KẾT HỢP KỸ THUẬT TIỀN MÃ HÓA VÀ TRIỆT TỰ GIAO THOA ĐỂ TỐI ĐA HÓA TỐC ĐỘ TỔNG CỦA TRUYỀN THÔNG SONG CÔNG ĐA ANTEN

ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(106).2016 53 ĐÁNH GIÁ VÀ ĐỀ XUẤT GIẢI PHÁP XỬ LÝ HỒ NƯỚC KHU F, TRƯỜNG ĐẠI HỌC BÁCH KHOA, ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG EVALUATING AND PROPOSING A SOLUTION TO THE WATER REATMENT OF THE F LAKE IN UNIVERSITY OF SCIENCE AND TECHNOLOGY, THE UNIVERSITY OF DANANG Lê Thị Xuân Thùy, Hồ Hồng Quyên, Lê Quốc Huy, Tôn Thị Nhật Quỳnh, Nguyễn Thị Thu Hương, Trần Văn Khẩn, Trần Thị Tiểu My, Nguyễn Duy Hùng Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng; ltxthuy@dut.udn.vn Tóm tắt - Bài báo trình bày vấn đề đánh giá chất lượng nước hồ khu F Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng kết vận hành mơ hình dùng vật liệu PGα21Ca đề xuất xử lý nước hồ Kết cho thấy, thơng số phân tích nước hồ khu F đạt quy chuẩn cho phép Tuy nhiên hồ khơng có khả tự làm sạch, nước ln đục tảo Vì để tăng khả tự làm cảnh quan hồ nước đẹp hơn, tác giả đề xuất mơ hình xử lý với vật liệu keo tụ PGα21Ca Chất lượng nước đầu tốt, có khả tái sử dụng cao thân thiện môi trường Mô hình xử lý theo mẻ 20L/mẻ với thơng số tối ưu: tốc độ khuấy 30 vòng/phút, thời gian khuấy phút, thời gian lắng phút, liều lượng 3.5 g/mẻ, pH 6.82-7.68 Hiệu suất xử lý độ đục 92%-97%, TSS 90%-96% Nghiên cứu cho thấy tiềm ứng dụng vật liệu PGα21Ca để xử lý nước hồ có độ đục cao hay có lượng tảo nhiều Abstract - This article presents an evaluation of the water quality of the F lake in University of Science and Technology, the University of Danang and results of operating a model using materials PGα21Ca in lake water treatment The findings showed that the analyzed parameters of the F lake reached the set standards However, the lake is not capable of self-cleaning, and the turbidity is always high due to algae In order to increase the self-cleaning capability and the scenery of the lake, the authors propose a processing model using PGα21Ca flocculation material, which can greatly improve output water quality that is highly reusable and environmentally friendly The 20L/ batch processing model has optimal parameters: the stirring speed is 30 rpm, the stirring time minutes, the sedimentation time minutes, PGα21Ca dosage 3.5 g/batch, pH value 6.82 - 7.68 Turbidity and TSS treatment efficiency are 92%-97% and 90% -96%, respectively This study shows potential applications for processing water with high turbidity or plenty of algae Từ khóa - nước hồ ; xử lý nước ; PGα21Ca ; keo tụ tạo ; mơ hình keo tụ tạo bơng Key words - Lake water; water treatment; PGα21Ca; flocculation; model flocculation Đặt vấn đề Hồ nước khu F, Trường Đại học Bách khoa - Đại học Đà Nẵng tạo cảnh quan cho trường có bề dày lịch sử 40 năm Một nơi đặc trưng trường tổ chức ngày kỉ niệm Trong năm gần đây, nước hồ có màu xanh lục, khơng nhìn thấy đáy cá tung tăng bơi lội, làm giảm vẻ đẹp hồ Các nhà khoa học nghiên cứu chất keo tụ có khả phân hủy sinh học với tên gọi PGα21Ca với thành phần poly-gamma glutamic axit (PGA), có khả kết dính cao tùy theo trọng lượng phân tử Hơn nữa, PGA phù hợp cho q trình xử lý nước có khả phân hủy sinh học hồn tồn không độc Các nhà khoa học tiếp tục nghiên cứu khả ứng dụng phát triển lĩnh vực xử lý nước, kể xử lý nước cấp nước thải Trong nước hồ, sinh sản vi sinh vật thực vật làm giảm độ gây mùi hôi khiến môi trường nước bị xuống cấp Các nhà khoa học Nhật Bản dùng PGα21Ca để thử nghiệm xử lý nước hồ Amida Thành phố Osaka Nước hồ có màu xanh quanh năm đục có thực vật Sau bổ sung PGα21Ca vào hồ, nước trở nên trong, tảo kết tụ tạp chất nước, chất lượng nước cải thiện đáng kể Tiếp theo, nhà khoa học xử lý nước hồ Ushikuka cách phun dung dịch PGα21Ca để khoảng 10 tiếng Kết nước hồ trở nên hơn, nhìn thấy cá bơi đáy hồ Xuất phát từ tình hình trên, tác giả đề xuất “Đánh giá đề xuất giải pháp xử lý nước hồ khu F, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng” nhằm đánh giá chất lượng nước hồ, đồng thời đề xuất giải pháp xử lý nước hồ thân thiện với môi trường Đối tượng, phương pháp nghiên cứu 2.1 Đối tượng nghiên cứu - Quá trình keo tụ tạo - Các vật liệu keo tụ phèn nhôm, phèn sắt, PAC, PGα21Ca, thông số đánh giá chất lượng nước, thông số tối ưu loại bỏ chất ô nhiễm vật liệu PGα21Ca: tốc độ khuấy, thời gian khuấy, lượng vật liệu, thời gian lắng, pH - Nước hồ khu F, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng 2.2 Phương pháp nghiên cứu 2.2.1 Phương pháp thu thập liệu Đề tài tiến hành thu thập thống kê tài liệu, nghiên cứu cơng bố ngồi nước liên quan tới vấn đề nguồn nước, nước hồ, trình xử lý nước vật liệu keo tụ tạo 2.2.2 Phương pháp điều tra phiếu khảo sát Việc thu thập số liệu thực cách vấn lấy ý kiến trực tiếp sinh viên, cán vệ sinh giảng viên trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng với bảng câu hỏi thiết kế chuẩn bị sẵn 54 Lê Thị Xuân Thùy, Hồ Hồng Quyên, Lê Quốc Huy, Tôn Thị Nhật Quỳnh, Nguyễn Thị Thu Hương, Trần Văn Khẩn, Trần Thị Tiểu My, Nguyễn Duy Hùng 50 [%] 30 48,4 41 20 GV và… SV 15 2,3 Tốt Không tốt Bình thường 6,3 Khơng biết Hình Đánh giá điều kiện cảnh quan nước hồ khu F 40 20 [%] [%] 43,7 34,2 40 27,3 12 19,4 16,2 21,3 Ý thức sinh Nước đục, Vệ sinh không thường viên (vứt rác) bẩn xuyên GV NVPV SV 8,6 9,7 Khác Hình Nguyên nhân làm cảnh quan hồ nước không tốt SV 19 12 10 Chưa có Trồng hoa súng Vệ sinh vớt rác Bổ sung nước 6,7 Khác Hình Giải pháp thực hồ 100 GV NVPV SV 60,8 50 30 27,3 38,2 34,5 9,2 Trong đó, TSS1 TSS2 tổng chất rắn lơ lửng trung bình mẫu ban đầu sau xử lý (mg/L) 60 GV NVPV 19,4 19 20 TSS1 − TSS2 𝐻(%) = 𝑥100 (%) TSS1 Có Khơng Khơng biết Hình Thay bổ sung nước hồ 60 33,3 36,1 [%] 40 GV NVPV 33,8 44,9 SV 20,8 12,1 9,8 20 Cá rô phi Bèo tảo 9,2 Hoa súng Khơng ý kiến Hình Động thực vật thuỷ sinh có hồ GV NVPV 100 100 98,2 SV 96 100 [%] Kết nghiên cứu thảo luận 3.1 Khảo sát đánh giá chất lượng nước hồ khu F Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng 3.1.1 Điều tra khảo sát giảng viên, sinh viên nhân viên phục vụ trạng nhu cầu cải thiện hồ nước khu F Điều tra, khảo sát giảng viên cán bộ, nhân viên phục vụ (GV CBNVPV) (30 phiếu), sinh viên (SV) (500 phiếu) trạng nhu cầu cải thiện nguồn nước hồ nước khu F, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng Theo kết điều tra khảo sát trạng cảnh quan chất lượng nước hồ bình thường (50% ý kiến GV) Tuy nhiên cần quan tâm đến việc dọn vệ sinh hồ nước (23,2%), ý thức SV hệ sinh thái thủy sinh Đẩy mạnh công tác tuyên truyền vận động nâng cao ý thức SV việc bảo vệ hồ nước Đặc biệt, cần có giải pháp tối ưu bền vững cho cải thiện cảnh quan chất lượng hồ nước tương lai 44 42 40 [%] 2.2.3 Phương pháp lấy mẫu phân tích Tiến hành khảo sát, lấy mẫu, phân tích tiêu nước mặt theo hệ thống tiêu chuẩn Việt Nam hành 2.2.4 Phương pháp mơ hình thực nghiệm Phương pháp nghiên cứu thực nghiệm mơ hình nhằm xây dựng sở khoa học để xác định thông số tính tốn thiết kế cho q trình keo tụ tạo bơng Từ số liệu thực nghiệm xác định giải pháp công nghệ áp dụng thực tế cho nước hồ 2.2.5 Phương pháp xử lý số liệu - Phần mềm ứng dụng Microsoft Excel thống kê xử lý số liệu - Tính tốn, so sánh theo tiêu chuẩn, quy chuẩn Việt Nam hành Công thức tính hiệu suất xử lý tổng chất rắn lơ lửng nước sau: 50 0 Có 1,8 Không ý kiến Cảnh quan Nước đục xanh đẹp Hình Nhu cầu mục đích việc ủng hộ cải thiện chất lượng, cảnh quan hồ nước khu F Nhu cầu cải thiện cảnh quan, chất lượng hồ nước đa số GV (100%) bạn sinh viên đồng tình, ủng hộ nhằm chung mục đích cải thiện cảnh quan hồ nước xanh - đẹp bảo vệ mơi trường Ngồi việc khảo sát ý kiến người nhóm tác giả cịn tiến hành khảo sát thực tế Kết khảo sát phiếu điều tra SV, GV CBNVPV trường khớp với kết khảo sát thực tế tác giả hồ chủ yếu có cá rơ phi, bèo tảo hoa súng 3.1.2 Khảo sát đánh giá trạng chất lượng nước hồ khu F So sánh với QCVN 08-2015/BTNMT, thơng số phân tích mẫu nước hồ nằm giới hạn cho phép Tuy nhiên, theo cảm quan nước có màu xanh lục tảo, nên làm giảm vẻ đẹp hồ, nơi thường tổ chức kiện địa điểm để thư giãn ngắm cảnh GV SV Hồ ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(106).2016 55 TSS [mg/L] khơng có khả tự làm nên cần xử lý tảo, để làm nước Hình Vị trí lấy mẫu nước Bảng Kết khảo sát đánh giá chất lượng nước hồ khu F 10 11 12 13 14 15 16 15/2/2016 20/2/2016 24/2/2016 27/2/2016 03/03/2016 03/10/2016 16/3/2016 22/3/2016 04/04/2016 04/07/2016 04/12/2016 15/04/2016 17/04/2016 20/04/2016 22/04/2016 TB QCVN Độ đục (NTU) 24.9 24.1 24.6 23.8 24.3 22.9 24.2 23.6 30.8 39.9 31.7 48.5 32.3 28.3 28.2 28.8 pH 6.46-6.51 6.51-6.68 6.39-6.43 6.58-6.62 6.62-6.69 6.50-6.61 6.42-6.52 7.92-8.03 6.64-6.71 6.58-6.62 6.80-6.92 8.32-8.41 7.95-8.10 7.28-7.31 7.92-8.11 6.5-7.9 5.5-9 TSS COD (mg/l) (mg/l) 41.2 36.9 39.1 40.2 39.6 40.3 42.1 39.8 41.2 47.1 42.2 41.3 43.6 43.2 42.8 41.4 50 20.6 20.2 21.5 22.1 21.7 21.8 22.3 20.6 22.8 21.9 22.6 21.3 22.1 21.9 22.2 21.71 30 N-NH4+ P-PO43- (mg/l) (mg/l) 0.2 0.2 0.25 0.19 0.25 0.21 0.26 0.19 0.2 0.19 0.2 0.2 0.19 0.21 0.2 0.21 0.9 0.1 0.08 0.12 0.11 0.09 0.09 0.15 0.11 0.11 0.1 0.11 0.11 0.1 0.12 0.09 0.11 0.3 GHI CHÚ Nước mức 60cm ngày sau bổ sung nước Thời tiết nắng nóng, mực nước xuống thấp (40cm) Có nhiều rác hồ Hình 12 Ảnh hưởng lượng vật liệu keo tụ đến khả xử lý chất hữu Hình 13 Hiệu suất xử lý theo tổng chất rắn lơ lửng Hình Kết khảo sát tốc độ khuấy tối ưu pH Tốc độ khuấy [ vòng/phút] 3.2 Đánh giá khả xử lý nước hồ khu F vật liệu keo tụ PGα21Ca 3.2.1 Liều lượng PGα21Ca pH tối ưu; so sánh PGα21Ca với vật liệu keo tụ sử dụng Việt Nam Thí nghiệm Jar-Test, cho chất keo tụ vào bình với liều lượng khác nhau, đồng thời khuấy với tốc độ theo thực nghiệm từ 30 - 45 vòng/ phút thời gian - 10 phút Lắng kết tủa thời gian 10 - 30 phút Lấy mẫu nước lắng bình phân tích: độ đục, tổng chất rắn lơ lửng (TSS), pH COD Hình 11 Ảnh hưởng lượng vật liệu keo tụ đến khả xử lý độ đục COD [mg/L] Ngày TSS [%] STT Độ đục [NTU] Hình 10 Ảnh hưởng lượng vật liệu keo tụ đến khả xử lý tổng chất rắn lơ lửng Hình Ảnh hưởng lượng vật liệu keo tụ đến độ pH Liều lượng tối ưu vật liệu PGα21Ca 0,09g/l với giá trị pH 7,28 – 7,36, độ đục 0,68 NTU hiệu suất xử lý TSS đạt 90% cao so với vật liệu lại với tốc độ khuấy tối ưu 30 vòng/phút thời gian khuấy tối ưu 10 phút Hình dạng độ bền cặn vật liệu PGα21Ca tốt Từ thí nghiệm cho thấy vật liệu PGα21Ca có khả keo tụ tạo bơng tốt 3.2.2 Khả sinh trưởng phát triển cá nước sau keo tụ với vật liệu keo tụ khác Nước sau keo tụ có cặn liều lượng 0,09 g/L, tốc độ khuấy 30 vịng/phút mơi trường sống cho cá Tác giả làm đợt thí nhiệm để đánh giá khả sinh trưởng phát triển cá nước sau keo tụ với vật liệu keo tụ khác vịng tuần Trong hai đợt thí 56 Lê Thị Xuân Thùy, Hồ Hồng Quyên, Lê Quốc Huy, Tôn Thị Nhật Quỳnh, Nguyễn Thị Thu Hương, Trần Văn Khẩn, Trần Thị Tiểu My, Nguyễn Duy Hùng nghiệm, cá mơi trường có vật liệu PGα21Ca vượt trội khả thích nghi phát triển Đặc biệt, không thay nước cung cấp thức ăn cá phát triển bình thường, điều chứng tỏ nước có chất dinh dưỡng cao khả làm nước tốt Trong với vật liệu lại, chất lượng nước lại xấu nhanh chóng khả thích nghi cá khơng cao 3.2.3 Khả sinh trưởng phát triển sử dụng bùn cặn, nước sau keo tụ với vật liệu keo tụ khác Chọn Thần tài, Phú quý kích thước, mầm Ở thí nghiệm này, tác giả chọn phương pháp trồng, trồng chậu với nguồn đất trồng thủy canh, sau tưới nước bón cặn bùn cho chậu đất với vật liệu khác ngày lần Chiều cao thân [cm] 40 30 Hình 19 Hình ảnh chiều dài rễ Phú quý nước Đối với trồng thủy canh, Phú quý trồng vật liệu PGα21Ca phát triển nhanh rễ, thân so với vật liệu khác Cây Thần tài nước chứa phèn sắt nảy mầm nhanh khỏe, nhiên phần gốc héo không phát triển; phèn Nhơm, PAC thân héo dần không phát triển Đối với trồng đất, loại phát triển nhanh thân lá, mầm với cặn bùn PGα21Ca so với vật liệu cịn lại 3.2.4 Thí nghiệm mơ hình sử dụng vật liệu PGα21Ca 20 10 Ngày 11/4 Phèn Sắt 18/4 Phèn Nhơm 24/4 5/6 Phèn PAC PGα21Ca Hình 14 Chiều cao Phú quý trồng đất 10 Hình 20 Mơ hình xử lý Ngày 11/4 18/4 Phèn Sắt Phèn Nhôm 24/4 Phèn PAC 5/6 PG α 21Ca Chiều cao thân [cm] Hình 15 Số Phú quý trồng đất 50 40 30 20 10 Thời gian khuấy, lắng tối ưu Hình 21 Kết xác định thời gian, khuấy lắng tối ưu 11/4 Phèn Sắt 18/4 Phèn Nhôm 24/4 Phèn PAC 5/6 Ngày PGα21Ca pH Số Hình 16 Chiều cao Phú quý trồng nước Hình 22 Kết xác định pH mẫu sau xử lý 11/4 18/4 Phèn Sắt 24/4 5/6 Ngày Phèn Nhơm Hình 17 Số Phú quý trồng nước Hiệu suất xử lý dộ đục Số Hình 23 Kết xử lý độ đục 10 Phèn Sắt 11/4 18/4 Phèn Nhôm 24/4 Phèn PAC 5/6 Ngày PG α 21Ca Hình 18 Chiều dài rễ Phú quý trồng nước Hiệu suất xử lý TSS Chiều dài rễ [cm] 15 Hình 24 Kết xử lý chất lơ lửng ISSN 1859-1531 - TẠP CHÍ KHOA HỌC VÀ CƠNG NGHỆ ĐẠI HỌC ĐÀ NẴNG, SỐ 9(106).2016 57 triển Bố trí 20 mơ hình đặt vị trí hồ (a) (b) Hình 25 Nước hồ trước (a) sau (b) xử lý 3.3 Đề xuất kết hợp giải pháp kỹ thuật, sinh thái quản lý việc cải tạo chất lượng nước hồ cảnh quan xung quanh Xuất phát từ kết khảo sát thực nghiệm thu được, nhóm tác giả đưa đề xuất sau để cải tạo chất lượng nước hồ cảnh quan xung quanh: 3.3.1 Giải pháp cơng nghệ Với tổng diện tích 350m2, dung tích khoảng 140m3 nước, cần 24,5kg PGα21Ca hịa trộn với nước theo tỉ lệ 1:20 (5% PGα21Ca) Số nhân viên thực công việc người, người hòa trộn dung dịch lần Vậy cần 3,1kg vật liệu hịa trộn với 62L nước xơ nhựa cho người lần pha dung dịch Lượng dung dịch sau pha trước cho xuống hồ 490L Tính tốn sơ thời gian hịa trộn dung dịch PGα21Ca phút/lần, thời gian tưới dung dịch PGα21Ca khuấy hoàn thành cho 1m2 nước hồ phút/lần, tổng thời gian hồn thành cơng việc nhân viên cho đợt 4,6 Cụ thể 04 nhân viên thực hòa trộn dung dịch PGα21Ca với tỉ lệ tính tốn, dùng ca 1,5L múc tưới dung dịch xuống hồ tương ứng 1m2, sau dùng chổi sương khuấy quanh vòng phút Khi di chuyển hồ tránh cho cặn đáy xáo trộn lên bề mặt gây ảnh hưởng hiệu suất xử lý Sau trình keo tụ hồn thành, dùng vợt vớt lớp bơng cặn lên Lượng bùn cặn lại chất dinh dưỡng cho loại động thực vật hồ sinh trưởng phát triển, đồng thời tưới xanh khu vực xung quanh hồ Tổng chi phí cho đợt xử lý 5.200.000 VNĐ, chi phí cho vật liệu PGα21Ca 4.900.000 VNĐ chi phí cho dụng cụ 300.000 VNĐ 3.3.2 Giải pháp sinh thái - Kết hợp sử dụng vật liệu keo tụ xử lý tảo, đặt non đá ngầm hồ tạo nơi cư trú cho cá, nơi bám trụ phát triển - Trồng thêm thủy sinh hồ để tạo cảnh quan sử dụng chất dinh dưỡng hồ sau xử lý, cân hệ sinh thái hồ thần tài, chuối hoa, loại dễ thích nghi, phát triển tốt tạo cảnh quan đẹp - Tuy nhiên hồ có nhiều cá rơ phi, loại cá ăn tạp Để khắc phục, trường hợp cá rô phi ăn thực vật thủy sinh, thực mơ hình thần tài nước gồm 12 ống nhựa đường kính 100mm, chiều cao 60cm; đáy ống chứa đá sỏi nhỏ với bề dày 20cm Cây trồng bên ống nhựa cách đáy hồ 20cm Các ống nhựa liên kết với dây thép mảnh xuyên qua ống nhựa cách 20cm Chức đá sỏi giữ cho ống nhựa đứng vững, giúp rễ len lỏi xuống đáy hút chất dinh dưỡng bảo vệ không bị cá rô phi ăn, đảm bảo phát Hình 26 Mơ hình trồng hồ 3.3.3 Giải pháp quản lý Nhà trường phối hợp với phòng ban liên quan (Phòng Cơng tác sinh viên, Đồn trường khoa) tuyên truyền vận động thành viên trường không vứt rác xuống hồ để góp phần bảo vệ cảnh quan hồ nước; đồng thời kết hợp với tổ vệ sinh môi trường vớt rác, thường xuyên Kết luận Nghiên cứu cho thấy tiềm ứng dụng vật liệu PGα21Ca để xử lý nước hồ có độ đục cao có lượng tảo nhiều với hiệu suất xử lý độ đục 92%-97%, TSS 94% - 96% vận hành với thông số sau tốc độ khuấy 30 vòng/phút, thời gian khuấy phút, thời gian lắng phút, liều lượng 3,5 g/mẻ 20L, pH 6,82 - 7,68 Ngoài ra, vật liệu PGα21Ca đặc biệt an toàn với với động vật thực vật cặn sau keo tụ xem nguồn thức ăn chất dinh dưỡng cho cá loại thực vật sinh trưởng hồ Vì vậy, nước hồ sau xử lý có khả tái sử dụng lại để nuôi cá, giúp thủy sinh hồ phát triển tưới xung quanh hồ Nhóm tác giả tiếp tục tiến hành làm thí nghiệm để đánh giá chu kỳ sử dụng vật liệu keo tụ PGα21Ca việc xử lý hồ nước khu F TÀI LIỆU THAM KHẢO [1] Nguyễn Ngọc Dung, Xử lí nước cấp, NXB Xây dựng Hà Nội, 2010 [2] Trịnh Xuân Lai, Xử lí nước cấp cho sinh hoạt công nghiệp, NXB Xây dựng Hà Nội, 2004 [3] Nguyễn Hữu Phú, Hóa lí hóa keo, NXB Khoa học Kỹ thuật Hà Nội quý III, năm 2006 [4] Nguyễn Lan Phương, Bài giảng Xử lý nước cấp, Trường Đại học Bách khoa, Đại học Đà Nẵng, 2014 [5] Le Thi Xuan Thuy, Mikito Yasuzawa and Tomoki Yabutani, Magnetic Removal of Cesium Ions using Poly (γ-glutamic acid) Coated Magnetite Particles with the Enhanced Effect of Zeolite Supplementation, Bulletin of the Chemical Society of Japan, No 8, Vol.86, pp 958-962, 2013 (BBT nhận bài: 25/07/2016, phản biện xong: 20/08/2016)