LỜI CẢM ƠN LỜI CẢM ƠN Để hoàn thành tốt khóa học này tôi đã nhận được sự động viên giúp đỡ tận tình của gia đình, các thầy cô, các cơ quan, đồng nghiệp và bạn bè Qua luận văn này, trước tiên cho tôi[.]
LỜI CẢM ƠN Để hồn thành tốt khóa học nhận động viên giúp đỡ tận tình gia đình, thầy cơ, quan, đồng nghiệp bạn bè Qua luận văn này, trước tiên cho gửi lời cảm ơn TS Lê Xuân Quang Viện Nước, Tưới tiêu Môi trường người trực tiếp hướng dẫn, giúp đỡ cung cấp tài liệu, thơng tin cần thiết để tác giả hồn thành luận văn Tôi xin gửi lời cảm ơn tới thầy giáo, cô giáo cán khoa Kỹ thuật Tài nguyên nước - Trường Đại học Thủy lợi giúp đỡ, động viên nhiều suốt thời gian học tập Tôi xin trân trọng cảm ơn quan, đơn vị nhiệt tình giúp đỡ tác giả trình điều tra thu thập tài liệu cho luận văn Cuối cùng, xin cảm ơn gia đình bạn bè - người bên động viên học tập sống Trân trọng cảm ơn! Hà nội, ngày 01 tháng 12 năm 2014 Tác giả luận văn Nguyễn Trung Hiếu BẢN CAM KẾT Tên đề tài luận văn: “Nghiên cứu ứng dụng công nghệ Nano lọc nước, cấp nước sinh hoạt cho vùng ô nhiễm asen, xã Cao Dương, huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội” Tôi xin cam đoan đề tài luận văn làm dựa số liệu, tư liệu thu thập từ nguồn thực tế, công bố báo cáo quan nhà nước Viện Nước, Tưới tiêu Mơi trường,… Những kết nghiên cứu, thí nghiệm không chép từ nguồn thông tin khác Nếu vi phạm tơi xin hồn tồn chịu trách nhiệm, chịu hình thức kỷ luật Nhà trường Hà nội, ngày 01 tháng 12 năm 2014 Tác giả luận văn Nguyễn Trung Hiếu CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT BĐKH : Biến đổi khí hậu MT : Môi trường NSVSMTNT : Nước vệ sinh môi trường nông thôn TCVN : Tiêu chuẩn Việt Nam QCVN : Quy chuẩn Việt Nam TCCP : Tiêu chuẩn cho phép WHO : Tổ chức Y tế giới (World Health Organization) IMS : Viện Khoa học vật liệu VAST : Viện Khoa học Công nghệ Việt Nam FDA : Cơ quan an toàn thực phẩm Hoa Kỳ MỤC LỤC LỜI CẢM ƠN BẢN CAM KẾT CÁC KÝ HIỆU VÀ CHỮ VIẾT TẮT MỞ ĐẦU CHƯƠNG 1: TỔNG QUAN 1.1 Tổng quan lý thuyết công nghệ Nano 1.1.1 Khái niệm 1.1.2 Phân loại vật liệu Nano 1.1.3 Cơ sở khoa học công nghệ Nano 1.1.4 Hướng ứng dụng chung 1.2 Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ Nano lọc nước giới 1.3 Tổng quan tình hình nghiên cứu ứng dụng công nghệ Nano lọc nước Việt Nam .9 1.4 Tổng quan nhu cầu nước sinh hoạt cho vùng ô nhiễm Asen 11 1.5 Giải pháp xử lý nước vùng ô nhiễm Asen 13 1.6 Kết luận chương .14 CHƯƠNG NGHIÊN CỨU ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NANO TRONG LỌC NƯỚC, CẤP NƯỚC SINH HOẠT CHO VÙNG Ô NHIỄM ASEN 15 2.1 Đánh giá nguồn nước sinh hoạt phương pháp xử lý nước sinh hoạt truyền thống 15 2.2 Cơ sở khoa học việc ứng dụng công nghệ Nano cấp nước sinh hoạt .19 2.3 Giới thiệu công nghệ Nano lọc nước cấp nước sinh hoạt 20 2.3.1 Giới thiệu vật liệu Nano: 20 2.3.2 Quy trình cơng nghệ: 23 2.3.3 Quản lý vận hành 34 2.4 Nghiên cứu lựa chọn dây chuyền công nghệ khả xử lý 30 2.5 Đánh giá khả ứng dụng công nghệ Nano lọc nước cho vùng ô nhiễm Asen 30 2.6 Kết luận chương .31 CHƯƠNG 3.ỨNG DỤNG CÔNG NGHỆ NANO TRONG LỌC NƯỚC, CẤP NƯỚC SINH HOẠT VÙNG Ô NHIỄM ASEN, XÃ CAO DƯƠNG, HUYỆN THANH OAI, THÀNH PHỐ HÀ NỘI 33 3.1 Điều kiện tự nhiên, kinh tế xã hội, trạng sử dụng nước sạch, vệ sinh môi trường vùng nghiên cứu 33 3.2 Đánh giá trạng khả khai thác nguồn nước vùng nghiên 39 3.3 Xác định nhu cầu cấp nước vùng nghiên cứu .44 3.4 Đề xuất phương án cấp nước .45 3.4.1 Căn lựa chọn 45 3.4.2 Phương án cấp nước 46 3.5 Phương pháp giải pháp công nghệ xử lý nước cấp sinh hoạt vùng nghiên cứu 46 3.5.1 Các lựa chọn .46 3.5.2 Thử nghiệm đối chứng giải pháp công nghệ 46 3.6 Giải pháp thiết kế hạng mục cơng trình hệ thống cấp nước sinh hoạt vùng nhiễm Asen xã Cao Dương, huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội 51 3.6.1 Căn thiết kế .51 3.6.2 Những yêu cầu thiết kế 52 3.6.3 Quy mơ, cơng suất cấp cơng trình .52 3.6.4 Giải pháp thiết kế kết cấu cơng trình 53 3.7 Quản lý vận hành hệ thống cấp nước sinh hoạt ứng dụng công nghệ Nano lọc nước vùng ô nhiễm Asen xã Cao Dương, huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội 63 3.8 Nhận xét đánh giá 65 KẾT LUẬN VÀ KIẾN NGHỊ 66 Kết luận .66 Kiến nghị 67 DANH MỤC TÀI LIỆU THAM KHẢO 69 PHỤ LỤC 70 DANH MỤC BẢNG BIẾU Bảng 1.1: Ứng dụng vật liệu Nano khoa học kỹ thuật đời sống Bảng 1.2: Hiện trạng ô nhiễm Asen Hà Tây cũ (năm 2008) .11 Bảng 3.1 Kết quan trắc nước mặt 40 Bảng 3.2 Kết quan trắc nước ngầm 41 Bảng 3.3 Chất lượng nước sinh hoạt hộ gia đình Cao Dương – Thanh Oai 43 Bảng 3.4 : Tính tốn nhu cầu cấp nước vùng nghiên cứu 45 Bảng 3.5: Kết phân tích hiệu xử lý Asen đợt .47 Bảng 3.6: Kết phân tích hiệu xử lý Asen đợt .48 Bảng 3.7: Kết phân tích hiệu xử lý Asen đợt .49 Bảng 3.8: Kết phân tích hiệu xử lý Asen đợt .50 Bảng 3.9: Các thông số kỹ thuật thiết bị cơng suất 60 - 80 lít/h 59 Bảng 3.10: Các thông số kỹ thuật thiết bị cơng suất 300 lít/h .61 Bảng 3.11: Bảng chi phí xây dựng lắp đặt thiết bị cơng trình 68 DANH MỤC HÌNH VẼ Hình 1.1: Ơ nhiễm Asen gây bệnh ung thư da .13 Hình 2.1: Bể ngầm trữ nước mưa 16 Hình 2.2: Bể trữ nước mưa .16 Hình 2.3: Giếng khoan kết hợp máy bơm 17 Hình 2.4: Bể lọc cát đơn giản 17 Hình 2.5: Chuyển giao cơng nghệ chế tạo lõi lọc vật liệu Nano dạng màng 20 Hình 2.6: Nghiên cứu chế tạo thiết bị lọc vật liệu Nano cacbon để xử lý Asen 20 Hình 2.7: Vật liệu cacbon Nano .23 Hình 2.8: Cấu tạo lọc đơn công nghệ nano 24 Hình 2.9: Chuẩn bị nguyên vật liệu sản xuất lõi lọc 25 Hình 2.10: Gắn đáy vào thân lõi 25 Hình 2.11: Tiếp liệu nén ép vật liệu vào thân lõi 26 Hình 2.12: Gắn nắp vào thân lõi 26 Hình 2.13: Nén ép lõi hoàn thiện 27 Hình 2.14: Kiểm tra đo đạc sản phẩm 27 Hình 2.15: Bộ lọc đơn công suất 60 – 80 l/h 28 Hình 2.16: Bộ lọc đơn công suất 300 - 350 l/h .29 Hình 2.17: Sơ đồ dây chuyền công nghệ 30 Hình 3.1: Vị trí xã Cao Dương đồ 33 Hình 3.2: Trẻ em lớp học trường mầm non Cao Dương 37 Hình 3.3: Lớp học trường mầm non Cao Dương – khu Dược Liệu .38 Hình 3.4: Nước giếng khoan nhiễm sắt Asen Cao Dương 38 Hình 3.5: Sơ đồ dây chuyền công nghệ xử lý ứng dụng cơng nghệ nano 53 Hình 3.6: Mặt bố trí hạng mục cơng trình xử lý ứng dụng cơng nghệ nano 54 Hình 3.7: Bản vẽ giếng khoan kết hợplắp đặt máy bơm nước .55 Hình 3.8: Mặt cắt bể lọc cát 56 Hình 3.9: Mặt cắt bể chứa nước sau lọc cát 58 Hình 3.10: Fin lọc tinh 58 Hình 3.11: Thiết bị lọc nước xử lý Asen hộ gia đình .59 Hình 3.12: Thiết bị lọc nước xử lý Asen trường mầm non 60 Hình 3.13: Lắp đặt thiết bị xử lý hộ gia đình 63 Hình 3.14: Lắp đặt thiết bị xử lý trường mầm non 63 MỞ ĐẦU I Tính cấp thiết Đề tài Nước nguồn tài nguyên quý Quốc gia, nước thiếu sống sinh hoạt hàng ngày q trình sản xuất cơng nghiệp, nơng nghiệp Tuy nhiên phát triển kinh tế nóng bối cảnh biến đổi khí hậu tồn cầu diễn ngày nhanh dẫn đến nguy cạn kiệt nguồn tài ngun nước, dẫn tới tình trạng nhiễm nguồn nước nhiều nước giới, đặc biệt ô nhiễm kim loại nặng Asen nước ngầm Ơ nhiễm Asen (thạch tín-ký hiệu hóa học: As) nước ngầm trở thành mối quan tâm đặc biệt giới xảy thảm họa nhiễm độc Asen diện rộng Bangladesd Tây Bengan Ấn Độ Nhiễm độc Asen gây bệnh nguy hiểm dẫn tới tử vong cho người ưng thư da quan nội tạng Ngày nay, hai khu vực trên, phát nhiều nơi giới Mỹ, Canađa, Achentina, Đài Loan, Việt Nam có nguồn nước bị nhiễm Asen Vì nhiều quốc gia giới hoạch định thể chế quản lý để đảm bảo việc kiểm soát tốt nguồn tài nguyên vô giá làm cho nguồn nước ngày Các giải pháp nghiên cứu ứng dụng khoa học công nghệ nhằm khai thác, sử dụng nước tiết kiệm, cải thiện chất lượng nguồn nước trọng Một giải pháp công nghệ quan tâm gần ứng dụng vật liệu Nano lọc nước cấp nước ăn, uống Đây công nghệ đại Việt Nam giới Công nghệ Nano trở thành lĩnh vực khoa học công nghệ đóng vai trị quan trọng việc giải số bất cập thiết bị xử lý nước truyền thống, đặc biệt xử lý loại bỏ kim loại nặng asen, đạt tiêu chuẩn cấp nước ăn, uống Ở Việt Nam nay, có nhiều nguồn nước ngầm bị nhiễm asen, đặc biệt vùng gần khu đô thị, công nghiệp Xã Cao Dương, huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội điểm bị nhiễm asen với hàm lượng cao, có mẫu phân tích cao gấp hàng chục lần tiêu chuẩn cho phép WHO, làm nhiễm độc nguồn nước, ảnh hưởng nghiêm trọng đến sức khỏe cộng đồng, đặc biệt làm tăng nguy gây ung thư thể người Trong phần lớn nguồn nước sử dụng cho sinh hoạt hàng ngày người dân xã giếng khoan khai thác nước ngầm bị ô nhiễm asen Vì việc nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ nano lọc nước, cấp nước sinh hoạt cho vùng ô nhiễm asen, xã Cao Dương, huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội cần thiết cấp bách II Mục đích nghiên cứu Nghiên cứu ứng dụng cơng nghệ Nano lọc nước, cấp nước sinh hoạt cho vùng ô nhiễm asen, xã Cao Dương, huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội III Đối tượng Phạm vi nghiên cứu Đối tượng nghiên cứu: Nghiên cứu ứng dụng công nghệ nano lọc nước, cấp nước sinh hoạt cho vùng ô nhiễm asen Phạm vi nghiên cứu: Vùng ô nhiễm asen, xã Cao Dương, huyện Thanh Oai, thành phố Hà Nội IV Cách tiếp cận phương pháp nghiên cứu 4.1 Cách tiếp cận - Tiếp cận thực tế: Đi khảo sát, nghiên cứu, thu thập số liệu vùng nhiễm Asen, qua đánh giá thực trạng mức độ ô nhiễm Asen vùng nghiên cứu để đưa giải pháp công nghệ phù hợp cấp nước sinh hoạt, xử lý Asen đạt tiêu chuẩn cho phép - Tiếp cận hệ thống: Tiếp cận, tìm hiểu, phân tích hệ thống từ tổng thể đến chi tiết, đầy đủ hệ thống - Tiếp cận phương pháp nghiên cứu mới, công nghệ Nano lọc nước nước giới nước: Các phương pháp nghiên cứu mới, công nghệ đặc biệt công nghệ Nano nước giới quan tâm đặc biệt ứng dụng nhiều lĩnh vực mang lại hiệu cao, ứng dụng cơng nghệ nano lọc nước cấp nước xử lý kim loại nặng có hại cho sức khỏe người Asen…đạt tiêu chuẩn cấp nước ăn, uống 56 bán phổ biến thị trường Do việc chế tạo lắp đặt giàn mưa đơn giản, dễ dàng, khơng tốn nhiều chi phí Tuy nhiên chế tạo giàn mưa ống thép, ống kẽm tùy theo điều kiện hộ gia đình - Bể lọc cát : Sử dụng bể lọc cát có giàn phun mưa để lọc làm giảm chất ô nhiễm có nước Do nhu cầu dùng nước khu vực dân cư vùng khu vực dân cư nông thôn nên nhu cầu dùng nước không lớn nên lựa chọn phương pháp lọc bể lọc chậm Bể lọc cơng trình quan trọng hệ thống xử lý nước cấp cho gia đình, trường mầm non Với hộ gia đình nhu cầu sử dụng nước không nhiều nên bể lọc đươc xây dựng với kích thước nhỏ Bể lọc thường xây gạch đặc dày 110, vữa xi măng cát vàng mác 75, trát trát Bể lọc cát trường mầm non xây dựng với kích thước lớn hơn, để lọc nhiều , nhanh đáp ứng nhu cầu dùng nước cô cháu Bể lọc cát cho trường mầm non thiết kế xây dựng sau: Hình 3.8: Mặt cắt bể lọc cát + Giàn phun mưa phía bể lọc cát + Hệ thống van bao gồm: van chẩy tràn, van rửa lọc (V1), van lấy nước sau lọc (V3) van xả nước lọc ban đầu (V2) + Hệ thống ống thu nước đặt phía đáy bể lọc cát 57 + Lớp vật liệu lọc bao gồm lớp cát lọc phía lớp sỏi đá cuội phía + Chiều cao bể 1,3 m; chiều rộng bể 1,22m; chiều dài 2,3 m; chiều cao lớp cát lọc Hcát = 50cm, đường kính hạt 0,25mm -1mm ; chiều cao lớp sỏi Hsỏi = 10 cm, đường kính hạt 0,5cm -1cm + Bể xây gạch đặc dày 110 vữa xi măng cát vàng mác trát trát vữa xi măng cát mác 75 + Đáy bể dày 150 mm đổ bê tông cốt thép M250 - Bể chứa nước sau lọc cát: Nước sau lọc qua bể lọc cát trữ vào bể chứa Bể chứa cần xây dựng chắn ổn định có cố xảy không đảm bảo chất lượng nước cấp cho thiết bị ảnh hưởng tới chất lượng nước lọc, làm hệ thống nhanh phải bảo dưỡng thay Bể thiết kế xây dựng sau: + Bể xây dựng với kích thước chiều dài 2,3m; chiều rộng 2,3m; chiều cao 1,8m Bể phần chìm phần mặt đất + Bể xây gạch đặc dầy 220mm, đáy bể nắp bể đổ bê tông cốt thép mác 200 dầy 150mm Tường bể trát trát vữa xi măng cát vàng mác 750 trở lên để tránh rò rỉ nước bẩn từ bên vào bên bể chứa Đáy bể láng vữa xi măng để đảm bảo cho nước không ngấm vào bể theo chiều từ lên qua đáy bể chứa + Trên nắp bể có chừa lại lỗ để dùng kiểm tra, bảo dưỡng, rửa bể sau Và sử dụng cho mục đích khác nước chữa cháy, tưới 58 Hình 3.9: Mặt cắt bể chứa nước sau lọc cát - Fin tinh lọc: Thiết bị lọc tinh lọc có tác dụng chặn thành phần hạt có kích thước lớn micromet Fin tinh lọc lọc hạt có kích thước lớn micromét làm giảm hàm lượng hạt thô vào thiết bị lọc Nano nhờ mà thiết bị nano làm việc hiệu hơn, bền lâu, thời gian bảo dưỡng thay kéo dài hơn, giảm chi phí cho người sử dụng, đảm bảo chất lượng nước lọc đầu hệ thống Hình 3.10: Fin lọc tinh 59 - Bồn chứa nước: Để đảm bảo cung cấp nước thường xun, đầy đủ gia đình nên có bồn chứa đặt cao( tầng nhà, trần nhà) để sử dụng dự trữ cho sinh hoạt ăn uống Tại trường mầm non xã Cao Dương sử dụng 02 bồn chứa inox loại m3 - Hệ thống đường ống nước: Hệ thống đường ống lắp đặt ống nhựa PVC sử dụng phổ biến thị trường Quá trình lắp đặt hệ thống đơn giản, dễ dàng, không tốn nhiều kinh phí c Thiết bị lọc nước cơng nghệ nano: + Thiết bị lọc công suất 60 – 80 lít/h: Hình 3.11: Thiết bị lọc nước xử lý Asen hộ gia đình Thiết bị lọc nước hộ gia đình với cấp lọc: Cấp lọc thô: Vật liệu polypropylen với kích thước lọc: – 10 µm (micro mét) Cấp lọc tinh: Vật liệu than hoạt tính dạng hạt 1-2mm Cấp lọc tinh xử lý Asen: Bằng vật liêu lọc ứng dụng công nghệ NANO 60 Bảng 3.9: Các thông số kỹ thuật thiết bị công suất 60 - 80 lít/h STT Thơng số Kích thước, quy mơ Kích thước (dài - rộng - cao) cm 55 – 17 – 45 cm Cấp lõi lọc cấp Áp lực mét cột nước (m) 3-5 m Trọng lượng thiết bị (khô) (kg) 5,5 kg Tốc độ lọc tối đa (lít/giờ) 80 l/h Lọc Asen đạt (mg/l)