Nước ở sông hoặc hồ không đủ sạch để đáp ứng nhu cầu sử dụng của con người. Nước ngầm cũng vậy, chúng thường cần một số mức phương pháp xử lý loại bỏ các chất gây hại, đáp ứng các tiêu chuẩn về nước uống của Nhà nước. Mục tiêu chính của xử lý nước là bảo vệ sức khỏe của cộng đồng. Nước uống được phải không có vi sinh vật và hóa chất có hại. Nước phải trong như pha lê, hầu như không có độ đục và không được có màu, mùi, vị khó chịu. Đối với các nguồn cung cấp trong nước, nước không được ăn mòn, cũng như không được đóng cặn và các vết bẩn. Các yêu cầu công nghiệp có thể còn nghiêm ngặt hơn.
Nhà máy lọc nước ở Nhật Bản
Loại và mức độ xử lý cần thiết để có được nước uống phụ thuộc vào chất lượng của nguồn. Chất lượng càng tốt thì càng ít phải xử lý. Nước mặt thường cần được xử lý nhiều bước hơn nước ngầm vì hầu hết các suối, sông và hồ đều bị ô nhiễm ở một mức độ nào đó. Ngay cả ở những khu vực xa dân cư, nước mặt có chứa phù sa lơ lửng , vật chất hữu cơ, thảm thực vật mục nát và vi sinh vật từ chất thải động vật. Mặt khác, nước ngầm thường không có vi sinh vật và chất rắn lơ lửng do được lọc tự nhiên khi nước di chuyển qua đất, mặc dù nó thường chứa nồng độ tương đối cao các khoáng chất hòa tan do tiếp xúc trực tiếp với đất và đá .
Nước được xử lý bằng nhiều phương pháp vật lý và hóa học. Xử lý nước bề mặt bắt đầu bằng các tấm chắn lấy nước để ngăn cá và các mảnh vụn xâm nhập vào nhà máy làm hỏng máy bơm và các bộ phận khác. Xử lý nước thông thường chủ yếu bao gồm loại bỏ các chất rắn, chất hoá học và khử trùng. Việc làm sạch được thực hiện để loại bỏ độ đục, làm cho nước trong như tinh thể. Khử trùng, thường là bước cuối cùng trong xử lý nước uống, tiêu diệt các vi khuẩn gây bệnh. Nước ngầm thường không cần làm sạch, nhưng cần được khử trùng để bảo vệ sức khỏe cộng đồng . Ngoài việc làm sạch và khử trùng, các quá trình làm mềm, sục khí, hấp phụ cacbon và florit có thể được sử dụng cho một số nguồn nước công cộng. Quy trình khử muối được sử dụng ở những khu vực không có sẵn nguồn cung cấp nước ngọt.
Các bước cơ bản trong xử lý nước cấp thành phố
Lắng cặn
Các tạp chất trong nước có thể hòa tan hoặc lơ lửng. Vật liệu lơ lửng làm giảm độ trong và cách dễ nhất để loại bỏ nó là dựa vào trọng lực. Trong điều kiện tĩnh lặng, các hạt lơ lửng dần dần lắng xuống đáy bồn hoặc bể. Đây được gọi là bồi lắng đồng bằng. Lưu trữ nước lâu dài (hơn một tháng) trong các hồ chứa làm giảm lượng cặn lơ lửng và vi khuẩn. Trong một nhà máy xử lý, các bể lắng được xây dựng để cung cấp một vài giờ lưu trữ hoặc thời gian lưu giữ khi nước từ từ chảy từ đầu vào đến đầu ra. Việc giữ nước trong các bể chứa trong thời gian dài hơn là không khả thi vì khối lượng lớn phải được xử lý.
Mô hình bể lắng
Bể lắng có thể có hình chữ nhật hoặc hình tròn và thường sâu khoảng 3 mét (10 feet). Một số bể thường được cung cấp và bố trí để hoạt động song song (song song). Nước chảy vào được phân bố đồng đều khi nó đi vào bể. Nước thải lướt khỏi bề mặt khi nó chảy qua các vách ngăn đặc biệt được gọi là đập. Lớp chất rắn đặc đọng lại ở đáy bể gọi là bùn . Các bể lắng hiện đại được trang bị máy nạo cơ học liên tục đẩy bùn về phía phễu thu gom, nơi nó được bơm ra ngoài.
Hiệu quả của một bể lắng để loại bỏ các chất rắn lơ lửng phụ thuộc nhiều vào khu vực bề mặt của nó hơn là phụ thuộc về độ sâu hoặc khối lượng. Một bể tương đối nông với diện tích bề mặt lớn sẽ hiệu quả hơn một bể rất sâu có cùng thể tích nhưng có diện tích bề mặt nhỏ hơn. Hầu hết các bể lắng được thiết kế không sâu dưới 3 mét (khoảng 10 feet) để có đủ chỗ cho lớp bùn và cơ cấu gạt.
Một kỹ thuật được gọi là lắng sâu nông thường được áp dụng trong các nhà máy xử lý hiện đại. Trong phương pháp này, một số đơn vị hoặc môđun đúc sẵn của “bộ định vị dạng ống” được lắp đặt gần đỉnh của bể chứa để tăng diện tích bề mặt hiệu quả.
Đông tụ và tạo bông
Các hạt lơ lửng không thể được loại bỏ hoàn toàn bằng cách lắng cặn. Các hạt lớn và nặng lắng xuống dễ dàng, nhưng các hạt nhỏ hơn và nhẹ hơn lắng rất chậm hoặc trong một số trường hợp không lắng xuống. Do đó, bước lắng thường được thực hiện trước một quá trình hóa học được gọi là sự đông tụ. Hóa chất (chất đông tụ) được thêm vào nước để mang các phần tử không lắng lại với nhau thành các chất rắn có khối lượng lớn hơn, nặng hơn được gọi là floc. Nhôm sunfat ( phèn ) là chất đông tụ phổ biến nhất được sử dụng để lọc nước . Các hóa chất khác như sunfat sắt hoặc natri aluminat cũng có thể được sử dụng.
Quá trình đông tụ thường được thực hiện qua hai giai đoạn: trộn nhanh và trộn chậm. Trộn nhanh giúp phân tán đều các chất đông tụ trong nước và đảm bảo phản ứng hóa học hoàn thành . Đôi khi điều này được thực hiện bằng cách thêm các chất hóa học trước khi máy bơm, cho phép bơm để làm sự pha trộn. Tuy nhiên, thông thường, một bể trộn flash nhỏ cung cấp thời gian tạm giam khoảng một phút. Sau khi hỗn hợp chớp cháy, cần một thời gian khuấy nhẹ lâu hơn để thúc đẩy va chạm của các hạt và tăng cường sự phát triển của bông cặn. Sự kích động nhẹ nhàng, hoặc trộn chậm này được gọi là keo tụ ; nó được hoàn thành trong một chiếc xe tăng có thời gian tạm giam ít nhất là nửa giờ. Bể keo tụ có các máy trộn kiểu cánh khuấy bằng gỗ quay chậm trên một trục dẫn động động cơ nằm ngang. Sau khi keo tụ nước chảy vào các bể lắng. Một số nhà máy xử lý nước nhỏ kết hợp đông tụ và lắng trong một đơn vị thép đúc sẵn được gọi là bể tiếp xúc chất rắn.
Lọc
Ngay sau khi keo tụ và tạo bông, lắng không loại bỏ hết các tạp chất lơ lửng khỏi nước. Các bông cặn còn lại gây ra độ đục đáng chú ý trong nước và có thể che chắn vi khuẩn khỏi việc khử trùng. Lọc là một quá trình vật lý để loại bỏ các tạp chất này khỏi nước bằng cách thấm nó xuống dưới một lớp vật liệu xốp, dạng hạt như cát . Các hạt lơ lửng bị mắc kẹt trong khoảng lỗ của vật liệu lọc, điều này cũng loại bỏ các động vật nguyên sinh có hại và màu sắc tự nhiên. Hầu hết các nguồn cung cấp nước mặt đều yêu cầu lọc sau các bước đông tụ và lắng cặn. Tuy nhiên, đối với nước mặt có độ đục và màu sắc thấp, có thể sử dụng quy trình lọc trực tiếp, không có quá trình lắng trước đó.
Hai loại bộ lọc cát đang được sử dụng là chậm và nhanh. Bộ lọc chậm cần nhiều diện tích bề mặt hơn bộ lọc nhanh và rất khó làm sạch. Hầu hết các nhà máy xử lý nước hiện đại ngày nay đều sử dụng bộ lọc môi trường kép sau quá trình đông tụ và lắng cặn. Bộ lọc phương tiện bao gồm một lớp than antraxit bên trên một lớp cát mịn. Lớp than phía trên giữ lại hầu hết các bông lớn, và các hạt cát mịn hơn ở lớp dưới sẽ bẫy các tạp chất nhỏ hơn. Quá trình này được gọi là lọc sâu, vì các tạp chất không chỉ đơn giản được sàng lọc hoặc loại bỏ ở bề mặt của lớp lọc, như trường hợp của bộ lọc cát chậm. Để tăng cường lọc chuyên sâu, bộ lọc hỗn hợp được sử dụng. Chúng có lớp thứ ba, bao gồm một khoáng chất hạt mịn được gọi là garnet , ở dưới cùng của lớp.
Bộ lọc nhanh được đặt trong cấu trúc bê tông hình hộp, với nhiều hộp được bố trí ở cả hai bên của phòng trưng bày đường ống. Một bể lớn được gọi là giếng trong thường được xây dựng bên dưới các bộ lọc để giữ nước trong tạm thời. Một lớp sỏi thô thường hỗ trợ các phương tiện lọc. Khi bị tắc bởi các hạt tách ra khỏi nước, lớp lọc phải được làm sạch bằng cách rửa ngược. Trong quá trình rửa ngược, hướng của dòng chảy qua bộ lọc bị đảo ngược. Nước sạch được đẩy lên trên qua phương tiện, mở rộng tầng lọc một chút và mang theo các tạp chất trong máng rửa. Nước rửa ngược được phân phối đồng đều trên đáy bộ lọc bằng hệ thống ống dẫn đục lỗ hoặc các khối gạch xốp.
Sơ đồ cơ sở xử lý nước lọc nhanh
Vì độ tin cậy của nó, bộ lọc nhanh là loại bộ lọc phổ biến nhất được sử dụng để xử lý nguồn nước công cộng. Tuy nhiên, có thể sử dụng các loại bộ lọc khác, bao gồm bộ lọc áp suất , bộ lọc đất tảo cát và bộ lọc vi mạch. Một bộ lọc áp suất có một tầng phương tiện dạng hạt, nhưng thay vì mở ở trên cùng như bộ lọc nhanh dòng trọng lực, nó được bao bọc trong một bể thép hình trụ. Nước được bơm qua bộ lọc dưới áp lực. Trong Bộ lọc đất tảo cát , một vật liệu dạng bột tự nhiên bao gồm vỏ của các sinh vật cực nhỏ gọi là tảo cát được sử dụng làm phương tiện lọc. Bột được đỡ thành một lớp mỏng trên màn kim loại hoặc vải, và nước được bơm qua lớp này. Bộ lọc áp lực và bộ lọc đất diatomaceous được sử dụng thường xuyên nhất cho các ứng dụng công nghiệp hoặc cho các bể bơi công cộng.
Microstrainers bao gồm một sợi dây thép không gỉ được dệt mịn bằng vải được gắn trên một trống quay chìm một phần trong nước. Nước đi vào một đầu hở của trống và chảy ra ngoài qua màn chắn, để lại các chất rắn lơ lửng. Các chất rắn bị bắt giữ được rửa vào một phễu khi chúng được đưa lên khỏi mặt nước bằng trống quay. Microstrainers được sử dụng chủ yếu để loại bỏ tảo từ nguồn nước mặt trước khi lọc theo dòng trọng lực thông thường. (Chúng cũng có thể được sử dụng trong xử lý nước thải tiên tiến .)
Khử trùng
Khử trùng tiêu diệt mầm bệnh vi khuẩn và rất cần thiết để ngăn chặn sự lây lan của bệnh qua đường nước . Điển hình là quy trình cuối cùng trong xử lý nước uống, nó được thực hiện bằng cách áp dụng clo hoặc các hợp chất clo, ozone hoặc bức xạ tia cực tím vào nước đã được làm sạch.
Khử trùng bằng clo
Việc bổ sung clo hoặc các hợp chất của clo vào nước uống được gọi là quá trình clo hóa. Các hợp chất clo có thể được sử dụng ở dạng lỏng và rắn — ví dụ, natri hypoclorit lỏng hoặc canxi hypoclorit ở dạng viên hoặc dạng hạt. Tuy nhiên, việc áp dụng trực tiếp clo dạng khí từ các thùng chứa bằng thép có áp suất thường là phương pháp kinh tế nhất để khử trùng lượng nước lớn.
Các vấn đề về mùi vị hoặc mùi được giảm thiểu với liều lượng thích hợp của clo tại nhà máy xử lý và nồng độ dư có thể được duy trì trong toàn bộ hệ thống phân phối để đảm bảo mức độ an toàn tại các điểm sử dụng. Clo có thể kết hợp với một số hợp chất hữu cơ tự nhiên trong nước để tạo ra cloroform và các sản phẩm phụ có khả năng gây hại khác (trihalomethanes). Tuy nhiên, rủi ro của điều này là nhỏ, khi clo được sử dụng sau quá trình đông tụ, lắng và lọc.
Việc sử dụng các hợp chất clo được gọi là cloramin (clo kết hợp với amoniac ) để khử trùng các nguồn cung cấp nước công cộng đã gia tăng kể từ đầu thế kỷ 21. Phương pháp khử trùng này thường được gọi là khử trùng bằng clo. Hiệu quả khử trùng của cloramin kéo dài hơn so với chỉ dùng clo, bảo vệ chất lượng nước hơn nữa trong toàn bộ hệ thống phân phối. Ngoài ra, chloramine còn làm giảm các vấn đề về mùi vị và mùi vị, đồng thời tạo ra các sản phẩm phụ có hại ở mức thấp hơn so với việc sử dụng chỉ clo.
Khử trùng bằng ozone
Khí ozone có thể được sử dụng để khử trùng nước uống. Tuy nhiên, do ozone không ổn định nên không thể lưu trữ và phải sản xuất tại chỗ, làm cho quá trình này tốn kém hơn so với quá trình khử trùng bằng clo. Ozone có ưu điểm là không gây ra các vấn đề về vị hoặc mùi; nó không để lại dư lượng trong nước đã khử trùng. Tuy nhiên, việc thiếu dư lượng ozone gây khó khăn cho việc giám sát hiệu quả liên tục của nó khi nước chảy qua hệ thống phân phối.
Máy ozone được sử dụng trong hệ thống xử lý nước sinh hoạt
Khử trùng bằng tia cực tím
Bức xạ tia cực tím tiêu diệt mầm bệnh và việc sử dụng nó như một chất khử trùng giúp loại bỏ nhu cầu xử lý hóa chất. Nó không để lại dư lượng và không gây ra các vấn đề về mùi vị hoặc mùi. Nhưng chi phí ứng dụng cao khiến nó trở thành đối thủ kém cạnh tranh với clo hoặc ozon làm chất khử trùng .
Lọc màng
Một số loại màng bán thấm tổng hợp có thể được sử dụng để chặn dòng chảy của các hạt và phân tử đồng thời cho phép các phân tử nước nhỏ hơn đi qua dưới tác dụng của áp suất thủy tĩnh . Hệ thống lọc màng điều khiển áp suất bao gồm vi lọc (MF), siêu lọc (UF), và thẩm thấu ngược (RO); chúng khác nhau về cơ bản ở áp suất sử dụng và kích thước lỗ của màng. Hệ thống RO hoạt động ở áp suất tương đối cao và có thể được sử dụng để loại bỏ các hợp chất vô cơ hòa tan khỏi nước. (RO cũng được sử dụng để khử muối). Cả hai hệ thống MF và UF đều hoạt động dưới áp suất thấp hơn và thường được sử dụng để loại bỏ các hạt và vi khuẩn. Chúng có thể tăng cường đảm bảo nước uống an toàn vì các chất gây ô nhiễm vi sinh vật ( vi rút , vi khuẩn và động vật nguyên sinh) có thể được loại bỏ hoàn toàn bởi một rào cản vật lý. Khả năng lọc bằng màng áp suất thấp của các nguồn cung cấp nước công cộng đã tăng đáng kể từ cuối những năm 1990 do những cải tiến trong công nghệ sản xuất màng và giảm chi phí.
Làm mềm nước
Làm mềm là quá trình loại bỏ các muối canxi và magiê hòa tan gây ra độ cứng trong nước. Nó đạt được bằng cách thêm các hóa chất tạo thành kết tủa không hòa tan hoặc bằng cách trao đổi ion. Hóa chất được sử dụng để làm mềm bao gồm canxi hydroxit (vôi tôi) và natri cacbonat (tro soda). Các phương pháp làm mềm nước bằng vôi-sôđa phải được thực hiện bằng lắng và lọc để loại bỏ các kết tủa. Trao đổi ion được thực hiện bằng cách cho nước đi qua các cột bằng nhựa tự nhiên hoặc tổng hợp để trao đổi ion natri lấy ion canxi và magiê. Cột trao đổi ion cuối cùng phải được tái sinh bằng cách rửa bằng dung dịch natri clorua .
Sục khí
Sục khí là một quá trình xử lý vật lý được sử dụng để kiểm soát mùi vị và mùi cũng như loại bỏ sắt và mangan hòa tan . Nó bao gồm phun nước vào không khí hoặc theo dòng chảy xuống thông qua các khay có đục lỗ. Các chất khí hòa tan gây ra vị và mùi được chuyển từ nước ra không khí. Trong khi đó, oxy từ không khí phản ứng với sắt và mangan trong nước, tạo thành kết tủa được loại bỏ bằng cách lắng và lọc.
Hấp phụ cacbon
Một phương pháp hiệu quả để loại bỏ các chất hữu cơ hòa tan gây ra vị, mùi hoặc màu sắc là hấp phụ bằng cách than hoạt tính. Hấp phụ là khả năng của một hạt rắn thu hút các phân tử đến bề mặt của nó. Carbon dạng bột trộn với nước có thể hấp phụ và giữ nhiều tạp chất hữu cơ khác nhau. Khi cacbon bão hòa với các tạp chất, nó được làm sạch hoặc tái hoạt hóa bằng cách nung đến nhiệt độ cao trong một lò nung đặc biệt.
Fluoridation
Nhiều cộng đồng giảm tỷ lệ sâu răng ở trẻ nhỏ bằng cách thêm natri florua hoặc các hợp chất flo khác vào nước lọc . Liều lượng florua phải được kiểm soát cẩn thận. Nồng độ thấp có lợi và không gây ra tác dụng phụ có hại, nhưng nồng độ florua rất cao có thể gây đổi màu men răng .
Khử muối
Khử muối là sự tách nước ngọt khỏi nước mặn hoặc nước lợ. Những tiến bộ lớn trong công nghệ khử muối đã diễn ra từ những năm 1950, khi nhu cầu cung cấp nước ngọt ngày càng tăng ở các khu vực khô cằn và đông dân cư trên thế giới. Nước muối mặn là nguồn cung cấp chính cho thành phố ở các khu vực Caribe, Trung Đông và Bắc Phi , và việc sử dụng nước này ngày càng tăng ở đông nam Hoa Kỳ. Mặc dù nó là tương đối đắt tiền để sản xuất, nước được khử muối có nhiều tiết kiệm hơn thay thế vận chuyển một lượng lớn nước ngọt trên một khoảng cách dài.
Có hai loại kỹ thuật khử muối cơ bản: quá trình nhiệt và quá trình màng. Cả hai loại đều tiêu tốn một lượng năng lượng đáng kể. Các phương pháp nhiệt liên quan đến sự truyền nhiệt và sự thay đổi pha của nước từ lỏng thành hơi hoặc băng. Phương pháp màng sử dụng các tấm nhựa đặc biệt rất mỏng đóng vai trò như các rào cản chọn lọc, cho phép tách nước tinh khiết khỏi muối.
Quy trình nhiệt
Chưng cất – một quá trình nhiệt bao gồm gia nhiệt, bay hơi và ngưng tụ là công nghệ khử muối lâu đời nhất và được sử dụng rộng rãi nhất. Các phương pháp hiện đại để chưng cất một lượng lớn nước muối dựa trên thực tế là nhiệt độ sôi của nước được hạ xuống khi áp suất không khí giảm xuống, làm giảm đáng kể lượng năng lượng cần thiết để hóa hơi nước. Các hệ thống sử dụng nguyên tắc này bao gồm chưng cất nhanh nhiều tầng , chưng cất đa hiệu ứng và chưng cất nén hơi.
Các nhà máy chưng cất nhanh nhiều tầng chiếm hơn một nửa sản lượng nước khử muối trên thế giới. Quá trình này được thực hiện trong một loạt các bình kín được đặt ở áp suất bên trong thấp dần. Nhiệt được thêm vào hệ thống từ lò hơi. Khi nước muối được làm nóng sơ bộ đi vào buồng áp suất thấp, một số trong đó sẽ nhanh chóng sôi lên hoặc nhấp nháy thành hơi nước. Hơi được ngưng tụ thành nước ngọt trên các ống trao đổi nhiệt chạy qua từng giai đoạn. Các ống này dẫn nước biển vào, do đó làm giảm nhiệt lượng cần thiết từ lò hơi. Nước ngọt đọng lại trong các khay dưới các ống. Phần nước muối còn lại chảy vào giai đoạn tiếp theo ở áp suất thậm chí còn thấp hơn, một số trong số đó lại chuyển sang dạng hơi. Một nhà máy sử dụng công nghệ chưng cất nhanh nhiều tầng có thể có tới 40 giai đoạn, cho phép nước muối sôi nhiều lần mà không cần cung cấp thêm nhiệt.
Quá trình chưng cất nhiều tầng cũng diễn ra trong một loạt các bình áp suất thấp nhưng nó khác với chưng cất nhiều tầng ở chỗ nước muối được làm nóng trước khi được phun vào các ống của thiết bị bay hơi để thúc đẩy quá trình bay hơi nhanh. Quá trình này đòi hỏi phải bơm nước muối từ hiệu ứng này sang tác động khác.
Bên trong hệ thống nén hơi, nhiệt được cung cấp bởi quá trình nén hơi chứ không phải do đầu vào nhiệt trực tiếp từ lò hơi. Khi hơi bị nén nhanh chóng, nhiệt độ của nó tăng lên. Sau đó, một số hơi được nén và nung nóng được tái chế qua một loạt các ống đi qua một buồng giảm áp, nơi xảy ra sự bay hơi của nước muối. Điện là nguồn năng lượng chính cho quá trình này. Nó được sử dụng cho các ứng dụng khử muối quy mô nhỏ — ví dụ, tại các khu nghỉ dưỡng ven biển.
Hai quá trình nhiệt khác là làm ẩm và đóng băng bằng năng lượng mặt trời . Trong quá trình tạo ẩm bằng năng lượng mặt trời, nước muối được thu thập trong các lưu vực nông trong một “tĩnh”, một cấu trúc tương tự như một nhà kính . Nước được làm ấm khi ánh sáng mặt trời chiếu qua kính nghiêng hoặc nắp nhựa. Hơi nước bốc lên, ngưng tụ trên các nắp của bộ làm mát và nhỏ giọt xuống máng thu. Năng lượng nhiệt từ mặt trời là miễn phí, nhưng năng lượng mặt trời vẫn còn đắt để xây dựng, đòi hỏi diện tích đất lớn và cần thêm năng lượng để bơm nước đến và đi từ cơ sở. Các thiết bị tạo ẩm bằng năng lượng mặt trời thích hợp để cung cấp nước khử muối cho các gia đình cá nhân hoặc cho các làng rất nhỏ, nơi có nhiều ánh sáng mặt trời.
Quá trình đóng băng, còn được gọi là kết tinh liên quan đến việc làm lạnh nước muối để tạo thành các tinh thể nước đá tinh khiết. Các tinh thể đá được tách ra khỏi nước muối không đông lạnh, rửa sạch để loại bỏ muối còn sót lại, sau đó nấu chảy để tạo ra nước ngọt. Về mặt lý thuyết, đông lạnh hiệu quả hơn so với chưng cất và các vấn đề về đóng cặn cũng như ăn mòn được giảm bớt ở nhiệt độ vận hành thấp hơn, nhưng những khó khăn cơ học khi xử lý hỗn hợp nước đá ngăn cản việc xây dựng các nhà máy thương mại quy mô lớn. Trong điều kiện khí hậu nóng, rò rỉ nhiệt vào cơ sở cũng là một vấn đề đáng kể.
Quy trình màng
Hai quy trình màng quan trọng về mặt thương mại được sử dụng để khử muối là thẩm tách điện và thẩm thấu ngược . Chúng được sử dụng chủ yếu để khử mặn nguồn cung cấp nước lợ hoặc nước khoáng cao hơn là nước biển mặn. Trong cả hai phương pháp, các tấm nhựa mỏng hoạt động như một rào cản chọn lọc, cho phép nước ngọt không chứa muối chảy qua.
Hầu hết các muối hòa tan trong nước tồn tại dưới dạng các hạt mang điện được gọi là ion . Một nửa tích điện dương (ví dụ: natri), và một nửa mang điện âm (ví dụ, clorua). Trong thẩm phân điện một điện áp được đặt trên dung dịch muối. Điều này làm cho các ion di chuyển về phía điện cực có điện tích ngược với điện tích của chúng. Trong một thiết bị thẩm tách điện điển hình, hàng trăm màng nhựa có khả năng thấm chọn lọc đối với các ion dương hoặc ion âm được đặt xen kẽ gần nhau và liên kết với nhau bằng các điện cực ở bên ngoài. Nước muối chảy vào giữa các tấm màng. Dưới điện áp đặt vào, các ion di chuyển theo hướng ngược nhau qua các màng, nhưng chúng bị giữ lại bởi màng tiếp theo trong ngăn xếp. Điều này tạo thành các tế bào xen kẽ của nước muối loãng. Dung dịch loãng hơn được tái chế qua ngăn xếp cho đến khi đạt chất lượng nước ngọt.
Khi màng bán thấm phân tách hai dung dịch có nồng độ khác nhau, xu hướng tự nhiên là các nồng độ trở nên cân bằng. Nước chảy từ bên loãng sang bên đậm đặc. Quá trình này được gọi là thẩm thấu . Tuy nhiên, một áp suất cao đặt vào phía cô đặc có thể đảo ngược hướng của dòng chảy này. Trong thẩm thấu ngược , nước mặn được bơm vào bình và tạo áp lực ngược với màng. Nước ngọt khuếch tán qua màng, để lại dung dịch muối đậm đặc hơn.
Bên cạnh phương pháp chưng cất nhanh nhiều tầng, thẩm thấu ngược là quá trình khử muối bậc hai. Nó sẽ đóng một vai trò lớn hơn trong việc khử muối của nước biển và nước lợ khi các màng bền hơn được phát triển. Nó cũng có thể được áp dụng để xử lý nước thải đô thị và nước thải công nghiệp.
Quá trình đồng phát và lai
Giảm chi phí khử muối bằng cách sử dụng quy trình đồng phát và lai. Các nhà máy khử muối đồng phát (hoặc mục đích kép) là các cơ sở quy mô lớn sản xuất cả năng lượng điện và nước biển khử muối. Phương pháp chưng cất đặc biệt thích hợp cho quá trình đồng phát. Hơi nước áp suất cao chạy máy phát điện có thể được tái chế trong máy đun nước muối của đơn vị chưng cất. Điều này làm giảm đáng kể mức tiêu thụ nhiên liệu so với những gì được yêu cầu nếu các cơ sở riêng biệt được xây dựng. Đồng phát rất phổ biến ở Trung Đông và Bắc Phi.
Hệ thống là các đơn vị hoạt động với hai hoặc nhiều quá trình khử muối khác nhau (ví dụ: chưng cất và thẩm thấu ngược). Chúng mang lại lợi ích kinh tế hơn nữa khi được sử dụng trong các nhà máy đồng phát, kết hợp hiệu quả hoạt động của từng quy trình.
Xử lý nước thải
Khử muối tạo ra nước ngọt nhưng cũng có một lượng đáng kể nước thải đầu ra, được gọi là ngâm nước muối. Vì chất ô nhiễm chính trong nước muối là muối nên việc thải bỏ không phải là vấn đề đối với các cơ sở nằm gần bờ biển. Trong việc khử muối vật chất, chăm sóc phải được thực hiện để ngăn chặn tình trạng ô nhiễm của nước ngầm hoặc nước bề mặt. Các phương pháp xử lý nước muối bao gồm pha loãng, bay hơi, bơm vào tầng chứa nước muối và vận chuyển bằng đường ống đến điểm xử lý thích hợp.
Phân phối nước
Hệ thống phân phối nước là một mạng lưới các máy bơm, đường ống, bể chứa và các thiết bị phụ khác . Nó phải cung cấp đủ lượng nước ở áp suất để vận hành các thiết bị ống nước và thiết bị chữa cháy, nhưng nó không được cung cấp nước ở áp suất cao để tăng khả năng rò rỉ và vỡ đường ống. Các van điều chỉnh áp suất có thể được lắp đặt để giảm mức áp suất trong các khu vực dịch vụ thấp. Hơn một nửa chi phí của hệ thống cấp nước thành phố là dành cho mạng lưới phân phối.
Đường ống
Hệ thống đường ống của mạng lưới phân phối nước thành phố bao gồm đường ống dẫn nước hoặc đường ống cấp nước chính, dẫn nước từ nhà máy xử lý đến các khu vực sử dụng nước chính trong cộng đồng , và các đường ống có đường kính nhỏ hơn được gọi là bộ cấp liệu thứ cấp. Đường kính của các ống nuóc thường không nhỏ hơn 150 mm (6 inch), đường ống này được đặt trong phạm vi ưu tiên để có thể thực hiện các kết nối cho tất cả những người sử dụng nước tiềm năng. Các đường ống thường được bố trí theo mô hình lưới điện cho phép nước lưu thông theo các vòng nối với nhau; điều này cho phép bất kỳ đoạn ống bị hỏng nào cũng dễ dàng được sửa chữa mà không làm gián đến toàn bộ cộng đồng.
Đường ống phân phối nước phải có khả năng chống lại lực bên trong và bên ngoài, cũng như chống ăn mòn . Các đường ống được đặt dưới áp lực nước bên trong, bởi trọng lượng của lớp đất và các phương tiện đi qua bên trên. Chúng có thể phải chịu được lực búa nước; những điều này xảy ra khi các van đóng quá nhanh, làm cho sóng áp suất tăng vọt qua hệ thống. Ngoài ra, các ống kim loại có thể bị gỉ bên trong nếu nguồn cấp nước bị ăn mòn hoặc bên ngoài do điều kiện đất ăn mòn.
Nguyên vật liệu
Ống phân phối được làm bằng xi măng amiăng, gang, gang dẻo, nhựa, bê tông, cốt thép hoặc thép. Mặc dù không mạnh như sắt, xi măng, amiăng có khả năng chống ăn mòn và dễ lắp đặt, là vật liệu mong muốn cho các bộ nạp thứ cấp có đường kính lên đến 41 cm (16 inch). Các đoạn ống được nối dễ dàng bằng ống bọc khớp nối và vòng đệm cao su. Gang có một kỷ lục tuyệt vời về dịch vụ, với nhiều công trình lắp đặt vẫn hoạt động sau 100 năm. Gang dẻo là một loại gang cứng hơn và độ đàn hồi cao hơn, được sử dụng trong các công trình lắp đặt mới hơn. Ống sắt được cung cấp có đường kính lên đến 122 cm (48 inch) và thường được phủ để chống ăn mòn. Các phần ngầm được kết nối với các khớp nối hình chuông và ống, đầu ống của một đoạn ống được đẩy vào đầu chuông của đoạn liền kề. Một vòng đệm cao su ở đầu chuông được nén khi hai phần được ghép lại, tạo ra một kết nối linh hoạt, kín nước. Các mối nối có mặt bích và bắt vít được sử dụng để lắp đặt trên mặt đất.
Ống nhựa có đường kính lên đến 61 cm (24 inch). Chúng có trọng lượng nhẹ, dễ dàng lắp đặt và chống ăn mòn, độ êm của chúng mang lại các đặc tính thủy lực tốt. Ống nhựa được kết nối bằng mối nối kiểu nén hình chuông và ống xoắn hoặc bằng khớp nối vít ren.
Các đoạn ống bê tông cốt thép có đường kính lên đến 366 cm (12 feet) được sử dụng cho động mạch. Ống bê tông cốt thép chắc chắn và bền. Chúng được liên kết bằng cách sử dụng kết nối kiểu chuông và ống được hàn kín bằng vữa xi măng. Ống thép đôi khi được sử dụng cho động mạch trong các công trình lắp đặt trên mặt đất. Nó rất bền và nhẹ hơn ống bê tông, nhưng nó phải được bảo vệ chống ăn mòn bằng lớp lót bên trong và bằng sơn cùng vỏ bọc bên ngoài. Các đoạn ống thép được nối bằng cách hàn hoặc bằng các thiết bị ghép nối cơ khí.
Phụ kiện
Để hoạt động tốt, một hệ thống phân phối nước cần có một số loại phụ kiện, bao gồm vòi nước, van ngắt và các phụ kiện khác. Mục đích chính của các cống nước là cung cấp nước để chữa cháy. Chúng cũng được sử dụng để xả nước vào đường ống dẫn nước, kiểm tra áp suất, lấy mẫu nước và rửa các mảnh vụn trên đường phố công cộng.
Nhiều loại van được sử dụng để kiểm soát số lượng và hướng của dòng nước. Van cổng thường được lắp đặt trong toàn bộ mạng lưới đường ống. Chúng cho phép các bộ phận được ngắt và cách ly trong quá trình sửa chữa các nguồn điện, máy bơm hoặc vòi nước bị hỏng. Một loại van thường được sử dụng để điều tiết và kiểm soát tốc độ dòng chảy là van bướm. Các van khác được sử dụng trong hệ thống phân phối nước bao gồm van giảm áp, van một chiều và van xả khí.
Lắp đặt
Nguồn nước phải được đặt dưới mặt đất khoảng 1 đến 2 mét (3 đến 6 feet) để chống lại tải trọng giao thông và chống đóng băng. Vì nước trong hệ thống phân phối có áp lực, các đường ống có thể đi theo hình dạng của đất, lên dốc cũng như xuống dốc. Chúng phải được lắp đặt với lớp lót và chất độn thích hợp. Cần phải nén chặt các lớp đất dưới đường ống cũng như phía trên đường ống (đắp đất) để tạo sự hỗ trợ thích hợp. Không bao giờ được lắp đặt đường ống dẫn nước trong cùng rãnh với đường ống thoát nước. Nơi hai phải giao nhau, ống dẫn nước chính nên được đặt phía trên đường cống.
Máy bơm
Nhiều loại máy bơm được sử dụng trong hệ thống phân phối. Máy bơm nâng nước mặt và chuyển đến nhà máy xử lý gần đó được gọi là máy bơm nâng hạ. Chúng di chuyển khối lượng lớn nước ở áp suất xả tương đối thấp. Máy bơm xả nước đã qua xử lý vào nguồn động mạch được gọi là máy bơm nâng cao. Chúng hoạt động dưới áp suất cao hơn. Máy bơm làm tăng áp suất trong hệ thống phân phối hoặc nâng nước vào bể chứa trên cao được gọi là máy bơm tăng áp. Máy bơm giếng nâng nước từ dưới lòng đất và xả trực tiếp vào hệ thống phân phối.
Hầu hết các máy bơm phân phối nước là của kiểu ly tâm, trong đó cánh quạt quay nhanh chóng bổ sung năng lượng cho nước và tăng áp suất bên trong vỏ máy bơm. Tốc độ dòng chảy qua máy bơm ly tâm phụ thuộc vào áp suất mà nó hoạt động. Áp suất càng cao, lưu lượng hoặc xả càng giảm. Một loại máy bơm khác là loại dịch chuyển tích cực. Máy bơm này cung cấp một lượng nước cố định với mỗi chu kỳ của piston hoặc rôto. Nước được đẩy hoặc dịch chuyển khỏi vỏ máy bơm theo đúng nghĩa đen. Công suất dòng chảy của một máy bơm dịch chuyển dương không bị ảnh hưởng bởi áp suất của hệ thống mà nó hoạt động.
Bể chứa
Bể chứa phân phối phục vụ hai mục đích cơ bản: lưu trữ thông thường và lưu trữ khẩn cấp. Cân bằng trữ lượng là lượng nước cần thiết để đáp ứng nhu cầu hàng giờ cao điểm trong cộng đồng. Vào thời điểm đêm muộn và sáng sớm, khi nhu cầu sử dụng nước thấp hơn, các máy bơm đẩy cao sẽ làm đầy bể. Vào ban ngày, khi nhu cầu sử dụng nước cao hơn, nước sẽ chảy ra khỏi bể để giúp đáp ứng nhu cầu nước vào giờ cao điểm. Điều này cho phép tốc độ dòng chảy đồng nhất tại nhà máy xử lý và trạm bơm. Nước trong bể chứa phân phối cũng có thể cần thiết để chữa cháy, làm sạch các vật liệu nguy hiểm tràn vô tình, hoặc các trường hợp khẩn cấp khác của cộng đồng. Dung tích của bể chứa phân phối được thiết kế bằng nhu cầu sử dụng nước trung bình hàng ngày của cộng đồng.
Một tháp nước ở Pecos, Texas, Hoa Kỳ
Các bể chứa phân phối được xây dựng ở mặt đất trên các đỉnh đồi cao hơn khu vực dịch vụ. Ở những khu vực có địa hình bằng phẳng, các bể chứa có thể được nâng lên trên mặt đất trên các tháp để cung cấp đủ áp lực nước, hoặc có thể cung cấp các bể chứa trên mặt đất có bơm tăng áp.
