và rất quan trọng cho nước cấp ở thành phố và nông thôn vùng phèn, mặn… Nước ngầm được khai thác tù các tầng chứa nước dưới đất, chất lượng nước ngầm phụ thuộc vào thành phần khoáng hóa và cấu trúc địa tầng mà nước thấm qua. Do vậy nước chảy qua các địa tầng chứa cát và granit thường có tính axit và chứa ít chất khoáng. Khi nước ngầm chảy qua địa tầng chứa đá vôi thì nước thường có độ cứng và độ kiềm hydrocacbonat khá cao. Ngoài ra đặc trưng chung của nước ngầm: Độ đục thấp Độ pH thấp Nhiệt độ và thành phần hóa học tương đối ổn định Không có oxy nhưng có thể chứa nhiều khí như CO2, H2S … Chứa nhiều khống chất hịa tan chủ yếu l: sắt, mangan, canxi, magie và flo. Khơng cĩ sự hiện diện của vi sinh vật Theo báo cáo của Liên Hiệp Quốc, chỉ có khoảng 2/3 (60%) dân số Việt Nam được sử dụng nước sạch theo tiêu chuẩn chất lượng nước của Liên Hiệp Quốc. (Báo cáo diễn biến môi trường nước Việt Nam 2003.) 3.2. CÁC THÀNH PHẦN CÓ TRONG NƯỚC NGẦM Chất lượng nước ngầm nói chung là tốt, ít có trường hợp bị nhiễm bẩn hữu cơ, ở nhiều vùng cĩ thể sử dụng trực tiếp không cần làm sạch. Tuy nhiên, nước ngầm thường có tổng khoáng hóa cao, nhiều khi chứa các chất khí hịa tan, cĩ nhiều chất sắt v mangan. Hm lượng sắt dao động từ vài mg/l đến hàng chục mg/l. Ở nhiều vùng có nguồn bị nhiễm mặn hoặc có độ cứng cao. Một loại nước ngầm tồn tại trong đất (phạm vi từ 1m đến 15m) thực chất là nước mặt, thường được gọi là nước ngầm “mạch nông”. Chất lượng nước ngầm mạch nông ở nhiều vùng khá tốt, nhưng nhiều vùng cũng chỉ khá hơn nước mặt một chút vì bị ảnh hưởng trực tiếp của nước mặt bị ô nhiễm và thời tiết. Tuy nhiên, hiện nay ở nhiều vùng dân cư nông thôn chỉ dựa vào loại nguồn nước tốt, thuận lợi khi khai thác sử dụng cho các mục đích sinh hoạt, ăn uống. Chất lượng nước ngầm phụ thuộc vào nguồn gốc của nước ngầm, cấu trúc địa tầng của khu vực và chiều sâu địa tầng nơi khai thác nước. Ở các khu vực được bảo vệ tốt, ít có nguồn thải gây nhiễm bẩn, nước ngầm nói chung được bảo vệ về mặt vệ sinh và chất lượng khá ổn định. 3.2.1. Các ion có thể có trong nước ngầm 3.2.1.1. Ion canxi Ca2+ Nước ngầm có thể chứa Ca2+ với nồng độ cao. Trong đất thường chứa nhiều CO2 do quá trình trao đổi chất của rễ cây và quá trình thủy phân các tạp chất hữu cơ dưới tác động của vi sinh vật. Khí CO2 hòa tan trong nước mưa theo phản ứng sau: CO2 + H2O ® H2CO3 Axit yếu sẽ thấm sâu xuống đất và hòa tan canxi cacbonat tạo ra ion Ca2+ 2H2CO3 + 2CaCO3 ® Ca(HCO3)2 + Ca2+ + 2HCO3- 3.2.1.2. Ion magie Mg2+ Nguồn gốc của các ion Mg2+ trong nước ngầm chủ yếu từ các muối magie silicat và CaMg(CO3)2, chúng hòa tan chậm trong nước chứa khí CO2. Sự có mặt Ca2+ và Mg2+ tạo nên độ cứng của nước. 3.2.1.3. Ion natri Na+ Sự hình thành của Na+ trong nước chủ yếu theo phương trình phản ứng sau: 2NaAlSi3O3 + 10H2O ® Al2Si2(OH)4 + 2Na+ + 4H4SiO3 Na+ cũng có thể có nguồn gốc từ NaCl, Na2SO4 là những muối có độ hòa tan lớn trong nước biển. 3.2.1.4. Ion NH4+ Các ion NH4+ có trong nước ngầm có nguồn gốc từ các chất thải rắn và nước sinh hoạt, nước thải công nghiệp, chất thải chăn nuôi, phân bón hóa học và quá trình vận động của nitơ. 3.2.1.5. Ion bicacbonat HCO3- Được tạo ra trong nước nhờ quá trình hòa tan đá vôi khi có mặt khí CO2 CaCO3 + CO2 + H2O ® Ca2+ + 2HCO3- 3.2.1.6. Ion sunfat SO42- Có nguồn gốc từ muối CaSO4.7H2O hoặc do quá trình oxy hóa FeS2 trong điều kiện ẩm với sự có mặt của O2 2FeS2 + 2H2O + 7O2 ® 2Fe2+ + 4SO42- + 4H+ 3.2.1.7. Ion clorua Cl- Có nguồn gốc từ quá trình phân ly muối NaCl hoặc nước thải sinh hoạt. 3.2.1.8 Ion sắt: Sắt trong nước ngầm thường tồn tại dưới dạng ion Fe2+, kết hợp với gốc bicacbonat, sunfat, clorua; đôi khi tồn tại dưới keo của axit humic hoặc keo silic. Các ion Fe2+ từ các lớp đất đá được hòa tan trong nước trong điều kiện yếm khí sau: 4Fe(OH)3 + 8H+ ® 4Fe2+ + O2 + 10H2O Khi tiếp xúc với oxy hoặc các tác nhân oxy hóa, ion Fe2+ bị oxy hóa thành ion Fe3+ và kết tủa thành các bông cặn Fe(OH)3 có màu nâu đỏ.Vì vậy, khi vừa bơm ra khỏi giếng, nước thường trong và không màu, nhưng sau một thời gian để lắng trong chậu và cho tiếp xúc với không khí, nước trở nên đục dần và đáy chậu xuất hiện cặn lắng màu đỏ hung. Trong các nguồn nước mặt sắt thường tồn tại thành phần của các hợp chất hữu cơ. Nước ngầm trong các giếng sâu có thể chứa sắt ở dạng hóa trị II của các hợp chất sunfat và clorua. Nếu trong nước tồn tại đồng thời đihyđrosunfua (H2S) và sắt thì sẽ tạo ra cặn hòa tan sunfua sắt FeS. Khi làm thoáng khử khí CO2, hyđrocacbonat sắt hóa trị II sẽ dễ dàng bị thủy phân và bị oxy hóa để tạo thành hyđroxit sắt hóa trị III. 4Fe2+ + 8HCO3- + O2 + 2H2O ® 4Fe(OH)3¯ + 8CO2­ Trong quy trình xử lý sắt trong nước ngầm, điều quan trọng là biết được điều kiện để chuyển sắt hóa trị II thành sắt hóa trị III và hyđroxit sắt (II) và hydroxit sắt (III) được tạo thành từ trạng thái hòa tan sang cặn lắng. Với hàm lượng sắt cao hơn 0,5 mg/l, nước có mùi tanh khó chịu, làm vàng quần áo khi giặt, làm hỏng sản phẩm của các ngành dệt may, giấy, phim ảnh, đồ hộp. Trên dàn làm nguội, trong các bể chứa, sắt hóa trị II bị oxy hóa sắt hóa trị III, tạo thành bông cặn, các cặn sắt kết tủa có thể làm tắc hoặc giảm khả năng vận chuyển của các ống dẫn nước. Đặc biệt là có thể gây nổ nếu nước đó dùng làm nước cấp cho các nồi hơi. Một số ngành công nghiệp có yêu cầu nghiêm ngặt đối với hàm lượng sắt như dệt, giấy, sản xuất phim ảnh…. Nước có chứa ion sắt, khi trị số pH < 7,5 là điều kiện thuận lợi để vi khuẩn sắt phát triển trong các đường ống dẫn, tạo ra cặn lắng gỗ ghề bám vào thành ống làm giảm khả năng vận chuyển và tăng sức cản thủy lực của ống. 3.2.1.9 Ion mangan: Mangan thường tồn tại song song với sắt ở dạng ion hóa trị II trong nước ngầm và dạng keo hữu cơ trong nước mặt. Do vậy việc khử mangan thường được tiến hành đồng thời với khử sắt. Các ion mangan cũng được hòa tan trong nước từ các tầng đất đá ở điều kiện yếm khí như sau 6MnO2 + 12H+ ® 6Mn2+ + 3O2 + 6H2O Mangan II hòa tan khi bị oxy hóa sẽ chuyển dần thành mangan IV ở dạng hyđroxit kết tủa, quá trình oxy hóa diễn ra như sau: 2Mn(HCO3)2 + O2 + 6H2O ® 2Mn(OH)4¯ + 4H+ + 4HCO3- Khi nước ngầm tiếp xúc với không khí trong nước xuất hiện cặn hyđroxit sắt sớm hơn vì sắt dễ bị oxy hóa hơn mangan và phản ứng oxy hóa sắt bằng oxy hòa tan trong nước xảy ra ở trị số pH thấp hơn so với mangan. Để oxy hóa mangan trị số pH cần thiết > 9,5. Cặn mangan hóa trị cao là chất xúc tác rất tốt trong quá trình oxy hóa khử mangan cũng như khử sắt. Cặn hyđroxit mangan hóa trị IV Mn(OH)4 có màu hung đen. Trong thực tế cặn và chất lắng đọng trong đường ống, trên các công trình là do hợp chất sắt và mangan tạo nên, vì vậy, tùy thuộc vào tỷ số của chúng, cặn có thể có mà từ hung đỏ đến màu nâu đen. Quá trình oxy hóa diễn ra ngay với các chất dễ oxy hóa, do vậy , để oxy hóa hàm lượng mangan xuống đến 0,2 mg/l, pH của nước phải có giá trị xấp xỉ bằng 9. Kết quả thực nghiệm cho thấy khi pH < 8 và không có chất xúc tác thì quá trình oxy hóa mangan (II) thành (IV) diễn ra rất chậm, độ pH tối tưu thường trong khoãng từ 8,5 đến 9,5. Với hàm lượng tương đối thấp, ít khi vượt quá 5 mg/l. Tuy nhiên, với hàm lượng mangan trong nước lớn hơn 0,1 mg/l sẽ gây nhiều nguy hại trong việc sử dụng giống như trường hợp nước chứa sắt với hàm lượng cao. 3.2.2. Các chất khí hòa tan trong nước ngầm 3.2.2.1. O2 hòa tan Tồn tại rất ít trong nước ngầm. Tùy thuộc vào nồng độ của khí oxy trong nước ngầm, có thể chia nước ngầm thành 2 nhóm chính sau: Nước yếm khí: trong quá trình lọc qua các tầng đất đá, oxy trong nước bị tiêu thụ, khi lượng oxy bị tiêu thụ hết, các chất hòa tan như Fe2+, Mn2+ sẽ tạo thành nhanh hơn. Hơn nữa, cũng xảy ra quá trình khử sau: NO3- ® NH4; SO42- ® H2S, CO2 ® CH4 Nước dư lượng oxy hòa tan: trong nước có oxy sẽ không có các chất khử như NH4+, H2S, CH4. Đó chính là nước ngầm mạch nông. Thường khi nước có dư lượng oxy sẽ có chất lượng tốt. Tuy nhiên, nước ngầm mạch nông phụ thuộc nhiều vào nguồn nước mặt, nếu nước mặt bị ô nhiễm thì nó cũng sẽ bị ảnh hưởng. 3.2.2.2. H2S Hyđrosunfua được tạo thành trong điều kiện yếm khí từ các hợp chất humic với sự tham gia của vi khuẩn 2SO42- + 14H+ + 8e- ® 2H2S + 2H2O + 6OH- 3.2.2.3. Metan CH4 và khí CO2 Được tạo thành trong điều kiện yếm khí từ các hợp chất humic với sự tham gia của vi khuẩn: 4C10H18O10 + 2H2O ® 21CO2 + 19CH4 Nồng độ các tạp chất chứa trong nước ngầm phụ thuộc và các vị trí địa lý của nguồn nước, thành phần các tầng đất đá trong khu vực, độ hòa tan của các hợp chất trong nước, sự có mặt của các chất dễ bị phân hủy bằng sinh hóa trong chất đó. Nước ngầm cũng có thể bị nhiễm bẩn do các tác động của con người như phân bón, chất thải hóa học, nước thải sinh hoạt và công nghiệp, hóa chất bảo vệ thực vật. Các nguồn nước thường chứa hàm lượng lớn các chất bẩn hữu cơ NH4+, PO43- cũng như các vi sinh vật gây bệnh. Xử lý nước nhiễm bẩn là công việc khá khó khăn để đạt được các chỉ tiêu chất lượng nước sinh hoạt. Do vậy các khu vực khai thác nước ngầm cấp cho sinh hoạt và công nghiệp cần phải được bảo vệ cẩn thận, tránh bị nhiễm bẩn nguồn nước. Để bảo vệ nguồn nước ngầm cần khoanh vùng khu vực bảo vệ và quản lý, bố trí các nguồn thải ở khu vực xung quanh. Tóm lại, trong nước ngầm có chứa các cation chủ yếu là Na+, Ca2+, Mg2+, Fe2+, Mn2+, NH4+ và các anion HCO3-, SO42-, Cl-. Trong đó các ion Ca2+, Mg2+ chỉ tồn tại trong nước ngầm khi nước này chảy qua tầng đá vôi. Các ion Na+, Cl-, SO42- có trong nước ngầm trong các khu vực gần bờ biển, nước bị nhiễm mặn. Ngoài ra, trong nước ngầm có thể có nhiều nitrat do phân bón hóa học của người dân sử dụng quá liều lượng cho phép. Thong thong thì nước ngầm chỉ có các ion Fe2+, Mn2+, khí CO2, còn các ion khác đều nằm trong giới hạn cho phép của TCVN đối với nước cấp cho sinh hoạt. 3.3. CÁC PHƯƠNG PHÁP XỬ LÝ NƯỚC NGẦM Tùy thuộc vào vị trí, thành phần tính chất của nước mà ta có thể có nhiều công nghệ xử lý khác nhau 3.3.1. Khử sắt (Fe) và Mangan (Mn) 3.3.1.1. Phương pháp làm thoáng Trong nước ngầm, sắt tồn tại chủ yếu ở dạng ion Fe2+ là thành phần của các muối hòa tan như : Fe(HCO3)2 , FeSO4 , FeS, … Thực chất của quá trình khử sắt bằng phương pháp làm thoáng là đuổi khí CO2 và làm giàu oxy cho nước, tăng pH tạo điều kiện để oxy hóa Fe2+ thành Fe3+ thực hiện quá trình thủy phân tạo thành chất ít tan Fe(OH)3 và được giữ lại ở bể lọc. Làm thoáng có thể là : làm thoáng tự nhiên hay làm thoáng nhân tạo. Sau khi làm thoáng, quá trình oxy hóa Fe2+ và thủy phân Fe3+ có thể xảy ra trong môi trường tự do, môi trường hạt hay môi trường xúc tác. Làm thoáng đơn giản trên bề mặt lọc: dàn phun mưa cao 0.7m, lỗ phun đường kính 5- 7mm; lưu lượng 10m3/m2h. Lượng oxy hòa tan sau làm thoáng = 40% lượng oxy hòa tan bão hòa (Ở 250C lượng oxy bão hòa = 8.4 mg/l). Làm thoáng bằng dàn mưa tự nhiên: dàn một bậc hay nhiều bậc với sàn rải xỉ hoặc tre gỗ. Lượng oxy hòa tan sau làm thoáng = 55% lượng oxy hòa tan bão hòa. Hàm lượng CO2 giảm 50%. Làm thoáng cưỡng bức: tháp làm thoáng cưỡng bức lưu lượng 30 – 40 m3/h, lượng không khí tiếp xúc 4 – 6 m3/m3 H2O. Lượng oxy hòa tan sau làm thoáng = 70% lượng oxy hòa tan bão hòa. Hàm lượng CO2 giảm 75%. Trong nước ngầm, ngoài Fe2+ còn có HS-, S2- (H2S) có tác dụng khử đối với sắt nên ảnh hưởng đến quá trình oxy hóa sắt. 2H2S + O2 ® 2S + 2H2O Nếu trong nước có oxy hòa tan thì phản ứng oxy hóa S2- xảy ra trước sau đó mới tiếp tục oxy hóa Fe2+ thành Fe3+. Vì vậy, ta phải tính toán lượng oxy cung cấp để đủ oxy hóa Fe2+ thành Fe3+ để đạt tiêu chuẩn cấp nước. Các yếu tố ảnh hưởng đến quá trình khử sắt : pH , O2 , hàm lượng sắt trong nước ngầm, CO2 , độ kiềm, nhiệt độ, thời gian phản ứng. Khi tất cả các ion Fe2+ đã chuyển hóa thành các bông cặn Fe(OH)3 thì chúng sẽ được loại bỏ ở bể lọc. Khi có đủ hàm lượng oxy để oxy hóa sắt, thời gian oxy hóa trên công trình sẽ phụ thuộc vào trị số pH của nước. Bảng 3.1. Mối quan hệ giữa pH và thời gian nước tiếp xúc trong bể tiếp xúc – bể lọc pH 6,0 6,5 6,6 6,7 6,8 6,9 7 ≥ 7,5 Thời gian tiếp xúc cần thiết (thời gian lưu nước) trong bể lắng và bể lọc, phút 90 60 45 30 25 20 15 10 Thời gian tiếp xúc cần thiết lưu nước trong bể lọc tiếp xúc và bể lọc trong, phút 60 45 30 20 18 14 12 5 (Nguồn : số liệu đúc kết nhiều năm của Trung tâm Nghiên cứu Khoa học Công nghệ cấp – thoát nước). 3.3.1.2. Dùng hóa chất Khử sắt bằng các chất oxy hóa mạnh như : Cl2, O3 , KMnO4 ,… 2Fe2+ + Cl2 + 6H2O à 2Fe(OH)3 + 2Cl- + 6H+ 3Fe2+ + KMnO4 + 7H2O à 3Fe(OH)3 + MnO2 + K+ + 5H+ Fe(HCO3)2 + O2 + H2O + Ca(OH)2 à Fe(OH)3 + Ca(HCO3)2 Khử sắt bằng vôi : phương pháp này thường kết hợp với các quá trình ổn định hay làm mềm nước. Fe(HCO3)2 + Ca(OH)2 à FeCO3 + CaCO3 3.3.1.3.Các phương pháp khử sắt khác : Khử sắt bằng nhựa trao đổi ion. Khử sắt bằng vi sinh vật. Khử sắt bằng điện phân. Khử sắt trong lòng đất. 3.3.2. Khử mùi vị 3.3.2.1. Bằng than hoạt tính : Hình 3.1: Cột lọc than hoạt tính Đây là một ứng dụng hiệu quả nhất của than hoạt tính. Nó là một chất khử có khả năng loại bỏ một số chất oxy hóa như : clo, axít hypocloric, cloamin, ozon, permanganat, cromat Hình 3.2 : Cấu tạo và sự hấp phụ của than hoạt tính 2Cl2 + C* + 2H2O 4HCl + CO2 C* là than hoạt tính, clo trước khi phản ứng có thể hấp phụ trên bề mặt than. HOCl + C* C*O + H+ + Cl- NH2Cl + C* + H2O C*O + NH3 + H+ + Cl- 2NH2Cl + C*O à C* + 2H+ + 2Cl- + H2O + N2 2NHCl2 + H2O + C* N2 + 4H+ + 4Cl- + C*O Tốc độ phản ứng với than hoạt tính : NH2Cl > HOCl > OCl- > NH2Cl 3.3.2.2. Bằng ozon. Ozon là một chất oxy hóa mạnh, nó có khả năng loại bỏ các chất vô cơ gây đục, loại bỏ màu và mùi vị của nước. Ưu điểm lớn nhất của ozon là xử lý tốt và không tạo ra các sản phẩm phụ độc hại nhưng nhược điểm của nó là giá thành thiết bị đắt hơn nhiều so với than hoạt tính. Hình 3.3:Thiết bị tạo khí ozon 3.3.3. Khử cứng Độ cứng của nước chủ yếu do sự hiện diện hai ion Ca2+, Mg2+ , hai tạp chất này không gây hại cho sức khỏe nhưng gây hại cho các thiết bị : đóng cặn nồi hơi, đường ống dẫn và ảnh hưởng đến chất lượng đồ uống, các quá trình lên men. 3.3.3.1. Phương pháp nhiệt Ít dùng trong thực tế vì chi phí cao nhưng hiệu quả thấp. Phương pháp này chỉ khử được độ cứng tạm thời và tiến hành ở nhiệt độ 100oC. MgCO3 + H2O àMg(OH)2 + CO2 Mg(HCO3)2 àMgCO3 + H2O + CO2 Ca(HCO3)2 à CaCO3 + H2O + CO2 3.3.3.2. Phương pháp hóa học Phương pháp loại trừ Ca2+, Mg2+ ra khỏi nước là dựa vào tính tan thấp của CaCO3 và Mg(OH)2 và có thể tách ra bằng các biện pháp lắng lọc. Trong quá trình hình thành CaCO3 và Mg(OH)2 thì nồng độ cấu tử CO32- , HCO3- , pH đóng vai trò quan trọng trong việc hình thành kết tủa. Khử cứng theo phương pháp vôi – sô đa : nhằm làm tăng pH của môi trường từ vôi và tăng nồng độ CO32- từ sô đa. Có thể dùng NaOH để cấp OH- nhưng giá thành sẽ đắt hơn nhiều, các phản ứng chính trong quá trình khử bao gồm : Ca(OH)2 + H2O + CO2 à CaCO3 + 2H2OCa2+ + 2HCO3- + Ca(OH)2 à CaCO3 + 3H2O Ca2+ + (SO42- + Cl-) + Na2CO3 à CaCO3 + 2Na+ + (SO42- + Cl-) Mg2+ + 2HCO3- + 2Ca(OH)2 à 2CaCO3 + Mg(OH)2 + 2H2O Mg2+ + (SO42- + Cl-) + Ca(OH)2 à Mg(OH)2 + Ca+ + (SO42- + Cl-) So với quá trình khử cứng bằng vôi – sô đa thì lợi thế của phương pháp trao đổi ion là đơn giản, thao tác dễ dàng, loại bỏ độ cứng triệt để nhưng giá thành ban đầu khá đắt và nước cần một độ trong nhất định Ca(HCO3)2 + 2Na-R à Ca-R + 2NaHCO3 (khử cứng) Ca-R + NaCl à 2Na-R + CaCl2 (tái sinh nhựa cationit) Hình 3.4: Mô tả cấu tạo hạt nhựa trao dổi ion Hình 3.5 : Mô tả quá trình trao dổi ion( làm mềm nước) Quá trình trao đổi ion có thể thực hiện theo 2 phương thức : ngắt đoạn hay liên tục. Quá trình liên tục được thực hiện trong cột chứa tầng cố định chất trao đổi ion, nước cho chảy qua cột từ trên xuống. Quá trình tái sinh diễn ra theo chiều ngược lại, dùng lực đẩy của dòng xáo trộn hạt nhựa để tăng kha năng tái sinh. 3.3.3.3. Trao đổi ion Nguyên tắc trao đổi ion để khử khoáng là loại cation trước và anion sau. Nhựa trao đổi ion H+ cho các cation hòa tan và nhựa trao đổi ion OH- cho các anion hòa tan. Giống như quá trình khử cứng bằng trao đổi ion nhưng các ion trao đổi không góp phần vào chất rắn hòa tan dòng ra, thích hợp với nước có TDS ≤ 700ppm.  Hình 3.6: Thiết bị trao đổi ion 3.3.4. Thẩm thấu ngược Thực chất của phương pháp này là lọc nước qua màng bán thấm đặc biệt, màng chỉ cho nước đi qua còn các muối hòa tan bị giữ lại. Để lọc được nước qua màng phải tạo ra áp lực dư trong._. nước nguồn cao hơn áp lực thẩm thấu của nước qua màng, để nước đã được lọc qua màng không trở lại dung dịch muối do quá trình thẩm thấu. Thẩm thấu ngược sử dụng đặc tính của màng bán thấm là cho nước đi qua trong khi giữ lại các chất hoà tan trừ một vài phần tử hữu cơ rất giống nước ( có trọng lượng phân tử bé và độ phân cực lớn). Hình 3.7. Thiết bị lọc thẩm thấu ngược(RO) Hình 3.8. Cấu tạo màng lọc thẩm thấu ngược(RO) 3.3.5. Khử trùng Mục đích : loại bỏ vi khuẩn, vi sinh vật có hại trong nước. 3.3.5.1 Phương pháp vật lý : UV, vi lọc. Phương pháp chiếu tia cực tím (UV : Ultra violet) Phương pháp chiếu tia UV ngày càng được quan tâm vì không cần đưa thêm hóa chất vào nước. Khi tiếp xúc với tia cực tím, các axít nucleic của cơ thể vi sinh vật bị biến đổi theo chiều hướng bất lợi. Vùng ánh sáng có tác dụng diệt khuẩn cao nhất là ở bước sóng 200nm đến 300nm, đây là vùng axít nucleic hấp thụ mạnh nhất và chịu biến đổi sâu sắc. Khi các tế bào hấp thụ tia cực tím, tia cực tím sẽ tác động lên nhân tế bào và làm cho chúng bị phân hủy, mất khả năng phát triển và sinh sôi. Anh sáng tia cực tím chia làm 3 vùng : Vùng khoảng bước sóng UV – A 315nm – 400nm UV – B 280nm – 315nm UV – C 200nm – 280nm Thiết bị phát tia cực tím là đèn phóng điện thủy ngân chân không, ánh sáng phát ra có bước sóng 254nm. Năng lượng ánh sáng trong vùng này đủ khả năng diệt khuẩn trong thời gian vài giây. Đèn cực tím có cấu tạo giống như đèn phát sáng hình ống, nhưng vỏ thủy tinh làm từ thạch anh có trộn thêm TiO2 để vó hấp phụ ánh sáng có bước sóng nhỏ hơn 200nm. Người ta thường chọn đèn thủy tinh chân không vì hiệu quả kinh tế của nó cao nhất (chuyển hóa 40% năng lượng điện thành tia cực tím có tác dụng diệt khuẩn). Để đạt hiệu suất khử trùng cao ngoài những thông số thích hợp của thiết bị, ta còn phải chú ý đến các yếu tố chất lượng nước cần xử lý như : độ đục, chất gây màu, và các yếu tố khác ảnh hưởng đến khả năng truyền qua của tia cực tím. Trong đó yếu tố ảnh huởng mạnh nhất đến khả năng khử trùng là độ trong của nước. Chỉ khi nước có độ truyền qua trên 80% thì quá trình khử trùng mới có hiệu quả vì khi các hạt lơ lửng gặp các hạt lơ lửng nó sẽ bị phân tán làm giảm quãng đường truyền trong nước. Ngoài ra một số vi khuẩn bám vào những hạt huyền phù không tiếp xúc với tia cực tím, một số muối tan và chất hữu cơ cũng hấp phụ một phần tia cực tím làm giảm hiệu suất khử trùng. Bề mặt đèn cực tím cũng phải được làm sạch để tránh sự tổn thất mật độ ánh sáng do các chất bẩn tích tụ trên đó. Các ưu điểm của phương pháp chiếu tia trực tiếp so với các phương pháp khử trùng bằng hóa chất khác : Thành phần khoáng của nước không thay đổi, không tạo thành các hợp chất hữu cơ chứa clo. Độ an toàn trong hoạt động cao, không cần dùng hóa chất hấ phụ, thời gian khử trùng ngắn. Không xảy ra hiện tượng ô nhiễm do hóa chất, không gây ăn mòn thiết bị, thao tác đơn giản. Việc chăm sóc và bảo dưỡng đơn giản : lau sạch bề mặt đèn và thay đèn mới khi hết hạn sử dụng. Đối với thiế bị nhỏ có thể dùng điện acquy hay năng lượng mặt trời. Các khuyết điểm : Hiệu suất khử trùng kém khi độ truyền ánh sáng trong nước nhỏ hơn 80%, nước có tạp chất hữu và một số muối tan hấp phụ tia UV. Nhiệt độ lớn hơn 250C làm gảim tính năng khư của tia UV. Nước khử trùng có khả năng nhiễm khuẩn trở lại. Nước có hàm lượng nitrat khi khử bằng UV có khả năng tại ra nitrit. Phương pháp vi lọc Thiết bị lọc có dạng hình trụ, còn gọi là nến lọc có độ xốp cao và mao quản có kích thước nhỏ hơn kích thước vi sinh cần loại bỏ. Nến lọc sản xuất từ diotomit, chất kết dính và một số phụ gia. Với lỗ xốp có kích thước từ 0,2mm – 0,3mm có thể loại bỏ hầu hết các vi sinh có hại trong nước. Để kéo dài thời gian lọc hiệu quả thì nước đầu vào cần có độ nhất định, tránh làm tắc, phụ thuôc vào chất lượng nước. Theo từng chu kỳ lọc, nến lọc cần được vệ sinh bằng cách rửa hay dùng dung dịch clo để làm vệ sinh. Bên ngoài thiết bị vi lọc có gắn áp kế để theo dõi sự tăng áp suất lọc, khi áp suất tăng đến mức nào đó thì quá trình lọc bị tắc nghẽn và phải tiến hành rửa lọc. Lợi thế của phương pháp này trong việc loại bỏ vi khuẩn : Tính linh hoạt cao do nhiều nến lọc có công suất khác nhau có thể lắp đặt song song phù hợp với công suất cần thiết. Thành phần khoáng, muối nước không thay đổi. Giá thành hoạt động thấp. Nhược điểm là : Khi giữ lâu nước có thể bị nhiễm khuẩn trở lại. Làm vệ sinh không tốt nước có thể bị nhiễm khuẩn. Chỉ thích hợp cho qui mô nhỏ. 3.3.5.2. Dùng hóa chất : bằng Clo, ozon, … Khử trùng bằng Clo : Khi Clo gặp nước sẽ xảy ra phản ứng tạo thành dạng clo dư tự do là HClO, ClO- : Cl2 + H2O à HCl + HClO Nếu trong nước có sự hiện diện amoniac thì sẽ tạo thành dạng clo dư kết hợp là các cloamin. Hiệu quả khử trùng dạng này tốt hơn dạng clo dư tự do : HClO + NH3 à NH2Cl + H2O HClO + NH2Cl à NHCl2 + H2O HClO + NHCl2 à NCl3 + H2O Yếu tố ảnh hưởng đến khả năng khử trùng : cạn lơ lửng, độ đục, nhiệt độ, pH. Ưu điểm : khử tảo, mùi, váng nhớt có trong nước và rẽ tiền. Nhược điểm có mùi và có thể tạo ra chất THM gây ung thư. Ngoài ra người ta cũng có thể sử dụng dạng ClO2 với hiệu quả cao hơn và không tạo ra THM nhưng chi phí đắt và dễ nổ. Khử trùng bằng Ozon : liều lượng ozon khử trùng là 0,5 – 1,5 mg/l trong 5 phút. Ưu điểm Tác dụng và tốc độ khử trùng cao hơn clo và hợp chất clo. Không tạo ra sản phẩm phụ hữu cơ độc hại. Có thể oxy hóa nhiều chất hữu cơ đến sản phẩm cuối cùng là CO2 và nước. Không gây mùi khó chịu ở nồng độ cao Khuyết điểm Không bền trong nước nên không thể dùng khử trùng đường ống như clo. Giá thành thiết bị và vận hành đắt tiền CHƯƠNG 4 LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ XỬ LÝ NƯỚC TINH KHIẾT CẤP CHO NHÀ MÁY SẢN XUẤT DƯỢC PHẨM 4.1. ĐẶC TÍNH CỦA NGUỒN NƯỚC ĐẦU VÀO Nguồn nước đầu vào hệ thống phải đạt được tiêu chuẩn vệ sinh nước ăn uống của bộ y tế 1329/2002/BYT-QĐ Bảng 4.1. Tiêu chuẩn nước sinh hoạt 1329/2002/BYT-QĐ STT Tên chỉ tiêu Ðơn vị tính Giới hạn tối đa Phương pháp thử Mức độ giám sát I Chỉ tiêu cảm quan và thành phần vô cơ 1. Màu sắc (a) TCU 15 TCVN 6185-1996(ISO 7887-1985) A 2. Mùi vị (a) Không có mùi, Vị lạ Cảm quan A 3. Ðộ đục (a) NTU 2 (ISO 7027 - 1990)TCVN 6184- 1996 A 4. pH (a) 6,5-8,5 AOAC hoặc SMEWW A 5. Ðộ cứng (a) mg/l 300 TCVN 6224 - 1996 A 6. Tổng chất rắn hoà tan (TDS)(a) mg/l 1000 TCVN 6053 –1995(ISO 9696 –1992) B 7. Hàm lượng nhôm (a) mg/l 0,2 ISO 12020 – 1997 B 8. Hàm lượng Amoni, tính theo NH4+ (a) mg/l 1,5 TCVN 5988 – 1995(ISO 5664 1984) B 9. Hàm lượng Antimon mg/l 0,005 AOAC hoặc SMEWW C 10. Hàm lượng Asen mg/l 0,01 TCVN 6182 – 1996(ISO 6595 –1982) B 11. Hàm lượng Bari mg/l 0,7 AOAC hoặc SMEWW C 12. Hàm lượng Bo tính chung cho cả Borat và Axit boric mg/l 0,3 ISO 9390 - 1990 C 13. Hàm lượng Cadimi mg/l 0,003 TCVN6197 - 1996(ISO 5961-1994) C 14. Hàm lượng Clorua (a) mg/l 250 TCVN6194 - 1996(ISO 9297- 1989) A 15. Hàm lượng Crom mg/l 0,05 TCVN 6222 - 1996(ISO 9174 - 1990) C 16. Hàm lượng Ðồng (Cu) (a) mg/l 2 (ISO 8288 - 1986)TCVN 6193- 1996 C 17. Hàm lượng Xianua mg/l 0,07 TCVN6181 - 1996(ISO 6703/1-1984) C 18. Hàm lượng Florua mg/l 0,7 – 1,5 TCVN 6195- 1996(ISO10359/1-1992) B 19. Hàm lượng Hydro sunfua(a) mg/l 0,05 ISO10530-1992 B 20. Hàm lượng Sắt (a) mg/l 0,5 TCVN 6177-1996 (ISO 6332-1988) A 21. Hàm lượng Chì mg/l 0,01 TCVN 6193- 1996 (ISO 8286-1986) B 22. Hàm lượng Mangan mg/l 0,5 TCVN 6002- 1995 (ISO 6333 - 1986) A 23. Hàm lượng Thuỷ ngân. mg/l 0,001 TCVN 5991-1995 (ISO 5666/1-1983 ¸ISO 5666/3 -1983) B 24. Hàm lượng Molybden mg/l 0,07 AOAC hoặc SMEWW C 25. Hàm lượng Niken mg/l 0,02 TCVN 6180 -1996 (ISO8288-1986) C 26. Hàm lượng Nitrat mg/l 50 (b) TCVN 6180- 1996(ISO 7890-1988) A 27. Hàm lượng Nitrit mg/l 3 (b) TCVN 6178- 1996 (ISO 6777-1984) A 28. Hàm lượng Selen mg/l 0,01 TCVN 6183-1996 (ISO 9964-1-1993) C 29. Hàm lượng Natri mg/l 200 TCVN 6196-1996 (ISO 9964/1-1993) B 30. Hàm lượng Sunphát (a) mg/l 250 TCVN 6200 -1996(ISO9280 -1990) A 31. Hàm lượng kẽm (a) mg/l 3 TCVN 6193 -1996 (ISO8288-1989) C 32. Ðộ ô xy hoá mg/l 2 Chuẩn độ bằng KMnO4 A 4.2. TIÊU CHUẨN NƯỚC TINH KHIẾT CẤP CHO NHÀ MÁY SẢN XUẤT DƯỢC PHẨM ĐẠT TIÊU CHUẨN GMP-WHO Bảng 4.2. Tiêu chuẩn nước cho sản xuất dược phẩm theo tiêu chuẩn GMP-WHO STT TÊN CHỈ TIÊU ĐƠN VỊ NỒNG ĐỘ KHÔNG VƯỢT QUÁ A.Các chỉ tiêu hóa ly 01 Độ trong 30 02 PH (25oC) 5,5 – 7,5 03 Mùi vị 0 04 Canxi và Magiê 0 05 Độ màu mg/l, thang cobal 0 06 Clorine(Cl2) mg/l 0,5 07 Sulphate mg/l 1 08 Chất oxi hóa Nồng độ theo tiêu chuẩn BP( Xác định theo tiêu chuẩn Ph. Eur-Vo. II) Không đổi màu sau 5phút. 09 Amoniac mg/l 0,2 10 Nitrat mg/l 0,2 11 Nhôm mg/l 0,01 12 Kim loại nặng mg/l 0,1 13 Cặn bay hơi % 0,001 14 Độ dẫn điện mS/cm (25oC) 1.3 B.Các vi khuẩn gây bệnh 01 Tổng vi khuẩn hiếu khí MPN/ml 60 02 Enterobacteriaceae Salmonella E. coli Staphylococcus aureus Pseudomonas aerugisa MPN/ml 60 (Nguồn theo tiêu chuẩn trong dược điển GMP-WHO) 4.3. CÁC YÊU CẦU CẦN THIẾT TRONG THIẾT KẾ Nước sau xử lý: đạt yêu cầu phục vụ sản xuất dược phẩm theo tiêu chuẩn GMP-WHO. Công suất thiết kế: 3m3/giờ. Mặt bằng cần cho lắp đặt hệ thống: 40m2. Các giai đoạn xừ lý chính: Xử lý loại bỏ các yếu tố lý học. Xử lý loại bỏ các yếu tố hoá học. Xử lý loại bỏ các yếu tố vi sinh. Các phụ kiện Ống dẩn nước inoxSS304,SS316L, linh kiện loại chịu áp . Van một chiều, val điều áp, … nhập ngoại . Lưu lượng kế, đồng hồ đo độ dẫn, đồng hồ đo độ cặn, đồng hồ áp lực, …Các thiết bị đo lường phải được kiểm định trước khi lắp đặt vào hệ thống sử dụng. Hộp điện điều khiển hệ thống :Toàn bộ hệ thống được thiết kế chung một hộp điện điều khiển. Nguồn điện 380V , 220 V - 50Hz , 50A. Hệ thống hoạt động bán tự động. 4.4. ĐỀ XUẤT MỘT SỐ CÔNG NGHỆ XỬ LÝ Sơ đồ 4.1. Sơ đồ công nghệ xử lý nước tinh khiết loại1 Bể chứa nước sạch đạt tiêu chuẩn 1329/2002/BYT-QĐ Cột lọc 10 micron Cột khử Cation Cột khử khoáng(mixbed) Cột khử Anion Cột lọc 1 micrron Bồn chứa nước sản xuất NaOH + HCl H2O2 Vệ sinh Cột lọc 0.2 micron Cột làm mềm nước Tiệt trùng bằng đèn UV Phân xưởng sản xuất NaOH Tái sinh Tái sinh H2O2 HCl Tái sinh NaCl Tái sinh 4.4.1. Công nghệ xử lý nước tinh khiết (công nghệ số 1) 4.4.2. Công nghệ xử lý nước tinh khiết (công nghệ số 2) H2O2,NaOH, AXIT CITRIC Bể chứa nước sạch đạt tiêu chuẩn 1329/2002/BYT-QĐ Cột lọc 10 micron Cột khử Cation Lọc thẩm thấu ngược RO Cột khử Anion Cột lọc 1 micrron Bồn chứa nước sản xuất H2O2 Vệ sinh Cột lọc 0.2 micron Cột làm mềm nước Tiệt trùng bằng đèn UV Phân xưởng sản xuất NaOH Tái sinh Vệ sinh H2O2 HCl Tái sinh NaCl Tái sinh KHÍ OZONE Sơ đồ 4.2. Sơ đồ công nghệ xử lý nước tinh khiết loại 2 4.4.3 Công nghệ xử lý nước tinh khiết ( công nghệ số 3) 4.4.3. Công nghệ xử lý nước tinh khiết (công nghệ số 3) H2O2,NaOH, AXIT CITRIC H2O2,NaOH, AXIT CITRIC Vệ sinh Bể chứa nước sạch đạt tiêu chuẩn 1329/2002/BYT-QĐ Cột lọc 5 micron Lọc thẩm thấu ngược lần 1 Lọc thẩm thấu ngược lần 2 Bồn chứa trung gian Cột lọc 1 micrron Bồn chứa nước sản xuất H2O2 Vệ sinh Cột lọc 0.2 micron Cột làm mềm nước Tiệt trùng bằng đèn UV Phân xưởng sản xuất NaOH Tái sinh Vệ sinh H2O2 NaCl Tái sinh KHÍ OZONE H2O2,NaOH, AXIT CITRIC Cột lọc 5micron TBlọc thẩm thấu ngược RO2 Bồn chứa nước trung gian Cột lọc 2 micrron TBlọc thẩm thấu ngược RO1 Bồn chứa nước sản xuất H2O2 Vệ sinh Cột lọc 0.2 micron Cột làm mềm nước Tiệt trùng bằng đèn UV Phân xưởng sản xuất Khí Ozone NaCl Tái sinh H2O2,NaOH, AXIT CITRIC Sơ đồ 4.3. Sơ đồ công nghệ xử lý nước tinh khiết loại 3 4.4.4 Công nghệ xử lý nước tinh khiết ( công nghệ số 4) H2O2,NaOH, AXIT CITRIC Bể chứa nước sạch đạt tiêu chuẩn 1329/2002/BYT-QĐ Cột lọc 10 micron Cột khử Cation1 Khoáng cation2 Cột khử Anion Lọc thẩm thấu ngược Bồn chứa nước trung gian HCl Tái sinh Cột lọc 0.2 micron Cột làm mềm nước Tiệt trùng bằng đèn UV Phân xưởng sản xuất NaOH Tái sinh Vệ sinh H2O2 HCl Tái sinh NaCl Tái sinh KHÍ OZONE Bồn chứa nước RO Sơ đồ 4.4. Sơ đồ công nghệ xử lý nước tinh khiết loại 4 4.4.5 Công nghệ xử lý nước tinh khiết ( công nghệ số 5)Sơ đồ 4.5. Sơ đồ công nghệ xử lý nước tinh khiết loại 5 Bể chứa nước sạch đạt tiêu chuẩn 1329/2002/BYT-QĐ Cột lọc 5 micron Lọc thẩm thấu ngược lần RO Trao đổi ion bằng màng điện phân Bồn chứa trung gian Cột lọc 1 micrron Bồn chứa nước sản xuất NaCl H2O2 Vệ sinh Cột lọc 0.2 micron Cột làm mềm nước Tiệt trùng bằng đèn UV Phân xưởng sản xuất NaOH Tái sinh Tái sinh H2O2 H2O2,NaOH, AXIT CITRIC Vệ sinh NaCl Tái sinh OZONE 4.5. LỰA CHỌN CÔNG NGHỆ Trong các sơ đồ công nghệ trên thì mỗi công nghệ sẽ có những đặt tính riêng. Để khi chung ta cần thiết kế để cho hệ thống hoạt động vừa tiết kiệm năng lượng và lợi về mặt kinh tế và công tác vận hành … Căn cứ vào kết quả bảng phân tích nước giếng tại khu công viên nhà máy dược phẩm trung ương Vidipha tại Bình Dương cho thấy nguồn nước ở đây chất lượng tương đối tốt. Căn cứ vào quy định của Cục Dược Việt Nam cũng như tiêu chuẩn GMP-WHO về chất lượng nước tinh khiết cấp cho nhà máy dược phẩm cũng như máy móc thiết bị khi lắp đặt. Trong các công nghệ xử lý nước tinh khiết nêu trên thì chọn công nghệ số 4 là một trong những công nghệ xử lý nước tinh khiết được áp dụng rất nhiều trong nghành sản xuất dược phẩm ở Việt Nam hiện nay .Công nghệ này nó vừa đáp ứng được chất lượng nước đầu ra luôn ổn định và vừa đảm bảo được tính kỹ thuật ,quy định của cục dược Việt Nam cũng như tiêu chuẩn GMP-WHO hiện nay. 4.6. THUYẾT MINH QUY TRÌNH CÔNG NGHỆ ( Bản vẽ ở phụ lục 5) Nước được lấy bể chứa nước sạch đạt tiêu chuẩn 1329/2002/BYT-QĐ đi vào bình chứa inox1 với thể tích 3.000 lít và được bơm vào hệ thống xử lý nước tinh khiết qua hệ bơm PW1-PW2 . Nước từ bồn chứa inox1 trước khi đi vào hệ thống trao đổi ion thì cần phải đi qua cột lọc tinh với kích thước lỗ lọc là 10 micromet mục đích là loại bỏ một số cặn lơ lững xó kích cở lớn hơn 10 micromet để bảo về cho các cột lọc trao đổi ion tăng hiệu quả trong xử lý các công trình ở phía sau nó. Sau khi nước qua cột lọc tinh này lần lượt sẽ đi qua cột trao đổi làm mềm nước , tiếp đến là cột trao đổi cation1 để loại bỏ một số cation Mg2+,Mn4+,Pb2+,Fe2+… sau đó nước sẽ tiếp tục đi qua cột trao đổi anion thì các ion mang điện tích âm như Cl-, SO42-,NO3-,…Được giử lại trên lớp vật liệu hạt nhưa trao anion nước đi tiếp qua cột trao đổi cation 2 để một lần nữa loại bỏ một số khoáng chất còn lại . Nước sau khi đi qua hệ thống trao đổi ion (cation1-anion-cation2) sẽ được lưu trữ vào bồn chứa trung gian với thể tích V2=5000 lít . Bồn nước này có nhiệm vụ là cung cấp nước vào thiết bị lọc thẩm thấu ngược (RO) bằng hệ bơm PW3-PW4 . Trước khi dòng nước vào hệ thống RO thì cần phải đi qua một thiết bị lọc tinh từ 5-1micromet để bảo vệ màng lọc RO cũng như tăng tuổi thọ và hiệu quả xử lý của màng lọc RO. Sau thiết bị R.O nước sẽ chảy về bồn chứa hoàn lưu 2000 lít, có đèn UV1 nhúng chìm trong bồn. Nứơc lại tiếp tục được bơm PW5, PW6( 1chạy 1 dự phòng) bơm qua thiết bị lọc 0.2micron và đèn triệt trùng UV2 để đi về từng nới sản xuất, sau đó phần nước dư sẽ được hồi về đèn triệt trùng UV3 và vào bồn chứa hoàn lưu. Hệ thống bơm PW5,PW6 hoạt động liên tục theo chế độ tự động cài đặt bởi timer. 4.7. NHIỆM VỤ CỦA CÁC CÔNG TRÌNH TRONG HỆ THỐNG 4.7.1. Thiết bị lọc thô & lọc tinh 10- 02- 0.2 micron Quá trình lọc giảm cấp nhằm tăng cường khả năng lọc của thiết bị và tránh sự phân cấp các ma trận lọc củâmngf lọc. Tất cả các cặn bẩn có kích thước lớn hơn 10micron, 02micron, & 0.2 miron nhằm đưa nước đạt độ trong cho phép. Nước sau khi qua thiết bị lọc tinh đã đạt tiêu chuẩn về mặt lý hóa và vi sinh. Hệ thống này sử dụng cartridge Filter do Mỹ sản xuất, các lõi lọc này được thiết kế với ma trận lọc thích hợp nên lọc rất hiệu quả. 4.7.2. Thiết bị thẩm thấu ngược Thiết bị thẩm thấu là pha được ưu tiên chuyển qua dưới tác dụng của građien áp suất. Chúng được miêu tả như một màng lọc và được phân loại chức năng theo kích cỡ lỗ khoan. Dùng chính chất của màng bán thẩm thấu cho nước chãy qua, tất cả các chất hoà tan bị giữ lại trừ một vài phân tử hữu cơ rất gần nước ( khối lượng mol nhỏ, phân cực mạnh). Khi ta muốn tách một dung dịch muôi cô đặc từ một dung dịch loãng hơn bằng màng này, điện áp hóa có xu hướng làm nước chuyển từ buồng có điện thế cao để pha loãng ra ( thẩm thấu ra trực tiếp). Nếu muốn cản lại sự khuếch tán này, cần phải đặt lên một áp suất chất lỏng. Khi cần bằng, sự chênh lệch áp suất tạo ra được gọi là áp suất thẩm thấu của hệ thống. Thực vậy, để tạo ra nước “ lọc” từ một dung dịch có muối, cần phải vượt qua áp suất thẩm thấu của dung dịch và cũng có thể nói rằng: để nhận được lưu lượng kinh tế thích hợp, cần phải làm việc với áp suất ít nhất lớn gấp 2 lần áp suất thẩm thấu. Tuy nhiên, trong thực tế hệ thống thẩm ngược được công ty chúng tôi thiết kế đơn giản, chi phí thấp dễ dàng vận hành và bảo trì. Cần tạo của thiết bị R.O được mô tả bởi các phân tử như sau: Một bơm cao áp cung cấp năng lượng cho hệ thống Một hoặc nhiều modun màng lọc Một van xả áp để duy trì áp suất trong hệ thống. Nước sau quá trình này đạt yêu cầu kỹ thuật ó nước tinh khiết có thể sử dụng uống trực tiếp (về mặt lý hoá). 4.7.3. Thiết bị làm mềm & trao đổi Ion Phương pháp trao đổi Ion là sử dụng 02 loại nhựa cho hai cột, cột Cation & Anion, nước sau khi qua cột Cation & Anion, nước sau khi qua cột Cation sẽ giữ lại tất các Ion mang điện tích dươg nư: Fe, Ca, Mg .. đồng thời trả lại gốc H+ , sau một thời gian sử dụng thì gốc H+ trên nền nhựa không còn nữa(Lúc nước không đạt tiêu chuẩn, kiểm tra bằng Conductivity Meter). Ta cung cấp H+ cho nhựa trao đổi bằng cách hòan nguyên chúng với dung dịch H+Cl- nồng độ 5-10%, khi hoàn nguyên thì quá trình trao đổi xảy ra ngược lại nghĩa là Fe+.. Y-;, Ca+.Y-.. trên nền nhựa sẽ trao đổi bằng H+ có trong dung dịch hòan nguyên. Tóm lại quá trình trao đỗi diễn ra ở cột Cation theo 02 phương trình sau: Khi trao đổi R-H+ + X+Y- R-X+ + H+Y- Khi hòan nguyên R-X + H+Cl- R-H+ +X+Cl- Tương tự cho cột Anion sẽ giữ lại tất các Ion mang điện tích âm như Cl, NO3, SO4đồng thời trả lại trong nước gốc OH-. Sau một thời gian sử dụng thì gốc OH- trân nền nhựa không còn nữa, lúc này ta cung cấp cho OH- cho nhựa trao đổi bằng cách hòan nguyên chúng với NaOH nồng đồ 5-10%, khi ta hòan nguyên thì quá trình trao đổi xảy ra ngược lại, nghĩa là Y+.. Cl-; Y+SO4- . trên nền nhựa trao đổi bằng OH- có trong dung dịch hòan nguyên. Quá trình trao đổi diễn ra ở cột Anion theo 02 phương trình sau: Khi trao đổi R- OH- + X+Y- R-Y- + H+OH- Khi hòan nguyên R-OH- + Na+OH - R-OH- + Na+ Thiết bị trao đổi Ion là các chất vật liệu hạt không hòa tan có trong cấu trúc phân tử các gốc Axit hay Bazơ có thể thay thế được mà không làm thay đổi tính chất vật lý của chúng và cũng không làm biến mất hoặc hòa tan. Các Ion dương hay âm cố định trên các góc này đẩy ion cùng dấu có trong dung dịch lỏng. Đó là sự thay đổi số lượng tải toàn bộ có trong chất lỏng trước khi trao đổi. Ơ đây chúng tôi sử dụng Resin sản phẩm của hãng Dow có dung tích trao đổi 2Eq có tác dụng mạnh đối với các kim loại: Mg, Ca, fe… theo phản ứng thuận ngịch loại nước mềm: Mg2+ ® Mg R-Na + [ R – [ + 2Na Ca2+ ¬ Ca Nước qua thiết bị trao đổi Ion dùng trong tinh chế rất quan trọng tránh các tình trạng mất nước và làm đổi màu sản phẩm. Nước sau khi qua hệ thống trao đổi hàm lượng sắt đã đưa về tiêu chuẩn cho phép 0.2-0.1mg/l và độ cứng cũng được đưa về theo tiêu chuẩn nước sản xuất dược phẩm. 4.7.4. Đèn U.V tiệt trùng nước Có tác dụng tiêu diệt các vi khuẩn vi sinh có trong nước,với bước sóng 254nm để phá vở cấu tạo các tế bào của vi sinh vật và tiêu diệt một số vi khuẩn ,vi rút có trong nước. 4.7.5. Thiết bị điện điều khiển Nguồn điện cấp vào hệ thống cần sự ổn định cho phép dao động £ 5% về điện áp cũng như các thông số khác . Yêu cầu cấp nguồn điện 380V/3Phase/50Hz. Có tác dụng điều khiển & vận hành hệ thống bán tự động. Hệ thống hoạt động không tự động hóa 100% vì có những hạn chế sau: Chi phí đầu tư cho tự động hóa (Lập trình PLC toàn bộ ) sẽ tốn kinh phí nhiều. Một số thao tác cần phải có con người mới thực hiện được mà tự động hóa không thể điều khiển được như vệ sinh lõi lọc tinh, pha trộn hóa chất tái sinh… Hệ thống hoàn toàn tự động khi hệ thống báo đầy cạn nước trong các bồn chứa, Tự động tái sinh tại các cột trao đổi ion do sử dụng AUTOVAL 268/440 . đặt điểm của loại autoval này là tự hút hóa chất ,rửa ngược và rửa xuôi và rửa nhanh, được cài đặt theo thời gian khi hệ thống hoạt động ổn đinh. CHƯƠNG 5 TÍNH TOÁN THIẾT KẾ CÁC CÔNG TRÌNH XỬ LÝ 5.1. THÔNG SỐ CẦN THIẾT ĐỂ THIẾT KẾ Để đáp ứng được nhu cầu sản xuất của nhà máy với công suất nước tinh khiết 3 m3/h thì ta thiết kế hệ thống trước RO với lưu lượng cần xử lý tương ứng Qxl = 5 m3/h, thời gian làm việc trong ngày là t = 16 h. Các thông số đầu vào của nước ngầm sau khi xử lý thô : Hàm lượng sắt tổng : < 0.3 mg/l pH = 6.5-8 Độ oxy hóa = 4 mg/l. Hàm lượng Cl- = 250 mg/l. H2S = 0, NH4 < 1 mg/l. Độ kiềm = 1,5 mđlg/l = 1,5 meq/l. TDS < 275 mg/l 5.2. CỘT TRAO ĐỔI ION 5.2.1. Tổng quan về trao đổi ion Trao đổi ion là một quá trình hóa lý, trong đó các ion chuyến đổi từ pha rắn sang pha lỏng và ngược lại. Các ion trong nhóm chức mang điện tích trên bề mặt pha rắn (liên kết nhờ lực hút tĩnh điện) sẽ trao đổi với các ion cùng dấu trong dung dịch khi tiếp xúc pha rắn giữa các hạt nhựa. 5.2.1.1. Nhiệm vụ Khử các ion có trong nước, ở đây chủ yếu khử cứng (Ca2+, Mg2+ …) và khử khoáng nước cấp bởi việc loại gần hết các ion trong nước. Ngoài ra chúng còn được dung để loại các ion Fe2+, Mn2+, NO3-, SO42-, PO43-, … 5.2.1.2. Nhựa cation (R-H) R-SO3H R-SO3- + H+ Nhựa cation acid mạnh Nhóm chức: HSO3-, H2PO3-, nhóm phenolic OH- Dung dịch hoàn nguyên: R - H: HCl hoặc H2SO4 R – Na: NaCl Nhựa cation acid yếu Trao đổi với muối kiềm (HCO3-, CO32-) thành acid yếu tương ứng nhưng không trao đổi với muối không kiềm (NaCl, CaSO4) Nhóm chức carboxylic Dung dịch hoàn nguyên: HCl hoặc H2SO4 Tính lựa chọn ion theo thứ tự Nhựa cation acid mạnh Fe2+ > Al3+ >Ra2+ > Ba2+ > Ca2+ > Mg2+ > Cs+ > Rb+ > K+ > Na+ > H+ > Li+ Nhựa cation acid yếu H+ > Fe3+ > Al3+ > Ca2+ > Mg2+ > K+ > Na+ > Li+ Chọn phương pháp làm mềm nước phải dựa vào chất lượng nước yêu cầu sau xử lý,thành phần muối hòa tan trong nước nguồn. Trong trường hợp trao đổi ion với mục tiêu duy nhất là khử nước thì phương pháp làm mềm nước bằng Na-cationit là rẻ nhất ( vì không tạo ra H+ gây pH thấp <4.3 không sử dụng được): 2RNa + CaSO4 R2Ca + Na2SO4 2RNa + MgSO4 R2Mg + Na2SO4 Khi lớp nhựa cation hết hiệu lực, người ta tái sinh bằng muối NaCl R2Ca + 2NaCl 2RNa + CaCl2 R2Mg + 2NaCl 2RNa + MgCl2 Để mềm hóa nước, người ta đem nước cứng có chứa Ca2+ và Mg2+ lien tục dẫn vào cột trao đổi ion RNa hấp thụ Ca2+ trong nước và đồng thời phân ly ra Na2+ làm cho các phản ứng ion dịch chuyển về phía phải, như vậy đã khử Ca2+trong nước. Trong xử lý nước thường dung dung tích trao đổi thể tích, nó được biểu thị bằng số lượng ion trao đổi (tính bằng gam đương lượng) được hấp thụ trong 1m3 vật liệu ionit (đlg/m3) hoặc mg đương lượng trong 1l (mgđ/l). Quá trình làm mềm nước bằng natri-cationit có thể giảm được lượng Ca2+ và Mg2+ trong nước đến một trị số rất bé. Tổng độ kiềm trong nước không đổi, ặn sấy khô tăng lên một ít vì đã thay thế một ion Ca2+ào tan trong nước (có trọng lượng nguyên tử bằng 40.08) bằng 2 ion Na2+ (trọng lượng nguyên tử 2*22.99 = 45.98). Các yếu tố ảnh hưởng Bản chất ion bị trao đổi Bản chất của chất trao đổi ion Giá trị pH Nhiệt độ của nước Nồng độ các ion khác có trong nước Mức độ tái sinh Trong đó: Khử cứng (Ca 2+, Mg 2+…) cho nước ăn uống, nước cấp nồi hơi (ảnh hưởng do đóng cặn) thường sử dụng R-Na (Nhựa cation acid mạnh chu trình Na) 2R – Na + Ca2+ -> 2R – Ca + 2Na+ Tuy nhiên cần phải cân nhắc lượng Na (Na>200mg/l ảnh hưởng sức khỏe sinh ra có ảnh hưởng đến sức khỏe không thể quyết định có dùng trao đổi ion để khử cứng không. Hàm lượng Fe>0.3 mg/l: không nên sử dụng trao đổi ion vì trong điều kiện có O2, Fe2+ bị oxi hóa thành Fe3+ (kết tủa) bám trên bề mặt nhựa làm giảm khả năng trao đổi ion. TDS > 1000 mg/l: không nên sử dụng trao đổi ion vì hiệu quả trao đổi kém (do phản ứng trao đổi ion là phản ứng thuận nghịch) và chi phí hóa chất cao (do nhựa có dung lượng trao đổi giới hạn -> phải hoàn nguyên nhiều). Nếu lấy nước từ mạng lưới nước cấp (nước thủy cục) thì trong nước có chứa một lượng Clor dư (là chất oxi hóa mạnh) sẽ oxi hóa nhựa, do đó cần khử Clor dư rồi mới trao đổi ion. Trường hợp nước có vi sinh vật và điều kiện chất dinh dưỡng, vi sinh vật sẽ bám trên bề mặt nhựa làm giảm bề mặt tiếp xúc trao đổi, vì vậy cần phải khử trùng trước bằng tia UV (không được sử dụng Clorine). 5.2.2. Tính toán về thiết bị làm mềm 5.2.2.1. Thông tin sản phẩm hạt nhựa làm mềm S1467 là nhựa trao đổi cation acid mạnh với các hạt có kích thước đồng đều (Monoplus) liên kết các polimer styrene – divinylbenzene. Các hạt monoplus rất ổn định về hoá học và cơ học. Động lực học tối ưu dẫn tới tăng công suất vận hành so với nhựa trao đổi ion có phân bố kích thước hạt không đồng đều S1467 ứng dụng đặc biệt cho làm mềm nước uống. S1467 có bổ sung một số đặc điểm đặc biệt đối với lớp nhựa : Tốc độ dòng trao đổi cao suốt quá trình tái sinh và vận hành. Sự dụng tốt tổng công suất. Nhu cầu nước xả rửa thấp. Gradient sụt áp là đường tuyến tính cho toàn bộ chiều cao của lớp resin; vì thế vận hành với lớp resin càng cao càng tốt. S1467 tuân theo luật pháp hiện hành của Đức về thực phẩm và được phép tiếp xúc thực phẩm và là hóa chất tuân theo qui định FDA 21 CFR 173.2S (a). S1467 tuân theo quyết định Châu Âu AP (97) – 1, với kiểm tra của Total Oganic Carbon (TOC) ,có giấy chứng nhận tuân theo kiểm tra AFNOR ( Phương pháp T90 – 601). Khi sử dụng S1467 để xử lý nước uống và dung dịch nước được liệt kê ở trên, chú ý thông tin sản phẩm này phải được quan sát từ những chu kỳ đầu của nhựa trao đổi ion Các tính chất đặc biệt của nhựa trao đổi ion có thể chỉ sử dụng đầy đủ nếu kỹ thuật và qui trình sử dụng tương ứng với trạng thái kỹ thuật hiện hành. Các thông tin đi sâu hơn nữa trong vấn đề này có thể nhận được từ Bayer AG, Các sản phẩm đặc biệt, đơn vị thương mại về nhựa trao đổi ion và hóa chất ngành nước. Bảng 5.1. Thông số kỹ thuật nhựa Monoplus S1467-LANXESS Dạng ion nguyên thủy Na+ Nhóm chức Sulfonic acid Mạch cao phân tử Liên kết polystyrene Cấu trúc Hạt loại gel Hình thái bên ngoài Màu nâu sáng Bảng 5.2. Tính chất vật lý và hóa học của nhựa Monoplus S1467-LANXESS Kích thước hạt * > 90% mm 0.6 ± 0.05 Kích thước hữu hiệu * AB ±0.05 mm % >80 Dung trọng (± 5%) g/ l 820 Tỷ trọng (xấp xỉ) g/ ml 1.28 Độ ngâm nước % 42 – 48 Tổng dung lượng (tối thiểu) eq/ l 2.0 Thay đổi thể tích Na+ ® H+ % + 8 Độ bền khoảng pH 0 – 14 Khả năng lưu trữ của sản phẩm (tối thiểu) năm 2 Khả năng lưu trữ khoảng nhiệt độ OC -10 ± 40 Kiểu đóng gói 25 lít/ túi PE Bảng 5.3. Các điều kiện giới hạn cho phép đối với nhựa Monoplus S1467-LANXESS Nhiệt độ vận hành (tối đa) oC 120 Khoảng pH vận hành 0 – 14 Chiều cao lớp resin (tối thiểu) mm 800 Độ sụt áp trên m/ h ở độ nhớt 1 mPa (xấp xỉ) kPa*h/ m2 1.0 Độ sụt áp cho phép kPa 200 Tốc độ chảy Khi rút khí (tối đa) m/ h - Tốc độ chảy Khi rửa ngược (20oC ) (xấp xỉ) m/ h 10 – 12 Độ giản nở của resin (20oC, trên m/ h ) (xấp xỉ) % 4 Khoảng trống Theo % thể tích resin % 40 Chất tái sinh NaCl Tái sinh ngược chiều Định lượng g/ l 120 Tái sinh cùng chiều Định lượng g/ l 200 Nồng độ Nồng độ % 8 – 12 Tốc độ chảy Tái sinh (xấp xỉ) m/ h 5 Tốc độ chảy Rửa (xấp xỉ) m/ h 5 Lượng nước rửa (xấp xỉ) BV 6 Bảng 5.4. Các điều kiện vận hành tham khảo. Nước rửa Nước uống Tốc độ dòng m/ h 5 Lượng nước rửa (xấp xỉ) BV 6 - 20 Nhiệt độ nước rửa oC Nhiệt độ vận hành Tái sinh gấp đôi lượng bình thường Xem điều kiện vận hành Rửa gấp đôi lượng bình thường Xem điều kiện vận hành 5.2.2.2. Tính toán lượng nhựa làm mềm nước. Lưu lượng: Q= 5m3/h Độ cứng: C= 120mg/lCaCO3 = 120/50 meq/l = 2.4 eq/m3 Thời gian làm việc của một chu kỳ: 40 giờ. Dung lượng trao đổi của nhựa S1467 – Lanxess = 2eq/l (Bảng 5.2) Lượng nước qua một chu kỳ: 5 m3 /h *40h = 200m3 Tổng dung lượng cần trao đổi: 2.4eq/m3* 200 m3 = 480 eq BV = Tổng dung lượng cần trao đổi Dung lượng trao đổi của nhựa D Thể tích nhựa cần: BV =nhựa Ta chọn: 250 lít nhựa (25 lít/túi) 5.2.2.3. Kích thước cột trao đổi ion Vận tốc nước qua lớp nhựa V=12-45m/h. Ta chọn V=25m/h. Diện tích bề mặt cột: As= Đường kính cột trao đổi: D = Chọn D=0.5 m Diện tích bề mặt cột trao đổi: As= Vận tốc nước qua lớp nhựa trao đổi: V= Thỏa mãn V (15-45m/h) Chiều cao lớp nhựa trao đổi (hmin>0,8m) h nhựa= Chọn hnhựa = 1.3 m Độ giãn nở lớp nhựa = 4%. Khoảng trống theo % thể tích của lớp vật liệu nhựa: 40%. (Theo bảng 5.1) Chiều cao bảo vệ: Hbv = (4%+40%)*hnhựa = 44%*1.3 = 0.57m Chọn hbv = 0.6 m Chiều cao cột trao đổi: H= hd +hnhựa+ hbv Trong đó: H: chiều cao tổng cộng bể lọc, m hd: Chiều cao lớp sỏi đỡ, hd = 0.2m hbv: Chiều cao bảo vệ, hbv = 0.6 m. hnhựa: Chiều cao lớp nhựa, hnhựa = 1.3m Vậy: H = 0.0+1.3+0.6 = 2.1 m. Chọn H = 2.1m 5.2.2.4. Hoàn nguyên nhựa Dung dịch hoàn nguyên Chọn: - Dung dịch hoàng nguyên: dd NaCl 10% (Bảng 5.1) - Lượng NaCl hoàn nguyên = 200 g/l (Bảng 5.1) Tổng dung lượng trao đổi của muối: Dung lượng NaCl hoàn nguyên: 3.42 Giả sử tỉ trọng dung dịch NaCl = 1 kg/l Thể tích dd NaCl 10%: VNaCl= Lượng muối NaCl cần để hoàn nguyên là: Vận tốc hoàn nguyên = 1 – 10 m/h (đủ chậm để tạo đủ thời gian tiếp xúc). Chọn: Vận tốc hoàn nguyên = 6 m/h Thời gian hoàn nguyên: t= Giả sử độ cứng trong nguồn nước là do Ca2+ gây ra và trung bình trong._.